CN111917131A - 一种基于pi和mpr的光伏lcl并网逆变器谐波抑制方法 - Google Patents

一种基于pi和mpr的光伏lcl并网逆变器谐波抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，包括步骤：建立LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型；应用比例‑谐振控制，并分析其传递函数；对比例‑谐振控制进行改进，得出改进型比例‑谐振控制器；对比比例‑谐振控制和改进型比例‑谐振控制器的幅频特性曲线，对比增益、相角，验证改进型比例‑谐振控制器的优越性；为了抑制并网电流中的5次、7次特定次谐波，构建多重比例控制器；将多重比例控制器引入改进型比例‑谐振控制器中，分析传递函数；将含有多重比例控制器的改进型比例‑谐振控制器多应用于光伏LCL并网逆变器电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行有效抑制。

Description

一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法。
背景技术
太阳能作为一种新兴的分布式发电单元，由于自身的局限性，相比于传统发电行业，具有孤岛效应、谐波污染等问题。
谐波污染是光伏发电并网必须要解决的问题。并网电压、电流波形的畸变会对沿途线路造成电磁干扰，增加负载的运行负担，严重时会对电网的安全、可靠运行造成严重损害。因此，对光伏发电并网的谐波电流进行准确检测，并且有效抑制是至关重要的。
目前在光伏发电并网逆变器谐波抑制方面，一种方法是改造逆变器硬件电路拓扑，将二阶高通滤波器应用到光伏逆变并网中，对滤波器元器件即电容、电感、电阻进行选型，该方法虽然滤波特性较好，但增加了系统体积和成本。另一种方法是建立基于LC型虚拟同步发电机并网模型，为了有效抑制谐波引起的谐振，引入虚拟阻抗，该方法虽然控制效果较好，但设计复杂，不适合实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在不改造光伏LCL并网逆变器硬件电路拓基础上，可以通过控制算法改进达到谐波抑制的方法，具体是在PI控制的基础上采用改进MPR控制。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型；
步骤2，在步骤1建立的LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型中，应用比例-谐振控制，并分析其传递函数；
步骤3，对步骤2中的比例-谐振控制进行改进，得出改进型比例-谐振控制器，分析传递函数；
步骤4，对比步骤2中的比例-谐振控制和步骤3中的改进型比例-谐振控制器的幅频特性曲线，对比增益、相角，验证步骤3中改进型比例-谐振控制器的优越性；
步骤5，为了抑制并网电流中的5次、7次特定次谐波，构建多重比例控制器；
步骤6，将步骤5中多重比例控制器引入步骤3中的改进型比例-谐振控制器中，分析传递函数；
步骤7，将步骤6得到的含有多重比例控制器的改进型比例-谐振控制器多应用于光伏LCL并网逆变器电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行有效抑制。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，建立LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型，包括：Gc(s)并网逆变器电流闭环控制的传递函数；KPWM逆变电路放大倍数；H为电流反馈系数。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，在步骤1建立的LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型中，应用比例-谐振控制，分析其传递函数为：
Figure BDA0002617483600000021
其中：KP是比例系数；KR是谐振系数；ωc是截止频率；ω0是谐振频率；s为微分算子。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，对步骤2中的比例-谐振控制进行改进，得出改进型比例-谐振控制器，分析传递函数：
Figure BDA0002617483600000022
本发明进一步的改进在于，步骤4中，对比步骤2中的比例-谐振控制和步骤3中的改进型比例-谐振控制器的幅频特性曲线，对比增益、相角，验证步骤3中改进型比例-谐振控制器的优越性；在参数KP、KR、ωc和ω0完全相同时，对比传递函数GPR1，传递函数GPR2在谐振频率处的幅值增益，相角范围，验证进型比例-谐振控制器能够实现对特定次频率信号的准确跟踪。
本发明进一步的改进在于，步骤5中，为了抑制并网电流中的5次、7次特定次谐波，构建多重比例控制器：
Figure BDA0002617483600000031
其中：ωi为特定次谐振频率。
本发明进一步的改进在于，步骤6中，将步骤5中多重比例控制器引入步骤3中的改进型比例-谐振控制器中，分析传递函数：
Figure BDA0002617483600000032
本发明进一步的改进在于，步骤7中，将步骤6得到的含有多重比例控制器的改进型比例-谐振控制器多应用于光伏LCL并网逆变器电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行有效抑制。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明采用PI和MPR在光伏LCL并网逆变器控制系统中，在保证并网电流动态响应的同时，能够抑制网侧电流中的谐波。
进一步，本发明采用PI控制能够实现对直流参考电流的无误差跟踪，MPR控制可以对并网电流中5次、7次等低次谐波进行有效抑制。同时，两个控制器的动态响应完全一致，不用对相角补偿就可以保证并网逆变器系统的稳态运行。
附图说明
图1为LCL型三相并网逆变电路拓扑结构图
图2为LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型原理图；
图3为传统PR和改进PR幅频特性曲线；
图4为传统PR和改进PR相频特性曲线；
图5为MPR控制算法结构框图；
图6为PI和MPR控制算法的逆变器控制结构图；
图7为PI和MPR控制器传递函数的Nyquist波形图；
图8为PI控制方案下的并网电流仿真波形；
图9为PI控制方案下的并网电流THD分析图；
图10为PI和MPR控制方案下的并网电流仿真波形；
图11为PI和MPR控制方案下的并网电流THD分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提供的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型；
步骤2，在步骤1建立的LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型中，应用比例-谐振控制，并分析其传递函数；
步骤3，对步骤2中的比例-谐振控制进行改进，得出改进型比例-谐振控制器，分析传递函数；
步骤4，对比步骤2中的比例-谐振控制和步骤3中的改进型比例-谐振控制器的幅频特性曲线，对比增益、相角，验证步骤3中改进型比例-谐振控制器的优越性。
步骤5，为了抑制并网电流中的5次、7次特定次谐波，构建多重比例控制器。
步骤6，将步骤5中多重比例控制器引入步骤3中的改进型比例-谐振控制器中，分析传递函数。
步骤7，将步骤6得到的含有多重比例控制器的改进型比例-谐振控制器多应用于光伏LCL并网逆变器电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行有效抑制。
在图1中，Udc为直流母线电压、Cdc为直流稳压电容；u为逆变器输出电压、uc为电容两端电压、ug为网侧电压；i1为逆变器输出电流、ic为流经电容电流、i2为网侧电流；L1为逆变器侧电感、R1为逆变器侧电感串联等效电阻；L2为网侧电感、R2为网侧电感串联等效电阻。
图2中，忽略电感侧串联等效电阻的影响，Gc(s)为并网逆变器电流闭环控制的传递函数；KPWM为逆变电路放大倍数；H为电流反馈系数。
在图3中，在图4中，传统比例-谐振控制(Proportional Resonance，PR)，能够引起特定次频率的谐振，增大该频率处的增益幅值，适合控制交流信号，在并网逆变器控制系统中具有良好的谐波抑制能力。
传统PR控制器的传递函数公式可以写成：
Figure BDA0002617483600000051
所述传统PR控制器的传递函数中：KP是比例系数；KR是谐振系数；ωc是截止频率。所述传统比例-谐振控制在谐振频率ωc处的幅值增益最大，该频率处的相位为0，但在特定次频率处的幅值增益并不是很大。本发明对传统比例-谐振控制进行改进，得到一种改进型比例谐振控制器，其传递函数可以写成：
Figure BDA0002617483600000052
所述改进型比例谐振控制传递函数中：参数KP、KR、ωc与所述传统比例-谐振控制参数定义一致，ω0是谐振频率。当参数KP、KR、ωc和ω0完全相同时，相比于传递函数GPR1，传递函数GPR2在谐振频率处的幅值增益较大，相角范围更宽，能够对特定次频率信号的准确跟踪。
在图5中，对光伏LCL并网逆变器输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数：
Figure BDA0002617483600000061
所述多重比例谐振传递函数中：ωi为特定次谐振频率。
在图6中，GPI(s)为PI控制的传递函数，
Figure BDA0002617483600000062
正弦三相交流信号的误差在αβ两相静止坐标系下可以写成eα(t)、eβ(t)，经过Park变换后可以得到dq两相旋转坐标系下的输出信号，之后通过PI控制器，最后经过Park逆变换，最后变换到αβ两相静止坐标系下的输出信号uα(t)、uβ(t)。dJO、qJO为等效之后的解耦项表达式，其表达式可以写成：
Figure BDA0002617483600000063
其中：ugd、ugq为网侧电压在dq轴下的分量；I1d、I1q为逆变器侧电流在dq轴下的分量；I2d、I2q为网侧电流在dq轴下的分量；uCd、uCq为电容电压在dq轴下的分量；
Figure BDA0002617483600000064
直流给定值；G(s)为逆变器传递函数的数学模型，可以写成：
Figure BDA0002617483600000065
为了验证所提出方法的有效性，在Matlab/Simulink搭建了LCL三相并网逆变器仿真实验平台，设开关频率为10KHz、直流母线电压Udc＝80V、直流母线侧电容Cdc＝4700μF、逆变器测电容Cf＝20μF、L1＝5mH、L2＝0.5mH，为了验证所提方法的谐波抑制能力，在仿真中加入3％的5次谐波和3％的7次谐波，此时并网电流中的总谐波畸变率为7.23％。
在图7中，为了验证PI和MPR控制系统的稳定性，对PI和MPR控制器的传递函数进行Nyquist分析，灰色圆形曲线为稳定区间，当控制器传递函数的Nyquist曲线在稳定区间内部时，系统稳定，因此，可以得出PI和MPR控制系统为一个稳定的控制系统的结论。
对比图8和图10，当向并网逆变器控制系统中注入5次、7次谐波时，PI和MPR控制系统下的并网电流波形光滑，正弦特性明显优于传统PI控制系统下的并网电流波形。
对比图9和图11，当向并网逆变器控制系统中注入5次、7次谐波时，PI控制系统下的a相并网电流THD＝7.71％，不能满足并网要求；而PI和MPR控制系统下的THD＝2.03％，满足并网要求，且5次、7次谐波明显降低。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型；
步骤2，在步骤1建立的LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型中，应用比例-谐振控制，并分析其传递函数；
步骤3，对步骤2中的比例-谐振控制进行改进，得出改进型比例-谐振控制器，分析传递函数；
步骤4，对比步骤2中的比例-谐振控制和步骤3中的改进型比例-谐振控制器的幅频特性曲线，对比增益、相角，验证步骤3中改进型比例-谐振控制器的优越性；
步骤5，为了抑制并网电流中的5次、7次特定次谐波，构建多重比例控制器；
步骤6，将步骤5中多重比例控制器引入步骤3中的改进型比例-谐振控制器中，分析传递函数；
步骤7，将步骤6得到的含有多重比例控制器的改进型比例-谐振控制器多应用于光伏LCL并网逆变器电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行有效抑制。
2.根据权利要求1所述的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，步骤1中，建立LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型，包括：Gc(s)并网逆变器电流闭环控制的传递函数；KPWM逆变电路放大倍数；H为电流反馈系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，步骤2中，在步骤1建立的LCL型三相并网逆变器电流反馈闭环控制模型中，应用比例-谐振控制，分析其传递函数为：
Figure FDA0002617483590000011
其中：KP是比例系数；KR是谐振系数；ωc是截止频率；ω0是谐振频率；s为微分算子。
4.根据权利要求3所述的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，步骤3中，对步骤2中的比例-谐振控制进行改进，得出改进型比例-谐振控制器，分析传递函数：
Figure FDA0002617483590000021
5.根据权利要求4所述的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，步骤4中，对比步骤2中的比例-谐振控制和步骤3中的改进型比例-谐振控制器的幅频特性曲线，对比增益、相角，验证步骤3中改进型比例-谐振控制器的优越性；在参数KP、KR、ωc和ω0完全相同时，对比传递函数GPR1，传递函数GPR2在谐振频率处的幅值增益，相角范围，验证进型比例-谐振控制器能够实现对特定次频率信号的准确跟踪。
6.根据权利要求5所述的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，步骤5中，为了抑制并网电流中的5次、7次特定次谐波，构建多重比例控制器：
Figure FDA0002617483590000022
其中：ωi为特定次谐振频率。
7.根据权利要求6所述的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，步骤6中，将步骤5中多重比例控制器引入步骤3中的改进型比例-谐振控制器中，分析传递函数：
Figure FDA0002617483590000023
8.根据权利要求7所述的一种基于PI和MPR的光伏LCL并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于，步骤7中，将步骤6得到的含有多重比例控制器的改进型比例-谐振控制器多应用于光伏LCL并网逆变器电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行有效抑制。
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