CN104319814A - 一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法及系统，该方法及系统首先对光伏并网逆变器建立系统小信号模型；然后绘制系统小信号模型的根轨迹图；最后根据根轨迹图，选取能使系统主特征值远离虚轴的一组参数值作为控制参数。由于本方法及系统无需经过反复试验来选取控制参数，而是利用根轨迹法直接选取控制参数，因此能够解决现有的控制参数确定方法需要反复试验，费时费力、工作效率较低的问题。

Description

一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法及系统

技术领域

本申请涉及自动控制技术领域，更具体地说，涉及一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法及系统。

背景技术

光伏并网逆变器用于将光伏电池产生的直流电变换为交流电，再输入电网。在这个过程中，光伏电池接收到的光照强度随着自然环境的变化(天气变化、云的移动等)会不断变化，因此并网逆变器的输出功率也会随之变化。而逆变器的输出功率是由控制回路来控制的，控制回路中有多个比例积分控制器，比例积分控制器的控制参数决定了整个控制回路的控制效果，若控制参数设计不当，会使逆变器的输出功率不能随着光照的变化而快速变化，造成能量的损失；或者虽然变化迅速，但是波动过于剧烈，在滤波器中产生很高的感应电压，损坏元器件。因此合理的控制参数往往直接关系到光伏并网逆变器的正常运行。

对于光伏并网逆变器的控制参数设计方法，目前通用的方法为试错法。即首先根据经验选取一组初值，将其接入实际电路中，测量其输出电流的波动情况，然后根据控制理论的基本原理，对控制参数进行调节。若光照变化时，输出电流变化缓慢，则增大比例系数；若稳态时输出功率低于光伏电池最大功率，则增大积分系数等。需要反复试验，费时费力、工作效率较低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法及系统，用于确定光伏并网逆变器的控制参数，以解决现有的控制参数确定方法需要反复试验，费时费力、工作效率较低的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法，包括如下步骤：

对所述光伏并网逆变器建立系统小信号模型；

绘制所述系统小信号模型的根轨迹图；

根据根轨迹图，选取能使系统主特征值远离虚轴的一组控制参数值作为所述光伏并网逆变器的控制参数。

优选的，所述对所述光伏并网逆变器建立系统小信号模型，包括：

对所述光伏并网逆变器建立简化电路模型；

针对所述简化电路模型建立所述小信号模型。

优选的，所述绘制所述系统小信号模型的根轨迹图，包括：

根据所述小信号模型建立状态矩阵；

根据所述状态矩阵绘制所述根轨迹图。

优选的，所述从所述根轨迹图中选取能使系统主特征值远离虚轴的一组控制参数值作为所述光伏并网逆变器的控制参数，包括：

确定所述根轨迹图的主特征值；

根据所述主特征值的范围确定所述控制参数的范围；

选取使主特征值远离虚轴的一组控制参数作为所述控制参数。

优选的，所述控制参数包括控制回路中的所有PI控制器的控制参数。

一种光伏并网逆变器的控制参数确定系统，包括：

建模模块，用于对所述光伏并网逆变器建立系统小信号模型；

绘制模块，用于绘制所述系统小信号模型的根轨迹图；

选定模块，用于从所述根轨迹图中选取使主特征值远离虚轴的一组控制参数作为所述光伏并网逆变器的控制参数。

优选的，所述建模模块包括：

第一建模单元，用于对所述光伏并网逆变器建立简化电路模型；

第二建模单元，用于针对所述简化电路模型建立所述小信号模型。

优选的，所述绘制模块包括：

矩阵建立单元，用于根据所述小信号模型建立状态矩阵；

绘图单元，用于根据所述状态矩阵绘制所述根轨迹图。

优选的，所述选定模块包括：

主特征值确定单元，用于确定所述根轨迹图的主特征值；

范围确定单元，用于根据所述主特征值的范围确定所述控制参数的范围；

选取单元，用于选取使主特征值远离虚轴的一组控制参数作为所述控制参数。

优选的，所述控制参数包括控制回路中的所有PI控制器的控制参数。

从上述技术方案可以看出，本申请提供了一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法及系统，该方法及系统首先对光伏并网逆变器建立系统小信号模型；然后绘制系统小信号模型的根轨迹图；最后从根轨迹图中选取离虚轴最远的特征值作为控制参数。由于本方法及系统无需经过反复试验来选取控制参数，而是利用根轨迹法直接选取控制参数，因此能够解决现有的控制参数确定方法需要反复试验，费时费力、工作效率较低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法的流程图；

图2为本申请提供的光伏逆变器的等效电路图；

图3为本申请提供光伏并网逆变器的控制原理图；

图4为本申请提供的系统小信号模型的特征值分布图；

图5为本申请提供的K_p连续变化时系统根轨迹图；

图6为本申请提供的K_p连续变化时系统主特征值轨迹；

图7为本申请提供的K_i连续变化时系统根轨迹图；

图8为本申请另一实施例提供的一种光伏并网逆变器的控制参数确定系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

图1为本申请实施例提供的一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法的流程图。

如图1所示，本实施例提供的光伏并网逆变器的控制参数确定方法包括如下步骤：

S101：对光伏并网逆变器建立系统小信号模型。

以LCL滤波器的电流环控制方式为例，首先确定其简化电路模型，如图2所示。

其中，L₁、L₂、C_f分别为LCL滤波器的滤波电感和滤波电容，R_c为与滤波电容串联的电阻，u_c为滤波电容两端电压，u、u₀、u_e分别为图中对应节点的电压，i₁为流过L₁的电流，i₂为注入母线的电流。由于目前光伏并网逆变器一般都接入低压微网或配电网，因此本文中设定母线电压为380V，在此电压等级下，连接线呈电阻性，图中用R_Line表示。

为了提高对光能的利用效率，光伏并网逆变器均采用PQ控制以输出最大的有功功率，控制原理图如图3所示。

其中下标d、q表示该量在dq坐标系下的d轴和q轴分量，p_ref、q_ref为有功功率和无功功率的参考值。PLL可以使dq变换的角度和u_e的相角保持一致，由Park变换可以得到

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ed}}=u_{\mathrm{em}}\\ u_{\mathrm{eq}}=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中u_em为u_e的幅值。由瞬时无功功率理论可得逆变器输入母线的功率P、Q分别为

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{ed}}\·i_{2d}+u_{\mathrm{eq}}\·i_{2q})\\ Q=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{eq}}\·i_{2d}-u_{\mathrm{ed}}\·i_{2q})\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据以上关系，可以由功率参考值得到电流参考值i_dref、i_qref。再利用PI控制器进行闭环控制，即可达到控制输出功率的目的。由图2可见，PI控制器中共有K_p和K_i两个参数需要确定，其中K_p为第一控制参数，K_i为第二控制参数。

由图3可得

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{ref}}=\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{ed}}\·i_{\mathrm{dref}}\\ q_{\mathrm{ref}}=-\frac{3}{2}{u}_{\mathrm{ed}}\·i_{\mathrm{qref}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

将电流的参考值与反馈值进行比较，得到电流的误差量

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{x}}_d=i_{\mathrm{dref}}-i_{2d}\\ {\stackrel{.}{x}}_q=i_{\mathrm{qref}}-i_{2q}\end{array}\right.---\left(4\right)$

电流环的输出就是电压的指令值，当逆变器的频率较高时，可以忽略其动态过程，认为逆变器输出电压和指令值相同：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=K_p\·{\stackrel{.}{x}}_d+K_i.x_d\\ u_q=K_p.{\stackrel{.}{x}}_q+K_i\·x_q\end{array}\right.---\left(5\right)$

逆变器的输出经过LCL滤波后注入母线：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1({\stackrel{.}{i}}_{1d}-\mathrm{\ω}\·i_{1q})=u_d-u_{0d}\\ R_c(i_{1d}-i_{2d})+u_{\mathrm{cd}}=u_{0d}\\ C_f({\stackrel{.}{u}}_{\mathrm{cd}}-\mathrm{\ω}\·u_{\mathrm{cq}})=i_{1d}-i_{2d}\\ L_2({\stackrel{.}{i}}_{2d}-\mathrm{\ω}\·i_{2q})=u_{0d}-u_{\mathrm{ed}}-R_{\mathrm{lime}}\·i_{2d}\\ L_1({\stackrel{.}{i}}_{1q}+\mathrm{\ω}\·{\stackrel{.}{i}}_{1d})=u_q-u_{0q}\\ R_c(i_{1q}-i_{2q})+u_{\mathrm{cq}}=u_{0q}\\ C_f({\stackrel{.}{u}}_{\mathrm{cq}}+\mathrm{\ω}\·u_{\mathrm{cd}})=i_{1q}-i_{2q}\\ L_2({\stackrel{.}{i}}_{2q}+\mathrm{\ω}\·i_{2d})=u_{0q}-u_{\mathrm{eq}}-R_{\mathrm{lime}}\·i_{2q}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(1)-(6)即为系统的系统小信号模型，可以根据系统的电路结构和控制原理图，依据基本的电学原理得到。

S102：绘制该系统小信号模型的根轨迹图。

首先根据上一步骤获取的系统小信号模型建立状态矩阵。

根据李雅普诺夫稳定性原理与控制理论的基本原理，若A矩阵的所有特征值均具有负实部，则系统是稳定的，且A矩阵特征值的分布决定了系统的振荡模式。本例中A的具体值如下：

$A=\left[\begin{array}{cc}{A}_1& A_2\\ A_3& A_4\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中

$A_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ \frac{K_i}{L_1}& 0& -\frac{R_c}{L_1}& \mathrm{\ω}\\ 0& \frac{K_i}{L_1}& -\mathrm{\ω}& -\frac{R_c}{L_1}\end{array}\right]---\left(8\right)$

$A_2=\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ -\frac{K_p+R_c}{L_1}& 0& -\frac{1}{L_1}& 0\\ 0& -\frac{K_p+R_c}{L_1}& 0& -\frac{1}{L_1}\end{array}\right]---\left(9\right)$

$A_3=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& \frac{R_c}{L_2}& 0\\ 0& 0& 0& \frac{R_c}{L_2}\\ 0& 0& \frac{1}{C_f}& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{C_f}\end{array}\right]---\left(10\right)$

$A_4=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_c+R_{\mathrm{lime}}}{L_2}& \mathrm{\ω}& \frac{1}{L_2}& 0\\ -\mathrm{\ω}& -\frac{R_c+R_{\mathrm{lime}}}{L_2}& 0& \frac{1}{L_2}\\ -\frac{1}{C_f}& 0& 0& \mathrm{\ω}\\ 0& -\frac{1}{C_f}& -\mathrm{\ω}& 0\end{array}\right]---\left(11\right)$

绘制待确定的控制参数的根轨迹图。

系统的参数如表1所示。

表1系统参数

为K_p和K_i取一组初值，可以任意选取。例如：K_p＝0.1，K_i＝100。将表1中的数据与K_p和K_i的值代入A矩阵中，可以得到系统小信号模型的根轨迹图，如图4所示。

S103：从该根轨迹图选取控制参数。

由图4可见，所有特征值均在左半平面，系统是稳定的。图中圆圈中的部分离虚轴最近，对系统的稳定性影响最大，为系统的主特征值。在参数的选取过程中，应使主特征值尽量远离虚轴，以增大系统的阻尼比。下面利用根轨迹法对系统控制参数进行重新选取。

令K_p在0.1到0.7的范围内连续变化，绘制系统的根轨迹，可以得到图5。

由图可见，随着K_p逐渐增大，系统中有两对特征值移动到了右半平面，系统失稳，临界值为0.62，因此K_p的取值不能超过0.62。为了使主特征值尽量远离虚轴，将圆圈中的部分放大后如图6所示。

由图可见，当K_p＝0.29时，主特征值离虚轴最远，因此确定K_p取值为0.29。同理，当K_p＝0.29时，对K_i进行根轨迹分析，将K_i在10到500的范围内变化，可得到系统根轨迹如图7所示。

可见当K_i变化时，系统主特征值迅速向左移动，同时有两对高频特征值迅速向右移动。为了让所有特征值都尽量远离虚轴，选取图中虚线所对应的位置作为取值点，此处K_i＝425。

至此两个控制参数均选取完成，最终选取的参数为K_p＝0.29，K_i＝425。若系统电路与控制回路与本例稍有不同，则相应调整公式(1)-(6)即可，后面的步骤完全相同。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法，该方法首先对光伏并网逆变器建立系统小信号模型；然后绘制系统小信号模型的根轨迹图；最后从根轨迹图中选取使主特征值远离虚轴的一组控制参数作为控制参数。由于本方法无需经过反复试验来选取控制参数，而是利用根轨迹法直接选取控制参数，因此能够解决现有的控制参数确定方法需要反复试验，费时费力、工作效率较低的问题。

实施例二

图8为本申请实施例提供的一种光伏并网逆变器的控制参数确定系统的结构图。

如图8所示，本实施例提供的光伏并网逆变器的控制参数确定系统包括建模模块10、绘制模块20和选定模块30。

建模模块10用于对光伏并网逆变器建立系统小信号模型，其包括第一建模单元(未示出)和第二建模单元(未示出)。

以LCL滤波器的电流环控制方式为例，第一建模单元用于首先确定其简化电路模型，如图2所示。

其中，L₁、L₂、C_C分别为LCL滤波器的滤波电感和滤波电容，R_e为与滤波电容串联的电阻，u_e为滤波电容两端电压，u、u₀、u_c分别为图中对应节点的电压，L₁为流过L₁的电流，i₂为注入母线的电流。由于目前光伏并网逆变器一般都接入低压微网或配电网，因此本文中设定母线电压为380V，在此电压等级下，连接线呈电阻性，图中用R_lime表示。

为了提高对光能的利用效率，光伏并网逆变器均采用PQ控制以输出最大的有功功率，控制原理图如图3所示。

其中下标d、q表示该量在dq坐标系下的d轴和q轴分量，p_ref、q_ref为有功功率和无功功率的参考值。PLL可以使dq变换的角度和u_e的相角保持一致，由Park变换可以得到式(1)。

其中u_em为u_e的幅值。由瞬时无功功率理论可得逆变器输入母线的功率P、Q分别为式(2)。

根据以上关系，可以由功率参考值得到电流参考值i_dref、i_qref。再利用PI控制器进行闭环控制，即可达到控制输出功率的目的。由图2可见，PI控制器中共有K_p和K_i两个参数需要确定。

由图3可得式(3)

将电流的参考值与反馈值进行比较，得到电流的误差量如式(4)。

电流环的输出就是电压的指令值，当逆变器的频率较高时，可以忽略其动态过程，认为逆变器输出电压和指令值相同，如式(5)所示。

逆变器的输出经过LCL滤波后注入母线得到式(6)。

式(1)-(6)即为第二建模单元建立的光伏并网逆变器的系统小信号模型。

绘制模块20用于绘制该系统小信号模型的根轨迹图。

矩阵建立单元(未示出)首先根据上一步骤获取的系统小信号模型建立状态矩阵。

根据李雅普诺夫稳定性原理与控制理论的基本原理，若A矩阵的所有特征值均具有负实部，则系统是稳定的，且A矩阵特征值的分布决定了系统的振荡模式。本例中A的具体值如下式(7)所示，其中A₁、A₂、A₃、A₄分别如式(8)、(9)、(10)、(11)所示。

其中

绘图单元用于绘制待确定的控制参数的根轨迹图。

系统的参数如表1所示。

为K_p和K_i取一组初值，可以任意选取。例如：K_p＝0.1，K_i＝100。将表1中的数据与K_p和K_i的值代入A矩阵中，可以得到系统小信号模型的根轨迹图，如图4所示。

选定模块30用于从该根轨迹图选取控制参数。

由图4可见，所有特征值均在左半平面，系统是稳定的。图中圆圈中的部分离虚轴最近，对系统的稳定性影响最大，为系统的主特征值。在参数的选取过程中，应使主特征值尽量远离虚轴，以增大系统的阻尼比。下面利用根轨迹法对系统控制参数进行重新选取。

主特征值确定单元(未示出)用于令K_p在0.1到0.7的范围内连续变化，绘制系统的根轨迹，可以得到图5。

由图可见，随着K_p逐渐增大，系统中有两对特征值移动到了右半平面，系统失稳，临界值为0.62，因此范围确定单元(未示出)确定K_p的取值不能超过0.62。为了使主特征值尽量远离虚轴，将圆圈中的部分放大后如图6所示。

由图可见，当K_p＝0.29时，主特征值离虚轴最远，因此确定K_p取值为0.29。同理，当K_p＝0.29时，对K_i进行根轨迹分析，将K_i在10到500的范围内变化，可得到系统根轨迹如图7所示。

可见当K_i变化时，系统主特征值迅速向左移动，同时有两对高频特征值迅速向右移动。为了让所有特征值都尽量远离虚轴，选取单元(未示出)用于选取图中虚线所对应的位置作为取值点，此处K_i＝425。

至此两个控制参数均选取完成，最终选取的参数为K_p＝0.29，K_i＝425。若系统电路与控制回路与本例稍有不同，则相应调整公式(1)-(6)即可，后面的步骤完全相同。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种光伏并网逆变器的控制参数确定系统，该系统包括用于对光伏并网逆变器建立系统小信号模型的建模模块，绘制系统小信号模型的根轨迹图的绘制模块，还有从根轨迹图中选取能使系统主特征值远离虚轴的一组控制参数值作为控制参数的选定模块。由于本系统无需经过反复试验来选取控制参数，而是利用根轨迹法直接选取控制参数，因此能够解决现有的控制参数确定方法需要反复试验，费时费力、工作效率较低的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光伏并网逆变器的控制参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

对所述光伏并网逆变器建立系统小信号模型；

绘制所述系统小信号模型的根轨迹图；

根据根轨迹图，选取能使系统主特征值远离虚轴的一组控制参数值作为所述光伏并网逆变器的控制参数。

2.如权利要求1所述的控制参数确定方法，其特征在于，所述对所述光伏并网逆变器建立系统小信号模型，包括：

对所述光伏并网逆变器建立简化电路模型；

针对所述简化电路模型建立所述小信号模型。

3.如权利要求1所述的控制参数确定方法，其特征在于，所述绘制所述系统小信号模型的根轨迹图，包括：

根据所述小信号模型建立状态矩阵；

根据所述状态矩阵绘制所述根轨迹图。

4.如权利要求1所述的控制参数确定方法，其特征在于，所述从所述根轨迹图中选取能使系统主特征值远离虚轴的一组控制参数值作为所述光伏并网逆变器的控制参数，包括：

确定所述根轨迹图的主特征值；

根据所述主特征值的范围确定所述控制参数的范围；

选取使主特征值远离虚轴的一组控制参数作为所述控制参数。

5.如权利要求4所述的控制参数确定方法，其特征在于，所述控制参数包括控制回路中的所有PI控制器的控制参数。

6.一种光伏并网逆变器的控制参数确定系统，其特征在于，包括：

建模模块，用于对所述光伏并网逆变器建立系统小信号模型；

绘制模块，用于绘制所述系统小信号模型的根轨迹图；

选定模块，用于从所述根轨迹图中选取使主特征值远离虚轴的一组控制参数作为所述光伏并网逆变器的控制参数。

7.如权利要求6所述的控制参数确定系统，其特征在于，所述建模模块包括：

第一建模单元，用于对所述光伏并网逆变器建立简化电路模型；

第二建模单元，用于针对所述简化电路模型建立所述小信号模型。

8.如权利要求6所述的控制参数确定系统，其特征在于，所述绘制模块包括：

矩阵建立单元，用于根据所述小信号模型建立状态矩阵；

绘图单元，用于根据所述状态矩阵绘制所述根轨迹图。

9.如权利要求6所述的控制参数确定系统，其特征在于，所述选定模块包括：

主特征值确定单元，用于确定所述根轨迹图的主特征值；

范围确定单元，用于根据所述主特征值的范围确定所述控制参数的范围；

选取单元，用于选取使主特征值远离虚轴的一组控制参数作为所述控制参数。

10.如权利要求9所述的控制参数确定系统，其特征在于，所述控制参数包括控制回路中的所有PI控制器的控制参数。