CN113489357A - 微网逆变器控制方法、系统、存储介质及计算设备 - Google Patents

微网逆变器控制方法、系统、存储介质及计算设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微网逆变器控制方法，包括对电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流进行采样；将采样的电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流输入预先设计的新单环控制模型，进行微网逆变器控制；其中，新单环控制模型为：在传统单环控制模型的基础上，将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中。同时公开了相应的系统。本发明将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中，从而偏移临界频率，实现对谐振频率变化的鲁棒性。

Description

微网逆变器控制方法、系统、存储介质及计算设备
技术领域
本发明涉及一种微网逆变器控制方法、系统、存储介质及计算设备，属于新能源并网领域。
背景技术
基于电压控制的电压源型逆变器已被广泛用于许多电源转换应用中，例如50/60Hz不间断电源(UPS)、400Hz飞机用地面电源单元(GPU)和分布式发电(DG)等。这些应用中通常需要LC型输出滤波器，以抑制逆变器的开关纹波并提供高质量的输出电压。若考虑变压器漏感与电网阻抗的存在，则其将与LC滤波器组成LCL滤波器。LCL型滤波器的使用带来了谐振问题，这给控制系统的稳定性带来了极大的挑战。因此如何对电压控制器进行设计，关系电压源型逆变器运行质量的好坏。
电压单环控制方法(简称“单环控制方法”)具有控制结构简单、节省电容电流传感器的优点，成为了最近研究的热点。然而由于数字控制带来的固有延迟，使得控制产生了一个临界频率，当LCL滤波器的谐振频率高于或低于该频率时，电压控制参数有着不同的设计范围，因此传统单环控制方法无法实现对谐振频率变化的鲁棒性。
发明内容
本发明提供了一种微网逆变器控制方法、系统、存储介质及计算设备，解决了背景技术中披露问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
微网逆变器控制方法，包括：
对电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流进行采样；
将采样的电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流输入预先设计的新单环控制模型，进行微网逆变器控制；其中，新单环控制模型为：在传统单环控制模型的基础上，将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中。
新单环控制模型为，在传统单环控制模型的基础上，将本次采样周期的PR控制输出与按反馈比例系数反馈的上一采样周期调制电压的差值作为本次采样周期的调制电压。
设计新单环控制模型的具体过程为，
构建新单环控制模型；
对新单环控制模型进行稳定性分析，获得反馈比例系数的约束条件；
根据反馈比例系数的约束条件和预设的谐振频率上限，获得新单环控制模型的控制参数。
对新单环控制模型进行稳定性分析，获得反馈比例系数的约束条件，具体过程为，
对新单环控制模型的开环传递函数的分母进行w变换，根据劳斯判据，获得反馈比例系数的约束条件。
新单环控制模型的开环传递函数为，
Figure BDA0003084439960000021
其中，z表示z域；To(z)为开环传递函；GPR(z)为PR控制的传递函数；P为反馈比例系数；KPWM为PWM调制等效增益系数；L1为微网逆变器侧电感；Lg为微网逆变器网侧电感；Ts为采样周期；ωrg为LCL滤波器的谐振频率。
反馈比例系数的约束条件为，
Figure BDA0003084439960000031
其中，P为反馈比例系数。
获得的控制参数包括反馈比例系数和PR控制的参数，具体满足以下条件：
1＞P＞-1-2cos(ωrgmaxTs)
其中，P为反馈比例系数；Ts为采样周期；ωrgmax为谐振频率上限；
Figure BDA0003084439960000032
其中，kp为PR控制的比例系数；kr为PR控制的谐振系数，ωb为PR控制的带宽；参数w＝[arccos(-(1+P)/2)]/Ts，arccos表示反余弦三角函数；s表示拉普拉斯算子；jw表示幅值为w的纯虚数；ωo为基频对应的角速度；L1为微网逆变器侧电感；Lg为微网逆变器网侧电感。
微网逆变器控制系统，包括：
采用模块：对电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流进行采样；
控制模块：将采样的电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流输入预先设计的新单环控制模型，进行微网逆变器控制；其中，新单环控制模型为：在传统单环控制模型的基础上，将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中。
本发明所达到的有益效果：1、本发明将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中，从而偏移临界频率，实现对谐振频率变化的鲁棒性；2、本发明在设计单环控制模型时，仅需设定谐振频率上限，在此基础上对控制器参数进行设计即可保证控制模型在滤波器谐振频率小于该最大值时的稳定性，设计简单；3、本发明的单环控制模型的反馈回路只用到内部变量，无需额外的传感器。
附图说明
图1为本发明微网逆变器控制的原理图；
图2为本发明单环控制模型的等效框图；
图3为第一组控制参数对应的变流器输出电容电压、注入电网电流的单相波形；
图4为第二组控制参数对应的变流器输出电容电压、注入电网电流的单相波形；
图5为第三组控制参数对应的变流器输出电容电压、注入电网电流的单相波形；
图6为第四组控制参数对应的变流器输出电容电压、注入电网电流的单相波形。
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。
微网逆变器控制方法，包括以下步骤：
步骤1，对电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流进行采样；
步骤2，将采样的电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流输入预先设计的新单环控制模型，进行微网逆变器控制；其中，新单环控制模型为：在传统单环控制模型的基础上，将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中。
上述控制方法将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中，从而偏移临界频率，实现对谐振频率变化的鲁棒性，并且上述单环控制模型的反馈回路只用到内部变量，无需额外的传感器。
传统单环控制即直接对LC滤波器滤波电容电压uck进行控制：对电容的相电压uck、电网eg的相电压egk、注入负荷的电流ilk和注入电网的电流igk进行采样(和本申请的步骤1一致)；对采样的电网eg的相电压egk、注入负荷的电流ilk和注入电网的电流igk进行处理，得到参考电压uck_ref；将uck与uck_ref直接进行比较做差后通过PR控制器直接输出调制电压参考值，并在一个采样周期延迟后将相应的占空比输入逆变器Q1～Q6中。
如图1和2所示，这里对传统单环控制模型的具体改进如下：在传统单环控制模型的基础上，将本次采样周期的PR控制输出与按反馈比例系数反馈的上一采样周期调制电压的差值作为本次采样周期的调制电压。
基于上述改进原理，设计新单环控制模型的具体过程如下：
1)构建新单环控制模型；
在两相静止坐标系下对微网逆变器进行控制，基于传统单环控制模型，构建新单环控制模型，该模型相应的开环传递函数为：
Figure BDA0003084439960000051
其中，z表示z域；To(z)为开环传递函；GPR(z)为PR控制的传递函数；P为反馈比例系数；KPWM为PWM调制等效增益系数；L1为微网逆变器侧电感；Lg为微网逆变器网侧电感；Ts为采样周期；
ωrg为LCL滤波器的谐振频率，具体表达式为：
Figure BDA0003084439960000061
其中，Cf为图1中LC滤波器滤波电容容值，frg为LC滤波器在与弱电网eg连接时的谐振频率；
PR控制为比例谐振控制，传递函数的s域表达式为：
Figure BDA0003084439960000062
其中，kp为PR控制的比例系数；kr为PR控制的谐振系数，ωb为PR控制的带宽；ωo为基频对应的角速度；fo为电网基频；
该模型中主要需要设计反馈比例系数和PR控制的参数。
2)将负荷电流视作外部扰动，对新单环控制模型进行稳定性分析，获得反馈比例系数的约束条件，具体过程如下：
对新单环控制模型的开环传递函数的分母进行w变换，根据劳斯判据，获得反馈比例系数的约束条件为：
Figure BDA0003084439960000063
其中，P为反馈比例系数。
3)根据反馈比例系数的约束条件和预设的谐振频率上限，获得新单环控制模型的控制参数，具体包括反馈比例系数和PR控制的参数；
预设期望的谐振频率在[ωrgmin,ωrgmax]内变化，结合上述反馈比例系数的约束条件，获得的反馈比例系数需满足以下条件：
1＞P＞-1-2cos(ωrgmaxTs)
其中，ωrgmax为谐振频率上限；
PR控制的参数需满足以下条件：
Figure BDA0003084439960000071
其中，参数w＝[arccos(-(1+P)/2)]/Ts，arccos表示反余弦三角函数；s表示拉普拉斯算子，表示为s＝jw；jw表示幅值为w的纯虚数，通过s可将To(z)从频域转换至复数域，从而便于对控制器参数进行计算。将满足上述条件的控制参数带入1)中构建的模型，即可获得完整的新单环控制模型。
通过上述过程可以看出，设计单环控制模型时，仅需设定谐振频率上限，在此基础上对控制器参数进行设计即可保证控制模型在滤波器谐振频率小于该最大值时的稳定性，相较于传统模型设计更加简单。
将上述方法运用到分布式发电系统中，具体的控制原理图如图1所示，新的模型如图2所示，其中，先采集电网电压egk、注入电网的电流igk、注入负荷的电流ilk，通过一定的策略生成电容αβ轴参考电压uc_ref(ucα_ref,ucβ_ref)，电容电压αβ轴反馈电压uc(ucα、ucβ)由电容相电压uck采样经过Clark变换得到，uc_ref与uc做差进行PR控制，PR控制器输出与按反馈比例系数P反馈的上一周期调制电压做差，所得输出为调制电压um(umα、umβ)，并在一个采样周期延迟后进行PWM调制输出，对应的逆变器侧输出电压为ucon。
图1中S1与S2表示负荷开关与并网开关；Q1～Q6表示功率器件；Udc表示逆变器直流母线电压。
图1中微网逆变器电感L1感值为1mH，滤波电容Cf容值为10μF，电网阻抗与变压器漏感之和假设在0.2mH～1mH之间变化；则根据计算可得谐振频率在[2250Hz,3900Hz]区间变化。采样频率为10kHz，则可以计算出-1-2cos(ωrgmaxTs)＝0.54，因此可取P＝0.9。
由于在高频时PR控制的谐振分量幅值可忽略不计，因此将P带入可得：
Figure BDA0003084439960000081
取kp为-0.5，考虑到实际中对电容电压的动态响应性能需求，取kr为100；
通过四组仿真实验进行验证，每组仿真参数如表1所示，其中1、2组为采用上述控制参数；3、4组为传统方法的参数(传统方法下的P认为是0)，两种方法下PR控制参数相同，区别仅在于P的取值不同。
表1仿真参数
Figure BDA0003084439960000082
如图2(a)、图2(b)所示，说明此时谐振得到抑制，从而保证了控制的稳定运行；如图2(c)、如图2(d)所示，采用传统方法时，仅能够在Lg为1mH的情况下稳定运行；电网阻抗变化为0.2mH时，采用相同的控制参数无法保证系统的稳定运行，可以看到此时电容电压、电网电流出现高频振荡并逐渐发散。可以发现采用所提控制方法对电网阻抗变化有着更好的鲁棒性，从而验证了所提方法的有效性。
微网逆变器控制系统，包括：
采用模块：对电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流进行采样；
控制模块：将采样的电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流输入预先设计的新单环控制模型，进行微网逆变器控制；其中，新单环控制模型为：在传统单环控制模型的基础上，将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行微网逆变器控制方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行微网逆变器控制方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.微网逆变器控制方法，其特征在于，包括：
对电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流进行采样；
将采样的电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流输入预先设计的新单环控制模型，进行微网逆变器控制；其中，新单环控制模型为：在传统单环控制模型的基础上，将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中。
2.根据权利要求1所述的微网逆变器控制方法，其特征在于：新单环控制模型为，在传统单环控制模型的基础上，将本次采样周期的PR控制输出与按反馈比例系数反馈的上一采样周期调制电压的差值作为本次采样周期的调制电压。
3.根据权利要求1所述的微网逆变器控制方法，其特征在于：设计新单环控制模型的具体过程为，
构建新单环控制模型；
对新单环控制模型进行稳定性分析，获得反馈比例系数的约束条件；
根据反馈比例系数的约束条件和预设的谐振频率上限，获得新单环控制模型的控制参数。
4.根据权利要求1所述的微网逆变器控制方法，其特征在于：对新单环控制模型进行稳定性分析，获得反馈比例系数的约束条件，具体过程为，
对新单环控制模型的开环传递函数的分母进行w变换，根据劳斯判据，获得反馈比例系数的约束条件。
5.根据权利要求4所述的微网逆变器控制方法，其特征在于：新单环控制模型的开环传递函数为，
Figure FDA0003084439950000021
其中，z表示z域；To(z)为开环传递函；GPR(z)为PR控制的传递函数；P为反馈比例系数；KPWM为PWM调制等效增益系数；L1为微网逆变器侧电感；Lg为微网逆变器网侧电感；Ts为采样周期；ωrg为LCL滤波器的谐振频率。
6.根据权利要求4所述的微网逆变器控制方法，其特征在于：反馈比例系数的约束条件为，
Figure FDA0003084439950000022
其中，P为反馈比例系数。
7.根据权利要求3所述的微网逆变器控制方法，其特征在于：获得的控制参数包括反馈比例系数和PR控制的参数，具体满足以下条件：
1＞P＞-1-2cos(ωrgmaxTs)
其中，P为反馈比例系数；Ts为采样周期；ωrgmax为谐振频率上限；
Figure FDA0003084439950000023
其中，kp为PR控制的比例系数；kr为PR控制的谐振系数，ωb为PR控制的带宽；参数w＝[arccos(-(1+P)/2)]/Ts，arccos表示反余弦三角函数；s表示拉普拉斯算子；jw表示幅值为w的纯虚数；ωo为基频对应的角速度；L1为微网逆变器侧电感；Lg为微网逆变器网侧电感。
8.微网逆变器控制系统，其特征在于，包括：
采用模块：对电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流进行采样；
控制模块：将采样的电容电压、电网相电压、注入负荷电流和注入电网电流输入预先设计的新单环控制模型，进行微网逆变器控制；其中，新单环控制模型为：在传统单环控制模型的基础上，将上一采样周期的调制电压按反馈比例系数反馈回控制环路中。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法的指令。
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