CN108988384A - 基于分数阶pir的并网电流直流分量抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分数阶PIR的并网电流直流分量抑制方法。该方法如下：检测并转换三相电压、并网电流；利用锁相环得到电网电压角度以及角频率；并网电流检测值经过计算得到平均值，平均值经过一个积分环节后与并网电流检测值共同进行dq坐标变换。测量直流电压量，计算得到旋转坐标系下有功电流给定值。在旋转坐标系下利用电流参考值与实测值进行作差计算，经过FO‑PIR控制器得到旋转坐标系下的电压参考值，与旋转坐标系下有功、无功电压实测值以及耦合量进行计算并转换得到两相静止坐标系下的电压信号，再经过SPWM调制得到控制网侧变流器的开关信号。本发明可在不对系统硬件进行较大改动的前提下，实现非隔离型三相并网逆变器的直流分量抑制，使逆变器输出电流含有极少的直流分量。

Description

基于分数阶PIR的并网电流直流分量抑制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制领域，尤其是基于分数阶PIR的并网电流直流分量抑制方法。

背景技术

非隔离型光伏并网逆变器由于不含隔离变压器，转换效率最高可达到98％，其拓扑结构的研究受到世界各国研究人员的追捧。但非隔离并网逆变器与电网之间不存在电气隔离，难以避免的会将逆变发电所产生的直流分量注入电网。直流分量的危害主要表现在注入电网后对电网设备产生极大的危害，尤其是对电力变压器产生的影响最为严重。电力变压器是否能够正常运行会直接影响到用电单位的用电质量以及电网电能的传输。直流分量注入电网不仅会对电力变压器产生严重的影响，对其他的用电设备也会造成不同程度的危害：(1)导致电网变压器初级电流峰值过高，使电流保护设备安全受到威胁。输入电流保险会由于过高的电流烧毁，引起区域性断电。(2)并网电流中的直流分量会造成接地导线电蚀加剧。(3)电网上的其他设备会遭到不同程度的负面影响。例如会使并网的交流发电机发热或产生脉动转矩等。(4)直流分量还会导致检测误差或增加谐波含量等。

采用非隔离型并网逆变器，必须解决直流分量注入问题，国内外学者相继投入对该问题的研究。众多直流分量抑制方法中，虚拟电容法性价比较高，应用较为广泛；同样的，三相并网逆变器多采用电网电压前馈控制策略，必然涉及到坐标系的转换问题；当采用虚拟电容法，在进行坐标转换时，往往需要进行复杂的解耦控制，使虚拟电容法失去优势。

因此，需要一种新的技术方案来解决虚拟电容法不适用于三相并网逆变器的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种方法简单、工作可靠的直流分量抑制方法，该方法可使虚拟电容法应用在三相并网逆变器时，避免复杂的解耦过程，并在一定程度上提升控制器的性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:

1.基于分数阶PIR的并网电流直流分量抑制方法，其特征在于，检测并转换三相电压、并网电流；利用锁相环得到电网电压角度以及角频率；并网电流检测值经过计算得到平均值，平均值经过一个积分环节后与并网电流检测值共同进行dq坐标变换；测量直流电压量，计算得到旋转坐标系下有功电流给定值；在旋转坐标系下利用电流参考值与实测值进行作差计算，经过FO-PIR控制器得到旋转坐标系下的电压参考值；与旋转坐标系下有功、无功电压实测值以及耦合量进行计算并转换得到两相静止坐标系下的电压信号，再经过SPWM调制得到控制网侧变流器的开关信号

进一步的，具体包括以下步骤：

(1)、检测电网电压e_AB、e_BC、e_AC，并网电流i_a、i_b、i_c，用锁相环得到电网电压角度θ_g，电网电压角频率ω；并网电流经过平均值计算得到并网电流平均值i_a0、i_b0、i_c0，并网电流平均值经过传递函数为K₀/s的积分环节得到直流分量反馈值；并网电流实测值与直流分量反馈值经过park变换模块后得到dq轴电流i_d、i_q；电网电压经过park变换后得到dq轴电压e_d、e_q。

(2)、检测直流电压值U_dc，将U_dc与参考值U_dc*作差并经过PI控制器后得到有功电流i_d的参考值i_d*，当逆变器处于单位功率因数运行状态时，只是向电网传送有功功率，此时需要控制系统无功功率为零，即令无功电流给定值i_q*＝0；

(3)、将i_d*与i_q*与i_d、i_q进行作差比较，经过FO-PIR控制器进行校准调节，得到旋转坐标系下的电压参考值u_d、u_q；

(4)、将u_d、u_q与e_d、e_q以及dq旋转坐标轴中d、q两轴耦合量ωLi_d、ω Li_q进行作差作和计算并转换得到两相静止坐标系下电压信号，该信号经过 SPWM调制后产生控制网侧变流器的开关信号。

本发明的有益效果：

本发明所提出的方法，在传统的电网电压前馈控制策略中，加入虚拟电容法与平均电流检测法相结合的直流分量抑制方法，通过FO-PIR控制器对该方法反馈的直流分量以及并网电流进行校正调节，从而抑制并网电流中所含直流分量。该方法无需对系统硬件进行大规模的改动，一定程度上提升了并网电流控制系统的动态性能，并解决了虚拟电容法在三相并网逆变器的应用中需要进行复杂的解耦控制问题。

附图说明

图1是并网电流中含有直流分量情况下三相并网逆变器控制原理框图；

图2是带有隔直电容的三相并网逆变器；

图3是直流分量抑制控制框图；

图4是平均电流检测法原理图，其中，图4(a)是当并网电流为不含直流分量时的原理图，图4(b)是当并网电流为包含直流分量时的原理图；

图5是FO-PI与IO-PI阶跃响应曲线；

图6是谐振系数Kr变化时，电流环根轨迹；

图7是FO-PIR控制器波特图；

图8是并网电流中含有直流分量情况下，采用基于PIR控制器的直流分量抑制方法的控制效果图，其中，图8(a)是未采用直流分量抑制的并网电流图，图8(b)是采用直流分量抑制的并网电流图；

图9是并网电流FFT对比分析图，其中，图9(a)是未采用直流分量抑制方法的效果图，图9(b)是采用直流分量抑制方法的效果图；

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

本发明方法的基本思路如下：检测并转换三相电压、并网电流；利用锁相环得到电网电压角度以及角频率；并网电流检测值经过计算得到平均值，平均值经过一个积分环节后与并网电流检测值共同进行dq坐标变换。测量直流电压量，计算得到旋转坐标系下有功电流给定值。在旋转坐标系下利用电流参考值与实测值进行作差计算，经过FO-PIR控制器得到旋转坐标系下的电压参考值，与旋转坐标系下有功、无功电压实测值以及耦合量进行计算并转换得到两相静止坐标系下的电压信号，再经过SPWM调制得到控制网侧变流器的开关信号。

图1为将本发明应用于三相并网逆变器的整体控制结构图，结合图1具体说明其控制方法的具体步骤：

步骤一、检测电网电压e_AB、e_BC、e_AC，并网电流i_a、i_b、i_c，用锁相环得到电网电压角度θg，电网电压角频率ω；并网电流经过平均值计算得到并网电流平均值i_a0、i_b0、i_c0；并网电流平均值经过积分环节K₀/s得到直流分量反馈值；

并网电流实测值与直流分量反馈值经过park变换模块后得到dq轴电流i_d、 i_q；电网电压经过park变换后得到dq轴电压e_d、e_q。

步骤二、检测直流电压值，将此实测值U_dc与参考值U_dc*作差并经过PI控制器后得到有功电流i_d的参考值i_d*，当逆变器处于单位功率因数运行状态时，只是向电网传送有功功率，此时需要控制系统无功功率为零，即令无功电流给定值i_q*＝0；

步骤三、将i_d*与i_q*与i_d、i_q进行作差比较，经过PIR控制器进行校准调节，得到旋转坐标系下的电压参考值u_d、u_q。

步骤四、将u_d、u_q与e_d、e_q以及d、q两轴耦合量ωLi_d、ωLi_q进行作差以及作和计算，并转换得到两相静止坐标系下电压信号，该信号经过SPWM调制后产生控制网侧变流器的开关信号。

上述步骤一中利用几个采样周期的并网电流平均值来等效并网电流中所含直流分量，即平均电流法AVG。

在PIR控制器上对PI环节进行分数阶设计，即为FO-PI或PI^λ，使其获得更加优良的动态性能以及鲁棒性。

在FO-PI控制器上加入谐振控制器R，使其在在特定的频率即0Hz以及50Hz 上获得较高的幅值和相位增益，实现对直流量以及工频交流量的调节作用。

下面对直流分量反馈值求取、直流分量反馈值校正调节两个部分来进行更为详细的说明。

在非隔离型三相并网逆变器并网电流存在直流分量的情况下，如图2采用隔直电容法来进行直流分量抑制时，并网逆变器在dq坐标系下的数学模型为：

从公式(1)以及(2)可以看出，当增加隔直电容后，带来了d轴与q轴的强耦合项，这样使dq坐标系下的解耦控制变得非常复杂。

为了将虚拟电容法与传统dq坐标系下的电压、电流双环控制相结合，避免复杂的解耦控制过程，对带有隔直电容的三相并网逆变器的控制方式进行等效变换。

等效变换后的控制框图如图3，采用该控制方法可以在自然坐标系下完成虚拟电容法的操作，但需要对并网电流中的直流分量进行精确的检测。

图4为平均电流检测法的原理图，用该方法完成并网电流直流分量的检测，当并网电流为不含直流分量的正弦波时，一个周期内电流平均值为0，但含有直流分量的并网电流一个周期内的平均电流为直流分量的平均值如公式(3)，对并网电流求平均值如公式(4)：

i_g＝i_g(ac)+i_g(D) (3)

将平均电流法与虚拟电容法相结合则可完成求取并网电流直流分量反馈值的工作。反馈值中包含直流量以及工频交流量，因此使用PIR控制器对两种频率的信号进行调节。

对于PIR控制器参数的设计，由于被控对象的改变对谐振控制器的影响不大，并且谐振控制器R不需要很优良的动态性能，故只对PI控制器进行分数阶设计。

分数阶PI(FO-PI或PI^λ)控制器的传递函数为：

为方便分析，可将式(5)改写为：

K_i’和λ之间的关系：

K_i’和λ之间的另一关系：

式(8)中：

关于K_p的方程：

为了得到比较满意的暂态相应，一般相角裕度应当在30o～60o之间，截止频率取200rad/s～300rad/s。至此根据被控制对象，可利用作图的方式得到PI^λ控制器的三个参数。以阶跃信号作为输入，分别利用PI^λ控制器及整数阶PI控制器对被控对象进行控制，仿真结果如图5所示。采用FO-PI控制器的系统动态跟随性能优于采用整数阶PI控制器的系统。

下面对谐振控制器参数进行设计，谐振控制环节的等效传递函数为：

其中Kr为谐振系数，ω_c为低通滤波器的截止频率，ω₁为同步旋转坐标系角频率。

采样延时环节的传递函数为：

其中T_s为采样周期。

ω_c取值在5～15rad/s会达到最好的控制效果，最终ω_c选定为5rad/s。

控制系统的开环传递函数为：

根据公式(13)可以得到系统的闭环传递函数：

根据公式(14)整理后可得到关于谐振系统Kr的等效开环传递函数：

根据公式(15)可以得到谐振系数Kr变化时，电流环根轨迹，如图6。在根轨迹曲线上选取一点，使闭环主导极点尽量远离虚轴。

利用所得到的Kr来绘制电流环开环频率特性曲线，如图7所示，从波特图可以看出相角裕度为76°，幅值裕度无穷大，说明电流环稳定性良好。

通过图8，可以看出控制器在0Hz以及工频50Hz处有较高的增益，满足控制器的设计思想，即结合FO-PI控制器对直流量以及谐振控制R器对工频交流量的调节优势，基本可以实现零稳态误差。

图9为并网电流中含有直流分量情况下，采用基于PIR控制器的直流分量抑制方法的控制效果图。当采用了本方法后，并网电流中直流分量得到有效的抑制，产生偏移的一相电流得到校正。从FFT分析结果可以看出，并网电流中的直流分量已经从5％降低到0.05％左右，完全满足我国并网电流直流分量的含量限制。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (2)

1.基于分数阶PIR的并网电流直流分量抑制方法，其特征在于，检测并转换三相电压、并网电流；利用锁相环得到电网电压角度以及角频率；并网电流检测值经过计算得到平均值，平均值经过一个积分环节后与并网电流检测值共同进行dq坐标变换；测量直流电压量，计算得到旋转坐标系下有功电流给定值；在旋转坐标系下利用电流参考值与实测值进行作差计算，经过FO-PIR控制器得到旋转坐标系下的电压参考值；与旋转坐标系下有功、无功电压实测值以及耦合量进行计算并转换得到两相静止坐标系下的电压信号，再经过SPWM调制得到控制网侧变流器的开关信号。

2.根据权利要求1所述基于分数阶PIR的并网电流直流分量抑制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)、检测电网电压e_AB、e_BC、e_AC，并网电流i_a、i_b、i_c，用锁相环得到电网电压角度θ_g，电网电压角频率ω；并网电流经过平均值计算得到并网电流平均值i_a0、i_b0、i_c0，并网电流平均值经过传递函数为K₀/s的积分环节得到直流分量反馈值；并网电流实测值与直流分量反馈值经过park变换模块后得到dq轴电流i_d、i_q；电网电压经过park变换后得到dq轴电压e_d、e_q。

(2)、检测直流电压值U_dc，将U_dc与参考值U_dc*作差并经过PI控制器后得到有功电流i_d的参考值i_d*，当逆变器处于单位功率因数运行状态时，只是向电网传送有功功率，此时需要控制系统无功功率为零，即令无功电流给定值i_q*＝0；

(3)、将i_d*与i_q*与i_d、i_q进行作差比较，经过FO-PIR控制器进行校准调节，得到旋转坐标系下的电压参考值u_d、u_q；

(4)、将u_d、u_q与e_d、e_q以及dq旋转坐标轴中d、q两轴耦合量ωLi_d、ωLi_q进行作差作和计算并转换得到两相静止坐标系下电压信号，该信号经过SPWM调制后产生控制网侧变流器的开关信号。