CN108631361A - 一种lc型三相并网逆变器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LC型三相并网逆变器控制方法，网侧电流检测信号与并网电流参考信号进行比较，将误差送入PI控制器中，PI控制的参数由改进遗传算法得出；同时，误差送入重复控制器，对过去几个采样周期的误差累加；PI控制器和重复控制器输出的两种控制电压信号送入SVPWM模块，由SVPWM模块输出开关驱动信号，控制三相逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。该方法能够在保证系统稳定的前提下，提高并网电流的波形质量、跟踪精度和功率因数，保证整个逆变器系统安全可靠的运行。适合于太阳能发电、风力等新能源并网系统，并且可推广到其它单相或者三相并网逆变器的控制方法当中。

Description

一种LC型三相并网逆变器控制方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器控制技术，特别涉及一种基于改进遗传PI和重复控制的LC型三相并网逆变器控制方法。
背景技术
随着环境的不断污染和能源的日渐枯竭，近年来新能源发电一直备受瞩目。光伏发电作为新能源发电的一种方式，由于发电具有间歇性和不稳定性，不当地并入电力系统容易污染系统。因此，光伏逆变器作为电网接口设备，要具备一定的标准，标准之一要求注入电网的电流谐波总畸变率限值为5％。
逆变器输出电流必须经过滤波器滤除高次谐波，如今常用的滤波器为L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。L型滤波器结构简单，易于实现，但滤波效果并不十分理想；LC型滤波器适用于双模式下的逆变器，并网情况下其滤波效果等同于L型滤波器。LCL型滤波器具有最优的滤波效果，滤波电容C作为高次谐波通道，能够有效滤除高次谐波。但由于为三阶系统，存在谐振峰，在谐振频率处有较大的增益，极易引起系统的不稳定。
发明内容
本发明是针对的问题，提出了一种LC型三相并网逆变器控制方法，为LC滤波并网逆变器提供一种新的PI参数整定方法，该方法能够在保证系统稳定的前提下，提高并网电流的波形质量、跟踪精度和功率因数，保证整个逆变器系统安全可靠的运行。
本发明的技术方案为：一种LC型三相并网逆变器控制方法，直流电压源输出直流经过三相逆变器转换为交流后，通过LC滤波器滤波并入电网，将三相静止坐标系下的网侧电流检测信号i2a、i2b、i2c变换成两相静止坐标系下的电流i2a、i2β，电网电压锁相环检测电网电压相位信息，根据i2α、i2β以及电网电压相位信息再变换成两相旋转坐标系下的电流id、iq，指令电流为id*、iq*；
将id、iq与并网电流参考信号id*、iq*进行比较，将误差送入PI控制器中，PI控制的参数由改进遗传算法得出，PI控制器输出经过解耦，得到PI的控制电压信号；同时，误差送入重复控制器得到控制电压信号，重复控制器由延迟环节、内膜误差反馈、超前环节、二阶陷波器、二阶低通滤波器组成，误差经过延迟环节，得到过去周期的误差，经过超前环节进行相位补偿，经过二阶陷波器，对谐振峰值进行陷波，降低谐振频率点的电流，最后经过二阶低通滤波器对高频量进行滤波；PI控制器和重复控制器两种控制的电压信号送入SVPWM模块，由SVPWM模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制三相逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。
所述PI控制的参数由改进遗传算法得出具体方法如下：PI参数的kp、ki两个参数作为遗传算法的一个个体，每个参数用七位二进制数表示，首先要产生一个初始种群，PI参数的初始种群个体采用算术采样法，即平均采样法；从初始种群个体中任意选取kp、ki参数个体送入MATLAB/Simulink运行，得到PI控制器实际输出电流，将PI控制器实际输出电流与给定标准电流的误差模拟谐波电流，对模拟谐波电流进行适应度函数计算，适应度函数值越大，表示个体PI参数越好，谐波电流越小，对计算的适应度进行排序；对个体进行“选择”、“交叉”、“变异”运算，再次进行适应度函数计算，并且每次运算都包含上次适应度最高的个体解；再次进行个体选择，直到适应度值达到要求或循环次数到，结束算法，输出适应度函数值最大所对应的PI参数值。
本发明的有益效果在于：本发明一种LC型三相并网逆变器控制方法，拥有控制精度高，跟踪效果好，功率因数高以及系统可靠性强等优点，适合于太阳能发电、风力等新能源并网系统，并且可推广到其它单相或者三相并网逆变器的控制方法当中。
附图说明
图1为LC型三相并网逆变器结构图；
图2为本发明dq轴电流和电网电势前馈解耦图；
图3为本发明改进遗传PI和重复控制结构示意图；
图4为本发明二阶陷波器伯德图；
图5为本发明改进遗传PI参数的迭代图；
图6为本发明PI控制器的参数的改进遗传算法流程图；
图7a为本发明单独使用PI控制策略并网电流的谐波图；
图7b为本发明使用PI结合重复控制策略并网电流的谐波图；
图7c为本发明使用改进遗传PI结合重复控制策略并网电流的谐波分析图；
图8为本发明并网电流与电网电压的同步图。
具体实施方式
如图1为LC型三相并网逆变器结构图，直流电压源输出直流经过高频开关三相逆变器转换为交流后，通过LC滤波器滤波并入电网。主要控制过程为：首先将三相静止坐标系下的网侧电流检测信号i2a、i2b、i2c变换成两相静止坐标系下的电流i2a、i2β，电网电压锁相环检测电网电压相位信息，再变换成两相旋转坐标系下的电流id、iq。指令电流为id*、iq*。将id、iq与并网电流参考信号id*、iq*进行比较，将误差送入PI控制器中，PI控制的参数由改进遗传算法得出，PI控制器输出经过解耦，得到PI的控制电压信号。同时，误差也送入重复控制器得到控制电压信号，重复控制器由延迟环节、内膜误差反馈、超前环节、二阶陷波器、二阶低通滤波器组成，误差经过延迟环节，得到过去周期的误差，经过超前环节进行相位补偿，经过二阶陷波器，对谐振峰值进行陷波，可降低谐振频率点的电流，最后经过二阶低通滤波器对高频量进行滤波。PI控制器和重复控制器两种控制的电压信号送入SVPWM模块，由SVPWM模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。
PI控制器的参数由改进遗传算法得到。首先要产生一个初始种群，初始种群要尽量多，避免落入局部最优解，要扩大搜索空间和收敛到全局最优解。要得到好的初始解，采用均匀设计法，使初始种群的各个个体之间保持一定的距离，PI参数的初始种群个体采用算术采样法，即平均采样法。另外，在传统遗传算法的基础上加以改进，“选择”运算得到的最优解放入“交叉”运算中，“交叉”运算得到的最优解放入“变异”中，每次运算都包含上次适应度最高的个体解，以保证解的优异性。PI两个参数作为遗传算法的一个个体，每个参数用七位二进制数表示，两个参数就是14位二进制数。二进制数位越多，数值的精度就越高。选取实际输出电流与给定标准电流的误差模拟谐波电流，三相对称可以选取其中一相。
为说明本发明的正确性和可行性，对一台LC型三相并网逆变器系统进行仿真验证。仿真参数为：直流电压源电压800V，电网电压有效值220V，SVPWM的开关频率为10kHz，LC滤波器参数为L＝8mH，C＝2uF。指令电流为20A。传统PI控制参数为Kp＝4.4，Ki＝0.5，改进遗传算法得到的PI参数为Kp＝3.9077，Ki＝0.1315。
图1显示了LC型滤波器的数学模型结构忽略电容电流，在三相静止坐标系下，逆变器可建立如下数学模型为：
式中：ia、ib、ic为三相滤波电感电流；ua、ub、uc为三相逆变器输出电压；ea、eb、ec为三相电网电压；L、R为滤波电感和线路电阻。
上述模型中都是交流量，不利于控制，通过坐标变换可转换为旋转坐标系中的直流量。
经过上式坐标变换后为
旋转坐标轴间存在耦合，必须进行解耦。可将上式等号左边作为PI控制器的输出量，等号右边非同轴量补偿解耦，如图2所示dq轴电流和电网电势前馈解耦图，PI控制器输出进行解耦。
图3是改进遗传PI和重复控制结构示意图，重复控制器的模型为：
其中z-N为延迟环节；N为一个周期采样的次数；GC(z)为补偿器；Q为内膜误差反馈系数。
Gc(z)＝KrzkSl(z)S2(z)
其中Kr为重复控制的增益；zk为超前环节补偿；S1(z)为二阶陷波器；S2(z)为二阶低通滤波器。
当逆变器为空载时，阻尼最小最容易震荡。只要保证空载时系统稳定，则负载时也就稳定。空载时逆变器的传递函数为：
其中wd为系统自然频率，ξ为阻尼比，C为滤波电容。
将L＝8mH，C＝2μF，R＝0.1Ω代入得
离散化得
选取特定频率点的二阶陷波器，能够根据谐振频率点进行陷波，表达式为：
其中q为陷波器开口系数；wn为陷波频率。
陷波器开口系数取0.9，离散化得：
选取二阶低通滤波器对高频谐波进行滤波，其表达式为
其中w0为截止频率；ξ为阻尼比。截止频率取8000rad/s，阻尼比取0.707。
离散化得：
从图4二阶陷波器伯德图中幅频图可以看出，二阶陷波器很好抑制了逆变器谐振峰值。相频图中没有超前环节时，低频会出现相位滞后，加入超前环节补偿，对于超前环节的选取，要根据中低频段相位补偿的效果合理选择k值，根据仿真效果选取k＝10，能对系统相位进行补偿。
附图5中，遗传算法迭代到六十代后误差趋于稳定，就可以输出最优PI参数。图6为本发明PI控制器的参数的改进遗传算法流程图，可以根据函数的适应度值判断是否要进行循环，也可根据迭代代数判断，一般可以取100代，就能达到收敛效果。
遗传算法是模拟生物界遗传现象产生的一种算法。首先要产生一个初始种群，初始种群要尽量多，避免落入局部最优解，要扩大搜索空间和收敛到全局最优解。要得到好的初始解，可采用均匀设计法，或使初始种群的各个个体之间保持一定的距离，PI参数的初始种群个体采用算术采样法，即平均采样法。另外，在传统遗传算法的基础上加以改进，使“选择”“交叉”“变异”每次运算后都包含上次适应度最高的个体解，以保证解的优异性，如图6流程图。
PI参数的kp、ki两个参数作为遗传算法的一个个体，每个参数用七位二进制数表示，两个参数就是14位二进制数。二进制数位越多，数值的精度就越高。
选取实际输出电流与给定标准电流的误差模拟谐波电流，三相对称可以选取其中一相，如下式：
ε(t)＝|i*(t)-i(t)|
式中：i*(t)为给定一相电流；i(t)为实际一相电流；
适应度函数值越大，表示个体PI参数越好，表明谐波电流越小，选取如下表达式：
适应度函数
式中：n为第n个采样时刻。
运行MATLAB/Simulink，得到实际电流值。每个采样周期计算一次误差，可以设置每5个电网电压周期求和一次得到适应度值，采样周期为10-5秒，N等于0.02·5/10-5，为104。
从图5可以看出，当遗传算法迭代到六十代后误差趋于稳定，就可以输出最优PI参数，算法流程图结束。
附图7a、7b、7c是三种控制策略并网电流的谐波图，单独使用PI控制策略时，谐波电流为4.87％，对电网影响较大，且基波峰值为19.4A。使用PI结合重复控制策略时，相同条件下谐波电流为2％，基波峰值为19.7A，稳态性能有所提高，说明了重复控制在并网控制中的优异性。当使用改进遗传PI结合重复控制时，谐波电流还能减小，为1.7％，基波峰值为19.9A，稳态性能进一步提高。
在附图8中，控制q轴给定电流为0，使并网电流和电网电压同频同相，实现单位功率运行，其中电网电压有效值220V，电流峰值20A。
本发明提出的LC滤波并网逆变器控制方法有如下突出优点：
(1)传统PI控制的参数设定要依靠经验调试，主要是试凑的方法，通过遗传算法对PI参数设置，更加智能，在原有的算法基础上改进，使“选择”“交叉”“变异”每次运算后都包含上次适应度最高的个体解，以保证解的优异性。
(2)结合重复控制，对过去几个采样周期的误差累加，使得稳态性能提高，传统PI控制在动态性能方面较有优势，但其积分作用取决于时间常数，导致稳态性能略有不足。重复控制中使用特定频率点的二阶陷波器，对谐振频率点电流进行陷波，相比一般的梳妆陷波器效果更好。

Claims (2)

1.一种LC型三相并网逆变器控制方法，直流电压源输出直流经过三相逆变器转换为交流后，通过LC滤波器滤波并入电网，其特征在于，将三相静止坐标系下的网侧电流检测信号i2a、i2b、i2c变换成两相静止坐标系下的电流i2α、i2β，电网电压锁相环检测电网电压相位信息，根据i2α、i2β以及电网电压相位信息再变换成两相旋转坐标系下的电流id、iq，指令电流为id*、iq*；
将id、iq与并网电流参考信号id*、iq*进行比较，将误差送入PI控制器中，PI控制的参数由改进遗传算法得出，PI控制器输出经过解耦，得到PI的控制电压信号；同时，误差送入重复控制器得到控制电压信号，重复控制器由延迟环节、内膜误差反馈、超前环节、二阶陷波器、二阶低通滤波器组成，误差经过延迟环节，得到过去周期的误差，经过超前环节进行相位补偿，经过二阶陷波器，对谐振峰值进行陷波，降低谐振频率点的电流，最后经过二阶低通滤波器对高频量进行滤波；PI控制器和重复控制器两种控制的电压信号送入SVPWM模块，由SVPWM模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制三相逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。
2.根据权利要求1所述LC型三相并网逆变器控制方法，其特征在于，所述PI控制的参数由改进遗传算法得出具体方法如下：PI参数的kp、ki两个参数作为遗传算法的一个个体，每个参数用七位二进制数表示，首先要产生一个初始种群，PI参数的初始种群个体采用算术采样法，即平均采样法；从初始种群个体中任意选取kp、ki参数个体送入MATLAB/Simulink运行，得到PI控制器实际输出电流，将PI控制器实际输出电流与给定标准电流的误差模拟谐波电流，对模拟谐波电流进行适应度函数计算，适应度函数值越大，表示个体PI参数越好，谐波电流越小，对计算的适应度进行排序；对个体进行“选择”、“交叉”、“变异”运算，再次进行适应度函数计算，并且每次运算都包含上次适应度最高的个体解；再次进行个体选择，直到适应度值达到要求或循环次数到，结束算法，输出适应度函数值最大所对应的PI参数值。
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Application publication date: 20181009

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