CN110112772B - 一种能源逆变并网控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能源逆变并网控制装置，包括依次连接于新能源电站上的双向DC/AC模块、电网，所述双向DC/AC模块采用三相四桥臂桥式电路，所述双向DC/AC模块能够用于能量的双向流通，所述双向DC/AC模块还连接内含模糊的改进比例谐振控制器；在abc坐标系下通过基于模糊控制的改进比例谐振控制器对交流侧的三相电流直接控制，比例谐振控制器既具有PI控制器的优点，又可以对交流分量实现无静差的跟踪。

Description

一种能源逆变并网控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于能源并网技术领域，具体涉及一种能源逆变并网控制装置，还涉及一种能源逆变并网控制方法。

背景技术

近年来，能源危机与环境污染问题日益严峻，各国都大力发展太阳能、风能、水能等可再生清洁能源。将可再生能源转化为电能，并将其高质量馈入电网是可再生能源开发利用的关键。目前世界上已有很多国家在逐步用新能源或可循环利用能源来取代以往的化石性能源，且获取到了举世瞩目的成就。在我国，不论是人们的日常生活还是社会发展建设都离不开稳定高效的电力供应，出于环保及节能等需求，新兴能源的产电技术取代过去落后的产电技术已是大势所趋，我国现有的电力供应结构必将在不久时间内做出相应的调整。然而由于我们国家新兴能源电力生产技术起步偏晚，关键技术还有待完善，目前的新能源产电工艺尚不可做大范围的推广，因此新能源产电工艺的研发及应用还有待于工程技术人员做出进一步的努力。

以风电、太阳能、生物质能为首的新能源是我国能源发展战略的重要内容和组成部分，是中国未来能源结构的基石，光伏发电是新能源开发技术较为成熟、具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式，符合我国的产业政策和能源可持续发展战略。由于能源并网发电系统出力的间歇性和不确定性等特点，大规模新能源并网对电力系统稳定性存在很大影响，其影响主要体现在诸如电网的谐波、引起的电压波动、电压不平衡等方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种能源逆变并网控制装置，在DC/AC模块中采用三相四桥臂电路，通过能源并网技术，新能源发电站可以和电网之间进行良性的互动。

本发明的另一目的是提供一种能源逆变并网控制方法，在abc坐标系下通过基于模糊控制的改进比例谐振控制器对交流侧的三相电流直接控制，能有效地缩小整个系统的稳态误差并提高系统的静态性能和动态性能。

本发明所采用的技术方案是，一种能源逆变并网控制装置，包括依次连接于新能源电站上的双向DC/AC模块、电网，双向DC/AC模块采用三相四桥臂桥式电路，双向DC/AC模块能够用于能量的双向流通，双向DC/AC模块还连接内含模糊的改进比例谐振腔控制器。

本发明的特点还在于：

双向DC/AC模块包括依次并联的软启动电路、稳压电路、逆变电路，逆变电路连接滤波电路、升/降压电路，逆变电路包括相互并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂均是由两个串联的开关管组成，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别与第四桥臂中点之间串联有滤波电路、升/降压电路，升/降压电路连接电网。

改进比例谐振腔控制器的改进过程为：

1)传递函数为：

K_p代表比例增益，K_i代表振荡项增益，ω₀代表基波角频率，ω_c代表截止频率。

2)对比例谐振腔控制器采用预修正的突斯汀变换法进行离散化处理，变换公式为：

本发明的另一技术方案是：一种能源逆变并网控制方法，使用一种能源并网控制装置，在某一模式下，采用基于abc坐标系下的改进比例谐振腔控制器控制策略，引入结合模糊控制的改进比例谐振控制器对交流量实现无稳态误差跟踪，得到闭环传递函数，最后采用3D-SVPWM控制算法进行调制，实现对DC/AC模块中的四个桥臂中的开关器件进行控制。

改进比例谐振腔控制器的改进过程为：

1)传递函数为：

K_p代表比例增益，K_i代表振荡项增益，ω₀代表基波角频率，ω_c代表截止频率；

2)对比例谐振腔控制器采用预修正的突斯汀变换法进行离散化处理，变换公式为：

得到闭环传递函数具体过程为：

Gh(s)为采样延时环节，

Gpr为改进的比例谐振控制器传递函数，

K_pwm为桥式电路的放大等效增益，K_f为电压前馈系数，H_c为电流反馈系数，这三个系数均取1进行计算；开关频率为20kHz；

模糊控制的改进比例谐振腔控制器的电流环路的开环传递函数为：

闭环传递函数为：

L_g为交流侧的电感。

本发明的有益效果为：

本发明一种能源逆变并网控制装置，在DC/AC模块中采用三相四桥臂电路，通过能源并网技术，大量的新能源电池可以和电网之间进行良性的互动，从而有效地调节电网的峰谷差以及作为电网的备用能源。

本发明一种能源逆变并网控制方法，在abc坐标系下通过基于模糊控制的改进比例谐振控制器对交流侧的三相电流直接控制，比例谐振控制器既具有PI控制器的优点，又可以对交流分量实现无静差的跟踪。因此，采用比例谐振控制器之后，由于三相四桥臂电路拓扑中abc三相电压完全独立，可以在abc坐标系下对abc三相交流电流直接进行控制，较大程度上简化了控制电路；并且将电流量转化为有效值来进行模糊控制相比于直接用交流电流值来进行模糊控制的效果要好，它能有效地缩小整个系统的稳态误差并提高系统的静态性能和动态性能。

附图说明

图1是本发明一种能源逆变并网控制装置结构示意图；

图2是本发明一种能源逆变并网控制装置中DC/AC模块采用的三相四桥臂电路结构的电路图；

图3是本发明abc坐标系下闭环控制结构图；

图4是基于模糊控制的改进比例谐振控制器的控制框图；

图5是基于模糊控制的改进比例谐振控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明采用一种能源逆变并网控制装置，如图1所示，包括依次连接于新能源电站上的双向DC/AC模块、电网，双向DC/AC模块采用三相四桥臂桥式电路，双向DC/AC模块能够用于能量的双向流通，双向DC/AC模块还连接内含模糊的改进比例谐振腔控制器；

电网可以通过DC/AC模块对新能源电站进行供能，同时也能将新能源电站发电的电能通过DC/AC模块反馈给电网；

双向DC/AC模块包括依次并联的软启动电路、稳压电路、逆变电路，逆变电路连接滤波电路、升/降压电路，逆变电路包括相互并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂均是由两个串联的开关管组成，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别与第四桥臂中点之间串联有滤波电路、升/降压电路，升/降压电路连接电网。

改进比例谐振腔控制器的改进过程为：

1)传递函数为：

K_p代表比例增益，K_i代表振荡项增益，ω₀代表基波角频率，ω_c代表截止频率。

2)对比例谐振腔控制器采用预修正的突斯汀变换法进行离散化处理，变换公式为：

本发明首次提出一种在abc坐标系下通过基于模糊控制的准PR控制器对交流侧电流进行控制的控制方法，在三相四桥臂电路拓扑中采用比例谐振控制器(PR控制器)在abc坐标系下对abc三相交流电直接进行控制。

DC/AC模块主电路如图2所示，直流侧闲置的电动汽车用恒压源代替，再经过三相四桥臂桥式电路和工频变压器连接到电网。三相桥式电路开关管由IGBT构成，直流侧电容起到直流侧滤波的作用，并且能稳定直流侧电压。交流侧电感起到抑制网侧电流纹波的作用。在图3所示的DC/AC主电路结构中，V_dc为中间级电容的电压，i_dc为直流侧的电流，箭头方向为电流流向的正方向，在本系统中，直流侧电流正方向为电网流向电动汽车。S_k(k＝a,b,c,n)，S'_k(k＝a,b,c,n)为全控型开关器件，D_k(k＝a,b,c,n)，D'_k(k＝a,b,c,n)为全控开关器件中的反并联二极管。L_g为交流侧的电感，i_k(k＝a,b,c)为交流侧的电流。三相四桥臂拓扑顾名思义，就是在传统的三相三桥臂拓扑上增加了一个额外的桥臂。增加的第四个桥臂连接到负载的中性点上，用来控制中性点电压。因为三项三桥臂零序电流无法流动，增加的第四个桥臂也为零序电流的流通提供了通道，从而使得该拓扑连接不平衡负载时，可以有效工作，输出平衡的三相电压。另外，增加的第四个桥臂也使得abc三相电压完全解耦，换句话说，也就是abc三相电压此时是三个完全独立的输出，之后的控制程序中也可以省去解耦的过程，简化控制程序。

一种能源逆变并网控制方法，使用一种能源并网控制装置，在DC/AC模块某一模式下，采用基于abc坐标系下的改进比例谐振腔控制器控制策略，引入结合模糊控制的改进比例谐振控制器对交流量实现无稳态误差跟踪，得到闭环传递函数，最后采用3D-SVPWM控制算法进行调制，实现对DC/AC模块中的四个桥臂中的开关器件进行控制。如图3所示是闭环控制结构图。

比例谐振控制器，能够实现对交流量的跟踪，其传递函数如下所示：

由上式可以看出，比例谐振控制器的传递函数由比例项和二阶无阻尼振荡项组成。式中，K_p代表比例增益，K_i代表振荡项增益，ω₀代表基波角频率。但比例谐振控制器也仅仅是在电网电压的基波频率处有无限大的增益，在基波频率的附近增益急剧下降，具有较小的带宽。在实际情况中，电网电压的基波频率不可能一直稳定在50Hz，是在不断波动变化的，这样，比例谐振控制器可能就无法正常工作，为了解决此问题，提出了改进的比例谐振控制器。

本发明中改进比例谐振腔控制器的改进过程为：

1)传递函数为：

K_p代表比例增益，K_i代表振荡项增益，ω₀代表基波角频率，ω_c代表截止频率；

2)而要在数字芯片中实现比例谐振控制器，就需采用预修正的突斯汀变换法进行离散化处理，变换公式为：

上述改进的PR控制器可以改善当电网电压波动时导致的PR控制器无法正常工作的问题。而在实际工作状态中，随着电路的功率的增加，系统达到稳态所需的K_p和K_i参数也是动态变化的。因此，为了克服由于功率上升导致的系统稳态的变化，采用一种基于模糊控制的改进比例谐振(PR)控制器。通过动态改变K_p和K_i从而保持系统在最佳稳态工作。如图4所示，为基于模糊控制的改进比例谐振控制器的控制框图，以a相电流为例，分析上图可知，模糊控制器有两个输入，分别是a相电流的差值和a相电流差值对于时间的导数。模糊控制器的输出为ΔK_p和ΔK_i。也就是说，该模糊控制器需要a电流差值的隶属函数，a相电流差值对于时间倒数的隶属函数，ΔK_p的隶属函数以及ΔK_i的隶属函数。本发明结合模糊推理系统编辑器模块，制定相应的隶属函数和控制规则。将a相电流的反馈值的有效值和给定值的有效值做差，得到的就是图中的差值，再将该差值对时间求导数，得到的就是图中的差值对时间的导数。根据不同的电流差值和电流差值对时间的导数，就可以得到不同的ΔK_p，ΔK_i，进而对整个系统进行动态的微调。因此，确实可以通过模糊控制来改变K_p和Ki，进而使系统具有更好的稳态性能。

如图5所示为基于模糊控制的改进比例谐振控制器的框图；Gh(s)为采样延时环节，

G_pr为改进的比例谐振控制器传递函数，

K_pwm为桥式电路的放大等效增益，K_f为电压前馈系数，H_c为电流反馈系数，这三个系数均取1进行计算；开关频率为20kHz；模糊控制的改进比例谐振腔控制器的电流环路的开环传递函数为：

闭环传递函数为：

L_g为交流侧的电感。

通过该闭环传递函数得到的控制方法能够更好的控制DC/AC模块中四个桥臂中的开关器件，从而得到提高系统的稳态性能。

通过上述方式，本发明一种能源逆变并网控制装置，在DC/AC模块中采用三相四桥臂电路并且通过模糊控制的改进比例谐振控制器控制四桥臂开关管，在abc坐标系下通过基于模糊控制的改进比例谐振控制器对交流侧的三相电流直接控制，比例谐振控制器既具有PI控制器的优点，又可以对交流分量实现无静差的跟踪。因此，采用比例谐振控制器之后，由于三相四桥臂电路拓扑中abc三相电压完全独立，可以在abc坐标系下对abc三相交流电流直接进行控制，较大程度上简化了控制电路；并且将电流量转化为有效值来进行模糊控制相比于直接用交流电流值来进行模糊控制的效果要好，它能有效地缩小整个系统的稳态误差并提高系统的静态性能和动态性能。

Claims (1)

1.一种能源逆变并网控制装置，其特征在于，包括依次连接于新能源电站上的双向DC/AC模块、电网，所述双向DC/AC模块采用三相四桥臂桥式电路，所述双向DC/AC模块能够用于能量的双向流通，所述双向DC/AC模块还连接内含模糊的改进比例谐振腔控制器；所述双向DC/AC模块包括依次并联的软启动电路、稳压电路、逆变电路，所述逆变电路连接滤波电路、升/降压电路，所述逆变电路包括相互并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂均是由两个串联的开关管组成，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别与第四桥臂中点之间串联有滤波电路、升/降压电路，所述升/降压电路连接电网；

能源逆变并网控制方法为：在DC/AC模块某一模式下，采用基于abc坐标系下的改进比例谐振腔控制器控制策略，引入结合模糊控制的改进比例谐振控制器对交流量实现无稳态误差跟踪，得到闭环传递函数，最后采用3D-SVPWM控制算法进行调制，实现对DC/AC模块中的四个桥臂中的开关器件进行控制；

所述改进比例谐振腔控制器的改进过程为：

1)传递函数为：

K_p代表比例增益，K_i代表振荡项增益，ω₀代表基波角频率，ω_c代表截止频率；

2)对比例谐振腔控制器采用预修正的突斯汀变换法进行离散化处理，变换公式为：

所述得到闭环传递函数具体过程为：

Gh(s)为采样延时环节，

G_PR为改进的比例谐振控制器传递函数，

K_PWM为桥式电路的放大等效增益，K_f为电压前馈系数，H_c为电流反馈系数，这三个系数均取1进行计算；开关频率为20kHz；

模糊控制的改进比例谐振腔控制器的电流环路的开环传递函数为：

闭环传递函数为：

L_g为交流侧的电感。

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