CN107546767A - 一种光伏并网逆变器的控制结构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电网控制技术领域，尤其涉及一种光伏并网逆变器的控制结构及控制方法。本发明的一种光伏并网逆变器的控制结构，其能够实现逆变器对并网电压和电流的同步控制效果以及提高功率因素，还能够有效抑制谐波污染、消除稳态误差、抵抗系统电网频率干扰、提高系统的稳定性，本发明创造的逆变器具有较好的增益效果，其利用滞留信号提高跟踪效果，通过优化系统函数提高其抗电网频率扰动特点的能力，该并网逆变器可以有效消除稳态误差，并通过增大带宽增强了其抵抗系统电网频率干扰的能力，通过控制函数增强逆变器抵抗电网频率变化带来的不利影响，通过增大系统带宽，提高系统的稳定性，并提高其相对精度。
Description
技术领域
本发明属于电网控制技术领域，尤其涉及一种光伏并网逆变器的控制结构及控制方法。
背景技术
在光伏电网与配电网的联络网络中，并网逆变器作为能量转换即控制的核心，是影响 整个系统性能的关键设备，但由于光伏电网接入配电网过程中会产生大量的谐波污染以及 电能参数异常现象，如果控制不好，将会对逆变器的性能产生严重影响，最终导致光伏电 网整体性能的下降。而逆变器在运行过程中，其各项参数随着时间以及电网实时状态会不 断变化，因此如何如何对逆变器的各项功能进行合理控制以提高控制性能，降低电网系统 以及逆变器相互之间的不利影响，提高逆变器控制效果是逆变器应用的一个重要问题。在 现有技术中应用最广的逆变器控制方法或结构，如PI控制、电压源控制等方法，其核心是 将逆变器整体作为一个线形系统进行研究控制，而实际情况中，逆变器本身参数以及逆变 器所处的外部参数都是在不断变化即非线性变化的，因此在相对稳定的电网系统或使用环 境中，通过此类方法进行控制的逆变器能够满足运行需求，但在光伏电网存在较大干扰性， 参数变化频繁的条件下该逆变器将无法完美实现其控制功能，而随着光伏技术的不断发展 进步，光伏电网的规模越来越大、配电网中光伏电网数量越来越多，相对的其对电网造成 的干扰将会越来多越来越强烈，逆变器前后端的应用环境将愈趋复杂。
发明内容
基于现状，本发明提供了一种光伏并网逆变器的控制结构，其能够实现逆变器对并网 电压和电流的同步控制效果以及提高功率因素，还能够有效抑制谐波污染、消除稳态误差、 抵抗系统电网频率干扰、提高系统的稳定性。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种光伏并网逆变器的控制结构，所述一种光伏并网逆变器的控制结构为双级结构， 包括前级的升压结构、后级的全桥逆变结构、用于逆变器输出的LC滤波结构、以及逆变器 控制结构；所述升压结构包括用于实现功率跟踪控制的Boost电路以及DC/DC升压电路，所述全桥逆变结构包括并网结构以及产生功率因数的逆变结构，所述逆变器双环控制结构包括直流电压外环以及电感电流内环；所述并网结构用于获取电网电压信号的锁相环，用于输出PWM调制信号的第一电流控制器；所述逆变结构包括用于输出内环电流的第一电 压控制器；所述直流电压外环包括第二电压控制器；
所述第二电压控制器输出内环电流的幅值信号，所述锁相环获取包含电网电压的频率和 相位信息的正弦信号，所述幅值信号与正弦信号相乘后得到参考电流信号，所述电流参考 信号与电网的电感电流反馈值比较后，经第一电流控制器后输出PWM调制信号；
所述一种光伏并网逆变器的控制结构还包括电网检测结构，包括用于产生和向电网注入 扰动电流的谐波注入结构以及设于并网点(PCC)处用于检测并网点电压和电流的检测结 构；
所述一种光伏并网逆变器的控制结构还包括自适应控制结构，所述自适应控制结构包括 PR控制部分以及微分控制部分；所述一种光伏并网逆变器的控制结构电压控制器与电流控 制器以及锁相环组成并网电流控制内环，所述电压控制器输出信号与锁相环获得的信号相 乘后获得电流参考信号，经与电流反馈值比较后再经电流控制器输出调制信号，以实现高 功率因素并网；所述并网点检测得到的并网点电压和电流经DFT/FFT处理后获取谐波分量 以用于计算电网实时阻抗；
所述全桥逆变结构的传递函数为GPR(s0)，且其 中Kp为比例系数，Kr为控制器谐振系数、ω0为并网电流基波频率对应的谐振角频率。ωc为截止角频率；所述逆变结构的输出滤波电感电流iL到逆变器输出电感vinv的传递函数为：其中L为滤波电感、C为滤波电容；所述电流控 制内环的控制函数为：KPW为逆变器等效传递函 数；其中：ω1、ω2为并网点电网电 压电流的频率，Z(h1)、Z(h2)为相应频率时的电网阻抗模值。
根据权利要求1所述一种光伏并网逆变器的控制结构，所述并网电流控制内环还包括 滞后环带，所述滞后环带相应的滞后函数为Gh(s)，且
T为采样周期。
根据权利要求1所述一种光伏并网逆变器的控制结构，还包括辅助电源电路结构、开 关驱动电路以及过欠流保护电路
一种光伏并网逆变器的控制结构的控制方法，包括以下步骤
1)根据控制系统的性能需求，给出合理的ξ、ωn以及n，求出Am(z-1)
Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3，
am2＝e-2σ+2e-(n+1)σ、am3＝e-(n+2)σ，且σ＝ωnξT
2)在线估算电网的实时阻抗Rg和Lg
ω1、ω2为并网点电网电压电流的 频率，Z(h1)、Z(h2)为相应频率时的电网阻抗模值。
3)求出控制器参数Kp、Ki和Kd
4)采用输出电流，求出于给定电流的偏差，计算u(k)
u(k)＝b0e(k)+b1e(k-1)+b2e(k-2)+b3e(k-3)-a1u(k-1)-a2u(k-2)-a3u(k-3)；
e(k)＝1+a1z-1+a2z-2+a3z-3；
5)根据获得的数据对并网逆变器进行调节；
6)当电网阻抗发生变化的时候，重复步骤2)～5)。
其有益效果在于：
本发明的一种光伏并网逆变器的控制结构，其能够实现逆变器对并网电压和电流的同 步控制效果以及提高功率因素，还能够有效抑制谐波污染、消除稳态误差、抵抗系统电网 频率干扰、提高系统的稳定性，本发明创造的逆变器具有较好的增益效果，其利用滞留信 号提高跟踪效果，通过优化系统函数提高其抗电网频率扰动特点的能力，该并网逆变器可 以有效消除稳态误差，并通过增大带宽增强了其抵抗系统电网频率干扰的能力，通过控制 函数增强逆变器抵抗电网频率变化带来的不利影响，通过增大系统带宽，提高系统的稳定 性，并提高其相对精度。
附图说明
图1为本发明的一种光伏并网逆变器的控制结构的示意图；
图2为本发明中单相光伏并网逆变器的电流内环控制框图；
图3为并网逆变器中的单向电路并网状态下的电路简化图；
图4为在线检测的结构原理结构图；
图5为在线检测的控制结构示意图；
图6为自适应控制系统的结构示意图；
图7为自适应控制系统的控制结构图；
图8为不同控制方法的逆变器的频率特性对比图；
图9为不同控制方式下的系统开环波特图；
图10为不同控制方式下系统的闭环波特图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
一种光伏并网逆变器的控制结构，其具体结构示意图如图1所示，本发明创造所提出 的一种光伏并网逆变器的控制结构在原有结构的基础之上，利用电网阻抗的在线检测环节 获取电网阻抗数据，并利用自适应控制算法计算最佳控制器参数，对逆变器的控制参数进 行实时控制调整，保证逆变器系统保持最佳性能。
基于上述现状，本发明创造的思路为通过前置补偿以及稳态跟踪技术，在现有并网逆 变器结构的基础上，通过微分控制来提高系统的稳态特性，同时适当提高系统的使用带宽， 进而提高系统的适用范围，提高系统的动态响应能力。
基于上述思路，本发明创造提供了一种光伏并网逆变器的控制结构，其传递函数为 GPR(s0)，且
其中Kp为比例系数，Kr为控制器谐振系数、ω0为并网电流基波频率对应的谐振角频 率。ωc为截止角频率，其中Kd为控制微分系数；为低通滤波函数，其作用为抑制高频噪声对微分控制的干扰。
根据图2的单相光伏并网逆变器的电流内环控制框图，可以得到系统的开环传递函数 表达式其闭环传递函数表达式为：
其中Gi(s)为电流控制器的传递函数、G0(s)为电流控制内环的控制函数、Gh(s)为滞后 函数用于提高数字控制的准确性，且T为采样周期，Lg、Rg分别为电网的 等效电感和电阻。
一、并网逆变器的控制结构、原理及各控制参数与电网参数之间的关系
在图1的基础上，考虑电网的阻抗特性，将并网逆变器中的单向电路截取并将其并网 状态下的电路简化后得到等效电路图如图3所示，根据图3建立该单相光伏并网逆变器的 动态函数为：
其中ig为电网电流、iL为输出滤波电感电流、L为滤波电感、C为滤波电容、 vg为电网电压、vinv为逆变桥臂输出调制电压。
由上述方程式得到其对应的S域表达式为：
忽略电网电压的扰动，结合式④得到输出滤波电感电流iL到逆变器输出电感vinv的传递 函数为：因此其电流控制内环的控制函数可表 示为：
由上述过程可知，要使并网逆变器的控制参数对电网状态变化而变化，首先要获得电 网的阻抗等信息，为实现电网阻抗的实时检测，本发明的一种光伏并网逆变器的控制结构 包括电网阻抗在线检测结构，其原理是通过向电网中周期性的注入已知频率的扰动电流， 利用检测元件获取网点处的电网数据，通过对测量结果进行傅立叶分析获取特定的谐波分 量，进而计算出电网实时阻抗，在线检测的结构原理如图4和图5所示，图中vg(h)为背景 谐波，可以忽略，h为注入谐波频率相对于基频的倍数，因此可以得到图4、图5中注入谐波频率与其电压相应于电网阻抗模值之间的关系式为：
电网阻抗模值与电阻和电感之间存在如下关系：
由此得到：
由上式可知，通过获取并网电流在两种特定频率处的幅值信息，即可实现对电网实时 阻抗的检测和估算，该方法不需要测量其他相位信息，运算过程简单。
基于上述基础，为实现逆变器的自适应控制以随着实时数据自动调整逆变器制器参数， 使其达到预期的控制效果，本发明还设有如图6所示的自适应控制结构，该控制结构首先 利用在线检测得到电网阻抗数据，根据该电网阻抗数据来计算控制器控制参数，再由控制 器算出控制量，进而实现逆变器跟随电网状态进行实时参数调整，基于图7中的控制结构 相应的的自适应控制系统结构如图8所示，且该控制结构的差分方程可表示为：
F(z-1)u(k)＝R(z-1)yr(k)-G(z-1)y(k) 式⑧
其受控部分的差分方程可表示为：
A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k)+γ(k)
其中，y(k)为系统输出，yr(k)为输入参考信号，u(k)为控制器的输出，γ(k)为系统 扰动量，F(z-1)、R(z-1)、G(z-1)为控制式；忽略系统扰动量，则其输出量y(k)可表示为：
因此图7、图8中自适应控制系统的闭环特征方程可表示为(d为系统延时)：
Ac(z-1)＝A(z-1)F(z-1)+z-dB(z-1)G(z-1) 式⑨
根据系统的控制性能指标，确定闭环极点位置，即可确定其期望输出方程ym(k)：
其中Am(z-1)与Bm(z-1)互质。
令期望输出表达式与系统输出表达式相等：
即可算出相应的控制参数并得到其具体控制量。
对式⑧利用双线性变换后得到：
F(z-1)u(k)＝G(z-1)[yr(k)-y(k)]
其中F(z-1)＝1+a'2z-1+a'1z-2、G(z-1)＝b'0+b1'z-1+b'2z-2
对受控部分进行离散化处理，得到其滤波(电感)输出到逆变器(电压)输出的传递函数为
其中的滤波器可以等效为单抗结构，逆变器可以等效为增益KMC，因此受控部分的离 散化模型可表示为：其中T为采样时 间。
在上述基础之上，为了得到相应的控制器中的控制式函数，对式③对应的传递函数进 行离散化，使用双线性变换得到其变换关系式为：
将式代入式③得到其离散域传递函数表达式为：
其中：
进一步的到其差分方程式为：
u(k)＝b0e(k)+b1e(k-1)+b2e(k-2)+b3e(k-3)-a1u(k-1)-a2u(k-2)-a3u(k-3) 式
为便于控制结构的计算以及分析，将本发明的一种光伏并网逆变器的控制结构中的控 制结构分为PR控制部分以及微分控制部分进行分析，由式⑨得到控制结构的闭环特征方 程：
A(z-1)＝(1+g1z-1)F(z-1)+z-1l0G(z-1) 式
通过对式进行离散化得到其离散化模型(一个三阶模型)，利用主导极点对该控制系 统的性能进行分析，分析过程中，对于到虚轴的距离大于主导极点的5倍以上的极点对系 统的影响力可以忽略，因此可以忽略以减少分析计算量。设式的两个闭环主导极点非主导极点s3＝-nξωn(n＞5)，将极点表达式代入(T为采样时间，i＝1、2、3)，经简化后得到期望闭环特征方程为Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3，其中am2＝e-2σ+2e-(n+1)σ、am3＝e-(n+2)σ，且σ＝ωnξT。 令Ac(z-1)＝Am(z-1)，得到控制参数与电网阻抗之间的关系：
微分系数Kd会影响系统的响应速度和稳定性，当电网阻抗增大时，Kd应适当减小，且Kd＝Kd+ΔKd 式
将式式代入式中，即可得到最终的控制器输出参数。
二、本发明创造的一种光伏并网逆变器的控制结构的控制方法
基于上文内容，本发明创造的控制方法的主要步骤包括：
7)根据控制系统的性能需求，给出合理的ξ、ωn以及n，求出Am(z-1)；
8)在线估算电网的实时阻抗Rg和Lg；
9)利用式求出控制器参数Kp、Ki和Kd；
10)采用输出电流，求出于给定电流的偏差，利用公式计算u(k)；
11)根据获得的上述数据对并网逆变器进行调节；
12)当电网阻抗发生变化的时候，重复步骤2)～5)。
三、本发明创造的有益效果
结合现有并网逆变器的控制函数，包括PI控制法、PR控制法以及准R控制法，其相应的控制函数GPI(s)、GPR(s)以及GPR(s0)可表示为：
其中KI为积分系数，本发明创造的控制函数为：
如图8中所示，由式得到其相应的增益计算公式为即 在ω趋近于0的时候，PI控制法的逆变器的增益效果趋近于无穷大，因此其针对滞留信号 可以实现较好的跟踪效果，但在处理处于正弦交流状态随时间变化的信号的时候，逆变器 的增益效果非常有限，存在较大的稳态误差，因此会导致使用该方法的逆变器前后两端的 电网的电流品质无法保证。同理，由式的控制函数值表可知，式能够优化光伏并网逆 变器对并网电压和电流的同步控制效果以及提高功率因素，相对的其收到电网实际频率的 影响也越高，由于电网中频率的波动性特点，电网的实际频率是不断变化的，一旦电网频 率变化将直接导致其无法有效抑制谐波污染。因此，为弥补控制函数式的不足，人们提 出了以式为控制函数的具有抗电网频率扰动特点的并网逆变器，该并网逆变器可以有效 消除稳态误差，并通过增大带宽增强了其抵抗系统电网频率干扰的能力。但是在实际应用 中，随着电网中电感的增加，系统的谐振频率不断减小，控制系统的稳定性会减小，最终 导致系统稳态误差增大以及动态性能下降，虽然式的控制函数可以增强逆变器抵抗电网 频率变化带来的不利影响，但其仍然存在中高频下稳态效果快速降低，致使该型并网逆变 器应用范围受到限制。
在上述基础上，取相同的控制参数，在单相光伏并网逆变器控制环内进行计算检测， 通过比较式相应控制方式下系统开环和闭环波特图9和图10。
有图9可知，式和在50Hz频率处均可以获得较大的增益，在大于50Hz时可以实现对基波电流的无误差跟踪，相对于式和式由于增大了系统带宽，因此能够提高系统的稳定性，由图10可知，在50Hz处，式的控制函数下的幅值及相位误差接近于0。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创 造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技 术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明 创造技术方案的实质和范围。
Claims (4)
1.一种光伏并网逆变器的控制结构，其特征在于，所述一种光伏并网逆变器的控制结构为双级结构，包括前级的升压结构、后级的全桥逆变结构、用于逆变器输出的LC滤波结构、以及逆变器控制结构；所述升压结构包括用于实现功率跟踪控制的Boost电路以及DC/DC升压电路，所述全桥逆变结构包括并网结构以及产生功率因数的逆变结构，所述逆变器双环控制结构包括直流电压外环以及电感电流内环；所述并网结构用于获取电网电压信号的锁相环，用于输出PWM调制信号的第一电流控制器；所述逆变结构包括用于输出内环电流的第一电压控制器；所述直流电压外环包括第二电压控制器；
所述第二电压控制器输出内环电流的幅值信号，所述锁相环获取包含电网电压的频率和相位信息的正弦信号，所述幅值信号与正弦信号相乘后得到参考电流信号，所述电流参考信号与电网的电感电流反馈值比较后，经第一电流控制器后输出PWM调制信号；
所述一种光伏并网逆变器的控制结构还包括电网检测结构，包括用于产生和向电网注入扰动电流的谐波注入结构以及设于并网点(PCC)处用于检测并网点电压和电流的检测结构；
所述一种光伏并网逆变器的控制结构还包括自适应控制结构，所述自适应控制结构包括PR控制部分以及微分控制部分；所述一种光伏并网逆变器的控制结构电压控制器与电流控制器以及锁相环组成并网电流控制内环，所述电压控制器输出信号与锁相环获得的信号相乘后获得电流参考信号，经与电流反馈值比较后再经电流控制器输出调制信号，以实现高功率因素并网；所述并网点检测得到的并网点电压和电流经DFT/FFT处理后获取谐波分量以用于计算电网实时阻抗；
所述全桥逆变结构的传递函数为GPR(s0)，且其中Kp为比例系数，Kr为控制器谐振系数、ω0为并网电流基波频率对应的谐振角频率。ωc为截止角频率；所述逆变结构的输出滤波电感电流iL到逆变器输出电感vinv的传递函数为：其中L为滤波电感、C为滤波电容；所述电流控制内环的控制函数为：KPW为逆变器等效传递函数；其中：ω1、ω2为并网点电网电压电流的频率，Z(h1)、Z(h2)为相应频率时的电网阻抗模值。
2.根据权利要求1所述一种光伏并网逆变器的控制结构，其特征在于，所述并网电流控制内环还包括滞后环带，所述滞后环带相应的滞后函数为Gh(s)，且
T为采样周期。
3.根据权利要求1所述一种光伏并网逆变器的控制结构，其特征在于，还包括辅助电源电路结构、开关驱动电路以及过欠流保护电路。
4.一种光伏并网逆变器的控制结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤
1)根据控制系统的性能需求，给出合理的ξ、ωn以及n，求出Am(z-1)
Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3，
am2＝e-2σ+2e-(n+1)σ、am3＝e-(n+2)σ，且σ＝ωnξT；
2)在线估算电网的实时阻抗Rg和Lg
ω1、ω2为并网点电网电压电流的频率，Z(h1)、Z(h2)为相应频率时的电网阻抗模值；
3)求出控制器参数Kp、Ki和Kd
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4)采用输出电流，求出于给定电流的偏差，计算u(k)
u(k)＝b0e(k)+b1e(k-1)+b2e(k-2)+b3e(k-3)-a1u(k-1)-a2u(k-2)-a3u(k-3)；
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5)根据获得的数据对并网逆变器进行调节；
6)当电网阻抗发生变化的时候，重复步骤2)～5)。
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