CN111864796A - 一种光伏并网逆变器的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器的控制系统，包括QPR控制器和H∞控制器；所述QPR控制器用于对光伏并网逆变器中直流母线电压的外环控制；所述H∞控制器用于对光伏并网逆变器中并网电流的控制。本发明可实现交流信号的无误差跟踪，且抗干扰能力强。

Description

一种光伏并网逆变器的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏并网逆变器的控制方法，属于电力电子领域。

背景技术

近年来，太阳能因其清洁环保，易于开发等优点，使光伏并网 发电广受关注。并网逆变器作为并网发电的核心，其性能的好坏直接 决定了并网发电的效率。但是，由于非线性元件的存在以及存在不平 衡负载、电网电压波动等问题，导致并网电流中存在大量谐波电流， 从而使并网电能质量变差。同时由于光伏系统极易受到外部环境的影 响，导致光伏系统运行的稳定性降低。

目前广泛应用于并网逆变器控制的是PI调节器。PI调节器虽然 结构简单，动态响应好，但是无法实现交流信号的无误差跟踪。其他 几种常见方法在抗干扰能力方面存在不足。

发明内容

本发明是提供一种光伏并网逆变器的控制系统，可实现交流信号 的无误差跟踪，且抗干扰能力强。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种光伏并网逆 变器的控制系统，包括QPR控制器和H∞控制器；所述QPR控制器 用于对光伏并网逆变器中直流母线电压的外环控制；所述H∞控制器 用于对光伏并网逆变器中并网电流的控制。

优选地，所述H∞控制器由以下步骤获得：根据被控对象P的状 态空间方程获得被控对象P的传递函数P(s)；对所述传递函数P(s) 进行加权函数优化，获得广义被控对象P’的传递函数矩阵；利用 matlab程序求解出H∞控制器的传递函数C_∞(s)，获得H∞控制器。

优选地，所述被控对象P的传递函数P(s)为：

P(s)＝[D₁ D₂]+C₁(sI-A)^-1[B₁ B₂] (1)

其中，s为传递函数中的复参数，I为单位矩阵，A、B₁、B₂、C₁、 D₁、D₂为系统状态空间矩阵。

优选地，根据权利要求2所述伏并网逆变器的控制系统，其特征 在于：所述广义被控对象P’的传递函数矩阵为：

其中，P₁₁、P₁₂为传达函数P(s)分块，W₀，W₁，W₂为加权函数， I为单位矩阵，s为传递函数中的复参数。

优选地，根据权利要求2所述伏并网逆变器的控制系统，其特征 在于：所述H∞控制器的传递函数C_∞(s)为：

其中，s为传递函数中的复参数。

本发明通过直流母线电压外环施加QPR控制器，可获得逆变器输 出电流参考值，降低控制器设计难度，同时有效解决了传统PI控制 器无法实现交流信号的无误差跟踪的问题，实现电网基波频率的无静 差跟踪。本发明系统中的H∞控制器，其鲁棒性强，通过采用加权函 数的方法，优化并网电流的谐波输出，提高输出电流的质量，提高了 本系统的抗干扰能力。

本发明还提供了一种光伏并网逆变器的控制方法，包括以下步骤： 通过QPR控制器对直流母线电压的外环进行控制，并获得光伏并网 逆变器的输出的直流电流的参考幅值；根据所述参考幅值与电流实际 值，获得电流差值；所述电流实际值为未经QPR控制器控制时，光 伏逆变器输出端提取的电流实际值；将所述电流差值作为H∞控制器 的输入，获得光伏并网逆变器的实际控制量；通过对所述实际控制量 进行脉宽调制，从而实现对光伏并网逆变器的并网电流控制。

进一步地，所述直流电流的参考幅值，包括d轴上的电流参考值 I_d*和q轴上的电流参考值I_q*，分别由公式(4)和(5)计算得到：

其中，V_dc为直流母线电压实际值，V_dc*为直流母线电压参考值，

为相电压，G_QPR(S)为QPR控制器的传递函数，u_d为d轴 上的电压分量、u_q为q轴上的电压分量。

进一步地，所述实际控制量由以下步骤计算得到：根据所述电流 差值，计算在dq直流坐标系下的控制量u’；所述控制量u’通过dq/abc 坐标系变换后得到abc坐标系下的实际控制量u。

进一步地，所述控制量u’由公式(6)计算得到：

其中，C_∞(ΔI_d,q)为H∞控制器控制的电流内环，V_inv为逆变器电压， u_d为d轴上的电压分量、u_q为q轴上的电压分量，V_dc为直流母线电 压实际值，ΔI_d为d轴上的电流差值，ΔI_q为q轴上的电流差值。

本发明通过QPR控制器对直流母线电压的外环进行控制，并获得 光伏并网逆变器的输出的直流电流的参考幅值与电流实际值的电流 差值，从而消除稳态误差，实现交流信号的无差跟踪。本发明通过将 电流差值作为H∞控制器的输入，获得光伏并网逆变器的实际控制量， 从而优化电流波形，改善电能质量。

附图说明

图1为本发明方法的逆变器控制流程图；

图2为本发明实施例中逆变器控制系统结构图；

图3为本发明实施例中逆变器单相等效电路图；

图4为本发明实施例中H∞控制框图；

图5为本发明空载实验图；

图6为本发明实施例中的三相电压仿真图；

图7为本发明向电网注入基波负序谐波电压的电流波形图；

图8为本发明向电网注入5次正序谐波电压的电流波形图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明 作进一步的阐述。

本发明的系统及方法适用于太阳能发电中，对光伏并网逆变器的 控制。

一种光伏并网逆变器的控制系统，包括QPR控制器和H∞控制器； 所述QPR控制器用于对光伏并网逆变器中直流母线电压的外环控制； 所述H∞控制器用于对光伏并网逆变器中并网电流的控制。

所述H∞控制器的设计包括以下步骤：

1、如图3所示，可列出被控对象P的状态空间方程：

y＝C₁x+D₁u_g+D₂u (2)

其中，

为向量方程，x为系统状态变量，y为被控对象的输出 信号，A、B₁、B₂、C₁、D₁、D₂为系统状态空间矩阵，u_g为电网电压， u为实际控制量。

列出被控对象P的传递函数P(s)：

P(s)＝[D₁ D₂]+C₁(sI-A)^-1[B₁ B₂] (3)

其中，s为传递函数中的复参数，I为单位矩阵。

为简化表达，根据H∞控制理论中输入输出的维数将传达函数P(s) 进行分块，并记为P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂因此可将P(s)表示为：

2、根据附图4，选取加权函数W₀，W₁，W₂进行对传递函数P(s) 的进行优化，得到P’的传递函数，从而对H∞控制器进行优化。根据 公式(11)得到广义被控对象P’的传递函数矩阵如下：

3、根据P′(s)传递函数矩阵利用matlab程序求解出H∞控制器的 传递函数C_∞(s)，得到H∞控制器。

采用加权函数优化H∞控制器，从而优化光伏并网逆变器电流的 谐波输出，可减少并网电流中谐波含量，提升输出电流的质量。

一种光伏并网逆变器的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一、通过QPR控制器实现对直流母线电压的外环控制，将经 过QPR控制器处理后光伏并网逆变器输出的电流信号作为电流内环 的电流参考值。

1、针对三相光伏并网系统，为了便于求解，将abc三相交流量变 为d轴、q轴的直流量，利用Park变换公式进行如下变换：

其中，u_a为a相的电压值，u_b为b相的电压值，,u_c为c相的电压 值，θ为基波相位，u_d为d轴上的电压分量、u_q为q轴上的电压分量， u₀为零序分量。

2、根据电压分量可计算得到光伏并网逆变器的输出电流的参考幅 值Id*，Iq*：

其中，I_d*为d轴上的电流参考值、I_q*为q轴上的电流参考值， V_dc为直流母线电压实际值V_dc*为直流母线电压参考值，

为相电压，G_QPR(S)为QPR控制器的传递函数。

为使电流与电网电压保持同频同相，可使用锁相环PLL获取电网 电压相位作为电流参考值的相位。

3、所述QPR控制器的传递函数G_QPR(S)由公式(10)计算得到：

其中，ω_c为截止频率，ω₀为谐振频率，K_p为比例系数，K_R为谐 振系数，s为传递函数中的复参数。

步骤二、通过步骤一中获得的电流参考值，以及未经QPR控制器 处理时，光伏逆变器输出端提取的电流实际值获得电流差值。

ΔI_d＝I_d ^*-I_d (11)

ΔI_q＝I_q ^*-I_q (12)

其他，ΔI_d为d轴上的电流差值，ΔI_q为q轴上的电流差值，I_d为d 轴上的电流实际值，I_q为q轴上的电流实际值。

将电流差值ΔI_d和ΔI_q输入到QPR控制器中，即可实现对直流母线 电压的控制以及参考电流的生成。

步骤三、将步骤二中获得的电流差值输入H∞控制器中，通过仿 真计算得到光伏并网逆变器的实际控制量u，通过对实际控制量u进 行脉宽调制，从而实现对光伏并网逆变器的并网电流控制。

其中，光伏并网逆变器的实际控制量u的计算具体包括以下步骤：

1、以步骤二中计算得到的电流差值作为H∞控制器中传递函数C _∞(s)的输入，计算在dq直流坐标系下的电压，即为控制量u’：

其中，C_∞(ΔI_d)为ΔI_d时H∞控制器控制的电流内环，C_∞(ΔI_q)为ΔI_q时H∞控制器控制的电流内环，V_inv为逆变器电压。

2、控制量u’通过dq/abc坐标系变换后得到abc坐标系下的实际 控制量u。通过对实际控制量u进行脉宽调制，从而实现对光伏并网 逆变器的并网电流控制。

采用matlab/simulink实验台进行仿真，其中仿真参数为：滤波电 感L＝3mh，电感的寄生电阻R_L＝0.02Ω，滤波电容为C＝0.03μF，电 容的寄生电阻Rc＝0.1Ω，直流母线电容Cdc＝0.0331F。采用本发明提 出的控制系统以及控制方法，所得实验截图如下：

其中，图6与图5比较，其电路和电压的相位一致，说明系统能 够进行零误差跟踪。

光伏并网逆变器的控制系统的抗干扰能力采用THD值进行评价。 根据并网标准要求：并网电流的总畸变率，即THD值必须在5％以内 才符合并网要求。如图5所示，本系统在空载运行时的THD值为 0.31％，是满足并网要求。如图7所示，向电网注入基波负序谐波电压后，并网电流的总畸变率为0.03％，满足并网要求。如图8所示， 在向注入基波以及5次谐波谐波后，并网电流的总畸变率为3.43％， 依然控制在5％以内。综上所述，本发明提供的光伏并网逆变器的控 制系统对扰动信号有较好的抑制效果，抗干扰能力较强。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本 发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下， 熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变 形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所 保护的范围内。

Claims (9)

1.一种光伏并网逆变器的控制系统，其特征在于：包括QPR控制器和H∞控制器；所述QPR控制器用于对光伏并网逆变器中直流母线电压的外环控制；所述H∞控制器用于对光伏并网逆变器中并网电流的控制。

2.根据权利要求1所述伏并网逆变器的控制系统，其特征在于：所述H∞控制器由以下步骤获得：

根据被控对象P的状态空间方程获得被控对象P的传递函数P(s)；

对所述传递函数P(s)进行加权函数优化，获得广义被控对象P’的传递函数矩阵；

利用matlab程序求解出H∞控制器的传递函数C_∞(s)，获得H∞控制器。

3.根据权利要求2所述伏并网逆变器的控制系统，其特征在于：所述被控对象P的传递函数P(s)为：

P(s)＝[D₁ D₂]+C₁(sI-A)^-1[B₁ B₂] (1)

其中，s为传递函数中的复参数，I为单位矩阵，A、B₁、B₂、C₁、D₁、D₂为系统状态空间矩阵。

4.根据权利要求2所述伏并网逆变器的控制系统，其特征在于：所述广义被控对象P’的传递函数矩阵为：

其中，P₁₁、P₁₂为传达函数P(s)分块，W₀，W₁，W₂为加权函数，I为单位矩阵，s为传递函数中的复参数。

5.根据权利要求2所述伏并网逆变器的控制系统，其特征在于：所述H∞控制器的传递函数C_∞(s)为：

其中，s为传递函数中的复参数。

6.一种光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过QPR控制器对直流母线电压的外环进行控制，并获得光伏并网逆变器的输出的直流电流的参考幅值；

根据所述参考幅值与电流实际值，获得电流差值；所述电流实际值为未经QPR控制器控制时，光伏逆变器输出端提取的电流实际值；

将所述电流差值作为H∞控制器的输入，获得光伏并网逆变器的实际控制量；

通过对所述实际控制量进行脉宽调制，从而实现对光伏并网逆变器的并网电流控制。

7.根据权利要求6所述光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于：所述直流电流的参考幅值，包括d轴上的电流参考值I_d*和q轴上的电流参考值I_q*，分别由公式(4)和(5)计算得到：

其中，V_dc为直流母线电压实际值，V_dc*为直流母线电压参考值，

为相电压，G_QPR(S)为QPR控制器的传递函数，u_d为d轴上的电压分量、u_q为q轴上的电压分量。

8.根据权利要求6所述光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于：

所述实际控制量由以下步骤计算得到：

根据所述电流差值，计算在dq直流坐标系下的控制量u’；

所述控制量u’通过dq/abc坐标系变换后得到abc坐标系下的实际控制量u。

9.根据权利要求6所述光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于：所述控制量u’由公式(6)计算得到：

其中，C_∞(ΔI_d,q)为H∞控制器控制的电流内环，V_inv为逆变器电压，u_d为d轴上的电压分量、u_q为q轴上的电压分量，V_dc为直流母线电压实际值，ΔI_d为d轴上的电流差值，ΔI_q为q轴上的电流差值。

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