CN107046299A - 一种改进型光伏并网逆变器相位补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型光伏并网逆变器相位补偿控制方法，其特征在于，包括将滤波电感输出的正弦半波电流作为电流闭环控制的反馈量，通过幅值反向函数将此正弦半波变成为正弦全波，然后与设定的交流电流参考值相减,得到反馈量与参考量之间的偏差，将此偏差作为控制电路的参数，计算出相位补偿角θ，从而消去系统中固有的相位差；本发明可以避免电网电压扰动对并网电流的干扰，使得电流环控制效果更好；将相位补偿方法应用到电流环的控制当中，消除了系统中的相位静差，实现并网电流和电网电压同相位，改善系统性能，降低谐波含量。

Description

一种改进型光伏并网逆变器相位补偿控制方法

技术领域

本发明涉及光伏并网逆变器技术领域，更具体地，涉及一种改进型光伏并网逆变器相位补偿控制方法。

背景技术

带相位补偿的并网逆变器控制方法可以有效消去交流系统中固有的相位差，实现并网电流和电网电压相位同步，提高系统运行的稳定性，具有非常广阔的应用前景。2011年第18期的《中国电机工程学报》中《基于下垂锁相的逆变器并网控制策略研究》一文就并网电流与电流基准之间存在一定的相位差等问题,提出基于下垂特性的新型锁相环控制方法，采用电网电压和并网电流相位差为反馈量调节锁相环的输出，可以实现并网逆变器单位功率因数运行。2014年第2期的《电力自动化设备》中《基于PR控制的光伏并网电流优化控制》一文单相H6拓扑光伏并网逆变器在采用传统比例积分(PI)控制器跟踪正弦电流指令时会产生稳态误差和抗干扰能力差等问题，提出了一种基于比例谐振(PR)控制的H6拓扑单相光伏并网逆变器的总体控制策略，实现对并网电流的无静差控制，消除了PI控制所产生的相位误差。

目前，已有一些文献针对PI控制应用于交流系统时并网电流和电网电压之间存在相位差提出了相应的控制方法。2011年第8期的《电力电子技术》中《一种单相并网逆变器电流相位的补偿方法》一文针对传统电流PI控制算法下的并网电流与电网电压存在相位差，尤其是在电流较小时相位差比较严重，导致逆变器输出功率因数较低的问题，提出了一种减小并网电流与电网电压相位差的控制方法。但该方法没有考虑实际电网中的非线性负荷所造成扰动分量，这可能会导致系统不稳定。2013年第4期《电测与仪表》中《一种改进的光伏并网逆变器的控制策略》一文针对PI调节器无法直接实现并网电流无静差控制的问题，采用PR调节器替代传统的PI调节器进行并网电流瞬时值内环的设计，实现了单相光伏并网电流的无静差控制。但PR调节器自身在基频之外的增益很小，当电网频率发生偏移时，电网很容易受到扰动的影响而出现不稳定。2013年第3期《电力自动化设备》中《基于PR与PI联合控制策略的光伏并网系统直流注入抑制技术》一文将PR控制器对交流量无静差跟踪和PI控制器对直流量无静差跟踪的特性相结合，实现了并网电流与电网电压同步，并且实现了对并网电流直流分量的有效抑制。但是控制器的参数整定十分复杂，PI环节的比例系数取值过大会导致系统不稳定，而取值过小又影响抑制直流分量的响应时间；积分系数取值过小时将影响系统抑制直流分量的响应时间，而取值过大会导致整个系统出现明显的欠阻尼振荡。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺点，提供了一种改进型光伏并网逆变器相位补偿控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种改进型光伏并网逆变器相位补偿控制方法，包括将滤波电感输出的正弦半波电流作为电流闭环控制的反馈量，通过幅值反向函数将此正弦半波变成为正弦全波，然后与设定的交流电流参考值相减,得到反馈量与参考量之间的偏差，将此偏差作为控制电路的参数，计算出相位补偿角θ，从而消去系统中固有的相位差；具体包括以下步骤：

第一步，把滤波电感输出的正弦半波电流i_L作为电流闭环控制的反馈量，通过增设幅值反向函数f(s)，将i_L变为正弦全波电流i'_L；

第二步，为了消除非线性负载造成的i_L、i'_L中的扰动分量Δi_L，采用电网电压前馈补偿方式，设计前馈因子G_N(s)＝K_N，计算出此扰动分量令G_N(s)·G_inv(s)＝1，那么Δi_L(s)＝0，即消除电感电流扰动分量；为G_inv＝k_inv是逆变环节传递函数，G_f(s)是滤波环节传递函数，G₀(s)是系统开环传递函数；

第三步，网侧电压u_g通过锁相环锁相，得到电网电压的频率和相位进行余弦变化后得到和u_g频率、相位都相同的单位正弦波，然后与DC/DC变换电路计算出的正弦电流参考幅值相乘得到电感电流的瞬时参考值将与i'_L相比较，得到反馈量与参考量之间的偏差值，并将此偏差值作为PI控制器G_C(s)的参数；

第四步，得到参考电流和i'_L的关系表达式其中是逆变器控制部分的传递函数；和i'_L的关系表达式还可以写成其中s＝jω，f_s(s)＝1；并且分子分母同时乘以k_i-k_pjω，计算出i'_L、之间的相位角将θ补偿到电感电流i'_L中，就可以抵消控制系统中产生的相位差，使并网电流、电压相位相同。

进一步地，第一步中所述反向函数为

进一步地，第三步中所述的算法如下：

DC/DC变换电路(光伏电源)输出的最大电流为：

其中，I_sc是预设的空载电流值，为常数；

V_oc为开路电压，为常数；

C₁是个常数参量，其大小为

C₂也是个常数参量，其大小为

V_max为光伏电源输出的最大电压；

将DC/DC变换电路输出的最大电流I_max设为电感电流的参考幅值，即：

进一步的，第三步中所述的的算法如下：

通过锁相环(Phase Lock Loop，PLL)测量得到电网电压u_g的相位角将其作为sin(x)函数的中的未知量，即得到了一个幅值为1，角度为的正弦波；

然后再乘以前面(式2)中的电感电流的参考幅值那么就得到了电感电流的瞬时参考值即：

更进一步地，第三步中的电感电流i'_L与电流参考幅值之间的关系算法如下：根据自动控制原理中传递函数的相关概念，可以得到系统的开环传递函数为：

G₀(s)＝G_C(s)·f_s(s)·G_inv(s)·G_f(s) (式4)

式中，为PI控制器的传递函数；

f_s(s)为反向函数；

N为变压器变比(常数)，U_PV光伏电源输出的电压值(常数)，U_m逆变器载波幅值(常数)；

为滤波环节；

再根据自动控制原理中传递函数的相关概念，可以得到系统的闭环传递函数为：

所以，可以得到和i_L之间的关系为：

将f_s(s)带入可得，

由于(式7)中分子、分母里面的反向函数f_s(s)＝±1的值不影响i_L和之间的角度关系，因此可以将其省略：

将(式8)的分子、分母同时乘以s²L，化简可得：

设s＝jω(公知)，带入(式9)，则有：

由于(式10)中的分子、分母都存在复数形式，不好判断i_L和之间的调度关系，因此，将分子有理化，即分子、分母同时乘以k_p-jωk_i，化简可得：

进一步地，第四步中所述相位角的具体计算如下：

根据(式11)计算出的i_L和之间的传递函数表达式，可以发现分子中都是实数，分母中存在复数，这就是说i_L和存在一定的相位差θ；

因此可以得到：

即，

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.将经过反向函数f_s(s)之后的正弦电感电流i_L作为反馈量与参考电流作比较，形成闭环控制，并运用电网电压前馈控制方法，这样可以避免电网电压扰动对并网电流的干扰，使得电流环控制效果更好；

2.将相位补偿方法应用到电流环的控制当中，消除了系统中的相位静差，实现并网电流和电网电压同相位，改善系统性能，降低谐波含量。

附图说明

图1为单相光伏并网逆变系统结构图；

图2光伏并网系统控制框图；

图3相位补偿示意图；

图4两种方法并网电流和电网电压的波形；

图5两种方法并网电流频谱对比图；

图6两种方法并网电流和电压的实验波形。

具体实施例

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明；其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1为光伏并网逆变系统结构图，光伏阵列产生的直流电由一个直流升压斩波电路变换成可调直流电，然后通过一个高频逆变桥逆变成高频交流电，再经由一个隔离变压器，将电信号送入整流桥，这样既完成了逆变也能够进行电气隔离。

前级高频逆变桥采用SPWM调制方法，将基波为高频逆变器开关频率的SPWM波经过高频隔离变压器传动副边，二极管整流桥将SPWM的负半波反向，将基波为高频SPWM波变换为正弦半波；把滤波电感L放到直流侧，流过电感L的电流变为正弦半波波形，电感电流经过后级工频逆变桥，将正弦半波电流反转成正弦波后并入电网；工频逆变器的开关管动作是在电压和电流的过零时刻，大大减小了开关器件的损耗。

建立光伏并网系统数学模型如下：

设高频逆变器的占空比为D，可以写出前级逆变器输出端的电压为：

高频逆变器的输出电流为：

高频逆变器工作在稳态时的扰动为：

式中I_L、U_PV、U_C、I_PV代表的是稳态分量，Δi_L、Δu_PV、Δu_C、Δi_PV是稳态附近的扰动分量。在稳态时有：

由式(1)～(4)可得：

因为直流波动Δu_pv十分微小，能够将其忽略。对式(5)进行拉氏变换可得

由于高频逆变器的开关频率比电网频率要高很多，因此就能够将逆变环节看成一个比例环节，它的传递函数是G_inv＝k_inv＝NU_PV/U_m，这里U_m是载波的峰值。

如图2所示，为光伏阵列计算出的正弦电流参考幅值，网侧电压u_g由锁相环锁相，就可以捕捉到和电网电压频率和相位都相同的正弦波，然后和相乘就能算出电流参考值这个参考值与经过反向函数之后的电感电流的真实值相比较，将其差值送入PI控制器，然后产生控制信号来控制前级逆变器,PI控制器的传递函数G_C(s)＝k_p+k_i/s。

正弦半波的i_L经过f_s(s)之后，可得到完整正弦波的i_L，将其作为反馈量与参考电流作比较，形成闭环控制，得到反馈量与参考量之间的偏差。反向函数为：

在实际电网中电网电压会受到非线性负载等带来的扰动[12]，所以选择电网电压前馈补偿方式，这样就能够去除网侧电压波动对并网电流带来的负面作用，使得系统稳定性大大提升，获得更好的控制效果。电感电流的扰动分量为：

式中G₀(s)是整个系统的开环传递函数，G_f(s)＝1/sL是滤波环节，G_N(s)＝K_N是前馈因子。由式(8)可以看出，若令G_N(s)＝K_N＝1/G_inv，那么电流扰动Δi_L(s)＝0，这样就使得电网电压的波动不会影响到并网电流，改善了整个系统的稳定性，同时也改善了电感电流的输出波形。消除扰动之后的电感电流为：

式中为电流参考值，根据式(9)电感电流也可以写为：

由于PI控制应用于交流系统时电感电流滞后电网电压，即存在静差。电网电压反向之后，电感电流还没到反向的点，使得系统产生大量谐波，造成系统不稳定。由于在交流系统中，反馈的电流与给定的参考电流之间相位不同步，因此设s＝jω，那么式(10)可写为：

将式(11)的分子分母同时乘以k_i-k_pjω可得：

由式(12)可以看出i_L和电感参考电流之间存在相位差；

令相位差角度为θ，则

由式(12)可得：

即

将θ补偿到中，就可以抵消控制系统中产生的相位静差，使得并网电流、电压相位相同。

如图3所示，将相位补偿方法应用到电流环的控制中，由锁相环将网侧电压锁相，可以得到电网电压的相位角将此相位角和补偿角θ相加，那么就能够计算出参考电流的相位角所以由设定的参考电流就能计算出瞬时电流将这个电流作为电流环的参考电流，就可以控制并网电流，提高系统的稳定性。

实施例2

为了验证本发明所提出的带电感电流闭环控制方法的有效性，按照图1的拓扑结构，在matlab7.1/Simulink仿真平台搭建模型，各参数的选择情况如表1所示：

表1仿真参数设置

并网电流和电网电压的波形如图4所示，图4(a)是传统方法时候得到的并网电流和电压的波形图，图4(b)是采用本发明方法时候得到的并网电流和电压的波形图。由图可知，本发明采用的控制方法较传统方法得到的并网电流波形更平滑，毛刺减少许多，使得控制系统稳定性提高。

图5是并网电流频谱对比图，传统控制方法得到的THD是4.46％，而本发明所采用的控制方法得到的THD是3.03％，通过对两种方法的频谱分析可知，谐波含量明显减少。

为了证实所提出的这种带有反向函数的电感电流闭环控制方法的实用性，按照图1所示的拓扑结构，在一台2kW的实验样机上进行实验。该样机控制芯片使用的是TMS320F2812的定点型DSP，与此有关的波形数据是由TDS2014示波器及WT3000功率分析仪测得，各参数如表2所示：

表2实验参数

通过图6的实验波形对比可以发现，在传统方法中电压达到反向点之后电流还未达到。而在本发明方法中电流和电压是在相同的时间达到反向点，这也就是说并网电流和电网电压的相位相同。因此本发明方法得到的实验波形和传统方法得到的波形相比明显消除了相位静差，谐波含量也得到有效控制。

仿真与实验结果表明，本发明提出的控制方法在光伏逆变并网中不仅能够得到满意的相位补偿效果，电网电流正弦度较好，并且谐波含量也比传统方法明显减少。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。

Claims (7)

1.一种改进型光伏并网逆变器相位补偿控制方法，其特征在于，包括将滤波电感输出的正弦半波电流作为电流闭环控制的反馈量，通过幅值反向函数将此正弦半波变成为正弦全波，然后与设定的交流电流参考值相减,得到反馈量与参考量之间的偏差，将此偏差作为控制电路的参数，计算出相位补偿角θ，从而消去系统中固有的相位差。

2.根据权利要求1所述的相位补偿控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.将二极管整流桥输出的正弦半波电流经过滤波电感得到i_L，再将其通过幅值反向函数得到正弦全波电流i'_L，并将此作为电流比环控制的反馈量；

S2.为了消除非线性负载造成的i_L、i'_L中的扰动分量Δi_L，采用电网电压前馈补偿方式，设计前馈因子G_N(s)＝K_N，计算出此扰动分量令G_N(s)·G_inv(s)＝1，那么Δi_L(s)＝0，即消除电感电流扰动分量；G_inv＝k_inv是逆变环节传递函数，G_f(s)是滤波环节传递函数，G₀(s)是系统开环传递函数；

S3.网侧电压u_g通过锁相环锁相，得到电网电压的频率和相位进行余弦变化后得到和u_g频率、相位都相同的单位正弦波，然后与DC/DC变换电路计算出的正弦电流参考幅值相乘得到电感电流的瞬时参考值将与i'_L相比较，得到反馈量与参考量之间的偏差值，并将此偏差值作为PI控制器G_C(s)的参数；

S4.根据参考电流和经过反向函数的电流i'_L的关系表达式，计算出i'_L和其参考值之间的相位角θ，并将其补偿到电感电流i'_L中，使并网电流、电压相位相同。

3.根据权利要求2所述的相位补偿控制方法，其特征在于，步骤S1中所述反向函数为

4.根据权利要求2所述的相位补偿控制方法，其特征在于,步骤S3中所述的算法如下：

DC/DC变换电路(光伏电源)输出的最大电流为：

其中，I_sc是预设的空载电流值，为常数；

V_oc为开路电压，为常数；

C₁是个常数参量，其大小为

C₂也是个常数参量，其大小为

V_max为光伏电源输出的最大电压；

将DC/DC变换电路输出的最大电流I_max设为电感电流的参考幅值，即：

5.根据权利要求2所述的相位补偿控制方法，其特征在于，步骤S3中所述的的算法如下：

通过锁相环测量得到电网电压u_g的相位角将其作为sin(x)函数的中的未知量，即得到了一个幅值为1，角度为的正弦波；

然后再乘以所述(式2)中的电感电流的参考幅值那么就得到了电感电流的瞬时参考值即：

6.根据权利要求2所述的相位补偿控制方法，其特征在于，步骤S3中的电感电流i'_L与电流参考幅值之间的关系算法如下，根据自动控制原理中传递函数的相关概念，可以得到系统的开环传递函数为：

G₀(s)＝G_C(s)·f_s(s)·G_inv(s)·G_f(s) (式4)

式中，为PI控制器的传递函数；

f_s(s)为反向函数；

N为变压器变比，U_PV光伏电源输出的电压值，U_m逆变器载波幅值；为滤波环节；

再根据自动控制原理中传递函数的相关概念，可以得到系统的闭环传递函数为：

所以，可以得到和i_L之间的关系为：

将f_s(s)带入可得，

由于(式7)中分子、分母里面的反向函数f_s(s)＝±1的值不影响i_L和之间的角度关系，因此可以将其省略：

将(式8)的分子、分母同时乘以s²L，化简可得：

设s＝jω(公知)，带入(式9)，则有：

由于(式10)中的分子、分母都存在复数形式，不好判断i_L和之间的调度关系，因此，将分子有理化，即分子、分母同时乘以k_p-jωk_i，化简可得：

7.根据权利要求6所述的相位补偿控制方法，其特征在于，步骤S3中所述相位角的具体计算如下：

根据(式11)计算出的i_L和之间的传递函数表达式，可以发现分子中都是实数，分母中存在复数，这就是说i_L和存在一定的相位差θ；

因此可以得到：

即，