CN117498710A - 并网逆变器的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种并网逆变器的控制方法及系统，逆变电路通过滤波器连接电网，该方法包括：首先获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；计算第一偏差值，第一偏差值为参考值电压与直流母线输出电压的差值；计算第二偏差值，第二偏差值为参考值电流与电网电流的差值；再利用第一、第二比例积分控制器根据第一、第二偏差值控制直流母线输出电压和电网电流；通过建立输出电压的控制方程以输出参考输出电流值；建立逆变电流的差分方程；根据差分方程以及参考输出电流值得到占空比；最后通过占空比生成驱动信号，驱动信号用于控制逆变电路的电能，以解决利用比例积分控制或比例谐振控制器导致逆变器电能的响应速度慢的问题。

Description

并网逆变器的控制方法及系统
技术领域
本申请涉及逆变器控制领域，尤其涉及一种并网逆变器的控制方法及系统。
背景技术
为改善能源结构，减少温室气体排放，可利用可再生能源，可再生能源的方式是将风能、太阳能等清洁能源转化为直流电能，再通过逆变器转化为交流电能馈送至电网。逆变器需要将稳定的直流电能转化为交流电能供给负载，对电能质量要求不高，控制难度较小。而新能源发电中的并网逆变器作为光伏电池、风力发电机、储能单元等电力装置与电网的接口，需要控制电网与直流侧间有功、无功功率的双向流动，且要保证汇入电网电能的质量，对控制精度要求较高。工业应用上，为减少断网风险，保证本地负载稳定供电，并网逆变器必须能够运行于孤岛模式，并能够在并离网间无缝切换；为保证系统整体可靠运行，并网逆变器需准确识别电网故障，具备低电压穿越等应对电网故障的能力。另外，当接入弱电网时，须保证系统能够稳定运行。
有许多针对新能源发电并网逆变器的控制方案。从控制原理上，并网逆变器的控制策略有比例积分闭环控制(PI)、比例谐振控制(PR)、无差拍控制(DBC)、模型预测控制(MPC)等。从控制变量的数量上，主流的控制策略可分为单环控制、双环控制与多环控制。
单环控制无法同时抑制网侧谐波与保证谐振阻尼，且由于控制变量单一功能性较差，难以实现并离网无缝切换，在弱电网环境下工作稳定性较差。双环控制相较于单环控制只做出了性能上的优化，控制器无法兼顾谐波抑制与合适的谐振阻尼，功能性依旧受限。多环控制由于控制环的嵌套，控制器的带宽往往较小，控制器对外环变量的跟踪能力较弱。并且多环控制在采用比例积分控制或比例谐振控制，比例积分控制或比例谐振控制器的带宽较小，动态响应性能较差，且受弱电网环境下的畸变电网电压影响较大，导致对逆变器电能的控制响应速度慢。
发明内容
本申请提供一种并网逆变器的控制方法及系统，以解决多环控制利用比例积分控制或比例谐振控制器导致对逆变器电能的响应速度慢的问题。
第一方面，本申请提供一种并网逆变器的控制方法，逆变电路通过滤波器连接电网，包括：
获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；
计算第一偏差值，所述第一偏差值为所述参考值电压与所述直流母线输出电压的差值；
利用第一比例积分控制器根据所述第一偏差值控制所述直流母线输出电压；
计算第二偏差值，所述第二偏差值为所述参考值电流与所述电网电流的差值；
利用第二比例积分控制器根据所述第二偏差值控制所述电网电流；
获取第一周期时刻所述逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程；
通过所述输出电压的控制方程输出参考输出电流值；
建立逆变电流的差分方程；
根据所述差分方程以及参考输出电流值得到占空比；
通过所述占空比生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述逆变电路的电能。
可选的，利用第一比例积分控制器根据所述第一偏差值控制所述直流母线输出电压，包括：
利用所述第一偏差值计算比例输出和积分输出，得到所述第一比例积分控制器输出量；
利用所述第一比例积分控制器输出量控制所述直流母线输出电压。
可选的，利用第二比例积分控制器根据所述第二偏差值控制所述电网电流，包括：
利用所述第二偏差值计算比例输出和积分输出，得到所述第二比例积分控制器输出量；
利用所述第二比例积分控制器输出量控制所述电网电流。
可选的，获取第一周期时刻所述逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程，包括：
获取第一周期时刻的输出电压、输出滤波电容的容值；
利用逆变电路建立输出电压的差分方程，所述差分方程用于表示第一周期时刻输出电压平均值，第二周期时刻的输出电压平均值与第一周期时刻的逆变电流平均值的变化关系，所述差分方程为：
其中，为第二周期时刻的直流母线输出电压平均值，/>为第一周期时刻的直流母线输出电压平均值，Co为输出滤波电容的容值，fsw为控制频率，/>为第一周期时刻的逆变电流平均值，/>为第一周期时刻的输出电流平均值；
使用第一周期时刻的所述参考值电压平均值替换第二周期时刻的直流母线输出电压平均值，以建立输出电压的控制方程。
可选的，根据所述差分方程以及参考输出电流值得到占空比，包括：
获取第一周期时刻的逆变电流的平均值、所述滤波器的输出滤波电感值；
利用逆变电路建立逆变电流的差分方程，所述差分方程用于表示第一周期时刻逆变电流平均值，第二周期时刻的逆变电路平均值与占空比的变化关系，所述差分方程为：
其中，为第二周期时刻的逆变电流平均值，/>为第一周期时刻的逆变电流平均值，L为输出滤波电感LO的电感值，fsw为控制频率，UO(k)为第一周期时刻的直流母线输出电压，d(k)为第一周期时刻占空比；
使用第一周期时刻的所述参考输出电流值替换第二周期时刻的逆变电路平均值，以得到第一周期时刻占空比。
可选的，通过所述占空比生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述逆变电路的电能，包括：
将所述占空比输入至PWM调制器中，以生成驱动信号；
根据所述驱动信号控制所述逆变电路中晶体管的接通或关断，以控制所述逆变电路的电能。
可选的，所述参考值电流包括有功分量和无功分量，所述有功分量通过所述参考值电压获取，所述无功分量根据所述逆变电路对无功功率的需求设置。
第二方面，本申请提供一种并网逆变器的控制系统，应用于第一方面所述的并网逆变器的控制方法，所述系统包括：逆变电路、电网以及滤波器，所述逆变电路通过所述滤波器连接所述电网，所述电网挂接负载，所述逆变电路连接有第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、第一无差拍控制器以及第二无差拍控制器；
控制器被配置为：
获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；
计算第一偏差值，所述第一偏差值为所述参考值电压与直流母线输出电压的差值；
利用第一比例积分控制器根据所述第一偏差值控制所述直流母线输出电压；
计算第二偏差值，所述第二偏差值为所述参考值电流与电网电流的差值；
利用第二比例积分控制器根据所述第二偏差值控制所述电网电流；
获取第一周期时刻所述逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程；
通过所述输出电压的控制方程输出参考输出电流值；
建立逆变电流的差分方程；
根据所述差分方程以及参考输出电流值得到占空比；
通过所述占空比生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述逆变电路的电能。
可选的，所述系统还包括电池输出模块，所述电池输出模块的输出端连接所述逆变电路。
由以上技术方案可知，本申请提供一种并网逆变器的控制方法及系统，逆变电路通过滤波器连接电网，所述方法包括：获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；计算第一偏差值，所述第一偏差值为所述参考值电压与直流母线输出电压的差值；利用第一比例积分控制器根据所述第一偏差值控制所述直流母线输出电压；计算第二偏差值，所述第二偏差值为所述参考值电流与电网电流的差值；利用第二比例积分控制器根据所述第二偏差值控制所述电网电流；获取第一周期时刻所述逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程；通过所述输出电压的控制方程输出参考输出电流值；建立逆变电流的差分方程；根据所述差分方程以及参考输出电流值得到占空比；通过所述占空比生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述逆变电路的电能，以解决多环控制利用比例积分控制或比例谐振控制器导致对逆变器电能的响应速度慢的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例示出的并网逆变器的控制方法流程示意图；
图2为本申请实施例示出的逆变电流结构示意图；
图3为本申请实施例示出的控制环结构示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
单环控制通过控制逆变电流或电网电流跟随参考值实现并网逆变器的功率控制，应用于作为电流源控制的并网逆变器中。在单环控制中，从反馈变量(控制变量)上又分为逆变电流反馈控制和电网电流反馈控制。逆变电流反馈控制由于只需要一个逆变电流传感器，实现成本较低。电网电流反馈控制通过直接电流控制可以抑制电网电流谐波污染。双环控制策略为实现更好的控制精度，原理上结合逆变电流控制与电网电流控制，内环控制逆变电流实现较快的电流响应，外环控制电网电流以抑制谐波；外环也可作为电压环稳定母线电压，或控制逆变输出电压实现孤岛模式下输出或下垂控制。双环控制多采用比例积分控制或比例谐振控制，比例积分控制或比例谐振控制器的带宽较小，动态响应性能较差，且受弱电网环境下的畸变电网电压影响较大，导致对逆变器电能的控制响应速度慢。
为解决上述问题，本申请部分实施例提供一种并网逆变器的控制方法，逆变电路通过滤波器连接电网，方法包括：
S100：获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流。
参见图1，其中，UBus为直流母线输出电压，直流母线输出电压可由系统容量确定，IGrid为电网电流，V1-V6为绝缘栅双极型晶体管，D1-D6为反并联二极管，L0为滤波输出电感，C0为输出滤波电容，逆变输出经滤波器滤波后接入电网，IInv为逆变器电流，I0为滤波后的输出电流，ILoad为负载电流。
参见图2，为参考值电压，/>为参考值电流，/>为参考输出电压值，/>为参考输出电流值。
首先获取直流母线输出电压UBus，电网电流IGrid，可预设参考值电压和参考值电流，以为比例积分控制时提供参考值。在一些实施例中，参考值电流包括有功分量和无功分量，有功分量通过参考值电压获取，无功分量根据逆变电路对无功功率的需求设置。
在本实施例中，参见图3，利用PI-PI-DB-DB的控制环结构，S200-S300的过程为外环母线电压环的控制过程，S400-S500的过程为次外环电网电流环的控制过程，S600-S700为次内环输出电压环的控制过程，S800-S900为内环逆变电流环的控制过程。无差拍控制能够快速准确地跟踪给定信号，比例积分控制可以实现对系统的精确控制，具有稳态精度高、对随机扰动的抑制能力强、控制器设计简单。
PI为比例积分控制器，比例积分控制器结合比例控制和积分控制两种控制方式，其中，比例控制可根据比例增益的设定，将偏差值与比例增益相乘，得到比例输出，积分控制可根据积分时间的设定，将偏差值与积分时间相乘，得到积分输出。
S200：计算第一偏差值，第一偏差值为参考值电压与直流母线输出电压的差值。
S300：利用第一比例积分控制器根据第一偏差值控制直流母线输出电压。
在一些实施例中，利用第一比例积分控制器根据第一偏差值控制直流母线输出电压，包括：
利用第一偏差值计算比例输出和积分输出，得到第一比例积分控制器输出量；
利用第一比例积分控制器输出量控制直流母线输出电压。
S400：计算第二偏差值，第二偏差值为参考值电流与电网电流的差值。
S500：利用第二比例积分控制器根据第二偏差值控制电网电流。
在一些实施例中，利用第二比例积分控制器根据第二偏差值控制电网电流，包括：
利用第二偏差值计算比例输出和积分输出，得到第二比例积分控制器输出量；
利用第二比例积分控制器输出量控制所述电网电流。
利用第一比例积分控制器和第二比例积分控制器实现母线电压环和电网电压环的控制，通过第一比例控制器跟踪参考电压值，以维持直流母线输出电压稳定，从而使逆变电压质量与前级接入源保持稳定。通过第二比例控制器跟踪参考电流值，以维持电网电流稳定。
S600：获取第一周期时刻逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程。
在一些实施例中，获取第一周期时刻逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程，包括：
获取第一周期时刻的输出电压、输出滤波电容的容值；
利用逆变电路建立输出电压的差分方程，差分方程用于表示第一周期时刻输出电压平均值，第二周期时刻的输出电压平均值与第一周期时刻的逆变电流平均值的变化关系，差分方程为：
其中，为第二周期时刻的输出电压平均值，/>为第一周期时刻的直流母线输出电压平均值，Co为输出滤波电容的容值，fsw为控制频率，/>为第一周期时刻的逆变电流平均值，/>为第一周期时刻的输出电流平均值；
为使第二周期时刻的输出电压值跟踪参考电压，使用第一周期时刻的参考值电压平均值替换第二周期时刻的输出电压平均值，替换公式为：
再建立输出电压的控制方程：
其中，参考输出电压值由电网电流环输出。
S700：通过输出电压的控制方程输出参考输出电流值。
上式中，为逆变电流环的输入，即参考输出电流值/>
S800：建立逆变电流的差分方程。
获取第一周期时刻的逆变电流的平均值、滤波器的输出滤波电感值；
利用逆变电路建立逆变电流的差分方程，差分方程用于表示第一周期时刻逆变电流平均值，第二周期时刻的逆变电路平均值与占空比的变化关系，差分方程为：
其中，为第二周期时刻的逆变电流平均值，/>为第一周期时刻的逆变电流平均值，L为输出滤波电感LO的电感值，fsw为控制频率，UO(k)为第一周期时刻的直流母线输出电压，d(k)为第一周期时刻占空比。
S900：根据差分方程以及参考输出电流值得到占空比。
为使第二周期时刻的输出电压值跟踪参考电压，使用第一周期时刻的参考输出电流值替换第二周期时刻的逆变电流平均值，替换公式为：
再生成逆变电流的控制方程：
d(k)为第一周期时刻占空比。
在次内环输出电压环的控制过程和内环逆变电流环的控制过程中，第一周期时刻即k周期时刻，k周期时刻可理解为现在处于的周期时刻，第二周期时刻即k+1周期时刻，k+1周期时刻可理解为未来的下一时刻，利用k周期时刻的参考值电压值替代k+1周期时刻的输出电压值，利用k周期时刻的参考输出电流值替代k+1周期时刻的逆变电流值，替代后得到的占空比在作用于系统后能够使k+1周期时刻的输出电压值或逆变电流值等于参考电压值或参考电流值。
S1000：通过占空比生成驱动信号，驱动信号用于控制逆变电路的电能。
在一些实施例中，通过占空比生成驱动信号，驱动信号用于控制逆变电路的电能，包括：
将占空比输入至PWM调制器中，以生成驱动信号；
根据驱动信号控制逆变电路中晶体管的接通或关断，以控制逆变电路的电能。
可以理解的是，第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、第一无差拍控制器和第二无差拍控制器与PWM(脉宽调制器)保持同步。
本实施例中提出的PI-PI-DB-DB控制结构，结合电网电流控制和逆变电流控制，将最内环设置为逆变电流环，既能在电网电压畸变时，抑制网测电流谐波，又能利用逆变电流直接控制的内在特性，保证系统拥有合适的谐振阻尼，从而保障运行的稳定。输出电压环与电网电流环的存在可以保障系统可以运行于孤岛模式及实现并离网无缝切换；以及对电网电流的实时监测，使得系统能够及时响应电网故障，具备低电压穿越能力。逆变电流环与输出电压环采用无差拍控制，提高了控制结构的整体带宽，解决了多环嵌套控制结构动态响应慢的问题。
基于上述并网逆变器的控制方法，本申请部分实施例提供一种并网逆变器的控制系统，应用于上述的并网逆变器的控制方法，系统包括：逆变电路、电网以及滤波器，逆变电路通过滤波器连接电网，电网挂接负载，逆变电路连接有第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、第一无差拍控制器以及第二无差拍控制器；
控制器被配置为：
获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；
计算第一偏差值，第一偏差值为参考值电压与直流母线输出电压的差值；
利用第一比例积分控制器根据第一偏差值控制直流母线输出电压；
计算第二偏差值，第二偏差值为参考值电流与电网电流的差值；
利用第二比例积分控制器根据第二偏差值控制电网电流；
获取第一周期时刻逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程；
通过输出电压的控制方程输出参考输出电流值；
建立逆变电流的差分方程；
根据差分方程以及参考输出电流值得到占空比；
通过占空比生成驱动信号，驱动信号用于控制逆变电路的电能。
其中，滤波器可选择LCL滤波器。
在一些实施例中，系统还包括电池输出模块，电池输出模块的输出端连接逆变电路。其中，电池输出模块可以为光伏电池输出、储能电池输出等。
本申请提供一种并网逆变器的控制方法及系统，逆变电路通过滤波器连接电网，该方法包括：首先获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；计算第一偏差值，第一偏差值为参考值电压与直流母线输出电压的差值；计算第二偏差值，第二偏差值为参考值电流与电网电流的差值；再利用第一、第二比例积分控制器根据第一、第二偏差值控制直流母线输出电压和电网电流；通过建立输出电压的控制方程以输出参考输出电流值；建立逆变电流的差分方程；根据差分方程以及参考输出电流值得到占空比；最后通过占空比生成驱动信号，驱动信号用于控制逆变电路的电能，以解决利用比例积分控制或比例谐振控制器导致逆变器电能的响应速度慢的问题。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种并网逆变器的控制方法，逆变电路通过滤波器连接电网，其特征在于，包括：
获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；
计算第一偏差值，所述第一偏差值为所述参考值电压与所述直流母线输出电压的差值；
利用第一比例积分控制器根据所述第一偏差值控制所述直流母线输出电压；
计算第二偏差值，所述第二偏差值为所述参考值电流与所述电网电流的差值；
利用第二比例积分控制器根据所述第二偏差值控制所述电网电流；
获取第一周期时刻所述逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程；
通过所述输出电压的控制方程输出参考输出电流值；
建立逆变电流的差分方程；
根据所述差分方程以及参考输出电流值得到占空比；
通过所述占空比生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述逆变电路的电能。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，利用第一比例积分控制器根据所述第一偏差值控制所述直流母线输出电压，包括：
利用所述第一偏差值计算比例输出和积分输出，得到所述第一比例积分控制器输出量；
利用所述第一比例积分控制器输出量控制所述直流母线输出电压。
3.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，利用第二比例积分控制器根据所述第二偏差值控制所述电网电流，包括：
利用所述第二偏差值计算比例输出和积分输出，得到所述第二比例积分控制器输出量；
利用所述第二比例积分控制器输出量控制所述电网电流。
4.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，获取第一周期时刻所述逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程，包括：
获取第一周期时刻的输出电压、输出滤波电容的容值；
利用逆变电路建立输出电压的差分方程，所述差分方程用于表示第一周期时刻输出电压平均值，第二周期时刻的输出电压平均值与第一周期时刻的逆变电流平均值的变化关系，所述差分方程为：
其中，为第二周期时刻的直流母线输出电压平均值，/>为第一周期时刻的直流母线输出电压平均值，Co为输出滤波电容的容值，fsw为控制频率，/>为第一周期时刻的逆变电流平均值，/>为第一周期时刻的输出电流平均值；
使用第一周期时刻的所述参考值电压平均值替换第二周期时刻的直流母线输出电压平均值，以建立输出电压的控制方程。
5.根据权利要求4所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，根据所述差分方程以及参考输出电流值得到占空比，包括：
获取第一周期时刻的逆变电流的平均值、所述滤波器的输出滤波电感值；
利用逆变电路建立逆变电流的差分方程，所述差分方程用于表示第一周期时刻逆变电流平均值，第二周期时刻的逆变电流平均值与占空比的变化关系，所述差分方程为：
其中，为第二周期时刻的逆变电流平均值，/>为第一周期时刻的逆变电流平均值，L为输出滤波电感LO的电感值，fsw为控制频率，UO(k)为第一周期时刻的直流母线输出电压，d(k)为第一周期时刻占空比；
使用第一周期时刻的所述参考输出电流值替换第二周期时刻的逆变电流平均值，以得到第一周期时刻占空比。
6.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，通过所述占空比生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述逆变电路的电能，包括：
将所述占空比输入至PWM调制器中，以生成驱动信号；
根据所述驱动信号控制所述逆变电路中晶体管的接通或关断，以控制所述逆变电路的电能。
7.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述参考值电流包括有功分量和无功分量，所述有功分量通过所述参考值电压获取，所述无功分量根据所述逆变电路对无功功率的需求设置。
8.一种并网逆变器的控制系统，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的并网逆变器的控制方法，所述系统包括：逆变电路、电网以及滤波器，所述逆变电路通过所述滤波器连接所述电网，所述电网挂接负载，所述逆变电路连接有第一比例积分控制器、第二比例积分控制器、第一无差拍控制器以及第二无差拍控制器；
控制器被配置为：
获取逆变电路的直流母线输出电压、参考值电压、电网电流和参考值电流；
计算第一偏差值，所述第一偏差值为所述参考值电压与直流母线输出电压的差值；
利用第一比例积分控制器根据所述第一偏差值控制所述直流母线输出电压；
计算第二偏差值，所述第二偏差值为所述参考值电流与电网电流的差值；
利用第二比例积分控制器根据所述第二偏差值控制所述电网电流；
获取第一周期时刻所述逆变电路的输出电压采样值、第一周期时刻的参考输出电压值，以建立输出电压的控制方程；
通过所述输出电压的控制方程输出参考输出电流值；
建立逆变电流的差分方程；
根据所述差分方程以及参考输出电流值得到占空比；
通过所述占空比生成驱动信号，所述驱动信号用于控制所述逆变电路的电能。
9.根据权利要求8所述的并网逆变器的控制系统，其特征在于，所述系统还包括电池输出模块，所述电池输出模块的输出端连接所述逆变电路。
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