CN109245167B - 提高弱电网下lcl型并网逆变器并网电流质量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法，它包括：建立LCL型并网逆变器系统的数学模型；利用公共连接点PCC点电压与电网电压以及电网阻抗关系，将电网阻抗的影响用PCC电压表示；根据给定并网电流i_s的参考值和LCL型并网逆变器侧电流i_L的参考值，采用间接方法计算电容电压u_c的参考值u_cref，然后利用电容电压u_c与公共连接点PCC点电压u_pcc的关系式计算得到u_pccref；求解最优H∞控制律参数；利用得到的参考值以及控制律参数，计算占空比的数值，得到控制量的值。本发明能够使得并网逆变器的输出电流在电网阻抗大范围变化时，依然能够保持并网逆变器稳定抑制LCL滤波器的谐振并且保证并网电流质量最优。

Description

提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器技术领域，特别是一种提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法。

背景技术

现有的适用于弱电网的并网逆变器电流控制方法，共有两大类，一类结合电压前馈控制方法与多谐振(或准谐振)控制方法，在电压前馈通道上增加特殊滤波器如谐振滤波器、带通滤波器等，在一定程度上提高系统的相位裕度。然而，这一类方法不能完全消除电压前馈引入的并网电流正反馈通道带来的影响。当电网阻抗较大时，并网电流质量较差，甚至会失去稳定。另一类方案，采用在线检测的方法，通过向电网注入间谐波计算电网阻抗的值，然后利用该电网阻抗的值消除电网阻抗中电感分量造成的并网电流正反馈的影响，并且根据电网阻抗的检测值整定电流控制器的控制参数。然而该控制方案较为复杂需要分别整定各个谐振(或准谐振)控制器的控制参数，测量过程中需要向电网注入间谐波有可能影响并网电流的电能质量，并且当多个逆变器并联运行时电网阻抗测量值的物理意义不明。因此，在弱电网下LCL型并网逆变器还缺少简单可行的方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法，能够在弱电网下实现LCL型并网逆变器LCL滤波器的谐振抑制、输出电流的稳定和良好的电流质量。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法，它包括有：

S1：选取LCL型并网逆变器侧电流i_L、并网电流i_s和电容电压u_c为系统的状态变量，建立LCL型并网逆变器系统的数学模型；

S2：利用公共连接点PCC点电压与电网电压以及电网阻抗关系，将电网阻抗的影响用PCC电压表示；

S3：给定并网电流i_s的参考值i_sref，并令LCL型并网逆变器侧电流i_L的参考值为i_sref；

S4：根据给定并网电流i_s的参考值和LCL型并网逆变器侧电流i_L的参考值，采用间接方法计算电容电压u_c的参考值u_cref，然后利用电容电压u_c与公共连接点PCC点电压u_pcc的关系式计算得到u_pccref；

S5：求解最优H∞控制律参数；

S6：利用步骤S3、S4和S5中得到的参考值以及控制律参数，计算占空比的数值，得到控制量的值。

进一步，所述步骤S1中的数学模型建立过程如下：

式中，x₁＝i_L-i_Lref，x₂＝i_s-i_sref，x₃＝u_c-u_cref是系统的状态变量。

进一步，所述步骤S2具体包括有：

S21：根据PCC点电压与电网电压与电网阻抗的关系式：

S22：代入式(1)中消除电网阻抗L_s造成的参数摄动，可得：

S23：选取观测向量z＝x，将数学模型转化为H∞控制模型标准形式：

其中，状态向量x＝[x₁ x₂ x₃]^T，

是x的一阶微分；C＝diag[1 1 1]^T；

为控制向量；

w＝[0 u_pcc -u_pccrenf 0]^T为干扰向量；

干扰矩阵为B₁₀＝diag[1 1 1]^T，控制矩阵为B₂₀＝diag[1 1 1]^T，状态矩阵为

A′＝Z₁ ^-1A₀，B₂′＝Z₁ ^-1B₂₀，B₁′＝Z₁ ^-1B₁₀，Z₁＝diag[L₁L₂C]^T，Z₁ ^-1是Z₁的逆矩阵。

进一步，所述步骤S4具体包括有：

参考值u_cref计算环节的特征方程为：

Ts⁴+(ω_cT+1)s³+ω_cs²+ak_ps+ak_i＝0 (5)；

式中，系数a＝k_pwmω_c/(L_s+L₂)，ω_c＝2πf_c是LPF的转折角频率；

根据劳斯判据则有：

可以得到u_pccref的参考值，如下式所示：

进一步，所述步骤S5中求解最优H∞控制律参数具体如下：

定义变量n：n＝[P X Q Z₁₁ Z₁₂ Z₂₂ Y γ]，并定义系数l＝[0_3*211]，其中0_3*21是维数为3*21的全0矩阵；

将最优状态反馈控制律问题转化为以下等价LMI问题：

minl^Tn；

Π₂₂＝-2α₂P+τZ₂₂-Q；

式中，γ代表干扰抑制度，最优控制律为：

u(t)＝Kx(t-T)＝YP^-1x(t-T) (8)；

采用MATLAB中mincx函数离线进行求解，从而得到最优控制律参数矩阵K。

进一步，所述步骤S6还包括有：

根据式(8)可知，通过下式计算占空比p：

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明将弱电网中LCL型并网逆变器的公共连接点PCC点电压作为一个待求的量，通过公共连接点PCC点电压来表示电网阻抗对并网逆变器的影响，消除了并网逆变器模型中各参数矩阵中的参数摄动，使得系统转化为一个确定性系统，解决了电网阻抗变化会造成系统摄动的问题。得到的确定性系统各参数矩阵的值与电网阻抗的变化无关，因此在无需对电网阻抗进行在线测量的情况下实现了对电网阻抗大范围变化的自适应性。针对电网阻抗对状态变量参考值以及公共连接点PCC点电压参考值的影响，本发明提出了间接计算方法获取参考值u_cref和u_pccref，从而解决了常规H∞控制在电网阻抗变化时，控制输出不能自适应调整的问题。最后利用MATLAB中的LMI工具箱，采用最优H∞控制理论求解最优控制律，消除了系统稳定性与并网电流质量设计之间的相互影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明电路拓扑图。

图3为本发明的控制框图。

图4位参考值u_cref的计算框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例，如图1至图4所示；一种提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法，它包括有：

S1：选取LCL型并网逆变器侧电流i_L、并网电流i_s和电容电压u_c为系统的状态变量，建立LCL型并网逆变器系统的数学模型；

如图2的电路拓扑所示，步骤S1中的数学模型建立过程如下：

式中，x₁＝i_L-i_Lref，x₂＝i_s-i_sref，x₃＝u_c-u_cref是系统的状态变量。

S2：在模型中，利用公共连接点PCC点电压与电网电压以及电网阻抗关系，将电网阻抗的影响用PCC电压表示；

步骤S2具体包括有：

S21：根据PCC点电压与电网电压与电网阻抗的关系式：

S22：代入式(1)中消除电网阻抗L_s造成的参数摄动，可得：

S23：选取观测向量z＝x，将数学模型转化为H∞控制模型标准形式：

其中，状态向量x＝[x₁ x₂ x₃]^T，

是x的一阶微分；C＝diag[1 1 1]^T；

为控制向量；

w＝[0 u_pcc-u_pccrenf 0]^T为干扰向量；

干扰矩阵为B₁₀＝diag[1 1 1]^T，控制矩阵为B₂₀＝diag[1 1 1]^T，状态矩阵为

A′＝Z₁ ^-1A₀，B₂′＝Z₁ ^-1B₂₀，B₁′＝Z₁ ^-1B₁₀，Z₁＝diag[L₁L₂C]^T，Z₁ ^-1是Z₁的逆矩阵。

S3：给定并网电流i_s的参考值i_sref，并令LCL型并网逆变器侧电流i_L的参考值也为i_sref以简化控制复杂度，即令i_Lref＝i_sref。

S4：根据给定并网电流i_s的参考值和LCL型并网逆变器侧电流i_L的参考值，采用间接方法计算电容电压u_c的参考值u_cref，然后利用电容电压u_c与公共连接点PCC点电压u_pcc的关系式计算得到u_pccref；

如图4所示，图中给出了参考值u_cref计算方法的框图，其中LPF代表一阶低通滤波器(low-pass filter,LPF)，截止频率f_c为100Hz。控制器采用了PI控制器。一阶惯性环节1/(Ts+1)代表系统的延时，其系数k_pwm代表PWM环节的放大系数。i_s1是i_s经过LPF的输出。

步骤S4具体包括有：

参考值u_cref计算环节的特征方程为：

Ts⁴+(ω_cT+1)s³+ω_cs²+ak_ps+ak_i＝0 (5)；

由劳斯判据可以证明系统的稳定性并给出控制参数的设计规律。式(5)所示特征方程的劳斯表如下所示：

式中，系数a＝k_pwmω_c/(L_s+L₂)，ω_c＝2πf_c是LPF的转折角频率；

根据劳斯判据则有：

因此只要k_p、k_i满足式(5)的要求，则如图所示系统就能够稳定，通过这一间接方法就能得到参考值u_cref。

根据式(2)，可以得到u_pccref的参考值，如下式所示：

S5：采用离线方式，在MATLAB中，利用LMI工具箱求解最优H∞控制律参数；

步骤S5中求解最优H∞控制律参数具体如下：

定义变量n：n＝[P X Q Z₁₁ Z₁₂ Z₂₂ Y γ]，并定义系数l＝[0_3*21 1]，其中0_3*21是维数为3*21的全0矩阵；

将最优状态反馈控制律问题转化为以下等价LMI问题：

minl^Tn；

Π₂₂＝-2α₂P+τZ₂₂-Q；

式中，γ代表干扰抑制度，最优控制律为：

u(t)＝Kx(t-T)＝YP^-1x(t-T) (8)；

采用MATLAB中mincx函数离线进行求解，从而得到最优控制律参数矩阵K。

S6：利用步骤S3、S4和S5中得到的参考值以及控制律参数，计算占空比的数值，得到控制量的值。

步骤S6还包括有：

根据式(8)可知，通过下式计算占空比p：

本发明提供一种提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法，利用状态变量全反馈来实现对LCL滤波器谐振的抑制，采用间接方法计算状态变量的参考值，实现对电网阻抗大范围变化的自适应性，消除电压前馈引入的并网电流正反馈的影响，采用最优H∞控制理论设计最优控制律实现最优的并网电流质量。该控制方法能够在弱电网下实现LCL型并网逆变器LCL滤波器的谐振抑制、输出电流的稳定和良好的电流质量。控制器参数设计方法简单有效。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

S1：选取LCL型并网逆变器侧电流i_L、并网电流i_s和电容电压u_c为系统的状态变量，建立LCL型并网逆变器系统的数学模型；

所述步骤S1中的数学模型建立过程如下：

式中，x₁＝i_L-i_Lref，x₂＝i_s-i_sref，x₃＝u_c-u_cref是系统的状态变量；

S2：利用公共连接点PCC点电压与电网电压以及电网阻抗关系，将电网阻抗的影响用PCC点电压表示；

所述步骤S2具体包括有：

S21：根据PCC点电压与电网电压与电网阻抗的关系式：

S22：代入式(1)中消除电网阻抗L_s造成的参数摄动，可得：

S23：选取观测向量z＝x，将数学模型转化为H∞控制模型标准形式：

其中，状态向量x＝[x₁ x₂ x₃]^T，

是x的一阶微分；C＝diag[1 1 1]^T；

为控制向量；

w＝[0 u_pcc-u_pccrenf 0]^T为干扰向量；

干扰矩阵为B₁₀＝diag[1 1 1]^T，控制矩阵为B₂₀＝diag[1 1 1]^T，状态矩阵为

A′＝Z₁ ^-1A₀，B₂′＝Z₁ ^-1B₂₀，B₁′＝Z₁ ^-1B₁₀，Z₁＝diag[L₁ L₂ C]^T，Z₁ ^-1是Z₁的逆矩阵；

S3：给定并网电流i_s的参考值i_sref，并令LCL型并网逆变器侧电流i_L的参考值为i_Lref；

S4：根据给定并网电流i_s的参考值和LCL型并网逆变器侧电流i_L的参考值，采用间接方法计算电容电压u_c的参考值u_cref，然后利用电容电压u_c与公共连接点PCC点电压u_pcc的关系式计算得到u_pccref；

所述步骤S4具体包括有：

参考值u_cref计算环节的特征方程为：

Ts⁴+(ω_cT+1)s³+ω_cs²+ak_ps+ak_i＝0 (5)；

式中，系数a＝k_pwmω_c/(L_s+L₂)，ω_c＝2πf_c是LPF的转折角频率；

根据劳斯判据则有：

可以得到u_pccref的参考值，如下式所示：

S5：求解最优H∞控制律参数；

所述步骤S5中求解最优H∞控制律参数具体如下：

定义变量n：n＝[P X Q Z₁₁ Z₁₂ Z₂₂ Y γ]，并定义系数l＝[0_3*211]，其中0_3*21是维数为3*21的全0矩阵；

将最优状态反馈控制律问题转化为以下等价LMI问题：

minl^Tn；

Π₂₂＝-2α₂P+τZ₂₂-Q；

式中，γ代表干扰抑制度，最优控制律为：

u(t)＝Kx(t-T)＝YP^-1x(t-T) (8)；

采用MATLAB中mincx函数离线进行求解，从而得到最优控制律参数矩阵K；

S6：利用步骤S3、S4和S5中得到的参考值以及控制律参数，计算占空比的数值，得到控制量的值。

2.如权利要求1所述的提高弱电网下LCL型并网逆变器并网电流质量的控制方法，其特征在于，所述步骤S6还包括有：

根据式(8)可知，通过下式计算占空比p：

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