CN111355257A - 一种弱电网下光伏并网逆变器无源准pr控制方法 - Google Patents

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王文秀
荆弈翔
诸嘉宁
崔云鹏
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Abstract

本发明提出了一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法，属于光伏并网逆变器控制技术领域。所述方法过程为：根据弱电网下单相全桥逆变器等效拓扑图结合基尔霍夫定律，构建状态平均模型，然后推导出单相并网逆变器的欧拉‑拉格朗日数学模型；建立逆变系统能量函数并分析逆变系统存在的能量关系，然后对系统进行无源性分析，证明逆变系统的无源性；建立逆变系统的误差能量存储函数，通过分析逆变系统的误差能量存储方程变化率确定：通过添加阻尼的策略能够有效改变逆变系统的误差能量存储方程的变化速率，缩短其减小到零的时间；将误差能量存储函数中的误差变量先送入准PR控制器处理后，再送入传统无源控制器，获得无源准PR控制策略。

Description

一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法
技术领域
本发明涉及一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法，属于光伏并网逆变器控制技术领域。
背景技术
光伏并网逆变器承载着将光伏电池产生的直流电变换为交流电并送入电网的任务，同时还要根据光伏电池的运行状态，实现最大功率跟踪控制。常规设计的光伏逆变器，对于抗干扰能力较强的电网能够实现较为良好的运行控制；然而对于电网阻抗大、短路容量低、电网电压容易波动的弱电网来说，大规模光伏逆变器的接入不利于弱电网的稳定运行，与此同时，弱电网更为复杂的电气特性还会给逆变器的控制性能带来不利影响，严重时甚至会造成系统运行状态失稳等一系列问题。当前，分布式光伏并网发电处于井喷式发展阶段，亟需研究能够确保光伏逆变器稳定可靠地接入弱电网并能提高并网电能质量的控制方法。
目前国内外对基于无源理论设计的太阳能单相光伏并网逆变器的探索大多着眼于三相并网运行环境，针对弱电网的复杂电气特性及对单相光伏逆变器的研究均较少。除此之外，在弱电网运行环境下，传统的无源控制器并网电能质量不理想，THD值较高。针对电气特性复杂的弱电网，如何设计出适应性更好，鲁棒性更强的光伏并网逆变器，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明为了解决基于传统无源控制的光伏并网逆变器在弱电网下并网电能质量不理想的问题，提出一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法，所采取的技术方案如下：
一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法，所述控制方法适用于电网阻抗较大、电网电压不稳定的弱电网环境，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一、根据弱电网下单相全桥逆变器等效拓扑图，结合基尔霍夫定律，对单相并网逆变器构建针对弱电网并网工作环境的状态平均模型，然后根据所述状态平均模型推导出针对弱电网并网运行环境的单相并网逆变器的欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)数学模型；
步骤二、建立逆变系统能量函数并分析逆变系统存在的能量关系，然后根据所述能量函数和所述能量关系对系统进行无源性分析，证明逆变系统的无源性；
步骤三、建立逆变系统的误差能量存储函数，通过分析逆变系统的误差能量存储方程变化率，获得误差能量存储方程变化率的变化所受影响为：通过添加阻尼的策略能够有效改变逆变系统的误差能量存储方程的变化速率，缩短其减小到零的时间；
步骤四、将误差能量存储函数中的误差变量先送入准PR控制器处理后，再送入传统无源控制器，获得无源准PR控制策略：
Figure BDA0001918338130000021
其中，uA为全桥逆变器开关管的控制信号，uA＝1时，表示开关S1和S4导通；uA＝-1时，表示开关管S2和S3导通；
Figure BDA0001918338130000022
为逆变器输出电压给定参考量；L表示逆变器输出滤波电感；iL为逆变器的输出电流；
Figure BDA0001918338130000023
为逆变器输出电流给定参考量；GQPR为准PR控制的传递函数；ξ1为阻尼系数；x1表示状态变量；Udc表示直流侧输入电压。
进一步地，步骤一中所述的单相全桥逆变器等效拓扑图包括直流电压源Udc、LC滤波结构和电网阻抗不可忽略的弱电网等效模型；所述电网阻抗为阻感性。
进一步地，步骤一中所述的弱电网并网工作环境的状态平均模型为：
Figure BDA0001918338130000024
其中，uA＝2d(t)-1，d(t)表示开关器件S1和S4的占空比；ig表示流入电网的电流；uo表示滤波电容两端电压；C表示逆变器输出滤波电容；Rg为弱电网线路电阻，Lg为线路电感；ug表示电网电压。
进一步地，步骤一中所述弱电网并网运行环境的单相并网逆变器的欧拉-拉格朗日数学模型为：
Figure BDA0001918338130000025
其中，x＝(iL,uo,ig)T，
Figure BDA0001918338130000026
为正定对角矩阵；
Figure BDA0001918338130000027
为反对称矩阵，体现了系统内部的能量交互影响关系；
Figure BDA0001918338130000028
为非负定矩阵，体现了系统的耗散特点；
Figure BDA0001918338130000029
为控制输入矩阵，体现了系统与外部的交互影响。
进一步地，步骤二中所述的能量函数为：
Figure BDA0001918338130000031
其中，将状态变量定义为x1＝iL,x2＝uo,x3＝ig；输入量为u＝Udc；输出量为y＝x1＝iL。
进一步地，步骤二中所述逆变系统存在的能量关系如下：
Figure BDA0001918338130000032
所以有：
Figure BDA0001918338130000033
其中，u＝Udc；进而说明系统具有无源性，能够实现弱电网下基于无源理论的光伏并网逆变器的研究和设计。
进一步地，步骤三中所述的误差能量存储函数为：
Figure BDA0001918338130000034
其中，xe为重新定义的误差状态变量，即
Figure BDA0001918338130000035
Figure BDA0001918338130000036
为逆变器流入电网电流的给定的参考量。
进一步地，步骤三中所述的误差能量存储方程变化率为：
Figure BDA0001918338130000037
进一步地，步骤三中所述添加阻尼的形式为：
Figure BDA0001918338130000038
其中，ξ1,ξ2,ξ3为阻尼系数，且满足ξ1,ξ2,ξ3＞0。
进一步地，步骤四中所述无源准PR控制策略的控制实现过程包括：
第一步、将逆变器的输出电流iL的实际值与参考值比较后的结果送入准PR控制器，获得准PR控制器处理结果；
第二步、将第一步获得的准PR控制器处理结果送入基于阻尼注入的无源控制器，进而得到无源准PR控制的控制律：
Figure BDA0001918338130000039
第三步、将第二步所述无源准PR控制的控制律作为信号波来产生PWM信号控制逆变器开关管的开通与关断。
本发明有益效果：
本发明提出的无源准PR控制器更适用于电网阻抗较大、电网电压不稳定的弱电网环境，此时的控制器性能及并网电流质量均得到改善；与此同时，无源准PR控制在电压波动时可以使系统具有更好的动态性能和更强的鲁棒性。
附图说明
图1为弱电网下单相全桥逆变器等效拓扑图；
图2为弱电网下基于传统无源控制的单相并网逆变器控制框图；
图3为弱电网下基于无源准PR控制的单相并网逆变器控制框图；
图4为弱电网下无源准PR控制电流环控制框图；
图5为传统无源控制与无源准PR控制的开环Bode图；
图6为加入准PR控制前后无源控制下逆变器输出电压和电流仿真波形，其中(a)为传统无源控制并网电压、电流波形，(b)为无源准PR控制并网电压、电流波形；
图7为加入准PR控制前后无源控制下逆变器输出电流傅里叶分析结果；其中(a)为传统无源控制电流傅里叶分析结果，(b)为无源准PR控制电流傅里叶分析结果；
图8为无源准PR控制下电网电压跌落全过程并网电压电流波形；其中(a)为并网点电压跌落全过程中并网电压、电流波形，(b)为(a)中区域1对应电压、电流波形；(c)为(a)中区域2对应电压、电流波形；
图9为无源准PR控制下电网电压升高全过程并网电压电流波形；其中(a)为并网点电压升高全过程中并网电压、电流波形，(b)为(a)中区域1对应电压、电流波形；(c)为(a)中区域2对应电压、电流波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法，所述控制方法适用于电网阻抗较大、电网电压不稳定的弱电网环境，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一、如图1所示，根据弱电网下单相全桥逆变器等效拓扑图，结合基尔霍夫定律，对单相并网逆变器构建针对弱电网并网工作环境的状态平均模型，然后根据所述状态平均模型推导出针对弱电网并网运行环境的单相并网逆变器的欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)数学模型；
步骤二、建立逆变系统能量函数并分析逆变系统存在的能量关系，然后根据所述能量函数和所述能量关系对系统进行无源性分析，证明逆变系统的无源性；
步骤三、建立逆变系统的误差能量存储函数，通过分析逆变系统的误差能量存储方程变化率，获得误差能量存储方程变化率的变化所受影响为：通过添加阻尼的策略能够有效改变逆变系统的误差能量存储方程的变化速率，缩短其减小到零的时间；
步骤四、将误差能量存储函数中的误差变量先送入准PR控制器处理后，再送入传统无源控制器，获得无源准PR控制策略：
Figure BDA0001918338130000051
其中，所述传统无源控制器结构如图2所示，uA为全桥逆变器开关管的控制信号，uA＝1时，表示开关S1和S4导通；uA＝-1时，表示开关管S2和S3导通；
Figure BDA0001918338130000052
为逆变器输出电压给定参考量；L表示逆变器输出滤波电感；iL为逆变器的输出电流；
Figure BDA0001918338130000053
为逆变器输出电流给定参考量；GQPR为准PR控制的传递函数；ξ1为阻尼系数；x1表示状态变量；Udc表示直流侧输入电压。
本发明针对弱电网下单相光伏并网逆变器，最终得到无源准PR控制方法的控制框图如图3所示。图中虚线框中为准PR控制的传递函数，准PR控制器的输出改变系统阻尼系数。
对弱电网下单相逆变器无源准PR控制进行稳定性分析，电流环控制框图如图4所示。其中KPWM＝Udc/Utri为单相逆变器的等效传递函数；Utri为三角载波幅值；
图5所示为无源准PR控制与传统无源控制的Bode图对比，从图中可以发现，无源准PR控制在基频点处的谐振增益明显增大，但在非基频处增益迅速衰减，能够实现对谐波的抑制功能。
其中，步骤一中所述的单相全桥逆变器等效拓扑图包括直流电压源Udc、LC滤波结构和电网阻抗不可忽略的弱电网等效模型；所述电网阻抗为阻感性。
步骤一中所述的弱电网并网工作环境的状态平均模型为：
Figure BDA0001918338130000054
其中，uA＝2d(t)-1，d(t)表示开关器件S1和S4的占空比；ig表示流入电网的电流；uo表示滤波电容两端电压；C表示逆变器输出滤波电容；Rg为弱电网线路电阻，Lg为线路电感；ug表示电网电压。
步骤一中所述弱电网并网运行环境的单相并网逆变器的欧拉-拉格朗日数学模型为：
Figure BDA0001918338130000061
其中，x＝(iL,uo,ig)T，
Figure BDA0001918338130000062
为正定对角矩阵；
Figure BDA0001918338130000063
为反对称矩阵，体现了系统内部的能量交互影响关系；
Figure BDA0001918338130000064
为非负定矩阵，体现了系统的耗散特点；
Figure BDA0001918338130000065
为控制输入矩阵，体现了系统与外部的交互影响。
步骤二中所述的能量函数为：
Figure BDA0001918338130000066
其中，将状态变量定义为x1＝iL,x2＝uo,x3＝ig；输入量为u＝Udc；输出量为y＝x1＝iL。
步骤二中所述逆变系统存在的能量关系如下：
Figure BDA0001918338130000067
所以有：
Figure BDA0001918338130000068
其中，u＝Udc；进而说明系统具有无源性，能够实现弱电网下基于无源理论的光伏并网逆变器的研究和设计。
步骤三中所述的误差能量存储函数为：
Figure BDA0001918338130000069
其中，xe为重新定义的误差状态变量，即
Figure BDA00019183381300000610
Figure BDA00019183381300000611
为逆变器流入电网电流的给定的参考量。
步骤三中所述的误差能量存储方程变化率为：
Figure BDA0001918338130000071
步骤三中所述添加阻尼的形式为：
Figure BDA0001918338130000072
其中，ξ1,ξ2,ξ3为阻尼系数，且满足ξ1,ξ2,ξ3＞0。
步骤四中所述无源准PR控制策略的控制实现过程包括：
第一步、将逆变器的输出电流iL的实际值与参考值比较后的结果送入准PR控制器，获得准PR控制器处理结果；
第二步、将第一步获得的准PR控制器处理结果送入基于阻尼注入的无源控制器，进而得到无源准PR控制的控制律：
Figure BDA0001918338130000073
第三步、将第二步所述无源准PR控制的控制律作为信号波来产生PWM信号控制逆变器开关管的开通与关断。
如图6所示为加入准PR控制前后无源控制下逆变器输出电压和电流仿真波形，从图6(b)中可以看出加入无源准PR控制后，弱电网下的单相光伏并网逆变器并网电流的电能质量得到了明显改善；图7(a)、(b)所示为加入准PR控制前后无源控制下逆变器输出电流的傅里叶分析结果，由图可见无源准PR控制下输出电流波形THD值较传统无源控制的THD下降2.89％，抑制谐波的效果显著；图8所示为采用无源准PR控制后，并网点电压跌落至额定电压的95％时并网电压、电流波形，图9所示为并网点电压升高至额定电压的105％时并网电压、电流波形，由图可见，当电网电压发生波动时，并网电压及并网电流的波形质量变化均不明显，波形正弦度良好，说明所设计的无源准PR控制器能够很好的适应电网电压参数变化，验证了无源准PR控制在弱电网下电压波动时所具有的良好的动态性能和较强的鲁棒性。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，所述控制方法适用于电网阻抗较大、电网电压不稳定的弱电网环境，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一、根据弱电网下单相全桥逆变器等效拓扑图，结合基尔霍夫定律，对单相并网逆变器构建针对弱电网并网工作环境的状态平均模型，然后根据所述状态平均模型推导出针对弱电网并网运行环境的单相并网逆变器的欧拉-拉格朗日数学模型；
步骤二、建立逆变系统能量函数并分析逆变系统存在的能量关系，然后根据所述能量函数和所述能量关系对系统进行无源性分析，证明逆变系统的无源性；
步骤三、建立逆变系统的误差能量存储函数，通过分析逆变系统的误差能量存储方程变化率，获得误差能量存储方程变化率的变化所受影响为：通过添加阻尼的策略能够有效改变逆变系统的误差能量存储方程的变化速率，缩短其减小到零的时间；
步骤四、将误差能量存储函数中的误差变量先送入准PR控制器处理后，再送入无源控制器，获得无源准PR控制策略：
Figure FDA0001918338120000011
其中，uA为全桥逆变器开关管的控制信号，uA＝1时，表示开关S1和S4导通；uA＝-1时，表示开关管S2和S3导通；
Figure FDA0001918338120000012
为逆变器输出电压给定参考量；L表示逆变器输出滤波电感；iL为逆变器的输出电流；
Figure FDA0001918338120000013
为逆变器输出电流给定参考量；GQPR为准PR控制的传递函数；ξ1为阻尼系数；x1表示状态变量；Udc表示直流侧输入电压。
2.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤一中所述的单相全桥逆变器等效拓扑图包括直流电压源Udc、LC滤波结构和电网阻抗弱电网等效模型；所述电网阻抗为阻感性。
3.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤一中所述的弱电网并网工作环境的状态平均模型为：
Figure FDA0001918338120000014
其中，uA＝2d(t)-1，d(t)表示开关器件S1和S4的占空比；ig表示流入电网的电流；uo表示滤波电容两端电压；C表示逆变器输出滤波电容；Rg为弱电网线路电阻，Lg为线路电感；ug表示电网电压。
4.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤一中所述弱电网并网运行环境的单相并网逆变器的欧拉-拉格朗日数学模型为：
Figure FDA0001918338120000021
其中，x＝(iL,uo,ig)T，
Figure FDA0001918338120000022
为正定对角矩阵；
Figure FDA0001918338120000023
为反对称矩阵
Figure FDA0001918338120000024
为非负定矩阵；
Figure FDA0001918338120000025
为控制输入矩阵。
5.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤二中所述的能量函数为：
Figure FDA0001918338120000026
其中，将状态变量定义为x1＝iL,x2＝uo,x3＝ig；输入量为u＝Udc；输出量为y＝x1＝iL。
6.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤二中所述逆变系统存在的能量关系如下：
Figure FDA0001918338120000027
所以有：
Figure FDA0001918338120000028
其中，u＝Udc。
7.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤三中所述的误差能量存储函数为：
Figure FDA0001918338120000029
其中，xe为重新定义的误差状态变量，即
Figure FDA00019183381200000210
Figure FDA00019183381200000211
为逆变器流入电网电流的给定的参考量。
8.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤三中所述的误差能量存储方程变化率为：
Figure FDA0001918338120000031
9.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤三中所述添加阻尼的形式为：
Figure FDA0001918338120000032
其中，ξ1,ξ2,ξ3为阻尼系数，且满足ξ1,ξ2,ξ3＞0。
10.根据权利要求1所述伏并网逆变器无源准PR控制方法，其特征在于，步骤四中所述无源准PR控制策略的控制实现过程包括：
第一步、将逆变器的输出电流iL的实际值与参考值比较后的结果送入准PR控制器，获得准PR控制器处理结果；
第二步、将第一步获得的准PR控制器处理结果送入基于阻尼注入的无源控制器，进而得到无源准PR控制的控制律：
Figure FDA0001918338120000033
第三步、将第二步所述无源准PR控制的控制律作为信号波来产生PWM信号控制逆变器开关管的开通与关断。
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