CN108306540A - 一种并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法,将三相四桥臂逆变电路解耦成三个独立的单相回路进行控制:在无差拍控制器中引入预测电感系数作为控制算法中的预测电感值和实际逆变侧电感值的比,控制器实时采集电网电压、电流有效值,电网电压相位,并计算下一时刻并网电流参考值,计算并网电流误差,通过将被控对象传递函数离散化,根据电流误差信号推导下一时刻逆变器侧的输出电压控制值;确定重复控制器结构和内模低通滤波器;在无差拍控制和重复控制器的共同作用下控制器得到逆变侧输出电压控制值并归一化,经过PWM调制控制功率变换电路中IGBT的开通与关断。本发明可实现并网逆变器输出电流对参考电流的快速准确跟踪。

Description

一种并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法
技术领域
本发明属于一种并网逆变器控制方法,特别是一种并网逆变器的 无差拍重复控制系统的控制方法。
背景技术
近年来,独立分布式发电技术受到广泛关注。逆变器作为分布式 发电单元与电网的接口,能否为电网注入优质电力直接影响发电系统 的质量与效率。目前,并网逆变器主要的控制策略有滞环控制、PI 控制、比例谐振控制等。滞环控制跟踪精度低且要求采样频率高,传 统的PI控制方法受到带宽的影响对交流信号的跟踪精度不高,谐波 抑制能力较差。比例谐振控制在谐振频率处具有无穷大的开环增益, 理论上能对频率为谐振频率的正弦信号实现零稳态误差控制,当要抑 制多个频率的电流谐波时,采用多个对应数量的谐振控制器并联使用 可保证在准确跟踪基波含量的同时有效抑制谐波分量,但是多谐振控 制计算复杂且在离散化时对参数敏感,在并联的谐振项数目较多时难 以设计相角补偿。而基于内模原理的重复控制器相当于比例、积分和 多个谐振控制器的并联,可以抑制各次谐波,能够在基频及其整数倍 的频率处提供高增益,理论上能实现对正弦电流的无静差控制,但传 统的重复控制因其固有的延时环节,当参考电流发生变化时需要经过 一个控制周期才能进行相应的调节,因此动态响应慢。
发明内容
针对以上问题,本发明的目的是提供一种并网逆变器的无差拍重 复控制系统的控制方法,实现并网逆变器输出电流对参考电流的快速 准确跟踪,提升系统的动、静态性能。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法,所述控制系 统包括新能源发电装置、功率变换电路、滤波电路、并网继电器和控 制器,其特点是:所述控制器包括无差拍预测控制器和重复控制器, 所述控制器通过控制功率变换电路中开关三极管IGBT的开通与关 断,将新能源发电装置发出的直流电逆变为交流电,经滤波电路、并 网继电器并入电网;具体控制方法是:将三相四桥臂逆变电路解耦成 三个独立的单相回路进行控制,在无差拍控制器中引入预测电感系数 作为控制算法中的预测电感值和实际逆变侧电感值的比,控制器实时 采集电网电压有效值、电网电流有效值以及电网电压相位,计算下一 时刻并网电流参考值,控制器计算并网电流误差信号,通过将被控对 象传递函数离散化,根据电流误差信号推导下一时刻逆变器侧的输出 电压控制值,在上述无差拍控制算法中嵌入重复控制器,重复控制器 的控制方法是:确定重复控制器结构和内模低通滤波器Q(z);引入线 性相位超前补偿模块zP对相角进行补偿确保并网电流与电压无相位 差。在无差拍控制和重复控制器的共同作用下控制器得到逆变侧输出 电压控制值并归一化,经过PWM调制控制功率变换电路中开关三极 管IGBT的开通与关断。
在本发明的设计实例中,并网逆变器的无差拍重复控制器控制方 法:确定带延时的无差拍控制结构图,采用零阶保持器将被控对象离 散化,利用根轨迹确定延时拍数与预测电感值的关系,选取预测电感 系数为小于1的常数。
对于重复控制器Grc(z)的设计,引入重复控制系数Krc,引入不带 相位偏移的低通滤波器Q(z)=a0z+a1+a0/z,其中2a0+a1=1。引入的线 性相位超前补偿模块为Gf(z)=zp,超前补偿拍数重复控制器的 结构框图见附图2,其传递函数为:
对于重复控制器补偿拍数的选取,根据被控系统的滤波器模型选 取超前补偿拍数p,选取的补偿拍数应使系统带宽最大。
将重复控制器传递函数嵌入到无差拍控制器中,见附图3,不考虑 延时,则电流环的闭环传递函数为:
其中,K'rc=Krc·K·Lf/Ts,各参数含义见附表1,如果闭环系统的特 征根都在单位圆内则系统稳定,即1-[1-K'rczPGp(z)]Q(z)z-N=0的根在单位圆 内,得系统稳定的充分条件为:对于所有有下式成立: |Q(z)[1-K'rczPGP(z)]|<1。
本发明针对传统并网逆变器电流控制方法稳态精度低、动态响应 慢的缺点,提供了一种改进无差拍重复控制方法对并网电流进行控 制。与现有技术相比,具有以下优点:
(1)并网逆变器电流控制采用重复控制器原理,能逐周期消除稳 态误差,与传统的并网逆变器电流控制相比具有更高的稳态精度,由 于重复控制器在谐波频率处具有高增益,因此能够有效地抑制并网电 流的THD。
(2)无差拍电流控制能够快速准确地跟踪给定信号,重复控制可 快速消除每一采样周期的稳态误差,两者结合可有效提高并网电流的 动、静态性能。
(3)将三相四桥臂并网逆变器直接解耦成三个独立的单相回路, 简化了设计,本发明的控制方法同样适合于单相并网逆变器。
(4)本发明若采用无差拍控制与重复控制并联的方式也可以获得 相同的控制效果。
通过以下的描述并结合附图,本发明将变得更加清晰,这些附图 用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1是本发明的并网逆变器拓扑图和控制结构图。
图2是重复控制器的结构图。
图3为无差拍重复控制器的结构图。
图4为被控对象主电路等效结构图。
图5为被控对象带不同补偿拍数时的波特图。
图6为在本发明控制下的实际并网电流稳态波形图。
附图1中各标号的含义如下:
Q1~Q8为IGBT大功率开关管,Lf为逆变器侧电感;R1为电感Lf 的等效内阻;Lg为并网侧电感,R2为电感Lg的等效内阻;Cf为滤波 电容,R为滤波电容串联电阻。θ为锁相环(PLL)在每个采样周期实时 检测到的当前电网电压相位,i*为根据相位角θ计算出的与电网电压 同相位的并网给定电流有效值。ia,ib,ic为实际并网电流,uga,ugb,ugc为 A,B,C三相电网电压。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图 对本发明实施方式作进一步地详细描述。
附图1中各参数的取值参见附表1
附表1 LCL型三相四桥臂并网逆变器参数
根据附图1,三相四桥臂并网逆变器的拓扑图可解耦成三个独立 的单相并网逆变器控制,可求得下一时刻并网电流的离散状态方程为
其中j=a,b,c,如果在一个采样周期内实现了并网电流对给定参考 电流的无差跟踪,即i(k+1)=i*(k)则认为达到了无差拍的控制效果。
三相并网逆变器的PWM调制电压可描述为:Uj(k)=Udc·Sj,其中Sj为开关管占空比,于是根据式(1)可得到无差拍控制的逆变侧PWM调 制电压输出表达式如下
按附图(2)设计重复控制器环节,并将其嵌入到无差拍控制中, 得到系统的控制框图如附图(3)所示。对于LCL型三相四桥臂并网逆 变器,被控对象的等效框图如附图4所示
将电网电压ug(s)看作扰动,忽略电感内阻R1和R2,得到并网 电流相对于逆变侧输入电压uinv(s)的传递函数为:
式(3)为重复控制器设计时的实际被控对象,将附表1中的参数 代入并离散化后可得到被控对象的传递函数为:
如果选取无差拍控制中系数K=0.7,将式(4)代入,到得系统的 闭环传递函数为
为补偿被控对象的滞后,加入补偿环节Gf(z)=zp,附图5为G(z)Gf(z) 带不同线性相位超前补偿拍数时的波特图,从图中可看出,超前补偿 拍数不改变幅频特性,但相频特性有明显改变,当p=2时系统带宽最 大,综合考虑采样及控制延时,在实验控制中选取p=3。
重复控制中选取Q(z)=0.25z+0.5+0.25/z,重复控制系K′rc的选取满 足权利要求第5条,将设计好的重复控制器嵌入到无差拍控制中,在 无差拍重复控制器的作用下得到实际并网电流波形如图6所示。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述,并不用以限制本发 明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改 进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法,所述控制系统包括新能源发电装置、功率变换电路、滤波电路、并网继电器以及控制器,其特征在于:所述控制器包括无差拍预测控制器和重复控制器,控制器通过控制功率变换电路中开关三极管IGBT的开通与关断,将新能源发电装置发出的直流电逆变为交流电,经滤波电路和并网继电器并入电网,
具体控制方法是:将三相四桥臂逆变电路解耦成三个独立的单相回路进行控制:在无差拍控制器中引入预测电感系数作为控制算法中的预测电感值和实际逆变侧电感值的比,控制器实时采集电网电压有效值、电网电流有效值、电网电压相位,并计算下一时刻并网电流参考值,控制器计算并网电流误差信号,通过将被控对象传递函数离散化,根据电流误差信号推导下一时刻逆变器侧的输出电压控制值;在上述无差拍控制算法中嵌入重复控制器;
重复控制器的控制方法是:确定重复控制器结构和内模低通滤波器Q(z);引入线性相位超前补偿模块zP对相角进行补偿确保并网电流与电压无相位差,在无差拍控制和重复控制器的共同作用下控制器得到逆变侧输出电压控制值并归一化,经过PWM调制控制功率变换电路中开关三极管IGBT的开通与关断。
2.如权利要求1所述的并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法,其特征在于,确定带延时的无差拍控制结构图,采用零阶保持器将被控对象离散化,利用根轨迹确定延时拍数与预测电感值的关系,选取预测电感系数为小于1的常数。
3.如权利要求1所述的并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法,其特征在于,所述控制器中的重复控制器Grc(z)引入重复控制系数Krc,引入不带相位偏移的低通滤波器Q(z)=a0z+a1+a0/z,其中2a0+a1=1。引入的线性相位超前补偿模块为Gf(z)=zp,超前补偿拍数其传递函数为:
4.如权利要求3所述的并网逆变器的无差拍重复控制系统的控制方法,其特征在于,所述重复控制器根据被控系统的滤波器模型选取超前补偿拍数p,选取的补偿拍数应使系统带宽最大,将重复控制器传递函数嵌入到无差拍控制器中,不考虑延时,则电流环的闭环传递函数为:
其中,K'rc=Krc·K·Lf/Ts,各参数含义见附表1,如果闭环系统的特征根都在单位圆内则系统稳定,即1-[1-K'rczPGp(z)]Q(z)z-N=0的根在单位圆内,得系统稳定的充分条件为:对于所有有下式成立:|Q(z)[1-K'rczPGP(z)]|<1。
附表1 LCL型三相四桥臂并网逆变器参数
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