CN105720856A - 基于电容电压单传感器的lcl型并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，涉及一种逆变器控制方法。为了解决LCL型并网逆变器有源阻尼控制传感器成本高、传统观测器方法复杂的问题。所述控制方法包括如下步骤：步骤一：采集LCL滤波器中的电容电压u_C；步骤二：将采集的电容电压u_C输入至扩张状态观测器，得到虚拟状态量；步骤三：对得到的虚拟状态量进行变换，得到真实的状态量估算值和电网电压估算值所述状态量估算值包括电网电流估算值和逆变器电流估算值步骤四：根据得到的电网电流估算值逆变器电流估算值和电网电压估算值产生逆变器的驱动信号，利用所述驱动信号对逆变器进行控制。用于可再生能源转换等场合中对LCL型并网逆变器的控制。

Description

基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法。

背景技术

以光伏、风电为代表的可再生能源的大规模利用是解决能源、环境与资源矛盾，实现人类可持续发展的途径之一。并网逆变器起着将可再生能源发出的电能转换为电网可接受交流电的作用。为抑制并网逆变器PWM斩波产生的谐波，需在逆变器和电网之间加入滤波器。并网逆变器常用的滤波器类型包括L型和LCL型。L型滤波器控制简单，稳定性好，在逆变器产品中应用广泛，其缺点是需要较大的电感量才能达到满意的滤波效果，体积、重量、成本较高。LCL型滤波器能以更少的元件成本提供更强的高频谐波抑制能力，减小并网电流的谐波。

LCL滤波器是电感和电容组成的三阶系统，本身存在谐振现象，会导致入网电流的畸变和振荡、逆变器过流、母线电压失稳甚至故障。谐振抑制主要有无源阻尼和有源阻尼两类方法。无源阻尼法通过串并联电阻来增加系统阻尼，但电阻会引起的损耗和发热，降低系统效率。有源阻尼通过控制算法实现谐振抑制，不存在阻尼损耗问题。

目前成熟的有源阻尼算法采用电容电流比例反馈构建控制内环，结合电网电流控制外环的方法。此方法需要三个传感器分别采样电网电流、电网电压和电容电流，传感器成本较高。减少传感器可使用状态观测的方法，但传统状态观测的方法仅用于观测状态变量(逆变器侧电流，电容电压，电网侧电流)，不能有效得出电网电压，且参数选取准则复杂。本发明采用扩张状态观测器，将包含电网电压信息的函数作为新的扩张状态变量，只需要采样电网电流，不仅可以准确估计出逆变器电流和电容电压等状态变量，还可以估计出电网电压，从而以单传感器实现并网电流的有源阻尼和电网同步控制。本发明的方法只需要电网侧的电流传感器，可有效降低成本，且参数选取较简单，易用性好。经仿真证明，本方法具有良好的性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决LCL型并网逆变器有源阻尼控制传感器成本高、传统观测器方法复杂的问题，本发明提供一种基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法。

本发明的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

步骤一：采集LCL滤波器中的电容电压u_C；

步骤二：将采集的电容电压u_C输入至扩张状态观测器，得到虚拟状态量；

步骤三：对得到的虚拟状态量进行变换，得到真实的状态量估算值和电网电压估算值

所述状态量估算值包括电网电流估算值和逆变器电流估算值

步骤四：根据得到的电网电流估算值逆变器电流和电网电压估算值产生逆变器的驱动信号，利用所述驱动信号对逆变器进行控制。

所述扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-u_C\\ z_1=z_1+h(z_2-{\mathrm{\β}}_{1}e)\\ z_2=z_2+h(z_3-{\mathrm{\β}}_{2}e)\\ z_3=z_3+h(z_4+b_0{u}_I-{\mathrm{\β}}_{3}e)\\ z_4=z_4+h(-{\mathrm{\β}}_{4}e)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，[z₁z₂z₃z₄]为扩张状态观测器输出的虚拟状态量，[β₁β₂β₃β₄]为扩张状态观测器的系数，e为中间变量，h为离散算法的采样时间，系数L_I表示LCL滤波器中逆变器侧的电感，L_G表示LCL滤波器中电网侧的电感，C表示LCL滤波器中的电容，u_I表示逆变器输出的电压。

所述扩张状态观测器中的[β₁β₂β₃β₄]为：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{1}{h},{\mathrm{\β}}_2=\frac{1}{\left(3h\right)h},{\mathrm{\β}}_3=\frac{2}{{\left(8h\right)}^{2}h},{\mathrm{\β}}_4=\frac{5}{{\left(13h\right)}^{3}h}.$

所述步骤三中，对得到的虚拟状态量进行变换，得到真实的状态量估算值和电网电压估算值的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{u}}_C=z_1\\ {\hat{i}}_I=\frac{1}{L_I{R}_G-L_G{R}_I}\left(\right(L_G+L_I)z_1+{\mathrm{CL}}_I{R}_G{z}_2+{\mathrm{CL}}_G{L}_I{z}_3-L_I{u}_G-L_G{u}_I)\\ {\hat{i}}_G=\frac{1}{L_I{R}_G-L_G{R}_I}\left(\right(L_G+L_I)z_1+{\mathrm{CL}}_G{R}_I{z}_2+{\mathrm{CL}}_G{L}_I{z}_3-L_I{u}_G-L_G{u}_I)\\ f\left({\hat{u}}_G\right)=L_I{\stackrel{\·}{\hat{u}}}_G+R_I{\hat{u}}_G=z_4\left({\mathrm{CL}}_G{L}_I\right)+(R_G+R_I)z_1+(L_G+L_I+{\mathrm{CR}}_G{R}_I)z_2+({\mathrm{CL}}_G{R}_I+{\mathrm{CL}}_I{R}_G)z_3+L_G{\stackrel{\·}{u}}_I\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，为LCL滤波器电容电压u_C的估算值，R_G为LCL滤波器电网侧电感的寄生电阻，R_I为LCL滤波器逆变器侧电感的寄生电阻；为电网电压的隐式微分方程形式，通过数值积分可得出电网电压估算值 为u_I的一阶导数。

所述通过数值积分可得出电网电压估算值的具体方法为：

对所述使用一阶欧拉数值积分算法，可得

${\hat{u}}_G{|}_{t=kT}={\hat{u}}_G{|}_{t=(k-1)T}+\frac{T}{L_I}\left(f\right({\hat{u}}_G){|}_{t=kT}-R_I{\hat{u}}_G{|}_{t=(k-1)T})---\left(3\right)$

其中t为使用一阶欧拉数值积分算法时的采样时间，T为周期，k为周期的数量。

所述步骤四包括：

步骤四一：将电网电压估算值输入至锁相环，得到的相位信息，并根据所述相位信息生成并网电流参考值

步骤四二：根据电网电流估算值逆变器电流估算值和并网电流参考值采用有源阻尼算法，获得驱动信号，根据所述驱动信号对逆变器进行控制。

本发明的有益效果在于，本发明仅使用电容电压传感器，不需要采样电网电压或其它状态变量的信息，即可实现并网电流的有源阻尼和相位控制，可有效节约LCL型并网逆变器的传感器成本，增强可靠性。此外，本发明简单，扩张状态观测器系数可直接确定，扩张状态观测器得出的虚拟状态量直接进行简单代数运算即可获得真实状态量的观测结果，观测器整定过程无需求解涉及高阶行列式的方程组。

附图说明

图1为LCL型并网逆变器的原理示意图；

图2为具体实施方式所述的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法的原理示意图；其中，G_C(s)表示电流控制器的传递函数，可使用传统PI控制器，H表示采样过程中考虑比例和延时的传递函数，H_C表示基于电容电流的有源阻尼算法的反馈深度。

图3包括图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)和图3(e)；

图3(a)为采用具体实施方式中的控制方法，状态估计后，逆变器电流i_I的波形示意图；

图3(b)为采用具体实施方式中的控制方法，状态估计后，电容电压u_C的波形示意图；

图3(c)为采用具体实施方式中的控制方法，状态估计后，电网侧电流i_G的波形示意图；

图3(d)为采用具体实施方式中的控制方法，状态估计后，电网电压u_G的波形示意图；

图3(e)为采用具体实施方式中的控制方法，状态估计后，电网电压相位θ的波形示意图；

图3(a)至图3(e)中，后缀EST表示估计结果，MES为实测结果，ERR表示误差；

图4为采用具体实施方式中的控制方法，稳态控制效果的波形示意图。

具体实施方式

参照附图1，LCL型并网逆变器的模型可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_G}{dt}=\frac{1}{L_G}(u_C-u_G-i_G{R}_G)\\ \frac{{\mathrm{du}}_C}{dt}=\frac{1}{C}(i_I-i_G)\\ \frac{{\mathrm{di}}_I}{dt}=\frac{1}{L_I}(u_I-u_C-i_I{R}_I)\end{array}\right.---\left(4\right)$

参照附图2，本实施方式对图1中的LCL型并网逆变器的控制结构包括生成参考信号、锁相环、有源阻尼算法、扩张状态观测器和变换算法。本实施方式所述的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法包括：

生成参考信号通过给定电流的幅值I_AMP，使用电网电压的相位θ，生成电网电流的参考波形其相位值也可设置为与电网电压有一定的相位差以实现功率因数的控制。锁相环用来提取电网电压的信号的相位信息。有源阻尼算法采用电容电流比例反馈的策略，即在电网电流闭环的内部引入电容电流的比例反馈来修正控制器的输出，从而抑制LCL的谐振。本实施方式引入扩张状态观测器和变换算法，只通过传感器测得的电网电流得出全部状态变量以及电网电压的估计值，并使用这些估计值实现并网电流的控制。

本实施方式基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法具体包括如下步骤：

步骤一：采集LCL滤波器中的电容电压u_C；

步骤二：将采集的电容电压u_C输入至扩张状态观测器，得到虚拟状态量；

扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-i_G\\ z_1=z_1+h(z_2-{\mathrm{\β}}_{1}e)\\ z_2=z_2+h(z_3-{\mathrm{\β}}_{2}e)\\ z_3=z_3+h(z_4+b_0{u}_I-{\mathrm{\β}}_{3}e)\\ z_4=z_4+h(-{\mathrm{\β}}_{4}e)\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，[z₁z₂z₃z₄]为扩张状态观测器输出的虚拟状态量，[β₁β₂β₃β₄]为扩张状态观测器的系数，与LCL型并网逆变器模型无关，e为中间变量，h为离散算法的采样时间，系数L_I表示LCL滤波器中逆变器侧的电感，L_G表示LCL滤波器中电网侧的电感，C表示LCL滤波器中的电容，u_I表示逆变器输出的电压。

系数的确定方法可通过菲波纳奇数列法决定，该确定参数的方法与LCL型并网逆变器模型的具体参数无关，即：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{1}{h},{\mathrm{\β}}_2=\frac{1}{\left(3h\right)h},{\mathrm{\β}}_3=\frac{2}{{\left(8h\right)}^{2}h},{\mathrm{\β}}_4=\frac{5}{{\left(13h\right)}^{3}h};$

步骤三：对得到的虚拟状态量进行变换，得到真实的状态量估算值和电网电压估算值状态量估算值包括电网电流估算值和逆变器电流估算值

对得到的虚拟状态量进行变换，得到真实的状态量估算值和电网电压估算值的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{u}}_C=z_1\\ {\hat{i}}_I=\frac{1}{L_I{R}_G-L_G{R}_I}\left(\right(L_G+L_I)z_1+{\mathrm{CL}}_I{R}_G{z}_2+{\mathrm{CL}}_G{L}_I{z}_3-L_I{u}_G-L_G{u}_I)\\ {\hat{i}}_G=\frac{1}{L_I{R}_G-L_G{R}_I}\left(\right(L_G+L_I)z_1+{\mathrm{CL}}_G{R}_I{z}_2+{\mathrm{CL}}_G{L}_I{z}_3-L_I{u}_G-L_G{u}_I)\\ f\left({\hat{u}}_G\right)=L_I{\stackrel{\·}{\hat{u}}}_G+R_I{\hat{u}}_G=z_4\left({\mathrm{CL}}_G{L}_I\right)+(R_G+R_I)z_1+(L_G+L_I+{\mathrm{CR}}_G{R}_I)z_2+({\mathrm{CL}}_G{R}_I+{\mathrm{CL}}_I{R}_G)z_3+L_G{\stackrel{\·}{u}}_I\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，为LCL滤波器电容电压u_C的估算值，R_G为LCL滤波器电网侧电感的寄生电阻，R_I为LCL滤波器逆变器侧电感的寄生电阻；为u_I的一阶导数。

为电网电压的隐式微分方程形式，通过数值积分可得出电网电压估算值如使用一阶欧拉数值积分算法，可得

${\hat{u}}_G{|}_{t=kT}={\hat{u}}_G{|}_{t=(k-1)T}+\frac{T}{L_I}\left(f\right({\hat{u}}_G){|}_{t=kT}-R_I{\hat{u}}_G{|}_{t=(k-1)T})---\left(7\right)$

其中t为使用一阶欧拉数值积分算法时的采样时间，T为周期，k为周期的数量。

步骤四：根据得到的电网电流估算值逆变器电流估算值和电网电压估算值产生逆变器的驱动信号，利用所述驱动信号对逆变器进行控制：步骤四一：将电网电压估算值输入至锁相环，得到的相位信息，并根据所述相位信息生成并网电流参考值

步骤四二：根据电网电流估算值逆变器电流估算值和并网电流参考值采用有源阻尼算法，获得驱动信号，根据所述驱动信号对逆变器进行控制。

本实施方式中的有源阻尼算法，采用的是目前较成熟的电容电流比例前馈的方法。此外，也可采用极点配置，模型参考自适应等其他算法。

本实施方式与现有技术的区别点在于：

1.观测方法与观测变量的不同。现有LCL型并网逆变器状态观测方法多采用龙贝格观测器或卡尔曼滤波观测器，直接将系统状态变量作为观测量，而本方法采用扩张状态观测器，将虚拟状态变量作为观测量。

2.观测器系数选取难易程度和参数的适应性不同。传统观测方法观测器系数的整定涉及系统模型，多采用零极点配置的方法，需要求解涉及系统具体参数行列式的方程组，运算复杂，且当LCL滤波器参数改变时需重新通过复杂计算确定观测器的系数。本方法所使用的扩张状态观测器系数可直接由系统阶数和采样时间确定，与系统参数无关。扩张状态观测得到的观测结果直接通过简单代数运算即可得到真实的状态变量值，无需求解复杂的方程组，当LCL滤波器参数变化时，仅更改变换算法中代数计算的相应系数即可。

3.状态变量观测的一致性不同。极点配置的方法起源于对单输入单输出系统的响应的调整，仅能保证单一状态变量的响应，而其它内部状态变量的响应难以维持一致性。传统方法各变量之间存在交叉耦合。本发明所使用扩张状态观测器，各状态变量仅包含本状态变量与下一状态变量，不存在交叉耦合现象，估计一致性好。

4.现有LCL型并网滤波器控制很少涉及无电网电压传感器控制，少量文献给出了电网电压的估计方法，均与本发明不同。如，文献[Malinowski，M.andS.Bernet(2008).″ASimpleVoltageSensorlessActiveDampingSchemeforThree-PhasePWMConvertersWithanLCLFilter.″IndustrialElectronics，IEEETransactionson55(4)：1876-1880.]在基于电容电流可以忽略的假设条件下，给出了一种计算电网电压方法，但这种假设条件与实际情况存在较大偏差；而文献[Mariethoz，S.andM.Morari(2009).″ExplicitModel-PredictiveControlofaPWMInverterWithanLCLFilter.″IndustrialElectronics，IEEETransactionson56(2)：389-399.]采用常规观测器给出一种通过14个状态变量来估计电网电压的方法，算法复杂。

图3(a)至图3(e)给出了本实施方式中进行状态估计的实验效果，其中后缀EST表示估计结果，MES为实测结果，ERR表示误差。可以看出本实施方式仅使用单一传感器，即可实现对各变量有效的估计。

图4给出了稳态控制下的电流波形，表明了本实施方式良好的稳态性能。

本实施方式所提出通过单传感器以扩张状态观测器观测虚拟变量，然后还原真实状态变量和扰动信息的方法，可以使用传统电容电流反馈的有源阻尼方法，在本发明单传感器观测的基础上采用其它控制方法，以及将本专利的方法应用于LCL型并网逆变器以外的其它控制对象，也都属于本专利的保护范围。

Claims (6)

1.基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

步骤一：采集LCL滤波器中的电容电压u_C；

步骤二：将采集的电容电压u_C输入至扩张状态观测器，得到虚拟状态量；

步骤三：对得到的虚拟状态量进行变换，得到真实的状态量估算值和电网电压估算值

所述状态量估算值包括电网电流估算值和逆变器电流估算值

步骤四：根据得到的电网电流估算值逆变器电流和电网电压估算值产生逆变器的驱动信号，利用所述驱动信号对逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-u_C\\ z_1=z_1+h(z_2-{\mathrm{\β}}_{1}e)\\ z_2=z_2+h(z_3-{\mathrm{\β}}_{2}e)\\ z_3=z_3+h(z_4+b_0{u}_I-{\mathrm{\β}}_{3}e)\\ z_4=z_4+h(-{\mathrm{\β}}_{4}e)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，[z₁z₂z₃z₄]为扩张状态观测器输出的虚拟状态量,[β₁β₂β₃β₄]为扩张状态观测器的系数,e为中间变量，h为离散算法的采样时间，系数L_I表示LCL滤波器中逆变器侧的电感，L_G表示LCL滤波器中电网侧的电感，C表示LCL滤波器中的电容，u_I表示逆变器输出的电压。

3.根据权利要求2所述的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器中的[β₁β₂β₃β₄]为：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{1}{h},{\mathrm{\β}}_2=\frac{1}{\left(3h\right)h},{\mathrm{\β}}_3=\frac{2}{{\left(8h\right)}^{2}h},{\mathrm{\β}}_4=\frac{5}{{\left(13h\right)}^{3}h}.$

4.根据权利要求2或3所述的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤三中，对得到的虚拟状态量进行变换，得到真实的状态量估算值和电网电压估算值的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{u}}_C=z_1\\ {\hat{i}}_I=\frac{1}{L_I{R}_G-L_G{R}_I}\left(\right(L_G+L_I)z_1+{\mathrm{CL}}_I{R}_G{z}_2+{\mathrm{CL}}_G{L}_I{z}_3-L_I{u}_G-I_G{u}_I)\\ {\hat{i}}_G=\frac{1}{L_I{R}_G-L_G{R}_I}\left(\right(L_G+L_I)z_1+{\mathrm{CL}}_G{R}_I{z}_2+{\mathrm{CL}}_G{L}_I{z}_3-L_I{u}_G-I_G{u}_I)\\ f\left({\hat{u}}_G\right)=L_I{\stackrel{\·}{\hat{u}}}_G+R_I{\hat{u}}_G=z_4\left({\mathrm{CL}}_G{L}_I\right)+(R_G+R_I)z_1+(L_G+L_I+{\mathrm{CR}}_G{R}_I)z_2+({\mathrm{CL}}_G{R}_I+{\mathrm{CL}}_I{R}_G)z_3+L_G{\stackrel{\·}{u}}_I\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，为LCL滤波器电容电压u_C的估算值，R_G为LCL滤波器电网侧电感的寄生电阻，R_I为LCL滤波器逆变器侧电感的寄生电阻；为电网电压的隐式微分方程形式，通过数值积分可得出电网电压估算值 为u_I的一阶导数。

5.根据权利要求4所述的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，所述通过数值积分可得出电网电压估算值的具体方法为：

对所述使用一阶欧拉数值积分算法，可得

${\hat{u}}_G{|}_{t=kT}={\hat{u}}_G{|}_{t=(k-1)T}+\frac{T}{L_I}\left(f\right({\hat{u}}_G){|}_{t=kT}-R_I{\hat{u}}_G{|}_{t=(k-1)T})---\left(3\right)$

其中t为使用一阶欧拉数值积分算法时的采样时间，T为周期，k为周期的数量。

6.根据权利要求4所述的基于电容电压单传感器的LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤四包括：

步骤四一：将电网电压估算值输入至锁相环，得到的相位信息，并根据所述相位信息生成并网电流参考值

步骤四二：根据电网电流估算值逆变器电流估算值和并网电流参考值采用有源阻尼算法，获得驱动信号，根据所述驱动信号对逆变器进行控制。