CN112039359A - 准pci和pi联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法 - Google Patents

准pci和pi联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了新能源光伏发电技术领域的一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，包括在比例复数积分(Proportional Complex Integral,PCI)控制器中加入截止频率，构成准PCI控制器；通过广义二阶积分器(Second‑Order Generalized Integrator,SOGI)的滞后输出项实现单相准PCI中的复数域；将给定并网电流i ref与实际并网电流i L的差值作为准PCI控制器的输入；将并网电流直流量参考值I L‑dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入；将准PCI控制器的输出与PI控制器的输出相加后通过PWM调制控制逆变器开关管开通与关断。本发明既抑制电网电压波动与频率偏移对并网电流的影响，又消除并网电流的直流分量，在简化非隔离型光伏并网逆变器电流控制器设计的同时实现高质量控制。

Description

准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法
技术领域
本发明属于新能源光伏发电技术领域，具体涉及一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法。
背景技术
随着化石能源危机与环境污染问题的日益严重，具有清洁环保与可再生特点的太阳能进入大规模开发利用阶段。太阳能利用的主要途径是通过光伏电池板发出直流电，再通过并网逆变器向电网输送交流电，为了得到符合并网要求的交流电，需要对逆变器选择合适的并网电流控制技术。目前广泛使用的单相光伏并网逆变器电流控制技术有：比例积分(PI)控制、重复控制、比例谐振(PR)控制以及滞环控制等。PI控制具有简单易实现的特点，能消除直流稳态误差，但无法实现对交流量的无差调节；重复控制能逐周期的修正电压，具有良好的稳态输出，理论上可以对交流量实现无差调节，但其具有一个周期的输出延迟，因此动态响应欠佳；PR控制能实现对基频的无差调节，但实际应用时PR控制至少为二阶系统，计算量较大，而且PR控制始终存在动态性能差的问题。比例复数积分(ProportionalComplex Integral,PCI)控制，在PI控制基础上引入了复数域，使其在基频处的增益变为无穷大，既可实现在指定频率处的无差调节，又可以消除并网电流直流分量，但PCI控制对于电网电压的高次谐波分量抑制能力以及抗电网频率扰动能力不强。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，可以在实现并网电流与参考电流零误差的同时，既抑制电网电压畸变与频率偏移对并网电流的影响，又消除并网电流的直流分量。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，包括：S01，在比例复数积分(Proportional ComplexIntegral,PCI)控制器中加入截止频率，构成准PCI控制器；S02，通过广义二阶积分器(Second-Order Generalized Integrator,SOGI)的滞后输出项实现单相准PCI控制器中的复数j；S03，将给定并网电流iref与实际并网电流iL的差值作为准PCI控制器的输入，得到准PCI控制器的输出；S04，将并网电流直流量参考值IL-dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入，得到PI控制器的输出；S05，将S03中准PCI控制器的输出与S04中PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号；S06，将逆变器输出电流经过LC滤波电路后得到并网电流iL；S07，求取S06中并网电流iL的拉氏变换与给定并网电流iref的拉氏变换之比，得到准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器的传递函数。
进一步地，S01中，准PCI控制器的传递函数为：
Figure BDA0002607140780000021
其中：G准PCI(s)为准PCI控制器的传递函数，s为复频域算子，ω0为电网电压基波频率，ωc为截止频率，kp为准PCI控制器中的比例系数，ki为准PCI控制器中的积分系数。
进一步地，kp＝2，ki＝100，ωc＝5.024rad/s。
进一步地，S02中，采用广义二阶积分器SOGI中的滞后项Q(s)实现准PCI控制器中的复数j，SOGI的传递函数为：
Figure BDA0002607140780000031
其中：Iin(s)为SOGI的输入信号，Iα(s)为SOGI输出的α轴电流分量的拉氏变换，Iβ(s)为SOGI输出的β轴电流分量的拉氏变换，D(s)为SOGI输出的α轴电流分量传递函数，Q(s)为SOGI输出的β轴电流分量传递函数，k为SOGI中的比例系数，ωr为基波频率。
进一步地，S03中，直流母线电压Ubus与电压基准值Uref的误差经过PI控制器调节得到并网电流的基准幅值ir，经锁相环控制算法得到电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值ir相乘得到电流内环参考信号iref。
进一步地，S04中，PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0002607140780000032
其中：kp1为PI控制器中的比例系数，ki1为PI控制器中的积分系数。
进一步地，S07中，准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器的传递函数具体如下：
Figure BDA0002607140780000033
式中，iL为实际并网电流，iref为给定并网电流，L为滤波电感值，K为逆变器的等效比例增益，kIL为并网电流的直流量对实际并网电流iL的等效比例增益。
进一步地，L＝L1+L2，其中L1为并网滤波电感一，L2为并网滤波电感二。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提供一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，使用准PCI控制算法消除各次谐波电压对并网电流的影响，抑制电网基波电压频率波动，消除并网交流电流的幅值和相位误差，使用PI控制消除并网电流直流分量，采用SOGI简化单相系统准PCI控制器复数j的实现，解决现有单相PCI控制器复数j实现的难题，实现单相非隔离型光伏并网逆变器的高质量并网控制。
附图说明
图1为使用本发明实施例提供的一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法的单相光伏并网发电系统结构示意图；
图2为本发明的准PCI与PI联合控制的单相光伏并网电流控制框图；
图3是取不同ki时准PCI控制器伯德图；
图4是取不同kp时准PCI控制器伯德图；
图5是SOGI的结构图；
图6是SOGI正交输出信号的伯德图；
图7是结合SOGI的单相准PCI控制器原理图；
图8是准PCI和PI联合控制算法下逆变器输出电流仿真波形图；
图9是准PCI和PI联合控制算法下逆变器输出电流仿真谐波分布图；
图10是电网频率波动时准PCI和PI联合控制算法下的逆变器输出电压和电流仿真波形图；
图11是准PCI和PI联合控制算法下逆变器输出并网电流实验波形图；
图12是准PCI和PI联合控制算法下逆变器输出并网电流实验谐波分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，包括：S01，在PCI控制器中加入截止频率，构成准PCI控制器；S02，通过SOGI的滞后输出项实现单相准PCI控制器中的复数j；S03，将给定并网电流iref与实际并网电流iL的差值作为准PCI控制器的输入，得到准PCI控制器的输出；S04，将并网电流直流量参考值IL-dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入，得到PI控制器的输出；S05，将S03中准PCI控制器的输出与S04中PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号；S06，将逆变器输出电流经过LC滤波电路后得到并网电流iL；S07，求取S06中并网电流iL的拉氏变换与给定并网电流iref的拉氏变换之比，得到准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器的传递函数。
如图1所示，本单相光伏并网发电系包括光伏阵列、Boost升压电路、Heric全桥逆变器、LC滤波器与控制器。C0为升压储能电容器，用于稳定光伏阵列输出电压；Boost升压电路将光伏阵列的电压升高到400V左右；Heric全桥逆变器将400V直流电压逆变为220V交流电压。控制器包括电压外环和并网电流内环，电压外环的作用为：将直流母线电压Ubus与电压基准值Uref的误差经过PI调节得到并网电流的基准幅值ir，经锁相环控制算法得到电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值ir相乘得到电流内环参考信号iref。电流内环的作用为：参考电流iref与实际并网电流iL的误差经过准PCI和PI联合控制器后输出正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)信号，驱动Heric全桥逆变电路的功率开关管，实现逆变并网。电压外环主要实现功率平衡，当光伏电池的输入功率增加时，母线电压会瞬间抬升，电压外环通过增加基准电流的幅值从而实现网侧并入电网功率的增加。电流内环主要实现对参考电流的跟踪控制，使得并网电流可以与电网电压同频同相。
附图2是本发明的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网电流控制框图。Ugrid为电网电压，逆变器输出的并网电流iL为控制对象。
步骤一，在PCI控制器中加入截止频率，构成准PCI控制器，准PCI控制器的传递函数为：
Figure BDA0002607140780000061
其中：G准PCI(s)为准PCI控制器的传递函数，s为复频域算子，ω0为电网电压基波频率，ωc为截止频率，kp为准PCI控制器中的比例系数，ki为准PCI控制器中的积分系数。
步骤二，采用广义二阶积分器SOGI中的滞后项Q(s)实现准PCI控制器中的复数j，SOGI的传递函数为：
Figure BDA0002607140780000062
其中：Iin(s)为SOGI的输入信号，Iα(s)为SOGI输出的α轴电流分量的拉氏变换，Iβ(s)为SOGI输出的β轴电流分量的拉氏变换，D(s)为SOGI输出的α轴电流分量传递函数，Q(s)为SOGI输出的β轴电流分量传递函数，k为SOGI中的比例系数，ωr为基波频率。
步骤三，将给定并网电流iref与实际并网电流iL的差值作为准PCI控制器的输入，得到准PCI控制器的输出；
直流母线电压Ubus与电压基准值Uref的误差经过PI控制器调节得到并网电流的基准幅值ir，经锁相环控制算法得到电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值ir相乘得到电流内环参考信号iref。
步骤四，将并网电流直流量参考值IL-dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入，得到PI控制器的输出，PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0002607140780000071
其中：kp1为PI控制器中的比例系数，ki1为PI控制器中的积分系数。
步骤五，将步骤三中准PCI控制器的输出与步骤四中PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号。
步骤六，将逆变器输出电流经过LC滤波电路后得到并网电流。
步骤七，得到准PCI和PI联合控制的光伏并网逆变器的传递函数，具体如下：
Figure BDA0002607140780000072
其中，iL为实际并网电流，iref为给定并网电流，L为滤波电感值，L＝L1+L2，其中，L1为并网滤波电感一，L2为并网滤波电感二，K为逆变器的等效比例增益，K的大小为直流侧电压同三角载波幅值的比值，kIL为并网电流的直流量对实际并网电流iL的等效比例增益。
在本实施例中，并网电流内环的结构已经确定，仅需对电流控制内环中的传递函数进行确定，即可实现其功能。下面详细说明如何确定准PCI控制器传递函数的各个参数。
(1)准PCI控制器参数确定
在准PCI控制器的传递函数的参数中，其主要设计参数为kp、ki及截止频率ωc。
1)截止频率ωc参数设计
首先设计截止频率ωc的值，设kp＝0，将s＝jω带入式(1)中，则有：
Figure BDA0002607140780000081
根据带宽定义，带宽对应的频率满足：
Figure BDA0002607140780000082
令|j(ω-ω0)/2ωc|＝1，得到准PCI控制器的带宽为ωc/πHz。在电网正常运行时频率波动在±0.2Hz，考虑最恶劣的情况，取波动范围为±0.8Hz，则ωc/π＝1.6Hz，得到ωc＝5.024rad/s。
2)再确定ki参数，取ωc＝5.024rad/s，kp＝1作出传递函数随ki变化的频率响应图，如图3所示。可见ki只影响控制器整体的增益，不影响其带宽。随着ki的增大，控制器在各频率点的增益都会增大。而增益越大，稳态误差越小，但是同时会导致谐波含量增大，因此选取合适的ki可以减小系统的稳态误差，同时抑制谐波生成，本发明取ki＝100。
3)再确定kp参数，取ωc＝5.024rad/s，ki＝100，作出系统传递函数随kp变化的频率响应图，如图4所示。可见，随着kp的增大，控制器在基频处的增益不会变化，但基频附近处的增益下降变慢，系统对频率波动的抗扰能力上升，使系统的快速性上升，但kp过大会使系统振荡而产生不稳定的现象，综合考虑取kp＝2。
(2)准PCI控制器在单相系统中的实现
准PCI控制器为复数域控制器。根据复变函数理论可知，复数“j”可表示为输入量的幅值不变但相位偏移90°。此处采用广义二阶积分器(Second-Order GeneralizedIntegrator，SOGI)的Q(s)实现单相准PCI控制器中的复数j。图5是广义二阶积分器结构框图。
图5中Iin为输入信号，Iα和Iβ分别为SOGI的在α轴和β轴的正交输出信号，分别求出Iα和Iβ相对于输入信号Iin的传递函数：
Figure BDA0002607140780000091
令s＝jω，可得广义二阶积分器的传递函数幅频特性和相频特性：
Figure BDA0002607140780000092
由式(8)分析可知，稳态时，ωr＝ω，此时系统的幅频特性可表示为|D|＝|Q|＝1，同时∠Q始终滞后于∠D 90°相角。D(s)和Q(s)伯德图如图6所示，可见，D(s)是一个二阶带通滤波器，在设定频率ωr处的相移为0，输出与输入信号是同相位的正弦量，而且可以滤除直流偏移。而Q(s)是二阶低通滤波器，在设定频率ωr处可以实现90°相移，输出滞后输入信号90°的正弦量，而且对高频干扰表现出了很好的衰减性能。
结合SOGI控制器的Q(s)输出相移特性，就得到了准PCI控制器在单相系统中的控制原理图，如图7所示。其中x为输入信号，y为输出信号。
(3)PI控制器的参数设计
PI控制器的比例系数kp1取值过小影响抑制直流分量的响应时间，取值过大会导致系统不稳定；PI环节的积分系数ki1取值过小也影响系统抑制直流分量的响应时间，取值过大会导致整个系统出现明显的欠阻尼振荡，因此必须合理设定PI控制器的参数，使系统同时具有较好的稳定性和动态性能。本发明中PI控制器参数取为：kp1＝0.1，ki1＝300。
下面通过一个仿真来说明本发明对逆变器并网电流控制的效果，仿真电路如图1所示，主电路参数如下：主电路直流母线电压Ubus＝380V，电网电压Ugrid为交流220V，并网电流20A，电网频率50Hz，逆变器S1～S4开关频率16kHz，S5、S6开关频率50Hz，输出电感L1＝L2＝1.2mH，滤波电容C2＝3.3μF。准PCI控制器和PI控制器传递函数的各个参数根据上述步骤确定，取kp＝2，ki＝100，ωc＝5.024rad/s。PI控制器参数取为：kp1＝0.1，ki1＝300。
图8是准PCI和PI联合控制时并网电流仿真波形，可见并网电流能够很好的跟踪电网电压，相位稳态误差被消除。图9是准PCI和PI联合控制时并网电流仿真的总谐波畸变图，可以看出总谐波畸变率仅为1.07％，符合国家对于并网电流的标准，而且并网电流中的直流分量已经几乎为零，说明PI控制器对于直流分量的抑制有较好的效果，使并网电流拥有更好的质量。
若给电网施加频率偏移量，在0.05s时将电网频率从50Hz变为49.5Hz，图10为电网电压与使用准PCI和PI联合控制时输出的并网电流，在0.05s时切换的瞬间，电网电压发生了瞬变，并网电流也产生一定畸变，但很快就跟踪到电网频率变化，并迅速达到稳定，过渡过程短暂，电流稳态误差小，动态性能较好。
进一步对本发明实施例的逆变器并网电流控制效果进行实验验证，采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335作为控制核心，逆变器S1～S4开关频率16kHz，S5、S6开关频率50Hz，主电路直流母线电压Ubus＝380V，输出滤波电感L1＝L2＝1.2mH，滤波电容C2＝3.3μF，输出交流电压210V～264V，频率50Hz，实际输出电流取3A，电网电压为交流220V，频率为50Hz。
图11为电网电压与采用准PCI和PI联合控制输出的并网电流，可以看出准PCI和PI联合控制可以使并网电流iL很好地跟踪电网电压Ugrid，无相位稳态误差；并网电流谐波频谱图，如图12所示，并网电流3、5、7次谐波分量基本趋于零，表明光伏并网逆变器中采用准PCI和PI联合控制的可靠性和优越性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，包括：
S01，在比例复数积分(Proportional Complex Integral,PCI)控制器中加入截止频率，构成准PCI控制器；
S02，通过广义二阶积分器(Second-Order Generalized Integrator,SOGI)的滞后输出项实现单相准PCI控制器中的复数j；
S03，将给定并网电流iref与实际并网电流iL的差值作为准PCI控制器的输入，得到准PCI控制器的输出；
S04，将并网电流直流量参考值IL-dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入，得到PI控制器的输出；
S05，将S03中准PCI控制器的输出与S04中PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号；
S06，将逆变器输出电流经过LC滤波电路后得到并网电流iL；
S07，求取S06中并网电流iL的拉氏变换与给定并网电流iref的拉氏变换之比，得到准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器的传递函数。
2.根据权利要求1所述的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，S01中，准PCI控制器的传递函数为：
Figure FDA0002607140770000011
其中：G准PCI(s)为准PCI控制器的传递函数，s为复频域算子，ω0为电网电压基波频率，ωc为截止频率，kp为准PCI控制器中的比例系数，ki为准PCI控制器中的积分系数。
3.根据权利要求2所述的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，kp＝2，ki＝100，ωc＝5.024rad/s。
4.根据权利要求1所述的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，S02中，采用广义二阶积分器SOGI中的滞后项Q(s)实现准PCI控制器中的复数j，SOGI的传递函数为：
Figure FDA0002607140770000021
其中：Iin(s)为SOGI的输入信号，Iα(s)为SOGI输出的α轴电流分量的拉氏变换，Iβ(s)为SOGI输出的β轴电流分量的拉氏变换，D(s)为SOGI输出的α轴电流分量传递函数，Q(s)为SOGI输出的β轴电流分量传递函数，k为SOGI中的比例系数，ωr为基波频率。
5.根据权利要求1所述的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，S03中，直流母线电压Ubus与电压基准值Uref的误差经过PI控制器调节得到并网电流的基准幅值ir，经锁相环控制算法得到电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值ir相乘得到电流内环参考信号iref。
6.根据权利要求1所述的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，
S04中，PI控制器的传递函数为：
Figure FDA0002607140770000022
其中：kp1为PI控制器中的比例系数，ki1为PI控制器中的积分系数。
7.根据权利要求1所述的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，S07中，准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器的传递函数具体如下：
Figure FDA0002607140770000031
式中，iL为实际并网电流，iref为给定并网电流，L为滤波电感值，K为逆变器的等效比例增益，kIL为并网电流的直流量对实际并网电流iL的等效比例增益。
8.根据权利要求7所述的准PCI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器电流控制方法，其特征在于，L＝L1+L2，其中L1为并网滤波电感一，L2为并网滤波电感二。
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