CN105515431A

CN105515431A - 一种光伏并网逆变器pi控制方法

Info

Publication number: CN105515431A
Application number: CN201610059191.8A
Authority: CN
Inventors: 沈鑫; 曹敏; 王昕�; 张林山; 黄星; 闫永梅; 马红升
Original assignee: Electric Power Research Institute of Yunnan Power System Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Yunnan Power System Ltd
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-04-20

Abstract

本发明提供一种逆变器的控制方法，所述逆变器的控制方法包括以下步骤：选取逆变器增益K_inv和时间常数T_inv；根据所述逆变器增益K_inv和所述时间常数T_inv计算并网逆变器的传递函数G_inv(s)；选取比例系数K_P和积分系数K_I；根据所述比例系数K_P和所述积分系数K_I计算调节器传递系数G_C(s)；根据所述传递函数G_inv(s)和所述闭环传递系数G_C(s)计算开环传递函数G_open(s)。本发明建立一种并网逆变器电流内环控制的电气模型，以单相光伏并网发电系统为例，分析了电流内环采用PI控制时参数的选取对系统稳定性和指令电流闭环跟踪能力的影响，提出PI参数的选取方法，并进行仿真分析证明了参数选取的合理性。

Description

一种光伏并网逆变器PI控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器的控制方法，具体涉及一种光伏并网逆变器PI控制方法。

背景技术

随着太阳能光伏发电技术是最有发展前景的可再生能源技术之一，是当前国内外的研究热点。并网逆变器是光伏发电系统的核心部件之一，其电流快速跟踪控制的效果直接关系到光伏并网发电的电能质量。一般主要考虑其并网电流的正弦性、并网功率因数和维持母线电压稳定的能力，因此电压外环和电流内环的双环控制方式也是目前并网逆变器较常见的控制策略。由于光伏逆变器输出端连接的电网可以看成是一个扰动量，因此采用电流内环控制可提高光伏系统的抗干扰能力，保证输出电流的快速跟踪性能和整个并网系统的稳定运行。电流内环设计存在多种方法，在控制策略方面，主要有滞环控制、PI控制(比例积分控制)、无差拍控制等。其中，PI控制以及PI控制中参数的选取方法一直是研究的热点。

发明内容

本发明建立一种并网逆变器电流内环控制的电气模型，以单相光伏并网发电系统为例，分析了电流内环采用PI控制时参数的选取对系统稳定性和指令电流闭环跟踪能力的影响，提出PI参数的选取方法，并进行仿真分析证明了参数选取的合理性。

本发明提供一种逆变器的控制方法，所述逆变器的控制方法包括以下步骤：选取逆变器增益K_inv和时间常数T_inv；根据所述逆变器增益K_inv和所述时间常数T_inv计算并网逆变器的传递函数G_inv(s)；选取比例系数K_P和积分系数K_I；根据所述比例系数K_P和所述积分系数K_I计算调节器传递系数G_C(s)；根据所述传递函数G_inv(s)和所述闭环传递系数G_C(s)计算开环传递函数G_open(s)。

优选的，所述逆变器增益K_inv的取值范围为0-300，所述时间常数T_inv的取值范围为0.0001ms-10s。

优选的，所述根据所述逆变器增益K_inv和所述时间常数T_inv计算并网逆变器的传递函数G_inv(s)的计算公式为：

优选的，所述根据所述比例系数K_P和所述积分系数K_I计算闭环传递系数G_C(s)的计算公式为：

G_{C} (s) = K_{P} (1 + \frac{1}{K_{I} s}) .

优选的，所述传递函数G_inv(s)和所述闭环传递系数G_C(s)计算开环传递函数G_open(s)的计算公式为：G_open(s)＝G_inv(s)·G_LC(s)·G_C(S)。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种逆变器的控制方法的方法流程图；

图2是本发明实施例中提供的单相光伏并网系统的控制系统实现框图；

图3是本发明实施例中提供的并网逆变器的电流内环控制模型图；

图4是本发明实施例中提供的保持K_I为0.005，K_P分别为0.2，2，20时的开环传递函数波特图；

图5是本发明实施例中提供的保持K_P为5，K_I分别为0.0001，0.01，1时的开环传递函数波特图；

图6是本发明实施例中提供的保持K_I为0.005，K_P分别为0.2，2，20时的闭环传递函数波特图；

图7是本发明实施例中提供的保持K_P为5，K_I分别为0.0001，0.01，1时的闭环传递函数波特图；

图8是本发明实施例中提供的K_P＝5，K_I＝0.005时的并网电压电流波形；

图9是本发明实施例中提供的K_P＝5，K_I＝0.005时的并网电流频谱。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

请参看图1，所示为本发明实施例中提供的一种逆变器的控制方法的方法流程图。

由图1可知，本发明提供一种逆变器的控制方法，所述逆变器的控制方法包括以下步骤：选取逆变器增益K_inv和时间常数T_inv；根据所述逆变器增益K_inv和所述时间常数T_inv计算并网逆变器的传递函数G_inv(s)；选取比例系数K_P和积分系数K_I；根据所述比例系数K_P和所述积分系数K_I计算调节器传递系数G_C(s)；根据所述传递函数G_inv(s)和所述闭环传递系数G_C(s)计算开环传递函数G_open(s)。

进一步，所述逆变器增益K_inv的取值范围为0-300，所述时间常数T_inv的取值范围为0.0001ms-10s。

进一步，所述根据所述逆变器增益K_inv和所述时间常数T_inv计算并网逆变器的传递函数G_inv(s)的计算公式为：

进一步，所述根据所述比例系数K_P和所述积分系数K_I计算调节器传递系数G_C(s)的计算公式为：

G_{C} (s) = K_{P} (1 + \frac{1}{K_{1} s}) .

进一步，所述传递函数G_inv(s)和所述闭环传递系数G_C(s)计算开环传递函数G_open(s)的计算公式为：G_open(s)＝G_inv(s)·G_LC(s)·G_C(S)。

请参考图2，所示为本发明实施例中提供的单相光伏并网系统的控制系统实现框图。

以下以单相光伏并网系统为例，由图2可知，并网逆变器采用直流电压外环、交流电流内环控制的控制策略，并在控制环中引入了电网电压前馈，以补偿电网电压对输出电流的影响，使得电流内环控制中不再含有电网电压扰动信号的环节。其整体控制过程为：将直流侧电压实时值U_dc与设定电压U_dc ^*比较，其误差通过调节器1进行控制，控制器1的输出结果乘以与电网电压同步的正弦信号sinwt，作为逆变器输出电流指令信号I_inv ^*，并与逆变器输出电流实时检测值I_inv比较，比较误差经调节器2控制，其输出结果与电网电压U_S的前馈信号(电网电压经调节器3控制)求和，再由PWM发生器产生驱动逆变器工作的开关信号。

根据图2所示的单相光伏并网系统控制系统结构图可以建立并网逆变器的电流内环控制模型如图3所示，其中G_C(s)为调节器2的传递函数，具体表现形式由所采用的控制策略决定。

G_inv(s)为并网逆变器的传递函数，忽略死区时间的非线性影响，桥式逆变环节可视为高增益、小惯性的环节，表述为：

G_{i n v} (s) = \frac{K_{i n v}}{T_{i n v} s + 1}

式中，K_inv为逆变器的增益，T_inv为逆变器的时间常数。

图3中的G_LC(s)是LC滤波环节中逆变输出电压U_inv到逆变输出电流I_inv的传递函数，一般来说，有R_S<<ωL_S，于是可以得到：

电流内环PI控制策略及仿真分析：

并网逆变器的电流内环采用PI控制策略，即文中G_C(s)的设计采取PI控制，下面将重点讨论PI参数的选取对系统稳定性和指令电流闭环跟踪能力的影响。

若电流内环控制采用PI控制，则有式(3)，式中的K_P为比例系数，K_I为积分系数。

G_{C} (s) = K_{P} (1 + \frac{1}{K_{I} s}) - - - (3)

对基于PI控制的并网逆变器电流内环控制效果进行仿真分析计算，根据工程经验，优选K_inv＝30，T_inv＝0.01ms。代入在试验过程中，设置连接电感L_S＝2mH，则带入后有：G_LC(s)＝1/0.004s。又根据工程经验，取K_inv＝30，T_inv＝0.01ms。则经过PI校正以后，电流内环的开环传递函数G_open(s)为：

G_{o p e n} (s) = G_{i n v} (s) \cdot G_{L C} (s) \cdot G_{c} (s) = \frac{K_{i n v} K_{P} (K_{I} s + 1)}{2 L_{S} K_{I} s^{2} (T_{i n v} s + 1)} = \frac{30 \cdot K_{P} (K_{I} s + 1)}{4 \times 10^{- 3} \cdot K_{I} s^{2} (1 \times 10^{- 5} s + 1)} - - - (4)

PI参数对系统稳定性的影响分析：

先设置积分系数K_I＝0.005并保持不变，当比例系数K_P分别为0.2、2和20时，用MATLAB分析G_open(s)，其开环频率特性如图4所示。由图4可知，K_P分别为0.2、2和20时，相角裕度分别为81.6°、80.7°和43.9°，说明当积分系数K_I固定，而比例系数K_P逐渐增大时，系统开环相角稳定裕度快速地减小，系统稳定性能逐渐下降。又从开环Bode图可知，当K_P值减小时，幅频曲线的过零交点左移，从而相角稳定裕度会减小，因此K_P值的选取不能过大也不要太小。

当保持比例系数K_P＝5不变时，积分系数K_I分别为0.0001、0.01和1时，用MATLAB分析G_open(s)，其开环频率特性如图5所示。由图5可知，保持K_P不变，K_I分别为0.0001、0.01和1时，幅值稳定裕度不受影响，而相角裕度分别为54.6°、70.4°和70.8°。说明当比例系数K_P固定，而积分系数K_I逐渐增大时，系统开环幅值稳定裕度基本不变，相角稳定裕度逐渐增大，系统稳定性能逐渐提升。因此，在实际的工程应用中，积分系数K_I值的选取不能太小。

当积分系数K_I＝0.005并保持不变时，取系统稳定范围内的比例系数K_P值分别为0.2，2和20时，G_close(s)的波特图如图6所示。从图6中可以看出，K_I＝0.005，K_P＝0.2，2，20时，随着K_P值的增大，幅值无差跟踪频率范围拓宽，但当K_P＝20时，在16kHz附近有谐振放大的现象，系统的稳定性下降。而K_P值过小时，其相频跟踪曲线较差，并在50Hz附近存在较大跟踪误差。尤其K_P＝0.2时，基频相角有10°左右跟踪误差。另外，对于同一K_P值，随着频率的升高其幅值与相角跟踪差值越来越大，将会带来高频跟踪误差。

同理，当保持积分系数K_P＝5不变时，取系统稳定范围内的积分系数K_I值分别为0.0001，0.01和1时，用Matlab分析Gclose(s)波特图如图7所示。从图7中可以看出，当比例系数K_P＝5并保持不变，而K_I＝0.0001，0.01，1时，随着K_I值的增大，幅值无差跟踪频率范围基本不变，在比较大的频率范围内都能无差跟踪，而相角跟踪频率范围则逐渐减小。但K_I过小时，尤其K_I＝0.0001时，幅频特性曲线在高频4.8kHz附近有谐振放大的现象，系统的稳定性下降。对于同一K_I值，随着频率的升高其幅值与相角跟踪差值越来越大，因此会出现高频跟踪误差。

PI参数选取及仿真验证：

根据2.1节的开环稳定性分析可知，K_P值过大或K_I和K_P值过小都能会使系统稳定性下降。根据2.2节的闭环跟踪能力分析可知，随着K_P值的增大或者随着K_I值的减小，都会在高频部分引起谐波放大的现象，这与开环稳定性的分析是一致的。然而，随着K_P值的减小，其相频跟踪曲线在50Hz附近都存在较大的跟踪误差从而引起该频段内谐波的放大。这说明在采用PI控制策略进行电流内环控制时，对于PI参数的选取必须非常细致。通过大量的试验研究，对于图1和图2所示的单相光伏并网系统，当采用PI控制策略时，可以考虑取K_P∈[3,8]和K_I∈[0.005,0.05]，此时整个系统可以取得较好的并网效果。

为验证上述结论，利用仿真软件Psim6.0搭建单相光伏并网电路和控制电路，采用电流内环PI控制策略，取K_P＝5，K_I＝0.005，得到电网电压U_S和并网电流I_S的时域波形如图8所示，并网电流I_S的频谱如图9所示。

从图8可以看出，电流内环采用PI控制算法0.08s以后系统达到稳定，并网电流与电网电压相位差距很小，较好的实现了相位跟踪功能，使得并网系统具有较高的功率因数。而且仿真测量并网电流的总畸变率为3.1％，满足光伏系统并网电流总畸变率低于5％的要求。另外，从图9中还可以看出，并网电流的基波幅值约11A，并网有功约为1710W。I_S在8.6kHz附近的谐波幅值为0.7A左右，谐波含量较小，系统稳定性也较好。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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

1.一种逆变器的控制方法，其特征在于，所述逆变器的控制方法包括以下步骤：

选取逆变器增益K_inv和时间常数T_inv；

根据所述逆变器增益K_inv和所述时间常数T_inv计算并网逆变器的传递函数G_inv(s)；

选取比例系数K_P和积分系数K_I；

根据所述比例系数K_P和所述积分系数K_I计算调节器传递系数G_C(s)；

根据所述传递函数G_inv(s)和所述闭环传递系数G_C(s)计算开环传递函数G_open(s)。

2.根据权利要求1所述的逆变器的控制方法，其特征在于，所述逆变器增益K_inv的取值范围为0-300，所述时间常数T_inv的取值范围为0.0001ms-10s。

3.根据权利要求1所述的逆变器的控制方法，其特征在于，所述根据所述逆变器增益K_inv和所述时间常数T_inv计算并网逆变器的传递函数G_inv(s)的计算公式为：

G_{i n v} (s) = \frac{K_{i n v}}{T_{i n v} s + 1} .

4.根据权利要求1所述的逆变器的控制方法，其特征在于，所述根据所述比例系数K_P和所述积分系数K_I计算闭环传递系数G_C(s)的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的逆变器的控制方法，其特征在于，所述传递函数G_inv(s)和所述闭环传递系数G_C(s)计算开环传递函数G_open(s)的计算公式为：

G_open(s)＝G_inv(s)·G_LC(s)·G_C(S)。