CN113541196A - 一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法 - Google Patents

一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113541196A
CN113541196A CN202110913705.2A CN202110913705A CN113541196A CN 113541196 A CN113541196 A CN 113541196A CN 202110913705 A CN202110913705 A CN 202110913705A CN 113541196 A CN113541196 A CN 113541196A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fractional order
phase
grid
connected inverter
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110913705.2A
Other languages
English (en)
Inventor
赵庆生
李珍瑜
徐国栋
郭尊
原帅
郭贺宏
原敏宏
韩肖清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyuan University of Technology
Original Assignee
Taiyuan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyuan University of Technology filed Critical Taiyuan University of Technology
Priority to CN202110913705.2A priority Critical patent/CN113541196A/zh
Publication of CN113541196A publication Critical patent/CN113541196A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法，将分数阶PID控制器应用于单相LC逆变器控制策略中，使逆变器有更好的动稳态性能，大大降低了入网电流的THD；通过并网逆变器有效地将新能源的电能转换为可接入电网的交流电；考虑电容和电感的分数阶特性，设计分数阶双闭环控制策略；通过本发明，实现对逆变器的有效控制，有助于提升系统的鲁棒性。

Description

一种单相LC型并网逆变器分数阶控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术领域，尤其涉及一种单相LC型并网逆变器分数阶控制方法。
背景技术
并网逆变器是新能源并入电网的重要电力设备，他能有效将新能源的电能转换为可接入电网的交流电。目前对于逆变器拓扑结构数学模型的建立大多都是基于整数阶微积分原理，即默认的逆变器电路存在的电感和电容均为整数阶特性，常用的建模方法有：状态空间平均法、离散时域法。有研究表明，电容和电感本质上是分数阶的，整数阶的电容和电感在实际工程中并不存在。
国外学者Westerlund通过实验确定，在不同的电解质环境下，电容的电路特性为分数阶，Jesus分别制造出阶数为0.59和0.42阶的电容，Machado通过趋肤效应可以制造出任意阶次的电感。通过大量实验表明，电感、电容电学特性均不符合整数阶特性，实际为分数阶特性。因此，想实现对逆变器电路拓扑结构的精确建模，以分数阶微积分建立电感、电容数学模型能更加准确反映其电学特性，随着分数阶微积分研究的逐渐深入，在逆变器领域，分数阶PID控制器也得到了广泛应用。将分数阶PID应用于逆变器的控制策略中也具有非常重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明为了解决上述提到的问题，提供了一种单相LC型并网逆变器分数阶控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单相LC型并网逆变器分数阶控制方法，包括：
构建单相LC型并网逆变器，获取直流侧电压参考值，与直流侧电压实际值求差后，经过电压外环改进的比例—谐振(QPR)控制器，得到二次侧滤波电感电流幅值；
取电网电压信号，经过锁相环回路得到标准单位正弦信号；
将滤波电感电流幅值信号与单位正弦信号相乘，得到电感电流标准参考值，与电感电流实际值做差，经过电流内环分数阶PID控制器，得到调制信号；
将调制信号输入到单相LC型并网逆变器的SPWM模块，得到驱动信号，以控制单相LC型并网逆变器开关器件的关断与导通，实现对逆变器拓扑结构数学模型的分数阶控制。
其中，电压外环采用比例—谐振(QPR)控制器的传递函数GQPR(s)，补偿后的分数阶电流内环闭环传递函数Gic(s)、电感电流至输出电压的传递函数Gvi(s)表达式如下：
Figure BDA0003204853130000021
Figure BDA0003204853130000022
Figure BDA0003204853130000023
其中，kpp为比例控制参数；2k1ωcs/(s2+2ωcs+ωo 2)为谐振项，用于实现对比例—谐振(QPR)控制器50Hz基频信号的无误差跟踪；ω0为电网角频率，R为负载侧电阻；k1为比例谐振系数；ωc为截止频率，用于调节带宽；β为分数阶的微分阶次。
其中，所述准比例谐振控制器的比例控制增益kpp取10，比例谐振系数k1取5，截止频率ωc取20rad/s，电网角频率ω0取314rad/s，β取0.6。
其中，电流内环分数阶PID控制器的传递函数如下：
Figure BDA0003204853130000031
Gid(s)是占空比到电感电流的传递函数，其表达式如下：
Figure BDA0003204853130000032
GPWM(s)是SPWM调制模块的传递函数，其表达式如下：
Figure BDA0003204853130000033
其中kP、ki、kd分别为分数阶PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；α和β2分别为电流内环分数阶PID控制器的积分阶次和微分阶次，RL表示滤波电感的寄生电阻，udc为直流侧电压，UCM是三角载波的峰值电压。
其中，分数阶PID控制器的比例系数kP取58，积分系数ki取95，微分系数kd取6；分数阶积分阶次α取0.45，分数阶微分阶次β取0.6。
其中，单相LC型并网逆变器的锁相环回路利用市电电压Vs取样后得到信号Vmsinωt，再经过1/4周期延迟后得到信号-Vmcosωt；两个信号再与其后产生的同步信号cosω1t与sinω1t分别相乘后相加得到误差e
e＝Vm(sinωtcosω1t-cosωtsinω1t)
。
区别于现有技术，本发明是一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法，将分数阶PID控制器应用于单相LC逆变器控制策略中，使逆变器有更好的动稳态性能，大大降低了入网电流的THD；通过并网逆变器有效地将新能源的电能转换为可接入电网的交流电；考虑电容和电感的分数阶特性，设计分数阶双闭环控制策略；通过本发明，实现对逆变器的有效控制，有助于提升系统的鲁棒性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法中单相LC型并网逆变器的结构示意图。
图3是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法中电感电流内环控制回路的结构示意图。
图4是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法中电压外环控制回路的结构示意图。
图5是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法中锁相环的结构示意图。
图6是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法中分数阶双环控制输出电压电流波形示意图。
图7是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法中电流突减20％时的仿真波形示意图。
图8是本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法中电压跌落20％时的仿真波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。
参照附图1，本发明提供的一种针对单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法，单相LC型并网逆变器的拓扑控制结构如图2所示，图2中包括LC滤波器，主要由逆变器侧电感L、滤波电容C构成；Vd为直流电压；C1为直流侧稳压电容；S1～S4为并网逆变器的开关管IGBT；Vc为LC滤波器电容电压；Is为并网电流；IL为电感电流；Vs为电网电压。
该方法的步骤包括：
构建单相LC型并网逆变器，获取直流侧电压参考值，与直流侧电压实际值求差后，经过电压外环改进的比例—谐振(QPR)控制器，得到二次侧滤波电感电流幅值；
取电网电压信号，经过锁相环回路得到标准单位正弦信号；
将滤波电感电流幅值信号与单位正弦信号相乘，得到电感电流标准参考值，与电感电流实际值做差，经过电流内环分数阶PID控制器，得到调制信号；
将调制信号输入到单相LC型并网逆变器的SPWM模块，得到驱动信号，以控制单相LC型并网逆变器开关器件的关断与导通，实现对逆变器拓扑结构数学模型的分数阶控制。
电压外环控制如图3所示，电压外环采用比例—谐振(QPR)控制器的传递函数GQPR(s)，补偿后的分数阶电流内环闭环传递函数Gic(s)、电感电流至输出电压的传递函数Gvi(s)表达式如下：
Figure BDA0003204853130000051
Figure BDA0003204853130000052
Figure BDA0003204853130000053
其中，kpp为比例控制参数；2k1ωcs/(s2+2ωcs+ωo 2)为谐振项，用于实现对比例—谐振(QPR)控制器50Hz基频信号的无误差跟踪；ω0为电网角频率，R为负载侧电阻；k1为比例谐振系数；ωc为截止频率，用于调节带宽；β为分数阶的微分阶次。
具体的，准比例谐振控制器的比例控制增益kpp取10，比例谐振系数k1取5，截止频率ωc取20rad/s，电网角频率ω0取314rad/s，β取0.6。
图3中Gic(s)为补偿后的分数阶电流内环闭环传递函数。
如图4所示，电流内环分数阶PID控制器的传递函数如下：
Figure BDA0003204853130000061
Gid(s)是占空比到电感电流的传递函数，其表达式如下：
Figure BDA0003204853130000062
GPWM(s)是SPWM调制模块的传递函数，其表达式如下：
Figure BDA0003204853130000063
其中kP、ki、kd分别为分数阶PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；α和β2分别为电流内环分数阶PID控制器的积分阶次和微分阶次，RL表示滤波电感的寄生电阻，udc为直流侧电压，UCM是三角载波的峰值电压。
具体的，分数阶PID控制器的比例系数kP取58，积分系数ki取95，微分系数kd取6；分数阶积分阶次α取0.45，分数阶微分阶次β取0.6。
锁相环控制回路控制器如图5所示，单相LC型并网逆变器的锁相环回路利用市电电压Vs取样后得到信号Vmsinωt，再经过1/4周期延迟后得到信号-Vmcosωt；两个信号再与其后产生的同步信号cosω1t与sinω1t分别相乘后相加得到误差e；
e＝Vm(sinωtcosω1t-cosωtsinω1t)
进一步地，以下对本发明提出的实施例进行了仿真研究，如下表1所示，列出了仿真的系统规格，对表1中拟议的控制系统进行了仿真和实验评估。
参数 数值
直流侧电压V<sub>dc</sub>/V 400
直流侧电容C<sub>dc</sub>/μF 330
滤波电感L/mH 5.5
滤波电容C/μF 27
交流侧并联电压V<sub>S</sub>/V 220
采样频率f<sub>S</sub>/kHz 10
表1仿真系统参数列表
仿真和实验评估如下所述：
图6为本发明分数阶双环控制输出的结果图，结果图显示了：分数阶双环控制下的输出电流和电压达到同相位并满足并网电压电流同步，同时保证了输出波形高正弦度，在过零点与峰值处也保证波形不发生畸变。该控制策略可以很好地过滤谐波，提升并网电能质量。
图7和图8为本发明在外部扰动下的动态性能实验波形，分别为：分数阶控制下的电流突减仿真波形和外部扰动下的仿真波形。其表示：在仿真运行到0.245s时，正弦波处于峰顶最易产生畸变时，加入电流突降20％，电压跌落20％的外界扰动。
由图7可知，分数阶PID控制下电流在0.245s突减20％，经过0.28ms后电流恢复。同等条件下，整数阶PID控制电流恢复需要0.44ms。当以电网电压突降为扰动时，由图8可知，分数阶PID控制下，电网电压在0.245s突降20％，经过0.31ms恢复，且入网电流波形良好。同等条件，整数阶PID控制恢复需要0.59ms。通过上述分析可以看出，在同等外部扰动条件下，整数阶PID控制器虽然能恢复正弦波，但需要时间相比较分数阶PID控制器来说较长，且过滤谐波能力远不如分数阶PID控制器。由此证明，分数阶PID控制器具有强抗干扰能力。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建单相LC型并网逆变器，获取直流侧电压参考值，与直流侧电压实际值求差后，经过电压外环改进的比例—谐振(QPR)控制器，得到二次侧滤波电感电流幅值；
取电网电压信号，经过锁相环回路得到标准单位正弦信号；
将滤波电感电流幅值信号与单位正弦信号相乘，得到电感电流标准参考值，与电感电流实际值做差，经过电流内环分数阶PID控制器，得到调制信号；
将调制信号输入到单相LC型并网逆变器的SPWM调制模块，得到驱动信号，以控制单相LC型并网逆变器开关器件的关断与导通，实现对逆变器拓扑结构数学模型的分数阶控制。
2.根据权利要求1所述的单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法，其特征在于，电压外环采用比例—谐振(QPR)控制器的传递函数GQPR(s)，补偿后的分数阶电流内环闭环传递函数Gic(s)、电感电流至输出电压的传递函数Gvi(s)表达式如下：
Figure FDA0003204853120000011
Figure FDA0003204853120000012
Figure FDA0003204853120000013
其中，kpp为比例控制参数；2k1ωcs/(s2+2ωcs+ωo 2)为谐振项，用于实现对比例—谐振(QPR)控制器50Hz基频信号的无误差跟踪；ω0为电网角频率，R为负载侧电阻；k1为比例谐振系数；ωc为截止频率，用于调节带宽；β为分数阶的微分阶次。
3.根据权利要求2所述的单相LC型并网逆变器双闭环控制方法，其特征在于，所述比例—谐振(QPR)控制器的比例控制增益kpp取10，比例谐振系数k1取5，截止频率ωc取20rad/s，电网角频率ω0取314rad/s，β取0.6。
4.根据权利要求1所述的单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法，其特征在于，所述电流内环分数阶PID控制器的传递函数如下：
Figure FDA0003204853120000021
Gid(s)是占空比到电感电流的传递函数，其表达式如下：
Figure FDA0003204853120000022
GPWM(s)是SPWM调制模块的传递函数，其表达式如下：
Figure FDA0003204853120000023
其中kP、ki、kd分别为分数阶PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；α和β2分别为电流内环分数阶PID控制器的积分阶次和微分阶次，RL表示滤波电感的寄生电阻，udc为直流侧电压，UCM是三角载波的峰值电压。
5.根据权利要求4所述的单相LC型并网逆变器的分数阶控制方法，其特征在于，所述分数阶PID控制器的比例系数kP取58，积分系数ki取95，微分系数kd取6；分数阶积分阶次α取0.45，分数阶微分阶次β取0.6。
6.根据权利要求1所述的单相LC型并网逆变器分数阶控制方法，其特征在于，单相LC型并网逆变器的锁相环回路利用市电电压Vs取样后得到信号Vmsinωt，再经过1/4周期延迟后得到信号-Vm cosωt；两个信号再与其后产生的同步信号cosω1t与sinω1t分别相乘后相加得到误差e
e＝Vm(sinωt cosω1t-cosωt sinω1t)。
CN202110913705.2A 2021-08-10 2021-08-10 一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法 Pending CN113541196A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110913705.2A CN113541196A (zh) 2021-08-10 2021-08-10 一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110913705.2A CN113541196A (zh) 2021-08-10 2021-08-10 一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113541196A true CN113541196A (zh) 2021-10-22

Family

ID=78090833

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110913705.2A Pending CN113541196A (zh) 2021-08-10 2021-08-10 一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113541196A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114063443A (zh) * 2021-12-01 2022-02-18 上海电力大学 改进bp整定分数阶pid的并网逆变器控制方法
CN115065266A (zh) * 2022-06-10 2022-09-16 广州大学 一种基于分数阶lcl滤波器的单相并网逆变器建模方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107069809A (zh) * 2017-04-10 2017-08-18 湘潭电机股份有限公司 一种直驱风电变流器高电压穿越控制方法
TWI604697B (zh) * 2016-12-02 2017-11-01 國家中山科學研究院 Phase-locked loop method for a utility parallel system
CN109327048A (zh) * 2018-11-14 2019-02-12 南京航空航天大学 一种并网变流器鲁棒锁相系统及方法
CN111864796A (zh) * 2020-06-30 2020-10-30 南京工程学院 一种光伏并网逆变器的控制系统及控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI604697B (zh) * 2016-12-02 2017-11-01 國家中山科學研究院 Phase-locked loop method for a utility parallel system
CN107069809A (zh) * 2017-04-10 2017-08-18 湘潭电机股份有限公司 一种直驱风电变流器高电压穿越控制方法
CN109327048A (zh) * 2018-11-14 2019-02-12 南京航空航天大学 一种并网变流器鲁棒锁相系统及方法
CN111864796A (zh) * 2020-06-30 2020-10-30 南京工程学院 一种光伏并网逆变器的控制系统及控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马冬冬: ""单相逆变器分数阶建模及控制研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114063443A (zh) * 2021-12-01 2022-02-18 上海电力大学 改进bp整定分数阶pid的并网逆变器控制方法
CN115065266A (zh) * 2022-06-10 2022-09-16 广州大学 一种基于分数阶lcl滤波器的单相并网逆变器建模方法
CN115065266B (zh) * 2022-06-10 2024-05-14 广州大学 一种基于分数阶lcl滤波器的单相并网逆变器建模方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108616141B (zh) 微电网中lcl并网逆变器功率非线性的控制方法
CN105140921B (zh) 一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构及其控制方法
CN107093954B (zh) 带boost升压的两级式三相四桥臂逆变系统及控制策略
CN110138253A (zh) 一种多谐振pr和pi联合控制的光伏并网逆变器控制方法
CN109066684B (zh) 一种基于lcl滤波的三相有源电力滤波器及其控制方法
CN106253646B (zh) 提高弱电网适应能力的并网逆变器lcl滤波器参数设计方法
CN105743123A (zh) 一种基于lcl-lc的并网系统有源阻尼参数设计方法
CN113541196A (zh) 一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法
CN110601253B (zh) 一种dcm反激光伏微逆变器并网电流谐波抑制方法
Yin et al. Research on three-phase PV grid-connected inverter based on LCL filter
Chen et al. Modeling and triple-loop control of ZVS grid-connected DC/AC converters for three-phase balanced microinverter application
CN205232057U (zh) 单相两级式光伏逆变装置
CN112152488A (zh) 一种三相三电平维也纳整流器控制系统及控制方法
Cossoli et al. Proportional-resonant controller and LCL filter design for single-phase grid-connected PV micro-inverters
CN110190764B (zh) 单相pwm整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法
CN102437753A (zh) 一种lcl滤波的三相pwm整流器三环控制方法
CN108448630B (zh) 基于单周期和双电流环控制的z源逆变器并网控制方法
CN106130351A (zh) 一种电动汽车直流充电器输出电压波纹抑制系统及方法
CN111355257A (zh) 一种弱电网下光伏并网逆变器无源准pr控制方法
CN210167979U (zh) 抑制共模电流的非隔离单相光伏并网逆变器
CN108493990A (zh) 一种lcl滤波型储能并网逆变器多速率重复控制方法
CN110011524B (zh) 一种谐波抑制的控制方法、装置、设备及可读存储介质
CN114498643B (zh) 一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法
CN112104212B (zh) 三相两开关整流器滤波电感及滞环控制开关频率设计方法
Pan et al. Fractional-order sliding mode control strategy for quasi-Z source photovoltaic grid-connected inverter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20211022