CN107947238B - 一种并网状态下逆变器非线性自适应pq控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法，包括以下步骤：(1)采集LCL输出端口的三相输出电压vabc和输出电流iabc；(2)根据步骤(1)采集获得的输出电压和电流计算逆变器输出的有功功率P和无功功率Q；(3)计算得到调制电压d轴分量(4)计算得到调制电压q轴分量(5)通过自适应调节比例函数对步骤(3)和(4)中的参数进行调整；(6)将步骤(3)和步骤(4)得到的和作dq0/abc变换产生PWM调制波，所述PWM调制波输入PWM波生成器产生控制逆变器的PWM控制信号；使用本发明方法不但不需要复杂的多参数整定，还可以设定控制精度，简单高效。

Description

一种并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法
技术领域
本发明涉及三相逆变器功率控制技术领域，特别涉及一种并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法。
背景技术
随着经济的发展，人们对能源的需求量不断增长，而化石能源的短缺使得各国越来越重视新能源的开发与利用。现今的分布式新能源多以微电网的形式接入传统的大电网中，微电网大部分时间工作在并网运行状态。在并网运行过程中，分布式电源一般工作在恒功率模式。
现有技术中，控制方式采用PQ双环控制，控制效果的好坏极大依赖于LCL滤波参数与双环PI参数的选择。需要整定的参数多且参数与参数之间相互影响，使得传统PQ双环控制使用起来非常不方便。
因此，提出新的并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法，不依赖于LCL滤波参数的好坏，避免传统方法中参数整定的麻烦的同时还可以设定控制精度，变得十分重要和有意义。
发明内容
本发明提供了一种并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法，不仅不依赖于LCL滤波参数的好坏，在避免了传统方法中参数整定的同时还可以设定控制精度。
一种并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法，包括以下步骤：
(1)采集LCL输出端口的三相输出电压vabc和输出电流iabc；
(2)根据步骤(1)采集获得的输出电压和电流计算逆变器输出的有功功率P和无功功率Q；
(3)计算设定的额定有功功率Pref与步骤(2)计算得到的有功功率P之间的差值ΔP，将ΔP输入符号函数sgn得到Pref与P的偏差方向，确定后续控制量变化方向，将代表控制方向的输出量输入第一自适应PI控制模块中，得到调制电压d轴分量ΔP＝Pref-P，确定后续控制量变化方向的具体内容为：当ΔP＞0时，偏差方向为正，输出为1，控制方向为正向即使得P最终增加的方向；当ΔP＜0时，偏差方向为负，输出为-1，控制方向为负向。
(4)计算设定的额定无功功率Qref与步骤(2)计算得到的无功功率Q之间的差值ΔQ，将ΔQ输入符号函数sgn得到Qref与Q的偏差方向，确定后续控制量变化方向，将代表控制方向的输出量输入第二自适应PI控制模块中，得到调制电压q轴分量ΔQ＝Q-Qref，确定后续控制量变化方向的具体内容为：当ΔQ＞0时，偏差方向为正，输出为1，控制方向为正向，即使得Q最终减少的方向；当ΔQ＜0时，偏差方向为负，输出为-1，控制方向为负向。
(5)通过自适应调节比例函数对所述的第一自适应PI控制模块和第二自适应PI控制模块中的比例控制参数进行调整；
(6)将步骤(3)和步骤(4)得到的和作dq0/abc变换产生PWM调制波，所述PWM调制波输入PWM波生成器产生控制逆变器的PWM控制信号，实现逆变器输出功率对功率指令的跟踪。
本发明方法采用非线性自适应控制，提取PQ偏差方向并重新构造了一个对控制量抖动具有抑制作用的自适应PI控制器进行PQ控制，自适应PI控制器通过步骤(3)～(5)进行建立。不仅不依赖于LCL滤波参数的好坏，在避免了传统方法中参数整定的麻烦的同时还可以设定控制精度。
本发明方法在控制有功功率偏差时，用一个符号函数对有功功率偏差进行抽取，而后重构一个PI环节进行反馈控制。消除了干扰所致的功率波动对反馈控制量大小的影响。优选的，步骤(3)中，将代表控制方向的输出量输入第一自适应PI控制模块中，得到调制电压d轴分量的计算公式为：
其中：
sgn为符号函数；
σP为有功比例调整因子；
KPp为有功比例控制参数；
KPi为有功积分控制参数；
s为拉普拉斯变换中的复变量。
选取KPp时为了获得较快的初始收敛速度，可以选择偏大一些的值，一般取1～10之间，因为自适应环节的存在，比例调节因子σP会不断调整比例控制参数值σPKPp。KPi的值可根据功率跟踪速度要求和最大超调量限制经试凑得到。KPi一般取10～100之间。
本发明方法在控制无功功率偏差时，用一个符号函数对无功功率偏差进行抽取，而后重构一个PI环节进行反馈控制。消除了干扰所致的功率波动对反馈量大小的影响。优选的，步骤(4)中，将代表控制方向的输出量输入第二自适应PI控制模块中，得到调制电压q轴分量的计算公式如下：
其中：
sgn为符号函数；
σQ为无功比例调整因子；
KQp为无功比例控制参数；
KQi为无功积分控制参数；
s为拉普拉斯变换中的复变量。
选取KQp时为了获得较快的初始收敛速度，可以选择偏大一些的值，一般取1～10之间，因为自适应环节的存在，比例调节因子σQ会不断调整比例控制参数值σQKQp。KQi的值可根据功率跟踪速度要求和最大超调量限制经试凑得到。KQi一般取10～100之间。
为了具备参数自适应性，进一步设计了比例调节因子，其具有自衰减的功能，会随着时间的推移不断衰减比例参数至合适的大小。优选的，步骤(5)中，设置和的控制精度阈值δ，确定和的延迟时间τ，所述自适应调节比例函数的计算公式如下：
其中：
σP和σQ分别为有功比例调整因子和无功比例调整因子；
δ为和的控制精度阈值；
τ为和的延迟时间；
s为拉普拉斯变换中的复变量。
设置和的控制精度阈值δ(在切换开关(Switch)中设定)，之后确定和的延迟时间τ(在延迟环节(Delay)中设定)，延迟时间设得越短，控制效果越好，但延迟时间不能小于逆变器开关频率对应的周期。
和分别与经过一个延迟环节(Delay)后的自身相减，对差值求绝对值，然后输入切换开关(Switch)，如果绝对值小于切换开关(Switch)中设定的精度阈值δ，则输出1，积分器累计值增大，否则输出-1，积分器累计值减小。积分结果经过指数运算(e-u)后输出比例调整因子σP和σQ，用于调整比例控制参数。
综上所述，使用本发明提出的并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法不但不需要复杂的多参数整定，还可以设定控制精度，简单高效。
本发明的有益效果：
(1)本发明在并网状态下对逆变器进行PQ控制效果不受逆变器LCL滤波器参数设计合理性的影响。
(2)本发明与传统PQ双环控制相比，控制参数数量少，且不需要复杂的参数整定，使用起来简单有效。
(3)本发明可以调节控制精度，并且控制模块中包含自适应环节，可以自动调节比例控制参数，使得控制效果满足控制精度要求，很好的解决了控制参数不合理所造成的平衡点抖动问题。
附图说明
图1为使用本发明方法的逆变器主电路示意图。
图2为使用本发明方法的逆变器总体控制示意框线图。
图3为本发明方法的比例调节函数原理示意图。
图4为本发明方法的PWM波生成器原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，逆变器主电路中，DC是直流电源，C1是逆变器直流端大电容，L1,R1是LCL滤波器逆变器侧电感及电阻，C,R3是滤波电容和串联电阻，L2,R2是LCL滤波器网侧电感及电阻，Breaker为逆变器与电网的公共连接点处的开关，Grid等效为大电网，vabc为负载端电压，iabc为流过L2的电流，由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组成的逆变器输入的PWM信号是控制电路给逆变器的控制信号。当断路器Breaker闭合时，逆变器工作在并网状态。
如图2所示，逆变器的控制电路包括四个部分。
第一部分是根据采集到的三相电压vabc和电流iabc计算得到瞬时有功功率P和无功功率Q。
第二部分是计算设定的额定有功功率Pref与计算得到的有功功率P之间的差值ΔP。然后将ΔP输入符号函数sgn得到Pref与P的偏差方向，从而确定后续控制量变化方向。将代表控制方向的输出量输入第一自适应PI控制模块中继而得到计算公式如下：
其中为调制电压d轴分量，sgn为符号函数，Pref为额定有功功率，P为实际有功功率，σP为有功比例调整因子，KPp为有功比例控制参数，KPi为有功积分控制参数。选取KPp时为了获得较快的初始收敛速度，可以选择偏大一些的值，因为自适应环节的存在，比例调节因子σP会不断调整比例控制参数值σPKPp。KPi的值可根据功率跟踪速度要求和最大超调量限制经试凑得到。
与此同时，计算设定的额定无功功率Qref与计算得到的无功功率Q之间的差值ΔQ。将ΔQ输入符号函数sgn得到Qref与Q的偏差方向，从而确定后续控制量变化方向。将代表控制方向的输出量输入第二自适应PI控制模块中继而得到计算公式如下：
其中为调制电压q轴分量，sgn为符号函数，Qref为额定无功功率，Q为实际无功功率，σQ为无功比例调整因子，KQp为无功比例控制参数，KQi为无功积分控制参数。选取KQp时为了获得较快的初始收敛速度，可以选择偏大一些的值，因为自适应环节的存在，比例调节因子σQ会不断调整比例控制参数值σQKQp。KQi的值可根据功率跟踪速度要求和最大超调量限制经试凑得到。
自适应PI控制模块包括自适应比例调节函数adaptive FUN，比例控制器Kp，积分控制器
第三部分将经过控制器得到的和进行反Park变换得到作为调制波输入第四部分PWM产生器从而生成逆变器的PWM控制信号。
比例调节函数adaptive FUN原理图如图3所示，设置和的控制精度阈值δ(在切换开关(Switch)中设定)，之后确定和的延迟时间τ(在延时环节(Delay)中设定)。和分别与经过一个延迟环节(Delay)后的自身相减，对差值求绝对值，然后输入切换开关(Switch)，如果绝对值小于切换开关(Switch)中设定的精度阈值δ，则输出1，积分器累计值增大，否则输出-1，积分器累计值减小。积分结果经过指数运算(e-u)后输出比例调整因子σP和σQ，用于调整比例控制器Kp的参数，σP和σQ由以下公式计算得到
其中σP和σQ分别为有功比例调整因子和无功比例调整因子，sgn为符号函数。
PWM波生成器原理图如图4所示，通过与三角波载波比较产生六个脉冲信号用以控制逆变器中六个IGBT管的开通与关断，从而实现逆变器的PQ控制。

Claims (2)

1.一种并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集LCL输出端口的三相输出电压vabc和输出电流iabc；
(2)根据步骤(1)采集获得的输出电压和电流计算逆变器输出的有功功率P和无功功率Q；
(3)计算设定的额定有功功率Pref与步骤(2)计算得到的有功功率P之间的差值ΔP，将ΔP输入符号函数sgn得到Pref与P的偏差方向，确定后续控制量变化方向，将代表控制方向的输出量输入第一自适应PI控制模块中，得到调制电压d轴分量
(4)计算设定的额定无功功率Qref与步骤(2)计算得到的无功功率Q之间的差值ΔQ，将ΔQ输入符号函数sgn得到Qref与Q的偏差方向，确定后续控制量变化方向，将代表控制方向的输出量输入第二自适应PI控制模块中，得到调制电压q轴分量
(5)通过自适应调节比例函数对所述的第一自适应PI控制模块和第二自适应PI控制模块中的比例控制参数进行调整；
(6)将步骤(3)和步骤(4)得到的和作dq0/abc变换产生PWM调制波，所述PWM调制波输入PWM波生成器产生控制逆变器的PWM控制信号，实现逆变器输出功率对功率指令的跟踪；
步骤(3)中，将代表控制方向的输出量输入第一自适应PI控制模块中，得到调制电压d轴分量的计算公式为：
其中：
sgn为符号函数；
σP为有功比例调整因子；
KPp为有功比例控制参数；
KPi为有功积分控制参数；
s为拉普拉斯变换中的复变量；
步骤(5)中，所述自适应调节比例函数的计算公式如下：
其中：
σP和σQ分别为有功比例调整因子和无功比例调整因子；
δ为和的控制精度阈值；
τ为和的延迟时间；
s为拉普拉斯变换中的复变量。
2.如权利要求1所述的并网状态下逆变器非线性自适应PQ控制方法，其特征在于，步骤(4)中，将代表控制方向的输出量输入第二自适应PI控制模块中，得到调制电压q轴分量的计算公式如下：
其中：
sgn为符号函数；
σQ为无功比例调整因子；
KQp为无功比例控制参数；
KQi为无功积分控制参数；
s为拉普拉斯变换中的复变量。
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