CN120280997B - 适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及逆变器控制技术领域，具体涉及适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，该方法包括：采集电压信号、电流信号、等效电感以及逆变器滤波电容；通过频率对电压信号和电流信号进行分频处理，将分离后的信号分量分别传输到不同的控制层模块；基于分离后的高频信号分量的变化特征，构建MPC算法的目标函数输出高频补偿量；基于电网等效电感以及逆变器滤波电容动态调整ILADRC算法中的ESO的带宽，得到低频补偿量；对得到的所有高频补偿量以及低频补偿量进行加权，得到综合控制量；对逆变器进行动态控制。本申请旨在通过多频段协同控制逆变器。

Description

适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法

技术领域

本申请涉及逆变器控制技术领域，具体涉及适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法。

背景技术

光伏电力资源并网是指将太阳能光伏发电系统产生的直流电转换为交流电后，通过特定的技术和设备，将其连接到公共电网中，实现太阳能发电与电网的协同运行，使太阳能发电能够为电网提供电力，满足用户的用电需求。而逆变器的主要功能是将直流电转化为交流电，在光伏发电系统中起着至关重要的作用，是实现光伏并网的关键设备之一。

在光伏逆变器系统中存在着多种扰动，指的是一切会对系统的正常运行、输出电能质量以及控制性能产生影响的不确定因素或干扰信号。按照频率范围可以分为高频扰动和低频扰动，高频扰动会使输出电流和电压波形中出现高频谐波，导致电能质量变差，还可能会使逆变器的输出信号与电网信号之间的同步变得困难，导致并网过程中出现不稳定现象；低频扰动会导致太阳能电池板输出功率的变化，进而使逆变器输出功率出现波动，还可能会使光伏并网系统的动态响应变慢，需要更长的时间才能恢复到稳定状态。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，解决上述问题。

本申请一个实施例提供了适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，所述方法包括：

数据采集层，用于采集电压信号、电流信号、等效电感以及逆变器滤波电容；

频域分割层，连接数据采集层，用于通过频率对电压信号和电流信号进行分频处理，将分离后的信号分量分别传输到不同的控制层模块；

复合控制层，连接频域分割层，包括MPC模块以及ILADRC模块；

所述MPC模块用于基于分离后的高频信号分量的变化特征，构建MPC算法的目标函数，利用MPC算法输出高频补偿量；

所述ILADRC模块用于基于电网等效电感以及逆变器滤波电容动态调整ILADRC算法中的ESO的带宽，结合分离后的低频信号分量，利用ILADRC算法得到低频补偿量；

协同控制层，连接复合控制层，用于对得到的所有高频补偿量以及低频补偿量进行加权，得到综合控制量；

输出执行层，连接协同控制层，用于基于所述综合控制量对逆变器进行动态控制。

其中，所述通过频率对电压信号和电流信号进行分频处理，具体为：

基于电网的等效电感以及逆变器滤波电容，计算截止频率；

将经过滤波后大于截止频率的电压信号划分为电压高频分量、小于等于截止频率的电压信号划分为电压低频分量；

将经过滤波后大于截止频率的电流信号划分为电流高频分量、小于等于截止频率的电流信号划分为电流低频分量。

其中，所述截止频率的具体公式为：，其中，表示截止频率，、分别表示电网的等效电感、逆变器滤波电容。

其中，所述基于分离后的高频信号分量的变化特征，构建MPC算法的目标函数，具体公式为：；式中，F表示MPC算法的目标函数；N表示预测时域N；表示在第k个时刻控制输入电压高频分量的变化量；表示在第k个时刻控制输入电流高频分量的变化量；表示范数；表示预设的权重系数。

其中，所述电压高频分量的变化量具体为相邻时刻控制输入电压高频分量的差值。

其中，所述动态调整ILADRC算法中的ESO的带宽的公式为：，其中，表示ESO带宽，表示电网等效电感，表示逆变器滤波电容。

其中，所述利用ILADRC算法得到低频补偿量，具体为：

将电压低频分量以及电流低频分量作为ILADRC算法的输入，根据ESO的组宽动态调整，得到低频补偿量。

其中，所述对得到的所有高频补偿量以及低频补偿量进行加权，得到综合控制量，具体为：

将高频能量占比作为权重，对所有高频补偿量的和值以及所有低频补偿量的和值进行加权，得到综合控制量。

其中，所述高频能量占比具体为所有信号的高频分量的能量与总能量的占比。

其中，所述对逆变器进行动态控制，具体为：

根据协同控制层输出的综合控制量生成逆变器开关管的驱动信号，生成的驱动信号来控制逆变器开关管的开关状态。

本申请至少具有如下有益效果：

本申请首先通过频域分割层将高频噪声与低频扰动进行分割，利用MPC模块有效抑制开关噪声等高频扰动，让电能中的高频成分更加纯净，减少对其他电气设备的干扰，提高整体电能质量；利用ILADRC模块专注于应对光照强度变化、负载低频变化等低频扰动，保障中低频段电能的稳定性和可靠性，减少电压波动和闪变的问题；通过多频段协同控制，全面处理不同频段的扰动，避免了扰动之间的相互耦合对逆变器性能的影响；最后利用协同控制策略，根据电网阻抗等参数的变化，通过动态调整MPC与ILADRC的输出权重，确保逆变器在不同电网工况下都能稳定运行，提高逆变器对弱电网环境的适应性和鲁棒性，相较于传统单一控制方法，能更有效地利用太阳能资源，提高光伏发电系统的整体转换效率，使系统在不同光照和负载条件下都能更高效地运行。

附图说明

图1为本申请提供的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法的流程图；

图2为本申请提供的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法的组件示意图。

具体实施方式

在本申请实施例的描述中，“示例性”、“或者”、“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性”、“或者”、“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请中的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

另外需要说明的是，本申请及其附图中的术语“第一”、“第二”是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。本申请实施例中公开的方法或流程图所示出的方法，包括用于实现方法的一个或多个步骤，在不脱离本申请保护的范围的情况下，多个步骤的执行顺序可以彼此互换，其中某些步骤也可以被删除。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

本申请提出适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，应用于逆变器控制技术领域，参考附图1，适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法的组件示意图，参考附图2，所述方法通过以下组件实现：

（1）数据采集层：采集电压信号、电流信号、等效电感以及逆变器滤波电容。

数据采集层由电压传感器、电流传感器、电感传感器以及电容传感器组成。

将电压传感器分别安装在逆变器直流侧母线、交流侧输出端以及公共连接点，负责采集这些位置的电压信号。在逆变器直流侧母线处的电压传感器，能实时监测母线电压的变化情况，及时发现电压的不稳定波动；位于逆变器交流侧输出端以及公共连接点的电压传感器，可采集电网电压信号，不仅能获取电压的幅值、相位等基本信息，还能检测到其中存在的谐波等异常情况。

将电流传感器安装在逆变器交流侧输出线路，用于采集并网电流信号，其中包含了谐波成分以及由于负载变化、电网故障等引起的电流波动。

本实施例中，所有传感器的采样频率为50kHz。由于后续对每个位置的电压信号的处理一致，故以直流母线侧电压信号为例，结合其他传感器获取的信号进行处理。

（2）频域分割层：通过频率对电压信号和电流信号进行分频处理。

使用多频段滤波器组分别将数据采集层获得的电压信号、电流信号根据频率进行分割，多频滤波器组包括二阶Butterworth高通滤波器（High-Pass Filter，HPF）和二阶Butterworth低通滤波器（Low-Pass Filter，LPF），根据截止频率进行分割。其中，高通滤波器与低通滤波器为并联配置。

本实施例中，滤波器组的截止频率的公式为，其中，表示截止频率，、分别表示电网等效电感、逆变器滤波电容。

在截止频率的公式中，和构成了一个LC谐振电路结构，故可以将滤波器组的截止频率看作是一个预设值与LC谐振电路中的固有谐振频率的乘积，本实施例中，预设值取值为，实施者可根据实际情况自行调整。

本实施例中，将经过滤波后大于截止频率的电压信号划分为电压高频分量、小于等于截止频率的电压信号划分为电压低频分量；将经过滤波后大于截止频率的电流信号划分为电流高频分量、小于等于截止频率的电流信号划分为电流低频分量。

频域分割层将不同频率的扰动信号分别引导至对应的控制层进行处理，实现了高频和低频扰动的分离控制，提高了控制的针对性和有效性。

（3）复合控制层包括MPC模块以及ILADRC模块；MPC模块：基于分离后的高频信号分量的变化特征，构建MPC算法的目标函数，利用MPC算法输出高频补偿量；ILADRC模块：基于电网等效电感以及逆变器滤波电容动态调整ILADRC算法中的ESO的带宽，结合分离后的低频信号分量，利用ILADRC算法得到低频补偿量。

用于光伏电力并网的逆变器确实会受到多种不同频率扰动的影响，这些扰动可能来自不同的来源，例如电网的波动、光照变化、负载变化等。现有的一些控制方法通常只关注特定频段的扰动，导致它们在应对多频段扰动时可能不够有效，或者不能全面提升逆变器的性能。

模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）控制器被引入以处理高频扰动和优化光伏电力并网的逆变器的整体性能；而改进型线性主动扰动抑制控制（ImprovedLinear Active Disturbance Rejection Control，ILADRC）算法只在中低频段有效，无法处理高频干扰，本申请考虑将MPC算法与ILADRC算法进行结合，在逆变器中有效应对多频段扰动问题。

MPC模块：MPC算法是基于离散时间状态空间模型实现高频扰动抑制，其核心是通过滚动优化预测未来多个控制周期内的逆变器行为，并求解最优控制量以最小化目标函数。MPC属于公知技术具体内容不再赘述，本实施例中，必要参数设置如下：

目标函数为最小化高频扰动能量，公式为：，其中，F表示MPC算法的目标函数；N表示预测时域N，本实施例中设置为6个控制周期，为60，表示在第k个时刻控制输入电压高频分量的变化量，即第k个与第k-1个时刻对应电压高频分量的差值；表示在第k个时刻控制输入电流高频分量的变化量，即第k个与第k-1个时刻对应电流高频分量的差值；表示范数；表示预设的权重系数。

需要说明的是，三相发电系统中该值是包含三个分量的向量，对其取范数是为了将控制输入的变化量进行量化并放大其影响，范数的平方运算使得即使是较小的变化量也能在目标函数中产生一定的影响，而且变化量越大，对目标函数的贡献就越大。这样在优化目标函数时，就会促使控制输入的变化尽可能小，从而使控制过程更加平稳，减少不必要的能量损耗和设备磨损，提高逆变器的稳定性和可靠性。

另外需要说明的是，用于调整电流变化量部分在目标函数中的重要性：大于等于1时，说明更重视电流的稳定性，目标函数会更倾向于减小电流的变化量；小于1时，相对来说对控制输入的变化量更为关注，可能会允许电流有一定程度的波动以换取控制输入的更优调节，基于此，本实施例中取值为1，实施者可根据实际情况自行调整的大小。

MPC算法会根据当前状态和模型预测未来的情况，不断地求解这个目标函数，得到每个时刻的最优控制输入，以实现对逆变器的高效、稳定控制，最终输出高频补偿量，即占空比调整量，范围为-10%~+10%，需要说明的是，若超出此范围，进行饱和处理。

约束条件为开关频率上限20kHz，电流谐波小于3%。

高频扰动变化速度快，要求控制策略具有快速的响应能力。MPC算法通过建立预测模型，能够提前预测逆变器在未来多个时刻的状态。在每个控制周期内，它可以根据预测结果和设定的目标，迅速计算出最优的控制输入，从而对高频扰动做出快速反应，有效抑制高频噪声和开关频率附近的谐波等高频扰动。

ILADRC模块：ILADRC是一种改进型线性自抗扰控制模块，它在传统ADRC基础上进行优化，简化参数调整并提升控制性能。ILADRC算法属于公知技术，具体内容不再赘述，本实施例中，必要参数设置如下：

使用改进的扩张状态观测器（Extended State Observer，ESO），ESO的带宽可以根据电网阻抗进行动态调整，公式为：，其中，表示ESO带宽，表示电网等效电感，表示逆变器滤波电容。

需要说明的是，根据电网阻抗动态调整ESO带宽，使之能够实时适应电网阻抗的变化，更快地跟踪状态变化，更好地估计总扰动，确保在不同的电网阻抗条件下都能稳定运行，增强了逆变器对外部环境变化的适应能力。

在低频段，ESO能够准确估计出如电网电压波动、负载变化等引起的中低频扰动信号。这些估计值可用于抗扰补偿律，对控制输入进行调整，以抵消扰动对逆变器的影响。

ILADRC算法采用线性函数替代传统非线性跟踪方式，降低计算复杂度，生成过渡过程信号，抑制输入信号的快速跳变对逆变器的冲击，最终输出低频补偿量，即电压环补偿量，范围为-5V~+5V，若超出此范围，进行饱和处理；需要说明的是，该范围为预设范围，用于控制逆变器的稳定性和响应能力，实施者可根据实际情况自行调整。

中低频扰动通常具有不确定性和复杂性，如光照强度变化、电网电压和频率的慢变化等，这些扰动难以精确建模和预测。ILADRC具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。它能够实时估计和补偿逆变器中的未知扰动，对于中低频段的各种不确定扰动都能有效地进行抑制，保证逆变器的稳定性和输出的准确性。

在面对负载变化、电网故障等动态过程时，ILADRC能够快速调整控制输出，使逆变器在中低频段具有良好的动态响应性能。它可以通过实时估计和补偿扰动，加快逆变器的动态响应速度，减少逆变器在动态过程中的超调量和调节时间，使光伏并网逆变器在中低频段能够快速、稳定地适应各种工况的变化，提高逆变器的可靠性和运行效率。

（4）协同控制层：对得到的所有高频补偿量以及低频补偿量进行加权，得到综合控制量。

协同控制层最终输出为，其中，表示综合控制量，范围为-12V~+12V，表示高频能量占比，即计算所有信号的高频分量的能量与总能量的占比，表示MPC输出所有高频补偿量的和值，表示ILADRC输出的所有低频补偿量的和值。

应当理解的是，高频能量占比可以动态调整高频段MPC模块和低频段ILADRC模块的输出权重。当高频能量占比较高时，增加MPC模块的控制作用；反之，当高频能量占比低时，相对加强ILADRC模块的作用，以此实现多频段的协同控制，确保逆变器在不同工况下都能保持良好的性能和稳定性。

（5）输出执行层：基于所述综合控制量对逆变器进行动态控制。

根据协同控制层输出的综合控制量生成逆变器开关管的驱动信号，关键参数为：载波频率10kHz（三角波）、死区时间2（基于IGBT开关特性设定）、调制方式SPWM，调制比范围0.2~0.9。最终将输出驱动脉冲信号，完成逆变器的动态控制。

本申请提供适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，所述方法包括：首先通过频域分割层将高频噪声与低频扰动进行分割，利用MPC模块有效抑制开关噪声等高频扰动，让电能中的高频成分更加纯净，减少对其他电气设备的干扰，提高整体电能质量；利用ILADRC模块专注于应对光照强度变化、负载低频变化等低频扰动，保障中低频段电能的稳定性和可靠性，减少电压波动和闪变的问题；通过多频段协同控制，全面处理不同频段的扰动，避免了扰动之间的相互耦合对逆变器性能的影响；最后利用协同控制策略，根据电网阻抗等参数的变化，通过动态调整MPC与ILADRC的输出权重，确保逆变器在不同电网工况下都能稳定运行，提高逆变器对弱电网环境的适应性和鲁棒性，相较于传统单一控制方法，能更有效地利用太阳能资源，提高光伏发电系统的整体转换效率，使系统在不同光照和负载条件下都能更高效地运行。

附图中的流程图和框图显示了根据本申请实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。在附图中的流程图和框图所对应的描述中，不同的方框所对应的操作或步骤也可以以不同于描述中所披露的顺序发生，有时不同的操作或步骤之间不存在特定的顺序。例如，两个连续的操作或步骤实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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申请各实施例技术方案的范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，该方法通过以下组件实现：

数据采集层，用于采集电压信号、电流信号、等效电感以及逆变器滤波电容；

频域分割层，连接数据采集层，用于通过频率对电压信号和电流信号进行分频处理，将分离后的信号分量分别传输到不同的控制层模块；

复合控制层，连接频域分割层，包括MPC模块以及ILADRC模块；

所述MPC模块用于基于分离后的高频信号分量的变化特征，构建MPC算法的目标函数，利用MPC算法输出高频补偿量；

所述ILADRC模块用于基于电网等效电感以及逆变器滤波电容动态调整ILADRC算法中的ESO的带宽，结合分离后的低频信号分量，利用ILADRC算法得到低频补偿量；

协同控制层，连接复合控制层，用于对得到的所有高频补偿量以及低频补偿量进行加权，得到综合控制量；

输出执行层，连接协同控制层，用于基于所述综合控制量对逆变器进行动态控制。

2.如权利要求1所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述通过频率对电压信号和电流信号进行分频处理，具体为：

基于电网的等效电感以及逆变器滤波电容，计算截止频率；

将经过滤波后大于截止频率的电压信号划分为电压高频分量、小于等于截止频率的电压信号划分为电压低频分量；

将经过滤波后大于截止频率的电流信号划分为电流高频分量、小于等于截止频率的电流信号划分为电流低频分量。

3.如权利要求2所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述截止频率的具体公式为：，其中，表示截止频率，、分别表示电网的等效电感、逆变器滤波电容。

4.如权利要求1所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述基于分离后的高频信号分量的变化特征，构建MPC算法的目标函数，具体公式为：；式中，F表示MPC算法的目标函数；N表示预测时域N；表示在第k个时刻控制输入电压高频分量的变化量；表示在第k个时刻控制输入电流高频分量的变化量；表示范数；表示预设的权重系数。

5.如权利要求4所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述电压高频分量的变化量具体为相邻时刻控制输入电压高频分量的差值。

6.如权利要求1所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述动态调整ILADRC算法中的ESO的带宽的公式为：，其中，表示ESO带宽，表示电网等效电感，表示逆变器滤波电容。

7.如权利要求1所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述利用ILADRC算法得到低频补偿量，具体为：

将电压低频分量以及电流低频分量作为ILADRC算法的输入，根据ESO的组宽动态调整，得到低频补偿量。

8.如权利要求1所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述对得到的所有高频补偿量以及低频补偿量进行加权，得到综合控制量，具体为：

将高频能量占比作为权重，对所有高频补偿量的和值以及所有低频补偿量的和值进行加权，得到综合控制量。

9.如权利要求8所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述高频能量占比具体为所有信号的高频分量的能量与总能量的占比。

10.如权利要求1所述的适用于光伏电力资源并网的逆变器动态控制方法，其特征在于，所述对逆变器进行动态控制，具体为：

根据协同控制层输出的综合控制量生成逆变器开关管的驱动信号，生成的驱动信号来控制逆变器开关管的开关状态。