CN112398358B - 一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法，涉及逆变器控制技术领域。本发明在dq坐标系下建立逆变器并网控制的二阶离散化数理模型，找出被控量逆变器输出电流i_out与输入量逆变器调制波电压u_pwm之间的数学关系和参与计算的物理量电感电流i，电容电压u_C，替代了传统的PI控制，适合在结构参数不变或缓慢变化的系统中应用，如并网逆变器系统，实现结构参数自适应，算法更加智能，动态响应速度更快，静态稳定效果更好。

Description

一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器控制技术领域，尤其涉及一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法。

背景技术

近年来，随着分布式电源的大力发展，并网逆变器的应用愈发普遍，各类逆变器控制方法也应运而生。传统控制方法主要包括PI控制、PR控制等，智能控制方法包括模型预测、神经元网络、粒子群算法等。

传统控制方法是从经典控制理论中衍生出来的，具有理论体系清晰，易于理解的优点。但是需要对并网逆变器进行各个参数进行精确建模，以匹配控制参数，所以其算法鲁棒性普遍较低。而智能控制方法多是以自学习为基础，实现参数的自适应，具有更高的鲁棒性，但由于逻辑复杂，所以实现更为复杂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在dq坐标系下建立逆变器并网控制的二阶离散化数理模型，找出被控量逆变器输出电流i_out与输入量逆变器调制波电压u_pwm之间的数学关系和参与计算的物理量电感电流i，电容电压u_C。

步骤1.1：计算逆变器交流侧电压电流分别满足的矢量关系，如下式所示：

式中，C为滤波电容，L为电网侧滤波电感，R为逆变回路的等效串联阻抗，t为工作时间；

步骤1.2：对逆变器交流侧电流方程进行Park变换，得到旋转dq坐标系下的电流方程：

式中，ω为逆变器输出角频率，i_{out_d}、i_{out_q}分别为i_out的dq轴分量，i_d、i_q分别为i的dq轴分量，u_Cd、u_Cq分别为u_C的dq轴分量；

步骤1.3：对逆变器交流侧电压方程进行Park变换，得到旋转dq坐标系下的电压方程：

式中，u_{pwm_d}、u_{pwm_q}分别为u_pwm的dq轴分量；

步骤1.4：u_pwm在逆变器系统中通过给定参考调制波u经过逆变桥放大得到，其放大倍数与直流电压和载波幅值有关，逆变桥放大倍数与直流电压和载波幅值关系如下式：

式中，u_dc逆变器直流测电压，u_d、u_q为u的dq轴分量，K_d、K_q为逆变桥增益系数，载波变化范围固定的情况下，K_d、K_q取值范围以逆变桥增益系数的中心值K为中心变化幅度小于±10％，定义max和min分别为载波变化范围的上下限，则：

步骤1.5：将步骤1.4公式带入步骤1.3公式，以u_C作为0相位参考点，则u_C的q轴分量u_Cq恒等于0，旋转dq坐标系下的逆变器交流侧电压方程简化为：

步骤1.6：将dq坐标系下的电压方程进行离散化：

其中，u_d(n)代表第n次的参考调制波u的d轴分量、i_d(n)代表第n次电感电流i的d轴分量，i_q(n)代表第n次采样电感电流i的q轴分量；

步骤1.7：以i_d(n+1),i_q(n+1)作为系统控制目标，将R,L离散化得到R(n),L(n)，同时将K_d,K_q离散化得到K_d(n),K_q(n)；

其中T_s为控制周期时间；

步骤1.8：将步骤1.7中公式进行变换得到下式：

其中Δi_d(n)和Δi_q(n)分别代表i_d(n+1)-i_d(n)和i_q(n+1)-i_q(n)；

步骤2：按照模型预测法对L、R、K_d、K_q这四个结构参数进行滚动优化，得到L(n)、R(n)、K_d(n)、K_q(n)四个物理量的数值，由于这些物理量在相邻控制周期时间T_s内近似不变，故采用分批更新的算法；

所述滚动优化是根据预测模型和控制目标产生一个输入值，进而在系统上生成一个实际输出量，用实际输出量和输入值进行比对，优化模型参数；本系统中的控制目标是i_d(n+1),i_q(n+1)，系统输入量是u_d(n),u_q(n)，需要优化的模型参数是R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)。

所述分批更新首先假设K_d(n),K_q(n)不变，对R(n),L(n)进行更新，计算公式如下：

下一个周期假设R(n),L(n)不变，对Kd(n),Kq(n)进行更新，计算公式如下：

步骤3：将给定的参考目标作为目标输出量，结合结构参数R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)，计算得到输出量，使系统的实际输出量与参考目标相同。

本发明所产生的有益效果在于：

本技术方案提供了一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法，替代了传统的PI控制，适合在结构参数不变或缓慢变化的系统中应用，如并网逆变器系统，实现结构参数自适应，算法更加智能，动态响应速度更快，静态稳定效果更好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的并网逆变器控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：在dq坐标系下建立逆变器并网控制的二阶离散化数理模型，找出被控量逆变器输出电流i_out与输入量逆变器调制波电压u_pwm之间的数学关系和参与计算的物理量电感电流i，电容电压u_C；

步骤1.1：计算逆变器交流侧电压电流分别满足的矢量关系，如下式所示：

式中，C为滤波电容，L为电网侧滤波电感，R为逆变回路的等效串联阻抗，t为工作时间；

步骤1.2：对逆变器交流侧电流方程进行Park变换，得到旋转dq坐标系下的电流方程：

式中，ω为逆变器输出角频率，i_{out_d}、i_{out_q}分别为i_out的dq轴分量，i_d、i_q分别为i的dq轴分量，u_Cd、u_Cq分别为u_C的dq轴分量，表示i与i_out之间存在明确关系。通常逆变器中的滤波电容C数值相对精确，可以认为是定值，而u_C可以通过测量得到实时值。所以可以通过直接控制i，而间接控制i_out；

步骤1.3：对逆变器交流侧电压方程进行Park变换，得到旋转dq坐标系下的电压方程：

式中，u_{pwm_d}、u_{pwm_q}分别为u_pwm的dq轴分量；

步骤1.4：u_pwm在逆变器系统中通过给定参考调制波u，经过逆变桥放大倍数得到，其放大倍数与直流电压和载波幅值有关，逆变桥放大倍数与直流电压和载波幅值关系如下式：

式中，u_d、u_q为u的dq轴分量，K_d、K_q为逆变桥增益系数，与载波变化范围有关，但并不成绝对正相关系，载波变化范围固定的情况下，K_d、K_q取值范围以逆变桥增益系数的中心值K为中心变化幅度小于±10％，K与载波变化范围上下限有关，定义max和min分别为载波变化范围的上下限，则：

当载波为-1到+1之间变化的三角波情况下，K_d,Kq≈1/2＝K；

步骤1.5：将步骤1.4公式带入步骤1.3公式，以并网点电压u_C作为0相位参考点，则u_C的q轴分量u_Cq恒等于0，旋转dq坐标系下的逆变器交流侧电压方程简化为：

步骤1.6：将dq坐标系下的电压方程进行离散化：

其中，u_d(n)代表第n次的参考调制波u的d轴分量、i_d(n)代表第n次电感电流i的d轴分量，i_q(n)代表第n次采样电感电流i的q轴分量。

步骤1.7：i_d(n+1),i_q(n+1)作为系统控制目标，R,L虽为实际物理量，但是无法直接测量得到，且会随着电流和温度而发生小幅度变化，故通过滚动优化来逐次逼近，也将其离散化得到R(n),L(n)。同时K_d,K_q在中心值K附近随机小幅度变化，当电流变化极小情况下该参数变化也比较小，将其离散化得到K_d(n),K_q(n)。

上式表示系统控制目标i_d(n+1),i_q(n+1)是由上级调度决定的，u_d(n),u_q(n)确定，前提是所有系统参数R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)已知，且测算得到本时刻的i_d(n),i_q(n),uC_d(n),u_dc(n)和ω(n)，其中T_s为控制周期时间。

步骤1.8：将步骤1.7中公式进行变换得到下式：

其中Δi_d(n)和Δi_q(n)分别代表i_d(n+1)-i_d(n)和i_q(n+1)-i_q(n)；

步骤2：按照模型预测法对L、R、K_d、K_q这四个结构参数进行滚动优化，得到L(n)、R(n)、K_d(n)、K_q(n)四个物理量的数值，由于这些物理量在相邻控制周期时间T_s内近似不变，故采用分批更新的算法；

所述滚动优化是根据预测模型和控制目标产生一个输入值，进而在系统上生成一个实际输出量，用实际输出量和输入值进行比对，优化模型参数；本系统中的控制目标是i_d(n+1),i_q(n+1)，系统输入量是u_d(n),u_q(n)，需要优化的模型参数是R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)。系统在一个计算周期T_s内可以生成两个电压方程等式，但两个等式只能求解两个未知数，不可能在一个计算周期内更新四个模型参数R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)。由于这四个参数在短时间内几乎不变，所以采用分组优化的方法，

所述分批更新首先假设K_d(n),K_q(n)不变，对R(n),L(n)进行更新，计算公式如下：

下一个周期假设R(n),L(n)不变，对K_d(n),K_q(n)进行更新，计算公式如下：

式中Δi_d(n)和Δi_q(n)分别表示i_d(n+1)-i_d(n)和i_q(n+1)-i_q(n)。

步骤3：将给定的参考目标作为目标输出量，结合结构参数R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)计算得到输出量，使系统的实际输出量与参考目标相同。

本实施例中算法计算周期为T_s，每进入一次计算周期，首先对实际系统的运行参数进行采样，采样值包括i_out,u_C,u_dc的实时值，进而计算得到i_d(n),i_q(n)和ω(n)。

判断n的奇偶，当n为奇数时，假定K_d,K_q不变，此时u_d,u_q值并没有更新，保持上一时刻值，记做u_d(n-1),u_q(n-1)，再结合上个周期实测的i_d(n-1),i_q(n-1)，计算更新R(n)，L(n)。

当n为偶数时，假定R,L不变，计算更新K_d(n),K_q(n)。

根据控制目标i_d(n+1),i_q(n+1)，结合更新后的R(n)，L(n),K_d(n),K_q(n)和上个周期的i_d(n),i_q(n)，计算并更新系统输入值u_d(n),u_q(n)。

然后等待计算周期T_s的剩余时间，利用这段时间系统将得到稳定的电压电流输出,进而完成一次计算，并进入下一次计算周期，如此循环往复。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在dq坐标系下建立逆变器并网控制的二阶离散化数理模型，找出被控量逆变器输出电流i_out与输入量逆变器调制波电压u_pwm之间的数学关系和参与计算的物理量电感电流i，电容电压u_C；

步骤1.1：计算逆变器交流侧电压电流分别满足的矢量关系，如下式所示：

式中，C为滤波电容，L为电网侧滤波电感，R为逆变回路的等效串联阻抗，t为工作时间；

步骤1.2：对逆变器交流侧电流方程进行Park变换，得到旋转dq坐标系下的电流方程：

式中，ω为逆变器输出角频率，i_{out_d}、i_{out_q}分别为i_out的dq轴分量，i_d、i_q分别为i的dq轴分量，u_Cd、u_Cq分别为u_C的dq轴分量；

步骤1.3：对逆变器交流侧电压方程进行Park变换，得到旋转dq坐标系下的电压方程：

式中，u_{pwm_d}、u_{pwm_q}分别为u_pwm的dq轴分量；

步骤1.4：u_pwm在逆变器系统中通过给定参考调制波u经过逆变桥放大得到，其放大倍数与直流电压和载波幅值有关，逆变桥放大倍数与直流电压和载波幅值关系如下式：

式中，u_dc逆变器直流测电压，u_d、u_q为u的dq轴分量，K_d、K_q为逆变桥增益系数，载波变化范围固定的情况下，K_d、K_q取值范围以逆变桥增益系数的中心值K为中心变化幅度小于±10％，定义max和min分别为载波变化范围的上下限，则：

步骤1.5：将步骤1.4公式带入步骤1.3公式，以u_C作为0相位参考点，则u_C的q轴分量u_Cq恒等于0，旋转dq坐标系下的逆变器交流侧电压方程简化为：

步骤1.6：将dq坐标系下的电压方程进行离散化：

其中，u_d(n)代表第n次的参考调制波u的d轴分量、i_d(n)代表第n次电感电流i的d轴分量，i_q(n)代表第n次电感电流i的q轴分量；

步骤1.7：以i_d(n+1),i_q(n+1)作为系统控制目标，将R,L离散化得到R(n),L(n)，同时将K_d,K_q离散化得到K_d(n),K_q(n)；

其中T_s为控制周期时间；

步骤1.8：将步骤1.7中公式进行变换得到下式：

其中Δi_d(n)和Δi_q(n)分别代表i_d(n+1)-i_d(n)和i_q(n+1)-i_q(n)；

步骤2：按照模型预测法对L、R、K_d、K_q这四个结构参数进行滚动优化，得到L(n)、R(n)、K_d(n)、K_q(n)四个物理量的数值，由于这些物理量在相邻控制周期时间T_s内近似不变，故采用分批更新的算法；

步骤3：将给定的参考目标作为目标输出量，结合结构参数R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)，计算得到输出量，使系统的实际输出量与参考目标相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤2中所述滚动优化是根据预测模型和控制目标产生一个输入值，进而在系统上生成一个实际输出量，用实际输出量和输入值进行比对，优化模型参数；本系统中的控制目标是i_d(n+1),i_q(n+1)，系统输入量是u_d(n),u_q(n)，需要优化的模型参数是R(n),L(n),K_d(n),K_q(n)。

3.根据权利要求1所述的一种基于迭代结构参数的并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤2中所述分批更新首先假设K_d(n),K_q(n)不变，对R(n),L(n)进行更新，计算公式如下：

下一个周期假设R(n),L(n)不变，对K_d(n),K_q(n)进行更新，计算公式如下：

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