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,设置的控制精度阈值δ,确定的延迟时间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为的控制精度阈值;
τ为的延迟时间;
s为拉普拉斯变换中的复变量。
设置的控制精度阈值δ(在切换开关(Switch)中设定),之后确定的延迟时间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。
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,设置的控制精度阈值δ(在切换开关(Switch)中设定),之后确定的延迟时间τ(在延时环节(Delay)中设定)。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为的控制精度阈值;
τ为的延迟时间;
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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