CN110880784B - 一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法 - Google Patents

一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法，包括下述步骤：步骤一，设计变频率重复控制器内模；要实现对正弦信号以及其谐波信号的无差跟踪，可将多个正弦信号一起抽象出来并把它们看作周期信号，对于周期信号，它的内模为
Figure DDA0002263608440000011
只需在控制器中植入周期信号的内模，就可消除电网中各个阶次的谐波；相比于现有的频率自适应控制算法，本发明的原理更加简单，更加易于DSP的实现，稳态效果更好；同时通过实时改变控制周期形成的内模，具有更广的频率适应范围，更高的系统稳定性。

Description

一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术领域，具体涉及一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法。
背景技术
在电网污染日益严峻的情况下，对电网电能质量的研究和保护具有十分重要的意义。电力系统的谐波含量是衡量电能质量的一项重要指标，因此对电网进行谐波抑制并提高电网电能质量的研究备受关注。虽然传统比例积分(PI)控制器扰且电网电压频率不稳定的情况下，虽然传统控制可靠性高、参数整定方便，但在市电有严重谐波干扰难以很好地抑制输入端电流谐波，即使能抑制，其参数也难以整定，故有必要提出更高效、更符合实际情况的控制算法来改善网侧电流波形。
传统的重复控制器内模的基波频率为50HZ，因此该控制方法仅仅在电网频率为50HZ的时候有比较好的控制效果。在微电网系统中，由于电网基波频率的变化，传统的重复控制由于其内模基波频率固定而使得逆变器的并网电流控制不能达到较好的效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法，该方法能够解决微网系统中的频率波动所造成的电流控制器效果变差问题，在原始重复控制器基础上对其中的参数做在线自整定，可使系统获得很好的稳态指标，且能在市电频率发生漂移的情况下改善电流波形。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法，包括下述步骤：
步骤一，设计变频率重复控制器内模；要实现对正弦信号以及其谐波信号的无差跟踪，可将多个正弦信号一起抽象出来并把它们看作周期信号，对于周期信号，它的内模为
Figure BDA0002263608420000021
只需在控制器中植入周期信号的内模，就可消除电网中各个阶次的谐波；
传递函数为
Figure BDA0002263608420000022
Z-N是一个纯延时环节，N＝Tg/Ts，它要实现的就是一个电网周期的延迟；N是固定不变的整数，当电网频率发生变化时，通过锁相环，得到电网的实时频率，并计算出电网基波的周期，进而实时的计算出控制周期；根据控制周期和DSP的时钟频率得到PWM周期寄存器的值并将其赋予PWM周期寄存器，然后程序进入下一个控制周期；
步骤二，设计内模系数Q(Z)；如果不加Q(Z)控制系统将会存在N 个位于单位圆上的开环极点，使系统呈现临界振荡的状态，此时只要控制对象变化，闭环系统就很可能不稳定；因此考虑控制系统的稳定性和鲁棒性，常常加入Q(Z)，Q(Z)在设计的时候可以将其设计成低通滤波器，并用一个接近于1的数来代替，将控制系统从一个无差系统变成了一个有差系统；
步骤三，设计重复控制器增益对控制系统做相位超前补偿；加入重复控制器增益，kr为重复控制器的可调增益，kr越大，误差收敛速度越快，同时控制器的稳定裕度越低；kr越小，误差收敛速度越慢，但重复控制器的稳定裕度越高，通常取值为一个0到1的常数；
步骤四，对控制系统做相位超前补偿；加入超前环节；zk是为了做相位的超前补偿而设计的，通过把本周期的误差，在下一个周期提前作用，来实现相位的超前补偿；
滤波器的设置是为了将受控对象的中低频校正为1，经过参数的计算和试凑，将其设置为一阶低通滤波器S(z)＝5000/s+5000；
步骤五，重复控制和PI控制器复合控制；重复控制对输入信号的响应，存在一个基波周期的延迟，这导致了重复控制的动态性能差，对此，在重复控制器上并联一个PI调节器即可解决这一问题。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
(1)本发明提供了一种电流频率自适应控制策略，通过锁相环实时测得电网的基波频率和周期，将这一信息送给电流控制器在线调整 DSP的控制周期来改变重复控制器的内模周期与电网周期一致；该控制算法较传统的频率自适应控制器易于DSP的数字实现，且具有较宽的频率适应范围；
(2)相比于现有的频率自适应控制算法，本发明的原理更加简单，更加易于DSP的实现，稳态效果更好；同时通过实时改变控制周期形成的内模，具有更广的频率适应范围，更高的系统稳定性。
附图说明
图1为本发明的单相并网逆变器控制环路示意图；
图2为本发明的自适应内模与传统重复控制内模在45HZ的bode 图；
图3为本发明的自适应重复控制器理想内模示意图；
图4为本发明加入内模系数后的自适应重复控制器示意图；
图5为本发明不加滤波器的自适应重复控制器示意图；
图6为本发明的完整的自适应重复控制器示意图；
图7为本发明的复合电流控制器结构示意图；
图8为本发明改变PWM周期寄存器值示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1～8所示，一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法，包括下述步骤：
步骤一，设计变频率重复控制器内模；要实现对正弦信号以及其谐波信号的无差跟踪，可将多个正弦信号一起抽象出来并把它们看作周期信号，对于周期信号，它的内模为
Figure BDA0002263608420000041
只需在控制器中植入周期信号的内模，就可消除电网中各个阶次的谐波；
传递函数为
Figure BDA0002263608420000042
Z-N是一个纯延时环节，N＝Tg/Ts，它要实现的就是一个电网周期的延迟；N是固定不变的整数，当电网频率发生变化时，通过锁相环，得到电网的实时频率，并计算出电网基波的周期，进而实时的计算出控制周期；根据控制周期和DSP的时钟频率得到PWM周期寄存器的值并将其赋予PWM周期寄存器，然后程序进入下一个控制周期；
步骤二，设计内模系数Q(Z)；如果不加Q(Z)控制系统将会存在N 个位于单位圆上的开环极点，使系统呈现临界振荡的状态，此时只要控制对象变化，闭环系统就很可能不稳定；因此考虑控制系统的稳定性和鲁棒性，常常加入Q(Z)，Q(Z)在设计的时候可以将其设计成低通滤波器，将其设计成一个低通滤波的好处是它可以提供高频段的衰减同时中低频段的增益不变，缺点是不可避免的引入相移；权衡考虑，用一个接近于1的数来代替，将控制系统从一个无差系统变成了一个有差系统；
步骤三，设计重复控制器增益对控制系统做相位超前补偿；加入重复控制器增益，kr为重复控制器的可调增益，kr越大，误差收敛速度越快，同时控制器的稳定裕度越低；kr越小，误差收敛速度越慢，但重复控制器的稳定裕度越高，通常取值为一个0到1的常数；
步骤四，对控制系统做相位超前补偿；加入超前环节；zk是为了做相位的超前补偿而设计的，通过把本周期的误差，在下一个周期提前作用，来实现相位的超前补偿；
滤波器的设置是为了将受控对象的中低频校正为1，经过参数的计算和试凑，将其设置为一阶低通滤波器S(z)＝5000/s+5000；
步骤五，重复控制和PI控制器复合控制；重复控制对输入信号的响应，存在一个基波周期的延迟，这导致了重复控制的动态性能差，对此，在重复控制器上并联一个PI调节器即可解决这一问题。
具体来说，如图1所示，为微网单相并网逆变的控制框图。电路拓扑包括：直流侧电容，电容电压为Udc，逆变H桥臂，网侧滤波电感。
采用入网电流内环，直流侧电压外环的双环结构。电压外环的输出作乘以锁相环输出的角度为电流内环的给定。
设计变频率重复控制器内模。根据内模原理，要实现对输入信号的无静差跟踪，控制器必须包含输入信号的动态模型。通常针对多个正弦信号，其做法是将多个正弦信号一起抽象出来把它们看作周期信号，对于周期信号，它的内模为
Figure BDA0002263608420000061
只需要在控制器中植入周期信号的内模，就可以消除电网中各个阶次的谐波。离散化后重复控制器的内模框图如图1所示，传递函数为
Figure BDA0002263608420000062
本发明提出的变频率重复控制内模，采用固定的延迟点数(理想状态下，电网的频率是50HZ，如果控制频率是10KHZ，那么，在一个电网的信号周期中， N的值就是200)，当锁相环计算出的电网周期Tg改变时，通过改变控制周期来维持N值的恒定。相应的，在控制周期改变之后，由于延迟点数N的恒定，便达到了改变重复控制内模谐振频率与电网基波频率相同的目的。
下面说明改变内模基波周期的方法：
首先定义一些变量如下：一个基波周期的采样点数N(恒定不变)， N＝200，DSP中PWM的时钟周期/频率为Tc/fc，PWM周期寄存器的值为Tp，控制周期/频率(设定的控制周期和采样周期相等)为Ts/fs，电网基波周期/频率为Tg/fg，逆变器输出基波周期/频率为Ti/fi。
PWM计数方式采用向上-向下计数模式。因此有：
Ts＝2*Tp*Tc (1)
同时也可以计算出逆变器输出基波周期：
Ti＝N*Ts (2)
以理想状态为例，电网频率为fg＝50HZ，控制频率为fs＝10KHZ，同时，PWM的时钟频率fc设定为60MHZ。那么有N＝Tg/Ts＝200。此时，PWM周期寄存器的值Tp＝Ts/(2*Tc)＝3000，此时DSP的控制周期是100us。
当电网频率波动时，锁相环捕捉到实时的电网频率，将其送给电流控制器，电流控制器实时更新PWM周期寄存器的值，改变DSP的控制周期。
以微电网频率波动到45HZ为例，此时N的值恒定不变，由式子 Tp＝Ts/(2*Tc)可以计算得到PWM周期寄存器的值为3333。与上述的周期寄存器的值相比，每个控制周期变成了111us。
如图8所示，为PWM寄存器修改前后，载波的形状。
如图2所示，为改变控制器内模周期前后控制器的bode图，对比可以看出，通过改变控制器的控制器周期，可以有效的改变重复控制器的谐振值，使其跟踪电网频率的变化。
设计内模系数Q(Z)；如果不加Q(Z)控制系统将会存在N个位于单位圆上的开环极点，使系统呈现临界振荡的状态，此时只要控制对象变化，闭环系统就很可能不稳定。因此，考虑到控制系统的稳定性和鲁棒性，常常加入Q(Z)。Q(Z)在设计的时候可以将其设计成低通滤波器，将其设计成一个低通滤波的好处是它可以提供高频段的衰减同时中低频段的增益不变，缺点是不可避免的引入相移。权衡考虑，这里用一个接近与1的数来代替，这不可避免的控制系统从一个无差系统变成了一个有差系统。加入重复控制内模系数后的重复控制器内模如图4 所示。
设计重复控制器增益和对控制系统做相位超前补偿；如图5所示，加入重复控制器增益和超前环节。kr为重复控制器的可调增益，kr越大，误差收敛速度越快，同时控制器的稳定裕度越低。kr越小，误差收敛速度越慢，但重复控制器的稳定裕度越高，通常取值为一个0到 1的常数。zk是为了做相位的超前补偿而设计的。超前环节的具体实现可以通过对图3的等效可以实现，图5的等效框图如图6所示，即通过把本周期的误差，在下一个周期提前作用，来实现相位的超前补偿。
重复控制和PI控制器复合控制；由图6的重复控制器的框图可以看到，重复控制对输入信号的响应，存在一个基波周期的延迟，这导致了重复控制的动态性能差，只需在重复控制器上并联一个PI调节器即可解决这一问题，如图7所示。
本发明提供了一种电流频率自适应控制策略，通过锁相环实时测得电网的基波频率和周期，将这一信息送给电流控制器在线调整DSP 的控制周期来改变重复控制器的内模周期与电网周期一致；该控制算法较传统的频率自适应控制器易于DSP的数字实现，且具有较宽的频率适应范围；相比于现有的频率自适应控制算法，本发明的原理更加简单，更加易于DSP的实现，稳态效果更好；同时通过实时改变控制周期形成的内模，具有更广的频率适应范围，更高的系统稳定性。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种并网逆变器电流频率自适应重复控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一，设计变频率重复控制器内模；要实现对正弦信号以及其谐波信号的无差跟踪，可将多个正弦信号一起抽象出；来并把它们看作周期信号，对于周期信号，它的内模为
Figure FDA0004105400220000011
只需在控制器中植入周期信号的内模，就可消除电网中各个阶次的谐波；
传递函数为
Figure FDA0004105400220000012
z-N是一个纯延时环节，N＝Tg/Ts，它要实现的就是一个电网周期的延迟；N是固定不变的整数，当电网频率发生变化时，通过锁相环，得到电网的实时频率，并计算出电网基波的周期，进而实时的计算出控制周期；根据控制周期和DSP的时钟频率得到PWM周期寄存器的值并将其赋予PWM周期寄存器，然后程序进入下一个控制周期；
步骤二，设计内模系数Q(Z)；如果不加Q(Z)控制系统将会存在N个位于单位圆上的开环极点，使系统呈现临界振荡的状态，此时只要控制对象变化，闭环系统就很可能不稳定；因此考虑控制系统的稳定性和鲁棒性，常常加入Q(Z)，Q(Z)在设计的时候可以将其设计成低通滤波器，并用一个接近于1的数来代替，将控制系统从一个无差系统变成了一个有差系统；
步骤三，设计重复控制器增益对控制系统做相位超前补偿；加入重复控制器增益，kr为重复控制器的可调增益，kr越大，误差收敛速度越快，同时控制器的稳定裕度越低；kr越小，误差收敛速度越慢，但重复控制器的稳定裕度越高，取值为一个0到1的常数；
步骤四，对控制系统做相位超前补偿；加入超前环节；zk是为了做相位的超前补偿而设计的，通过把本周期的误差，在下一个周期提前作用，来实现相位的超前补偿；
滤波器的设置是为了将受控对象的中低频校正为1，经过参数的计算和试凑，将其设置为一阶低通滤波器S(Z)＝5000/s+5000；
步骤五，重复控制和PI控制器复合控制；重复控制对输入信号的响应，存在一个基波周期的延迟，对此，在重复控制器上并联一个PI调节器。
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