CN113241766B - 三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明为并网逆变器控制领域，涉及三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，变比组合式控制器由变比阻尼无源控制器和变比限幅重复控制器并联组成，变比阻尼无源控制器加入了变比阻尼使无源控制的动态跟踪能力可调，变比限幅重复控制器加入了变比限幅使重复控制的谐波治理能力可调，变比组合式控制器能够调节无源控制与重复控制之间相互补偿；通过反向调节变比阻尼无源控制器的变比阻尼系数r _n和变比限幅重复控制器的变比限幅系数k _n，保证变比组合式控制器在初始启动时对额定电流快速跟踪且不影响系统稳定性，启动后达到并网电流谐波治理效果，对零序通路引入的谐波达到最大补偿，同时满足并网电流的稳定性和低谐波含量。

Description

三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制技术领域，尤其涉及三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法。

背景技术

随着新能源技术和电力电子设备的快速发展，电力系统正在形成“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”发展趋势，使电力电子化的源-网-荷设备高密度接入配电网，含较高谐波的各种变换器设备高密度接入电网给电网带来了污染。为应对三相不平衡的接入问题，并网逆变器通常采用三相四线结构，而对于电力电子设备带来的电网谐波，除了会影响逆变器的火线电流谐波，还会通过零线通路进入逆变器直流侧加重这种谐波含量，导致不满足电网接入标准。因此为了解决三相四线制逆变器的并网电流谐波过大问题，需要在控制器的内环对并网电流进行精确跟踪，同时对电流谐波进行补偿，来达到逆变器的电网接入安全标准。

传统的并网逆变器的电流内环控制采用PI控制器，根据内膜原理，PI控制器对给定值具有较快的无静差跟踪能力，但是对于谐波缺乏治理能力。通常会加入谐振控制器或重复控制器进行谐波补偿，虽然具有一定效果，但是由于 PI控制器对于高频带宽的响应速度要求较高，使其与针对低频谐波补偿的重复控制器或谐振控制器共同使用时会存在交互影响，导致整体治理谐波能力仍存在不足。

无源控制是一种从系统能量角度出发，在保证系统严格无源的条件下，基于欧拉-拉格朗日(EL)模型或哈密尔顿(PCH)模型，利用系统无源性来使系统总能量跟随给定的能量函数，并且可以通过注入阻尼的方式来适当配置系统跟踪性能，因此无源控制器具有更加灵活的高效跟踪特性，但同样由于不具备周期控制内膜，无源控制器单独使用时对谐波的补偿效果有限，而具有高谐波补偿能力的重复控制器由于启动周期较长，在初始阶段的跟踪性能较差并且在大幅提高补偿能力后又会影响系统稳定性，因此当前的电流内环调节器无法同时满足系统的快速性和高谐波补偿能力。

发明内容

针对上述的不足，本发明解决了现有三相四线制并网逆变器的电流谐波治理方法无法同时满足系统的快速性和高谐波补偿能力的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，包括：变比组合式电流谐波治理方法体现在内环的变比组合式控制器，变比组合式控制器由变比阻尼无源控制器和变比限幅重复控制器并联组成，变比阻尼无源控制器加入了变比阻尼使无源控制的动态跟踪能力可调，变比限幅重复控制器加入了变比限幅使重复控制的谐波治理能力可调，变比组合式控制器能够调节无源控制与重复控制之间相互补偿。

三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，包括如下步骤：

步骤1，建立变比阻尼无源控制器，变比阻尼无源控制，在无源控制器中加入具有变比阻尼系数r_n得到变比阻尼无源控制器，使控制器在启动初期最大化发挥快速跟踪能力，保证系统稳定性；

步骤2，建立变比限幅重复控制器，变比限幅重复控制，在dq0坐标系下，重复控制器的d轴和0轴分别加入变比限幅系数k_n得到变比限幅重复控制器，使控制器在启动后期逐渐增大谐波治理能力，保证并网电流谐波含量的最小化；

步骤3，建立变比组合式控制器，变比阻尼无源控制器与所述变比限幅重复控制器并联成变比组合式控制器，且变比阻尼系数r_n和变比限幅系数k_n具有相反的调节方向，保证系统启动初期并网电流稳态值的快速跟踪，启动后期的并网电流谐波治理达到目标值，使整个启动过程不影响系统稳定性。

本发明技术方案的进一步改进在于：变比阻尼无源控制器设置为：

其中，变比阻尼无源控制器基于欧拉-拉格朗日(EL)模型建立，d_{pcb_d}、d_{pcb_q}、 d_{pcb_z}分别为dq0轴下无源控制的控制律，i_{ref_d}、i_{ref_q}、i_{ref_z}分别为dq0轴下电感电流基准值，i_Ld、i_Lq、i_Lz分别为dq0轴下电感电流采样值，ω为电网角频率， L为滤波电感，r为滤波电感寄生电阻，u_cd、u_cq、u_cz为滤波电容电压；直流侧总电压采样值和额定值分别为u_dc和U_dc；r_n为变比阻尼值，表达式为：

其中，r_max为初始阻尼值，r_a为最佳阻尼值，m_r为变比阻尼的步长缩放倍数， T_s为采样时间常数，n为控制器迭代次数；变比阻尼系数r_n为具有最小限幅值的反比例变化函数。

本发明技术方案的进一步改进在于：变比限幅重复控制器设置为：

其中，d_{rpt_d}、d_{rpt_q}、d_{rpt_z}分别为dq0轴下变比限幅重复控制器的控制律，延时环节z^-N会将控制器的输出量延迟输出N个采样周期，Q_s为重复控制衰减系数，S(z)为补偿器，k_n为变比限幅，表达式为：

其中，k_min为初始限幅值，k_a为最佳限幅值，m_k为变比限幅的步长缩放倍数， T_s为采样时间常数，n为控制器迭代次数；变比限幅系数k_n为具有最大限幅值的正比例变化函数。

本发明技术方案的进一步改进在于：变比组合式控制器设置为：

其中，d_d、d_q、d_z分别为dq0轴下变比组合式控制器的控制律。

变比阻尼无源控制器与变比限幅重复控制器并联组合成变比组合式控制器，无源控制的变比阻尼系数r_n和重复控制器的变比限幅系数k_n进行反向调节；在系统启动阶段，变比组合式控制器中最大化阻尼发挥无源控制的快速跟踪能力，而重复控制器被限制为最低控制能力，从而保证系统初期的稳定性；在系统启动后，无源控制阻尼逐渐降低，重复控制器限幅逐渐增大，在保证系统输出的精确跟踪同时，让重复控制器完成初期的周期性迭代，并且逐渐增强谐波补偿能力；在系统运行后期，变比组合式控制器达到最佳性能，无源控制的r_n和重复控制器的k_n保持稳定值，在系统稳定运行的同时，并网电流谐波治理效果达到最佳状态；整个运行过程中，逆变器系统能够保持准确稳定的并网电流输出，并且达到并网电流谐波治理的最佳效果，对零序通路引入的谐波达到最大补偿，使三相四线并网逆变器的输出电流同时满足稳定性和低谐波含量。

与现有技术相比，本发明提供三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法有益效果如下：

1.本发明提供三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，该方法通过反向调节变比组合式控制器中的变比阻尼系数r_n和变比限幅系数k_n，保证组合控制器在初始启动时对额定电流快速跟踪且不影响系统稳定性，而启动后达到电流谐波治理最佳效果，对零序通路引入的谐波达到最大补偿，使系统同时满足并网电流的稳定性和低谐波含量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1三相四线制I型三电平并网逆变器拓扑。

图2根据本发明实施例的一种三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法流程图。

图3本发明所提出的变比组合式控制器结构框图。

图4传统PI控制器与重复控制器并联控制下逆变器的并网电流和零线电流波形图。

图5传统PI控制器与重复控制器并联控制下逆变器的A相并网电流THD 图。

图6本发明所提出的变比组合式控制下逆变器的并网电流和零线电流波形图。

图7本发明所提出的变比组合式控制下逆变器的A相并网电流THD图。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，三相四线制I型三电平并网逆变器拓扑，研究了一种变比组合式电流谐波治理方法，以解决内环控制器无法同时满足系统的快速性和高谐波补偿能力的问题；本发明的三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法主要体现在内环的变比组合式控制器，这种变比组合式控制器由变比阻尼无源控制器和变比限幅重复控制器并联组成，其中，变比阻尼无源控制器加入了变比阻尼使无源控制的动态跟踪能力可调，变比限幅重复控制器加入了变比限幅使重复控制的谐波治理能力可调，因此变比组合式控制器能够调节无源控制与重复控制之间相互补偿，达到高效并网电流谐波治理的同时能够保证系统的启动稳定性。

如图2所示，三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法流程图，主要包括三个步骤：

步骤一，建立变比阻尼无源控制器:

根据图1所示，建立三相四线制I型三电平逆变器的开关函数模型，电感电流采样值为i_LX，逆变器直流侧分裂电容电压采样值分别为u_dcp、u_dcn，令 u_dc＝u_dcp+u_dcn，滤波电容电压u_cX和储能侧输出电流i_D为状态变量，其中，X＝a,b,c， X代表三相分量；直流侧分裂电容C_d1和C_d2电容值相同为C_d，滤波电感的电感值为L，其寄生阻值为r，其S_XY为I型三电平的开关函数，Y＝p,o,n，Y代表三种不同电平，且当S_XY＝1时表示桥臂导通，S_XY＝0时表示桥臂关断，其中满足 S_Xp+S_Xn+S_Xo＝1，abc坐标系下的开关函数模型如式(1)、(2)所示：

交流侧：

直流侧：

对式(1)和式(2)进行坐标变换，可得dq0坐标系下的开关函数模型如式(3)所示：

式(3)中的i_Ld、i_Lq、i_Lz为dq0坐标系下的电感电流，u_cd、u_cq、u_cz为dq0 坐标系下的滤波电容电压，S_dp、S_qp、S_op和S_dn、S_qn、S_on分别为S_Xp和S_Xn在dq0坐标系下的分量，ω为电网角频率。

本发明的无源控制器选择基于欧拉-拉格朗日(EL)模型，建立dq0坐标系下变流器的EL数学模型如式(4)：

其中：

系统状态变量：x＝[i_Ld,i_Lq,i_Lz,u_dcp,u_dcn]^T

内部能量的正定矩阵：

反映内部互联结构的反对称矩阵：

反映系统耗散的对称矩阵：

系统与外部能量交换矩阵：u_p＝[u_cd,u_cq,u_cz,i_D,i_D]^T

判断三相四线制I型三电平变流器系统的严格无源性，定义其储存的总能量(电场能与磁场能之和)为式(5)：

称H(x)为系统的能量函数，对其求导可得式(6)：

式中，由于J_px对功率无影响，可消去。对(6)进行积分可得式(7)：

式(7)可知，系统存储的能量H(x(T))-H(x(0))等于外部供给能量

与耗散能量

之差，因此三相四线制I型三电平变流器系统具有严格无源性，可采用无源控制。

设计无源控制律方程，首先定义d轴内环基准值i_{ref_d}，用于跟踪有功功率期望；q轴内环基准值i_{ref_q}，用于跟踪无功功率期望；0轴内环基准值i_{ref_z}，用于平衡直流侧电压期望；直流侧分裂电容电压u_dcp和u_dcn的能量期望值均为U_dc/2， U_dc为额定直流侧电压大小。定义系统的期望平衡点为式(8)：

x^*＝[i_{ref_d},i_{ref_q},i_{ref_z},U_dc/2,U_dc/2[^T (8)

为使各被控制量达到期望值，令误差状态量x_e＝x-x^*，定义系统的误差能量储存函数如式(9)：

将系统的误差状态变量带入EL模型方程(4)可得式(10)：

为了加速系统误差能量储存函数迅速衰竭到零，注入阻尼R_n，总阻尼表示为R＝R_n+R_p，此时式(10)可写成如下形式：

其中：

其中，为了使无源控制控制能力可调节，r_n设计为变比阻尼，变比阻尼系数r_n的表达式为：

如表达式所示，变比阻尼系数r_n为具有最小限幅值的反比例变化函数；

其中，r_max为初始阻尼值，r_a为最佳阻尼值，m_r为变比阻尼的步长缩放倍数， T_s为采样时间常数，n为控制器迭代次数。

为使系统误差状态变量为零，可得：

可求出加入阻尼后的误差能量函数的变化率如式(14)：

结合(4)、(8)带入式(15)，整理后结合u_dc可得dq0轴的变比阻尼无源控制器的控制律d_{pcb_d}、d_{pcb_q}、d_{pcb_z}如式(15)：

步骤二，建立变比限幅重复控制器:

重复控制器的输入为dq0轴的能量期望误差输入值，重复控制器设计为含有补偿函数的离散化脉冲传递函数，如式(16)：

其中，延时环节z^-N会将重复控制器的延迟输出N个采样周期，Q_s为重复控制衰减系数；S(z)＝k_cz^kF(z)，S(z)为补偿器，其主要目的是补偿控制系统的幅值和相位。补偿器S(z)主要由增益补偿系数k_c、相位补偿环节z^k及滤波环节 F(z)构成。

为了使重复控制器作用量具备可调节能力，同时考虑到d轴为有功控制量，而0轴又是作为零序通道的控制轴，对于谐波的补偿和系统的稳定具有关键作用，因此建立变比限幅重复控制器，可得dq0轴下变比限幅重复控制器为：

其中，d_{rpt_d}、d_{rpt_q}、d_{rpt_z}分别为dq0轴下变比限幅重复控制器的控制律，延时环节z^-N会将重复控制器的延迟输出N个采样周期，Q_s为重复控制衰减系数，S(z)为补偿器，k_n为变比限幅，T_s为采样时间常数，n为控制器迭代次数。

其中，变比限幅系数k_n的表达式为：

如表达式所示，变比限幅系数k_n为具有最大限幅值的正比例变化函数；

其中，k_min为初始限幅值，k_a为最佳限幅值，m_k为变比限幅的步长缩放倍数。

步骤三，建立变比组合式控制器:

得到两种控制器的控制律后，并联两种控制器可得变比组合式控制器，其在dq0轴下的控制律d_d、d_q、d_z如式(19)：

本发明所提出的变比组合式控制器结构框图如图3所示：变比阻尼无源控制器与变比限幅重复控制器并联组合成变比组合式控制器，变比阻尼无源控制器的变比阻尼系数r_n和变比限幅重复控制器的变比限幅系数k_n进行反向调节；在系统启动阶段，变比组合式控制器中最大化阻尼发挥无源控制的快速跟踪能力，而重复控制被限制为最低控制能力，从而保证系统初期的稳定性；在系统启动后，变比阻尼系数r_n逐渐降低，变比限幅系数k_n逐渐增大，在保证系统输出的精确跟踪同时，让重复控制完成初期的周期性迭代，并且逐渐增强谐波补偿能力；在系统运行后期，变比组合式控制器达到最佳性能，变比阻尼系数r_n和变比限幅系数k_n保持稳定值，在系统稳定运行的同时，并网电流谐波治理效果达到最佳状态；整个运行过程中，逆变器系统能够保持准确稳定的并网电流输出，并且达到并网电流谐波治理的最佳效果，对零序通路引入的谐波达到最大补偿，使三相四线并网逆变器的并网电流同时满足稳定性和低谐波含量。

本发明基于三相四线制I型三电平并网逆变器，研究了一种变比组合式电流谐波治理方法，通过Matlab/Simulink搭建仿真平台进行仿真验证。仿真的主要参数设置如下：直流侧电压额定值U_dc为800V，分压电容C_d1和C_d2均为 8000μF，逆变器输出滤波电感L为0.5mH，寄生电阻r为0.02Ω，滤波电容 C为20μF，额定有功功率P为50kW，额定无功功率Q为0Var，电网侧三相电压有效值为220V，频率为50Hz，同时在网侧注入了不同含量的3、5、7、9、11、13次谐波，仿真在0.02s时投入内环控制器。

通过以下仿真实例，进一步说明本发明所提出的变比组合控制方法的优越性。

实例1：内环控制器采用传统PI控制器与重复控制器并联的三相四线制并网逆变器仿真：

图4为实例1方法下逆变器的并网电流和零线电流波形；

图5为实例1方法下逆变器的A相输出电流THD；

通过图4和图5所示，当三相四线制并网逆变器的内环控制器采用传统PI 控制器与重复控制器并联时，逆变器的并网电流虽然能够快速到达稳定值，但正弦度较低，零线电流损耗较大，并且并网电流的THD较大，已经超过5％的入网标准。

实例2：内环控制器采用本发明所提出的变比组合式控制器的三相四线制并网逆变器仿真：

图6为实例2方法下逆变器的并网电流和零线电流波形；

图7为实例2方法下逆变器的A相输出电流THD；

通过图6和图7所示，当三相四线制并网逆变器的内环控制器采用本发明所提出的变比组合式控制器时，由于无源控制器的变比阻尼和重复控制器的变比限幅相互补偿，并网逆变器的控制器在0.02s投入后，并网电流和零线电流迅速到达稳态变化，没有出现不稳定调节阶段，同时逆变器并网电流THD也降到了3％以内，满足入网标准。

由仿真结果可见，本发明所提出的三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，在系统整个运行过程中，能够保持准确稳定的并网电流输出，并且达到并网电流谐波治理的最佳效果，对零序通路引入的谐波达到最大补偿，使三相四线并网逆变器的并网电流同时满足稳定性和低谐波含量。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明装置权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，其特征在于,包括：变比组合式电流谐波治理方法体现在内环的变比组合式控制器，变比组合式控制器由变比阻尼无源控制器和变比限幅重复控制器并联组成，变比阻尼无源控制器加入了变比阻尼使无源控制的动态跟踪能力可调，变比限幅重复控制器加入了变比限幅使重复控制的谐波治理能力可调，变比组合式控制器能够调节无源控制与重复控制之间相互补偿；

所述变比阻尼无源控制器设置为：

其中，变比阻尼无源控制器基于欧拉-拉格朗日模型建立，d_{pcb_d}、d_{pcb_q}、d_{pcb_z}分别为dq0轴下无源控制的控制律，i_{ref_d}、i_{ref_q}、i_{ref_z}分别为dq0轴下电感电流基准值，i_Ld、i_Lq、i_Lz分别为dq0轴下电感电流采样值，ω为电网角频率，L为滤波电感，r为滤波电感寄生电阻，u_cd、u_cq、u_cz为滤波电容电压；直流侧总电压采样值和额定值分别为u_dc和U_dc；r_n为变比阻尼值，表达式为：

其中，r_max为初始阻尼值，r_a为最佳阻尼值，m_r为变比阻尼的步长缩放倍数，T_s为采样时间常数，n为控制器迭代次数；变比阻尼系数r_n为具有最小限幅值的反比例变化函数；

所述变比限幅重复控制器设置为：

其中，d_{rpt_d}、d_{rpt_q}、d_{rpt_z}分别为dq0轴下变比限幅重复控制器的控制律，延时环节z^-N会将控制器的输出量延迟输出N个采样周期，Q_s为重复控制衰减系数，S(z)为补偿器，k_n为变比限幅，表达式为：

其中，k_min为初始限幅值，k_a为最佳限幅值，m_k为变比限幅的步长缩放倍数，T_s为采样时间常数，n为控制器迭代次数；变比限幅系数k_n为具有最大限幅值的正比例变化函数。

2.根据权利要求1所述的三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立变比阻尼无源控制器，变比阻尼无源控制，在无源控制器中加入具有变比阻尼系数r_n得到变比阻尼无源控制器，使控制器在启动初期最大化发挥快速跟踪能力，保证系统稳定性；

步骤2，建立变比限幅重复控制器，变比限幅重复控制，在dq0坐标系下，重复控制器的d轴和0轴分别加入变比限幅系数k_n得到变比限幅重复控制器，使控制器在启动后期逐渐增大谐波治理能力，保证并网电流谐波含量的最小化；

步骤3，建立变比组合式控制器，变比阻尼无源控制器与所述变比限幅重复控制器并联成变比组合式控制器，且变比阻尼系数r_n和变比限幅系数k_n具有相反的调节方向，保证系统启动初期并网电流稳态值的快速跟踪，启动后期的并网电流谐波治理达到目标值，使整个启动过程不影响系统稳定性。

3.根据权利要求1所述的三相四线制并网逆变器的变比组合式电流谐波治理方法，其特征在于，变比组合式控制器设置为：

其中，d_d、d_q、d_z分别为dq0轴下变比组合式控制器的控制律，变比阻尼无源控制器与变比限幅重复控制器并联组合成变比组合式控制器。

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