CN111864796B - 一种光伏并网逆变器的控制系统及控制方法 - Google Patents

一种光伏并网逆变器的控制系统及控制方法 Download PDF

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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：
Figure GDA0002650374420000021
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：
Figure GDA0002650374420000022
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Id*和q轴上的电流参考值Iq*，分别由公式(4)和(5)计算得到：
Figure GDA0002650374420000031
Figure GDA0002650374420000032
其中，Vdc为直流母线电压实际值，Vdc*为直流母线电压参考值，
Figure GDA0002650374420000033
为相电压，GQPR(S)为QPR控制器的传递函数，ud为d轴上的电压分量、uq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：
Figure GDA0002650374420000041
其中，C∞(ΔId,q)为H∞控制器控制的电流内环，Vinv为逆变器电压，ud为d轴上的电压分量、uq为q轴上的电压分量，Vdc为直流母线电压实际值，ΔId为d轴上的电流差值，ΔIq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：
Figure GDA0002650374420000051
y＝C1x+D1ug+D2u (2)
其中，
Figure GDA0002650374420000052
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，ug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：
Figure GDA0002650374420000061
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：
Figure GDA0002650374420000062
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。
Figure GDA0002650374420000063
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：
Figure GDA0002650374420000064
其中，ua为a相的电压值，ub为b相的电压值，,uc为c相的电压值，θ为基波相位，ud为d轴上的电压分量、uq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*：
Figure GDA0002650374420000071
Figure GDA0002650374420000072
其中，Id*为d轴上的电流参考值、Iq*为q轴上的电流参考值，Vdc为直流母线电压实际值Vdc*为直流母线电压参考值，
Figure GDA0002650374420000073
为相电压，GQPR(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GQPR(S)由公式(10)计算得到：
Figure GDA0002650374420000074
其中，ωc为截止频率，ω0为谐振频率，Kp为比例系数，KR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。
ΔId＝Id *-Id (11)
ΔIq＝Iq *-Iq (12)
其他，ΔId为d轴上的电流差值，ΔIq为q轴上的电流差值，Id为d轴上的电流实际值，Iq为q轴上的电流实际值。
将电流差值ΔId和ΔIq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’：
Figure GDA0002650374420000081
其中，C∞(ΔId)为ΔId时H∞控制器控制的电流内环，C∞(ΔIq)为ΔIq时H∞控制器控制的电流内环，Vinv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RL＝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 (7)

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；
所述系统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；
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；
所述控制量u’由公式(6)计算得到：
Figure FDA0003598536580000021
其中，u’为控制量，C∞为根据H∞控制理论设计出的补偿器，ΔId，ΔIq为电流参考值Id *与Iq *与QPR控制器的输出之间的差值，并作为补偿器C∞的输入；补偿器C∞的输出则表示为C∞(ΔId)，C∞(ΔIq)且输出为电压值；Vinv为逆变器电压，ud为d轴上的电压分量、uq为q轴上的电压分量，Vdc为直流母线电压实际值，ΔId为d轴上的电流差值，ΔIq为q轴上的电流差值。
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’为基于被控对象P，使用加权函数优化得到的被控对象，其传递函数矩阵为：
Figure FDA0003598536580000031
其中，P11、P12为传递函数P(s)分块，W1，W2，W3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：
Figure FDA0003598536580000032
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；
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；
所述控制量u’由公式(6)计算得到：
Figure FDA0003598536580000041
其中，u’为控制量，C∞为根据H∞控制理论设计出的补偿器，ΔId，ΔIq为电流参考值Id *与Iq *与QPR控制器的输出之间的差值，并作为补偿器C∞的输入；补偿器C∞的输出则表示为C∞(ΔId)，C∞(ΔIq)且输出为电压值；Vinv为逆变器电压，ud为d轴上的电压分量、uq为q轴上的电压分量，Vdc为直流母线电压实际值，ΔId为d轴上的电流差值，ΔIq为q轴上的电流差值。
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Id*和q轴上的电流参考值Iq*，分别由公式(4)和(5)计算得到：
Figure FDA0003598536580000051
Figure FDA0003598536580000052
其中，Vdc为直流母线电压实际值，Vdc*为直流母线电压参考值，
Figure FDA0003598536580000053
为相电压，GQPR(S)为QPR控制器的传递函数，ud为d轴上的电压分量、uq为q轴上的电压分量。
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