CN110311404A - 一种单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，适用于电压源型单相逆变器，其特征在于，所述控制方法将光伏电池输出的直流电流作为前馈量引入电流预测控制函数，同时采集光伏逆变器直流母线电压、电网电压和电网电流的信号，经过电流预测控制函数的计算，生成光伏逆变器的输出调制比，经正弦波脉宽调制模块得到开关管的占空比驱动信号，从而实现光伏逆变器的电流预测控制。本方法可以解决现有技术中的光伏电池最大功率跟踪响应速度慢、直流母线电压波动大、开关频率不固定、馈网电流对电网存在谐波污染等问题；具有控制算法简单、稳定性强、对单相并网逆变系统适应性好等优点。

Description

一种单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法
技术领域
本发明涉及一种单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，适用于单相非隔离型光伏逆变器系统，属于光伏逆变器控制技术领域。
背景技术
光伏系统中的逆变器是一种将光伏电池输出的直流电转换成所需的交流电的重要设备，其稳定性、安全可靠性、逆变效率、生产维护成本等因素，影响着光伏发电系统的整体经济效益。
传统的光伏并网逆变器电流控制方法包括线性控制方法，如基于比例积分(proportional integral，PI)调节的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)，以及非线性控制方法，如滞环控制。前者需要PWM调制模块，系统的静态和动态性能取决于PI调节器；后者虽有良好的动态性能，但开关频率不固定，造成滤波器设计困难。另外，滞环控制虽然简单，但电流纹波较大，开关损耗过高；PI控制技术虽然应用十分广泛，但在电流较小时存在相位差，将导致功率因数过低。
新的控制方法，包括模糊控制，自适应控制和预测控制。其中预测控制是一种闭环的优化控制方法，通过建立逆变器系统预测模型，选择使目标函数最优的控制方式，使输出量跟踪参考值，从而实现稳定控制。
已有一些文献将电流预测控制应用于光伏逆变器，如2017年的中国电机工程学报文献“金楠,胡石阳,崔光照,姜素霞.光伏并网逆变器有限状态模型预测电流控制[J].中国电机工程学报,2015,35(S1):190-196.”是在三相光伏并网逆变器数学模型上，提出了一种在αβ坐标下模型预测电流控制方法，利用评估函数对8个空间矢量进行评估，根据结果选取最优的开关矢量。该方法虽然能够实现光伏逆变器最大功率输出，但由于相邻周期空间矢量选取结果不同，导致开关状态不固定，将直接造成滤波器设计困难。
2011年的电工技术学报文献“胡雪峰,龚春英.光伏并网逆变器的直接预测控制策略及其DSP实现[J].电工技术学报,2011,26(S1):102-106.”(2011年第26卷增刊1)针对通过LCL滤波器并网的单相逆变器设计了一个占空比预估的控制方法，但没有对直流电压进行闭环控制，也没有考虑由光伏发电功率波动导致的直流电流波动对并网电流控制带来的影响。在光伏发电功率波动的时候，会引起输出电流震荡，导致光伏并网逆变系统不能稳定工作，有一定局限性。
综上所述，对于单相非隔离光伏并网逆变器而言，电流预测控制方法主要存在如下问题：
(1)现有技术主要方法是利用前一开关周期采样结果预测下一开关周期的参数，变化的参数可能导致光伏并网逆变系统不稳定，最大功率点跟踪效果不佳，且由于实际电感量与模型电感存在误差，会引起电流震荡。
(2)现有的运用矢量控制的三相光伏并网逆变器电流控制方法中，在对电压矢量的选择上，实际的开关频率并不固定，导致滤波器设计困难，增加了光伏系统的损耗，降低了效率。
(3)现有的应用于单相或者三相光伏发电系统的电流预测或者模型预测控制方法中，有的没有考虑光伏电池输出直流电流的波动，有的着眼于光伏电池发电功率的预测。但是，光伏电池输出直流电流对于光伏逆变器直流母线电压的影响更直接，应当将其引入闭环电流控制，控制效果更好，系统响应速度更快。
发明内容
为了克服上述光伏逆变器控制技术中存在的不足，本发明提供一种适用于单相并网逆变器的电流预测控制方法，目的在于解决现有技术中存在的光伏电池最大功率跟踪速度、直流母线电压及太阳电池功率波动、开关频率不固定、馈网电流对电网的谐波污染的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，适用于电压源型单相逆变器，其特征在于，所述控制方法将光伏电池输出的直流电流作为前馈量引入电流预测控制函数，同时采集光伏逆变器直流母线电压、电网电压和电网电流的信号，经过电流预测控制函数的计算，生成光伏逆变器的输出调制比，经正弦波脉宽调制模块得到开关管的占空比驱动信号，从而实现光伏逆变器的电流预测控制；所述方法包括如下步骤：
步骤1，在线采样k时刻光伏电池输出直流电流id(k)和直流母线电压Vd(k)；
步骤2，根据步骤1的采样值，经过最大功率跟踪MPPT模块计算得到直流电压参考值Vref(k)；
步骤3，将步骤1采样的直流母线电压Vd(k)和步骤2得到的直流电压参考值Vref(k)作比较，经PI调节器调节后，与步骤1中采样的光伏电池输出直流电流id(k)相加，得到当前开关周期新的电流给定值的幅值icm(k)；
步骤4，在线采样k时刻电网电压Vs(k)和单相并网光伏逆变器的并网电流is(k)，经锁相环PLL的计算得到电网电压Vs(k)的相位θ；再与步骤3得到的电流给定值的幅值icm(k)一同，利用如下公式计算得到当前开关周期新的电流指令值ici(k)：
ici(k)＝icm(k)cos[ωt+θ+θc]
其中，θc为可调相角，用于补偿开关周期延迟或前导功率因数调整；
步骤5，根据当前周期电流预测值与下一开关周期逆变器输出调制比的关系得出如下预测函数式：
其中，Ts为电网电压采样周期，L和R分别为所述单相并网光伏逆变器的电感值以及对应的等效电阻值；
进而，将步骤2中采样得到的Vd(k)、步骤4在线采样的Vs(k)和is(k)，以及电流指令值ici(k)一并带入电流预测函数式，得到下一开关周期逆变器输出调制比；
步骤6，根据步骤5中的输出量，经正弦波脉宽调制得到占空比信号，并通过驱动电路驱动开关管，实现对光伏逆变器的电流预测控制。
进一步地，步骤4中，电流给定值的幅值icm(k)是由直流电压PI调节环的输出和光伏电池输出直流电流相加得到，而不是仅由直流电压PI调节所得。
进一步地，步骤5中，将本周期的电流指令值ici(k)作为下一周期电流的预测值，计算预期的电流变化率dii(k)/dt：
进而，将dii(k)/dt代入电流预测函数式计算输出调制比，逆变器的输出将在下一开关周期迫使逆变器并网电流达到本周期的电流指令值。
进一步地，步骤6中，逆变器输出调制比经正弦波脉宽调制模块，使用单极性倍频调制方法，生成单相逆变器四个开关管的驱动信号，从而实现整个光伏逆变系统的电流预测控制。
与现有的技术相比较，本发明的有益效果是：
1.本发明采用固定开关频率的电流预测控制方法，用于单相并网光伏逆变器的控制，有效抑制了采样误差带来的并网电流低次谐波，具有动作响应快、精度高、控制过程无过冲等优点。
2.创新性，与传统逆变器控制技术不同的是，将光伏电池输出的直流电流作为前馈量引入电流预测控制算法，是一种新型电流预测控制技术。
3.动态响应快，由于本发明引入了光伏电池输出直流作为前馈量，改善了PI调节的效果，加快了直流电压控制动态响应速度，增强了系统稳定性。
4.简单性，简化了传统的光伏电池的直流母线电压控制，仅使用一个PI调节环节和电流预测函数式，而不需要滞环电流控制，简化了控制器结构，使得实现简单，运算速度提高，光伏发电系统也有较快的动态响应。
5.适用性，一种基于直流电流前馈的单相并网逆变器电流预测控制方法可应用于所有电压源型单相逆变器结构，具有广泛适用性。
附图说明
图1是单相并网光伏逆变器系统结构拓扑图。
图2是单相并网光伏逆变器电流预测控制框图。
图3是单相光伏逆变器电流预测控制方法流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，所有相同或类似的标号表示相同或者类似的元件或具有相同或类似的功能。下面通过参考附图描述的实施例对本发明作进一步描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提出的一种基于单相并网光伏逆变器电流预测控制方法是为了实现光伏逆变器最大功率点跟踪快速响应，有效降低直流母线电压的波动及减少并网电流的谐波污染，增强系统稳定性。
如图1所示，单相并网光伏逆变器将普通光伏电池和H桥逆变器的直流母线相连，直流母线上并联一个电容器，直流母线电压为Vdc；H桥的四个开关管分别为S1、S2、S3、S4；H桥交流输出端经一个滤波电感L与电网相连。
如图2所示，是本发明提出的基于电流预测控制的控制算法的框图：采样光伏电池输出直流电流id和直流母线电压Vd，经MPPT模块计算得到直流电压参考值Vref；将直流电压参考值与直流母线电压的误差经PI调节器，其输出与直流电流前馈量求和得到电流指令值的幅值icm；将电网电压输入到锁相环，得到电网电压相位，其正弦函数与电流指令值的幅值相乘得到电流指令值ici；通过单相逆变器电流预测函数计算得到逆变器输出调制比，经SPWM模块生成H桥的开关驱动信号。
图3是电流预测控制方法的流程图，描述了带直流电流前馈的电流预测控制的计算过程。
参见图1，图2，图3，本发明的具体步骤如下：
步骤1，在线采样k时刻光伏电池输出直流电流id(k)和直流母线电压Vd(k)；
步骤2，根据步骤1的采样值，经最大功率跟踪(MPPT)模块计算得到直流电压参考值Vref(k)；
步骤3，将步骤1采样的直流母线电压Vd(k)和步骤2得到的直流电压参考值Vref(k)作比较，经PI调节器调节后，与步骤1中采样的光伏电池输出直流电流id(k)相加，得到当前开关周期新的电流给定值的幅值icm(k)；
步骤4，在线采样k时刻电网电压Vs(k)和单相并网光伏逆变器的并网电流is(k)，经锁相环PLL的计算得到电网电压Vs(k)的相位θ；再与步骤3得到的电流给定值的幅值icm(k)一同，利用如下公式计算得到当前开关周期新的电流指令值ici(k)：
ici(k)＝icm(k)c05[ωt+θ+θc]
其中，θc为可调相角，用于补偿开关周期延迟或前导功率因数调整；
步骤5，根据当前周期电流预测值与下一开关周期逆变器输出调制比的关系得出如下预测函数式：
其中，Ts为电网电压采样周期，L和R分别为所述单相并网光伏逆变器的电感值以及对应的等效电阻值；
进而，将步骤2中采样得到的Vd(k)、步骤4在线采样的Vs(k)和is(k)，以及电流指令值ici(k)一并带入电流预测函数式，得到下一开关周期逆变器输出调制比；
步骤6，根据步骤5中的输出量，经正弦波脉宽调制得到占空比信号，并通过驱动电路驱动开关管，实现对光伏逆变器的电流预测控制。
其中，步骤4中，电流给定值的幅值icm(k)是由直流电压PI调节环的输出和光伏电池输出直流电流相加得到，而不是仅由直流电压PI调节所得。
其中，步骤5中，将本周期的电流指令值ici(k)作为下一周期电流的预测值，计算预期的电流变化率dii(k)/dt：
进而，将dii(k)/dt代入电流预测函数式计算输出调制比，逆变器的输出将在下一开关周期迫使逆变器并网电流达到本周期的电流指令值。
其中，步骤6中，逆变器输出调制比经正弦波脉宽调制模块，使用单极性倍频调制方法，生成单相逆变器四个开关管的驱动信号，从而实现整个光伏逆变系统的电流预测控制。
与现有的控制技术不同的是，本发明提出的基于电流预测控制的单相并网光伏逆变器，减少了PI控制和重复控制环节，提出了将光伏电池输出直流电流作为前馈量代入电流预测控制函数计算。根据以上步骤得到的逆变器输出调制比，生成开关管驱动信号，实现直流电压和并网电流快速准确的跟踪，在控制系统响应速度和稳定性上具有综合比较优势。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，适用于电压源型单相逆变器，其特征在于，所述控制方法将光伏电池输出的直流电流作为前馈量引入电流预测控制函数，同时采集光伏逆变器直流母线电压、电网电压和电网电流的信号，经过电流预测控制函数的计算，生成光伏逆变器的输出调制比，经正弦波脉宽调制模块得到开关管的占空比驱动信号，从而实现光伏逆变器的电流预测控制；所述方法包括如下步骤：
步骤1，在线采样k时刻光伏电池输出直流电流id(k)和直流母线电压Vd(k)；
步骤2，根据步骤1的采样值，经过最大功率跟踪MPPT模块计算得到直流电压参考值Vref(k)；
步骤3，将步骤1采样的直流母线电压Vd(k)和步骤2得到的直流电压参考值Vref(k)作比较，经PI调节器调节后，与步骤1中采样的光伏电池输出直流电流id(k)相加，得到当前开关周期新的电流给定值的幅值icm(k)；
步骤4，在线采样k时刻电网电压Vs(k)和单相并网光伏逆变器的并网电流is(k)，经锁相环PLL的计算得到电网电压Vs(k)的相位θ；再与步骤3得到的电流给定值的幅值icm(k)一同，利用如下公式计算得到当前开关周期新的电流指令值ici(k)：
ici(k)＝icm(k)cos[ωt+θ+θc]
其中，θc为可调相角，用于补偿开关周期延迟或前导功率因数调整；
步骤5，根据当前周期电流预测值与下一开关周期逆变器输出调制比的关系得出如下预测函数式：
其中，Ts为电网电压采样周期，L和R分别为所述单相并网光伏逆变器的电感值以及对应的等效电阻值；
进而，将步骤2中采样得到的Vd(k)、步骤4在线采样的Vs(k)和is(k)，以及电流指令值ici(k)一并带入电流预测函数式，得到下一开关周期逆变器输出调制比；
步骤6，根据步骤5中的输出量，经正弦波脉宽调制得到占空比信号，并通过驱动电路驱动开关管，实现对光伏逆变器的电流预测控制。
2.如权利要求1所述的单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，步骤4中，电流给定值的幅值icm(k)是由直流电压PI调节环的输出和光伏电池输出直流电流相加得到，而不是仅由直流电压PI调节所得。
3.如权利要求1所述的单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，步骤5中，将本周期的电流指令值ici(k)作为下一周期电流的预测值，计算预期的电流变化率dii(k)/dt：
进而，将dii(k)/dt代入电流预测函数式计算输出调制比，逆变器的输出将在下一开关周期迫使逆变器并网电流达到本周期的电流指令值。
4.如权利要求1所述的单相并网光伏逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，步骤6中，逆变器输出调制比经正弦波脉宽调制模块，使用单极性倍频调制方法，生成单相逆变器四个开关管的驱动信号，从而实现整个光伏逆变系统的电流预测控制。
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