CN109687460A - 一种基于改进pi+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统技术领域，更具体地，涉及一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，包括以下步骤S1：构建LCL型并网光伏逆变器PI+重复控制器模型；S2：利用零相位误差前馈补偿方法，在PI+重复控制器中加入谐波分量前馈控制。能够使光伏逆变器在利用PI控制器输出基波有功功率的同时，通过重复控制器输出较高精度的谐波电流补偿，同时考虑到重复控制器存在周波延迟而动态响应差，加入谐波分量前馈控制以加快谐波抑制的动态响应速度，从而实现谐波抑制功能。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，更具体地，涉及一种基于改进PI+重复控 制的光伏逆变器谐波抑制方法。
背景技术
随着国家大力推进新能源的发展，光伏并网逆变器装置投入使用的规模逐 渐扩大，电力电子设备的大量使用给电网引入了谐波，加之非线性负载的大量 使用，配电网中的谐波问题愈发严重，若引发谐振，将会危害广大用户用电安 全。
目前对于谐波的治理通常较为经济的是为线路配置无源滤波器，但是无源 滤波仅能对相应频率谐波电流进行治理，而更高效的做法是采用有源滤波器进 行动态跟踪补偿，但是该做法费用较高。鉴于光伏逆变器与有源滤波器在系统 结构、使用方法和控制功能上都具有相似性，研究具有谐波抑制功能的多功能 光伏逆变器将是未来的一个趋势。
在谐波信号提取与控制器设计上，已有许多专家学者做了不少工作。如在 dq坐标系下提取谐波信号仅采用PI控制器对谐波信号的跟踪进行补偿，由于 传统的PI控制带宽的限制，其在谐波频率处无法实现谐波分量无静差跟踪，谐 波抑制效果有限。针对仅进行单旋转坐标变换作PI控制谐波跟不上的问题，有 学者提出了多同步旋转坐标系的指定次谐波电流控制策略，更有学者提出利用 快速傅立叶变换对提取谐波分量幅值在各次坐标下分别作PI控制，再将所得控 制分量反变换叠加生成总的输出电流参考指令，但是该做法计算量大，同时控 制的指定次谐波数量不宜过多。针对谐波补偿这一多频率特性的问题，有学者 引入重复控制技术来消除周期性的负载谐波，构成重复控制和PI控制的复合控 制系统，在减少计算量的同时能有效控制谐波，但其重复控制部分控制分量存 在一个周期延迟。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于改进PI+ 重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，该方法能够使光伏逆变器在利用PI控制 器输出基波有功功率的同时，通过重复控制器输出较高精度的谐波电流补偿， 同时考虑到重复控制器存在周波延迟而动态响应差，加入谐波分量前馈控制以 加快谐波抑制的动态响应速度，从而实现谐波抑制功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于改进PI+重复 控制的光伏逆变器谐波抑制方法，包括以下步骤：
S1：构建LCL型并网光伏逆变器PI+重复控制器模型；
S2：利用零相位误差前馈补偿方法，在PI+重复控制器中加入谐波分量前 馈控制。
进一步的，在步骤S1中，所述的构建LCL型并网光伏逆变器PI+重复控制 器模型包括以下步骤：
S11：构建LCL型并网光伏逆变器主电路模型；
S12：在重复控制器与控制对象之间串入补偿器。
进一步的，在步骤S11中，LCL型并网光伏逆变器主电路模型中，i1为逆 变桥侧电流，i2为电网侧电流，L1、C、L2分别为桥侧电感、滤波电容、网侧 电感，各电感电容的寄生电阻为R1、RC、R2，
从逆变桥电压Ua到网侧输出电流i2的传递函数为：
重复控制器的离散域的内模为：
Q(z)取0.95以消弱积分效果，N为一个周期内的采样点数。
进一步的，在步骤S12中，所述的补偿器通过带惯性的微分环节D(s)校正， 通过滤波环节中陷波滤波器Fn(s)抑制谐振峰和通过二阶低通滤波器F2(s)进 一步减小高频增益，通过k拍超前环节zk进行补偿，将各环节离散化，得到补 偿器S(z)＝D(z)Fn(z)F2(z)zk。
进一步的，所述的微分环节
其中τ＝1/ω0，ω0为谐振频率，由光伏逆变器参数确定。
进一步的，所述的陷波滤波器
式中，阻尼比取为ξ＝0.707。
进一步的，所述的二阶低通滤波器
进一步的，在步骤S2中，所述的PI+重复控制器的传递函数为
进一步的，在步骤S2中，在PI+重复控制器中加入谐波电流分量前馈控制， 将补偿器S(z)拆分成zk与S'(z)＝D(z)Fn(z)F2(z)两个部分，超前环节在前级 的z-N+k中的k拍完成，幅值补偿在后级的S'(z)中完成，谐波电流分量前馈控 制指令前馈通道接入于zk和S'(z)两者之间。
进一步的，对所述的谐波电流分量前馈进行相位补偿以提高在dq坐标下的 控制精度，采用旋转坐标变换实现零相位误差跟踪：
谐波电流信号利用三相电网电压锁相环锁相后输出的相角θ作dq/abc变 换，再将相角θ加上补偿相角θk实现相角超前用于作abc/dq变换，则可得到超 前谐波电流信号zkihdq，具体补偿相位θk与超前环节zk一致，
θk＝2kπf0/fs (7)
式中fs为控制器采样频率，f0为系统频率50Hz。
与现有技术相比，有益效果是：能够使光伏逆变器在利用PI控制器输出基 波有功功率的同时，通过重复控制器输出较高精度的谐波电流补偿，同时考虑 到重复控制器存在周波延迟而动态响应差，加入谐波分量前馈控制以加快谐波 抑制的动态响应速度，从而实现谐波治理，能够在计算量较小的情况下对谐波 电流的抑制，可应用于带谐波抑制功能的光伏并网逆变器，可加快重复控制器 对谐波参考信号的跟踪速度，同时减小实际输出电流与参考电流信号的偏差。
附图说明
图1是本发明流程示意图；
图2是光伏逆变器主电路模型示意图；
图3是重复控制系统结构框图；
图4是PI+重复控制结构框图；
图5是电流内环控制结构图；
图6是旋转坐标变换示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实 施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于 本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。 附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1所示，一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，包 括以下步骤：
S1：构建LCL型并网光伏逆变器PI+重复控制器模型；
S2：利用零相位误差前馈补偿方法，在PI+重复控制器中加入谐波分量前 馈控制。
具体的，LCL型并网光伏逆变器PI+重复控制器模型如图2所示，其中，i1为逆变桥侧电流，i2为电网侧电流，L1、C、L2分别为桥侧电感、滤波电容、 网侧电感，各电感电容的寄生电阻为R1、RC、R2。
从逆变桥电压Ua到网侧输出电流i2的传递函数为：
重复控制器的离散域的内模为：
Q(z)通常取0.95以消弱积分效果，N为一个周期内的采样点数。
由于LCL滤波器在谐振频率处增益无穷大，因此会引起重复控制在谐振频 率处失稳，为了保证良好的稳定性与稳态精度，通常做法是在重复控制器与控 制对象之间串入补偿器以校正控制对象的幅值与相位，实现低倍工频下在快速 精确控制与抑制高频谐振。LCL在低频段可近似看作积分环节，因此需用微分 环节抵消，而理想的微分环节不存在，因此本发明采用如式(3)所示的带惯性 的微分环节D(s)校正，使得系统在低频段的增益一致。
其中τ＝1/ω0，ω0为谐振频率，由LCL参数确定。
同时本发明在谐振频率处通过如式所示的陷波滤波器Fn(s)抑制谐振峰，同 时可保证低频段增益不受影响；
式中，阻尼比取为ξ＝0.707。
陷波器只能对谐振峰进行抑制，而谐振频率以上的高频段增益仍然较大， 需要对其进行幅值衰减以保证系统的稳定性，故采用所示的二阶低通滤波器 F2(s)进一步减小高频增益。
最后，由于微分环节、滤波环节产生的系统相位滞后统一通过k拍超前环 节zk进行补偿。
综上，将各环节离散化，则得补偿器S(z)＝D(z)Fn(z)F2(z)zk，可画出其 重复控制系统结构框图如图3所示，采用该重复控制系统结构可以保证较高的 稳态补偿精度，因此可以实现对低次谐波的精确控制。
在现有的重复控制虽然可以保证输出波形精确跟踪给定周期性参考信号， 但它动态相应速度慢，即对误差信号存在一个周期的延时，从而限制了其应用 场景。由于PI调节器对检测到的误差信号能够立即产生校正作用、跟踪的快速 性较好，因而有学者提出了“PI+重复控制”，其复合控制系统结构框图如图4所示，传递函数如下：
由于PI控制器中积分环节的引入，实现了在dq坐标系下电网基波分量快 速地无静差跟踪，而重复控制实现多谐波指令的跟踪。
然而，该复合控制系统的响应速度仍有待提高。在动态过程中，重复控制 器在一个周期内输出不受谐波参考信号变化影响，此时系统由PI控制器主导， 虽然PI快速地无静差跟踪基波分量，但是对于输出的用于抑制电网谐波的谐波 分量不具有无静差跟踪的能力。因此，针对上述问题，本发明PI+重复控制进 行改进，其电流内环控制结构图如图5所示。
通过在重复控制中加入谐波电流分量前馈加快谐波分量输出的动态响应速 度，进一步提高在dq坐标下控制器对谐波信号的控制能力。考虑到补偿器S(z) 存在超前环节，一般来说，单独的超前环节是无法实现的，因此需将S(z)拆分 成zk与S'(z)＝D(z)Fn(z)F2(z)两个部分，超前环节在前级的z-N+k中的k拍完 成，幅值补偿在后级的S'(z)中完成，谐波指令前馈通道接入于两者之间。而对 于前馈的谐波参考信号，后续的陷波器及低通滤波器环节仍存在着相位滞后问 题，因此需要进行相位补偿以提高控制精度，此处采用旋转坐标变换实现零相 位误差跟踪，具体补偿方法如图6所示。
谐波电流信号利用三相电网电压锁相环锁相后输出的相角θ作dq/abc变 换，再将相角θ加上补偿相角θk实现相角超前用于作abc/dq变换，则可得到超 前谐波电流信号zkihdq。具体补偿相位θk与超前环节zk一致，可由式计算得出：
θk＝2kπf0/fs (7)
式中fs为控制器采样频率，f0为系统频率50Hz。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有 的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替 换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建LCL型并网光伏逆变器PI+重复控制器模型；
S2：利用零相位误差前馈补偿方法，在PI+重复控制器中加入谐波分量前馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的构建LCL型并网光伏逆变器PI+重复控制器模型包括以下步骤：
S11：构建LCL型并网光伏逆变器主电路模型；
S12：在重复控制器与控制对象之间串入补偿器。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，在步骤S11中，LCL型并网光伏逆变器主电路模型中，i1为逆变桥侧电流，i2为电网侧电流，L1、C、L2分别为桥侧电感、滤波电容、网侧电感，各电感电容的寄生电阻为R1、RC、R2，
从逆变桥电压Ua到网侧输出电流i2的传递函数为：
重复控制器的离散域的内模为：
Q(z)取0.95以消弱积分效果，N为一个周期内的采样点数。
4.根据权利要求3所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，在步骤S12中，所述的补偿器通过带惯性的微分环节D(s)校正，通过滤波环节中陷波滤波器Fn(s)抑制谐振峰和通过二阶低通滤波器F2(s)进一步减小高频增益，通过k拍超前环节zk进行补偿，将各环节离散化，得到补偿器S(z)＝D(z)Fn(z)F2(z)zk。
5.根据权利要求4所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，所述的微分环节
其中τ＝1/ω0，ω0为谐振频率，由光伏逆变器参数确定。
6.根据权利要求5所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，所述的陷波滤波器
式中，阻尼比取为ξ＝0.707。
7.根据权利要求6所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，所述的二阶低通滤波器
8.根据权利要求1所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述的PI+重复控制器的传递函数为
9.根据权利要求4所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，在步骤S2中，在PI+重复控制器中加入谐波电流分量前馈控制，将补偿器S(z)拆分成zk与S'(z)＝D(z)Fn(z)F2(z)两个部分，超前环节在前级的z-N+k中的k拍完成，幅值补偿在后级的S'(z)中完成，谐波电流分量前馈控制指令前馈通道接入于zk和S'(z)两者之间。
10.根据权利要求9所述的一种基于改进PI+重复控制的光伏逆变器谐波抑制方法，其特征在于，对所述的谐波电流分量前馈进行相位补偿以提高在dq坐标下的控制精度，采用旋转坐标变换实现零相位误差跟踪：
谐波电流信号利用三相电网电压锁相环锁相后输出的相角θ作dq/abc变换，再将相角θ加上补偿相角θk实现相角超前用于作abc/dq变换，则可得到超前谐波电流信号zkihdq，具体补偿相位θk与超前环节zk一致，
θk＝2kπf0/fs (7)
式中fs为控制器采样频率，f0为系统频率50Hz。
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