CN105846706A - 基于pci控制的lcl型三相并网逆变器双环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，用于LCL型三相并网逆变器系统中，将基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法中的PI控制器替换为PCI控制器。与现有技术相比，本发明具有可靠性高、适用范围广等优点。

Description

基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法

技术领域

本发明涉及一种LCL型三相并网逆变器双环控制方法，尤其是涉及一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法。

背景技术

现代社会随着经济发展和能源消耗，传统的化石能源造成的污染以及其自身的枯竭问题已经不可避免，人类把更多的目光放在可再生能源上。风能和太阳能则是干净无污染的新能源，蕴含量丰富，为首要之选。而逆变器技术，则是新能源接入电网过程中极其重要的技术之一。

逆变器输出电流必须经过滤波器滤除高次谐波，如今常用的滤波器为L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。L型滤波器结构简单，易于实现，但滤波效果并不十分理想；LC型滤波器适用于双模式下的逆变器，并网情况下其滤波效果等同于L型滤波器，此时滤波电容C相当于本地负载，并无滤波作用；LCL型滤波器具有最优的滤波效果，滤波电容C作为高次谐波通道，能够有效滤除高次谐波。但由于为三阶系统，存在谐振峰，在谐振频率处有较大的增益，极易引起系统的不稳定。因此，控制系统的设计便显得尤为重要，不仅要保证控制系统稳定，还需要使系统的各种特性满足一定的要求。带LCL滤波器的三相并网逆变器一般有两种控制方式，以抑制谐振峰，分别为有源阻尼控制和无源阻尼控制。无源阻尼控制一般在滤波电容C上串联或并联电阻，增大系统阻尼。该方法简单有效，但新增的电阻无疑会增加系统消耗，影响效率。有源阻尼控制方式，一般采用并网电流和电容电流双环控制，能够有效抑制谐振峰，同时不会增加额外消耗。因此，研究LCL滤波器下的并网逆变器控制方法具有重要的理论和实际意义。现有的控制方法存在以下问题：

1.传统型LCL型双环控制方法中，一般采用两相旋转坐标系，此时外环控制器通常选择PI控制器(如图1所示，图1中PI表示PI控制器)。但是，在两相旋转坐标系下，鉴于LCL型滤波器为三阶，无法实现完全解耦。因此，在两相旋转坐标系下的并网控制系统，采用的是近似解耦，这将会增大系统控制的误差；

2.在采用两相静止坐标系的情况下，系统控制量为交流量。此时外环采用PI控制器，在理论上存在固有的稳态误差，因为PI控制只能对直流量实现稳态无误差跟踪。并且，对于基波和相位等控制，也存在稳态误差；

3.用双环控制增大了系统阻尼，有效抑制了系统谐振峰值，提高了系统稳定性。而传统的PI控制和准谐振控制，在相同参数条件下，系统的稳定裕度和可靠性有限。

鉴于以上原因，传统型双环控制三相并网逆变器的控制方法难以满足输入输出高速瞬态响应、小型化、轻量化、高效率、高功率因数的技术指标。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，用于LCL型三相并网逆变器系统中，将基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法中的PI控制器替换为PCI控制器。

所述的PCI控制器的传递函数为：其中，K_p为PCI控制比例系数，K_i为PCI控制积分系数，s为复数参量，j表示虚部，ω₀＝2πf，f＝50Hz。

该方法包括以下步骤：

(1)三相电网电压锁相环检测电网电压相位信号θ，将两相旋转坐标系下的参考电流i_d、i_q变换成两相静止坐标系下的参考电流i_α、i_β；

(2)将采集到的网侧电流和并网电流变换成两相静止坐标系下的网侧电流i_cα、i_cβ和并网电流i_2α、i_2β；

(3)参考电流i_α减去并网电流i_2α和参考电流i_β减去并网电流i_2β后经PCI控制器得到网侧电流的参考值；

(4)网侧电流的参考值减去网侧电流i_cα、i_cβ后，依次经比例控制器、2-3变换、SPWM模块得到开关驱动信号，经驱动电路后控制逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。

K_p满足其中，N＝L₂CK_eK_pwmω²(ω-ω₀)+K_pK_eK_pwm(ω+ω₀)，L₁表示逆变器侧滤波电感的大小，L₂表示网侧滤波电感的大小，C表示滤波电容的大小，K_e表示比例控制器的比例系数，K_pwm表示逆变桥等效系数，ω_b表示系统闭环幅频特性的幅值降到-3dB时对应的频率，ω表示系统频率。

K_i满足其中，M＝L₁L₂Cω³(ω+ω₀)-(L₁+L₂)(ω-ω₀)ω+K_iK_eK_pwm。

本发明LCL型三相并网逆变器系统的传递函数为其中，A₁＝K_pK_eK_pwm，A₀＝K_eK_pwm(K_i+jωK_p)，B₄＝L₁L₂C，B₃＝K_eK_pwmL₂C-jL₁L₂Cω，B₂＝L₁+L₂-jK_eK_pwmL₂Cω，B₁＝K_pK_eK_pwm-jω(L₁+L₂)，B₀＝K_eK_pwm(K_i+jωK_p)，取参数K_p＝0.5，K_eK_pwm＝22，K_i＝500。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)传统方法采用PI控制器，而本发明采用的是PCI控制器，由于并网控制系统采用的是两相静止坐标系，系统控制量为交流量，而PCI控制器可以对交流量实现稳态无误差跟踪，而PI控制器只能对直流量实现稳态无误差跟踪，因此，PCI控制比PI控制具有更好的稳态特性；

(2)PCI具有良好的动态特性，能够满足指令突变的要求，使系统具有较好的动态和静态性能；

(3)该方法能够在保证系统稳定的前提下，提高并网电流的波形质量、跟踪精度和功率因数，同时有利于对桥臂开关管的保护，保证整个逆变器系统安全可靠的运行；

(4)外环控制可实现对并网电流的直接控制，并且外环控制采用PCI控制，在基波处可实现无穷大增益，能够有效跟踪交流指令信号，有利于提高入网电流的控制精度，基本实现无静差跟踪，并且提高了入网电流的功率因数；

(5)采用双环控制增大了系统阻尼，有效抑制了系统谐振峰值，提高了系统稳定性，相比于传统的PI控制和准谐振控制，在相同参数条件下，系统具有更大的稳定裕度，可靠性大大增强；

(6)本发明提出的基于PCI控制的LCL并网逆变器双环控制方法，拥有控制精度高，跟踪效果好，功率因数高以及系统可靠性强等优点，适合于太阳能发电、风力等新能源并网系统，并且可推广到其它单相或者三相并网逆变器的控制方法当中。

附图说明

图1为基于PI控制的LCL并网逆变器双环控制框图；

图2为基于PCI控制的LCL并网逆变器双环控制框图；

图3为LCL滤波器结构框图；

图4为基于PI控制的LCL并网逆变器双环控制方法的传递函数方框图；

图5为PCI控制器结构框图；

图6为LCL滤波器和并网逆变器系统的伯德图；

图7为基于PCI控制的LCL并网逆变器的并网电流谐波畸变率；

图8为基于PI控制的LCL并网逆变器的并网电流谐波畸变率；

图9为PCI控制和PI控制下的稳态误差图；

图10为并网电流突变时并网电压和电流的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图2所示，一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，用于LCL型三相并网逆变器系统中，将基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法中的PI控制器替换为PCI控制器。

该方法包括以下步骤：

(1)三相电网电压锁相环检测电网电压相位信号θ，将两相旋转坐标系下的参考电流i_d、i_q变换成两相静止坐标系下的参考电流i_α、i_β；

(2)将采集到的网侧电流和并网电流变换成两相静止坐标系下的网侧电流i_cα、i_cβ和并网电流i_2α、i_2β；

(3)参考电流i_α减去并网电流i_2α和参考电流i_β减去并网电流i_2β后经PCI控制器得到网侧电流的参考值；

(4)网侧电流的参考值减去网侧电流i_cα、i_cβ后，依次经比例控制器、2-3变换、SPWM模块得到开关驱动信号，经驱动电路后控制逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。

图2中U_dc表示直流侧输入电压，L_1a、L_1b、L_1c表示逆变器侧滤波电感，u_ca、u_cb、u_cc表示滤波电容的三相电压，L_2a、L_2b、L_2c表示网侧滤波电感，u_a、u_b、u_c表示三相电网等效电压，C_abc表示滤波电容，SPWM表示用于生成PWM波的模块，PCI表示比例谐振积分控制器，K_e表示比例控制器。

如图5所示为PCI控制器结构框图，PCI控制器的传递函数为：其中，K_p为PCI控制比例系数，K_i为PCI控制积分系数，s为复数参量，j表示虚部，ω₀＝2πf，f＝50Hz。

PCI控制器的结构需要进行数学变换才能够实现，在求得传递函数G(s)后，将其变换为公式(1)。

$K_p+\frac{K_i}{s-{\mathrm{j\ω}}_0}=K_p+\frac{\frac{K_i}{s}}{1-j\frac{K_i}{s}\×\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{K_i}}---\left(1\right)$

图3为LCL滤波器结构框图，图3中u_inv表示逆变器输出侧电压，i₁表示电感L_1a的电流，i₂表示并网电流，u_c表示电容电压，u_g表示外部电网电压，L₁表示逆变器侧滤波电感的大小，L₂表示网侧滤波电感的大小，C表示滤波电容的大小，s表示复数参量。

图4为基于PI控制的LCL并网逆变器双环控制方法的传递函数方框图，图4中表示PCI控制器的传递函数，K_e表示比例控制器的比例系数，K_pwm表示逆变桥等效系数。

本发明LCL型三相并网逆变器系统的传递函数为其中，A₁＝K_pK_eK_pwm，A₀＝K_eK_pwm(K_i+jωK_p)，B₄＝L₁L₂C，B₃＝K_eK_pwmL₂C-jL₁L₂Cω，B₂＝L₁+L₂-jK_eK_pwmL₂Cω，B₁＝K_pK_eK_pwm-jω(L₁+L₂)，B₀＝K_eK_pwm(K_i+jωK_p)，本实施例取参数K_p＝0.5，K_eK_pwm＝22，K_i＝500，则A₁＝11，A₀＝11000+j3454，B₄＝7，B₃＝1.32*10-7-j5.65*10-9，B₂＝0.006-j4.41*10-5，B₁＝11-j1.884，B₀＝11000+j3454。

图6为LCL滤波器和并网逆变器系统的伯德图，图9为PCI控制和PI控制下的稳态误差图，图10为并网电流突变时的波形图。

图7为基于PCI控制的LCL并网逆变器的并网电流谐波畸变率，图8为基于PI控制的LCL并网逆变器的并网电流谐波畸变率，由图7和图8可得，相同控制参数下，PCI控制下并网电流谐波畸变率明显小于PI控制下并网电流谐波畸变率，且参考电流为30A时，PCI控制下并网电流幅值为30.37A，而PI控制下的电流幅值为30.8A，PCI控制的电流稳态误差明显小于PI控制，验证了本发明的有效性和可行性。

Claims (5)

1.一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，用于LCL型三相并网逆变器系统中，其特征在于，将基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法中的PI控制器替换为PCI控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，其特征在于，所述的PCI控制器的传递函数为：其中，K_p为PCI控制比例系数，K_i为PCI控制积分系数，s为复数参量，j表示虚部，ω₀＝2πf，f＝50Hz。

3.根据权利要求1所述的一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)三相电网电压锁相环检测电网电压相位信号θ，将两相旋转坐标系下的参考电流i_d、i_q变换成两相静止坐标系下的参考电流i_α、i_β；

(2)将采集到的网侧电流和并网电流变换成两相静止坐标系下的网侧电流i_cα、i_cβ和并网电流i_2α、i_2β；

(3)参考电流i_α减去并网电流i_2α和参考电流i_β减去并网电流i_2β后经PCI控制器得到网侧电流的参考值；

(4)网侧电流的参考值减去网侧电流i_cα、i_cβ后，依次经比例控制器、2-3变换、SPWM模块得到开关驱动信号，经驱动电路后控制逆变器开关管的接通与关断。

4.根据权利要求2所述的一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，其特征在于，K_p满足其中，N＝L₂CK_eK_pwmω²(ω-ω₀)+K_pK_eK_pwm(ω+ω₀)，L₁表示逆变器侧滤波电感的大小，L₂表示网侧滤波电感的大小，C表示滤波电容的大小，K_e表示比例控制器的比例系数，K_pwm表示逆变桥等效系数，ω_b表示系统闭环幅频特性的幅值降到-3dB时对应的频率，ω表示系统频率。

5.根据权利要求4所述的一种基于PCI控制的LCL型三相并网逆变器双环控制方法，其特征在于，K_i满足其中，M＝L₁L₂Cω³(ω+ω₀)-(L₁+L₂)(ω-ω₀)ω+K_iK_eK_pwm。