多谐振VPI和PI联合控制的单相光伏并网逆变器控制方法

多谐振vpi和pi联合控制的单相光伏并网逆变器控制方法
技术领域
1.本发明涉及新能源光伏发电技术领域，具体涉及多谐振vpi和pi联合控制的单相光伏并网逆变器控制方法。


背景技术：

2.太阳能资源丰富、可再生、无污染，是最有应用前景的可持续能源，太阳能应用的最有效途径是光伏发电，逆变器是太阳能光伏发电并网的接口部件，逆变器的入网滤波器影响着进网电流中的谐波含量，与l和lc滤波器相比，在相同滤波效果的情况下，lcl滤波器的总电感量更小，更有利于提高电流动态性能，同时能降低成本，减小装置的体积和重量。逆变器并网控制技术是获得高质量并网电能的关键，为了得到符合并网要求的高质量电能，需要对逆变器开发与设计合适的并网电流控制方法。在单相光伏并网逆变器电流控制策略的研究中，目前被广泛使用的有：比例积分(roportional integral,pi)控制、重复(repetitive)控制、比例谐振(proportional resonant,pr)控制以及谐波谐振(harmonic resonant,hr)控制等。pi控制具有简单、易实现的特点，能消除直流稳态误差，应用最为广泛，但pi控制无法实现对交流量的无差调节。重复控制能逐周期地修正电压，理论上可以对交流量实现无差调节，但重复控制具有一个周期的输出延迟，因此动态响应较差。pr控制虽然能实现交流信号无静差控制，但电网电压高次谐波影响无法消除。hr控制由多个谐振控制并联使用，可以同时处理多个频率的奇数次谐波信号，hr通常和pi或pr结合在一起使用。矢量比例积分(vector proportional integral，vpi)控制是一种基于pi控制、专为跟踪或消除k次谐波分量而提出的新型控制器，vpi控制在低频段稳定性突出，并且能够快速跟踪基波正弦电流，可以提高系统稳定性。并网逆变器系统中用一个vpi控制器可以针对某一特定谐波频率进行抑制，但是在电网中较宽频率范围内多频率谐波就难以抑制，因此使用vpi控制与hr控制相结合，构造成多谐振vpi控制器，但是多谐振vpi控制器单独使用时光伏逆变器输出电流会产生偏移，不利于电能的稳定并网，为解决此问题，需采用多谐振vpi与pi联合电流控制方法。


技术实现要素：

3.本发明目的：在于提供多谐振vpi和pi联合控制的单相光伏并网逆变器控制方法，抑制多个频率的奇次谐波，提高相应谐振频率处的增益，消除并网电流的直流分量，获得高质量的并网电能。
4.为实现以上功能，本发明设计多谐振vpi和pi联合控制的单相光伏并网逆变器控制方法，单相光伏并网逆变器为单相lcl型光伏并网逆变器，执行如下步骤s1-步骤s6，完成单相lcl型光伏并网逆变器并网：
5.s1:以lcl滤波器作为单相lcl型光伏并网逆变器的入网滤波器，通过添加电容电流反馈系数k，引入有源阻尼，得到阻尼电流ib，抑制lcl滤波器谐振尖峰；
6.s2:基于vpi控制器，通过加入截止频率，构成准vpi控制器；
7.s3:基于s2所获得的准vpi控制器，通过并联至少两个截止频率不同的准vpi控制器，构成多谐振vpi控制器，将给定并网电流i
ref
与实际并网电流i0的差值作为多谐振vpi控制器的输入，获得多谐振vpi控制器的输出；
8.s4:将并网电流直流量参考值i
dc
与实际并网电流i0的差值作为pi控制器的输入，获得pi控制器的输出；
9.s5:将多谐振vpi控制器的输出与pi控制器的输出相加，相加后所得的信号与阻尼电流ib做差得到误差电流ia，误差电流ia经过正弦脉宽调制，输出作为逆变器开关管开通与关断的控制信号，完成单相lcl型光伏并网逆变器并网；
10.s6:单相lcl型光伏并网逆变器的输出电流经过lcl滤波器，得到实际并网电流i0，获得多谐振vpi和pi联合控制的单相lcl型光伏并网逆变器的开环传递函数，通过设置开环传递函数的参数，保证并网系统的稳定性。
11.作为本发明的一种优选技术方案：步骤s1中所述lcl滤波器的传递函数y
lcl
(s)和lcl滤波器的谐振角ωn如下式：
[0012][0013]
式中，k
pwm
为直流侧电压与三角载波幅值的比值，k为电容电流反馈系数，l1、l2为lcl滤波器中的电感值，c0为lcl滤波器中电容c0的电容值，s为复频率。
[0014]
作为本发明的一种优选技术方案：步骤s2中所述vpi控制器的传递函数g
vpi
(s)如下式：
[0015][0016]
所述准vpi控制器的传递函数g
准vpi
(s)如下式：
[0017][0018]
式中，k
kp
为vpi控制器的比例系数，k
ir
为vpi控制器的谐振系数，ωr为vpi控制器的基波频率，ωc为谐振频率处带宽，s为复频率。
[0019]
作为本发明的一种优选技术方案：步骤s3中将直流母线电压u
bus
与给定的基准电压u
ref
的误差经过pi控制器调节获得并网电流的基准幅值ir，通过锁相环控制算法求得电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值ir相乘获得给定并网电流i
ref
。
[0020]
作为本发明的一种优选技术方案：步骤s3中所述多谐振vpi控制器的传递函数g
多谐振vpi
(s)如下式：
[0021][0022]
式中，n表示待抑制的谐波次数，k
kp
为vpi控制器的比例系数，k
ir
为vpi控制器的谐
振系数，ωr为vpi控制器的基波频率，ωc为谐振频率处带宽，s为复频率。
[0023]
作为本发明的一种优选技术方案：所述多谐振vpi控制器由四个截止频率不同的准vpi控制器并联构成，各准vpi控制器所针对的谐波次数分别为1、3、5、7次谐波。
[0024]
作为本发明的一种优选技术方案：步骤s4中pi控制器的传递函数g
pi
(s)如下式：
[0025][0026]
式中，k
p
为pi控制器的比例系数，ki为pi控制器的积分系数，s为复频率。
[0027]
作为本发明的一种优选技术方案：步骤s5中误差电流ia作为调制波，经过正弦脉宽调制，输出的信号作为单相lcl型光伏并网逆变器的开关管导通与关断的控制信号，实现单相lcl型光伏并网逆变器并网。
[0028]
作为本发明的一种优选技术方案：步骤s6中多谐振vpi和pi联合控制的单相lcl型光伏并网逆变器的开环传递函数g
open
(s)如下式：
[0029][0030]
式中，g
多谐振vpi
(s)为多谐振vpi控制器的传递函数，g
pi
(s)为pi控制器的传递函数，k
pwm
为直流侧电压与三角载波幅值的比值，k为电容电流反馈系数，l1、l2为lcl滤波器中的电感值，c0为lcl滤波器中电容c0的电容值，s为复频率。
[0031]
有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：
[0032]
解决了现有光伏并网逆变器中电流谐波成分较大及输出电流偏移问题，既抑制较宽频率范围内多个频率的奇次谐波电流，又消除并网电流中的直流成分，在保证逆变器稳定运行的前提下，获得高质量的并网电能。
附图说明
[0033]
图1是根据本发明实施例提供的光伏逆变器系统结构示意图；
[0034]
图2是根据本发明实施例提供的多谐振vpi和pi联合控制的单相光伏并网逆变器控制框图；
[0035]
图3是根据本发明实施例提供的lcl滤波器的bode图；
[0036]
图4是根据本发明实施例提供的pr、vpi和准vpi bode图；
[0037]
图5是采用多谐振vpi和pi联合控制的开环传递系统bode图；
[0038]
图6是采用多谐振vpi控制输出的并网电流仿真波形图；
[0039]
图7是采用多谐振vpi和pi联合控制输出的并网电流仿真波形图；
[0040]
图8是采用多谐振vpi控制器输出的并网电流仿真谐波分布图；
[0041]
图9是采用多谐振vpi和pi联合控制输出的并网电流仿真谐波分布图。
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
光伏逆变器系统结构示意图参照图1，光伏并网发电系统包括光伏阵列、boost升压电路、全桥逆变器、控制器与lcl滤波器，其中l1，c0和l2的等效串联电阻相对较小，在本发
明中不予考虑。c1为升压储能电容器，用于稳定光伏阵列输出电压；boost升压电路将光伏阵列的电压升高到400v左右，其中开关管q1的驱动信号由控制器根据升压要求及对光伏电池的最大功率追踪要求单独产生，不在全桥逆变器的控制环路中；全桥逆变器将400v直流电压逆变为220v交流电压。控制器包括电压外环和并网电流内环，采用电压外环实现功率平衡，具体方式为：将直流母线电压u
bus
与给定的基准电压u
ref
的误差经过pi调节得到并网电流的基准幅值ir，通过锁相环控制算法求得电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值ir相乘得到给定并网电流i
ref
；采用电流内环实现对参考电流的跟踪，其具体方式为：电容电流ic通过添加反馈系数k增加lcl滤波器有源阻尼，获得阻尼电流ib，参考电流i
ref
与实际并网电流i0的误差经过多谐振vpi与pi联合控制后，与阻尼电流ib做差得到误差电流ia，误差电流ia作为调制波，经过正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，spwm)，输出作为逆变器开关管q2～q5开通与关断的控制信号，实现逆变并网。
[0044]
多谐振vpi和pi联合控制的单相光伏并网逆变器控制框图参照图2，其中ug(s)为电网电压；
[0045]
本发明实施例提供的多谐振vpi和pi联合控制的单相光伏并网逆变器控制方法，单相光伏并网逆变器为单相lcl型光伏并网逆变器，其特征在于，执行如下步骤s1-步骤s6，完成单相lcl型光伏并网逆变器并网：
[0046]
s1:以lcl滤波器作为单相lcl型光伏并网逆变器的入网滤波器，通过添加电容电流反馈系数k，引入有源阻尼，得到阻尼电流ib，抑制lcl滤波器谐振尖峰；
[0047]
步骤s1中所述lcl滤波器的传递函数y
lcl
(s)和lcl滤波器的谐振角ωn如下式：
[0048][0049]
式中，k
pwm
为直流侧电压与三角载波幅值的比值，k为电容电流反馈系数，l1、l2为lcl滤波器中的电感值，c0为lcl滤波器中电容c0的电容值，s为复频率。
[0050]
lcl滤波器的bode图参照图3，由于lcl滤波器本身存在谐振尖峰，如果没有采取适当的措施阻尼谐振尖峰，即图3中电容电流反馈系数k＝0时，由bode图可以看出谐振频率fn＝2πωn处发生振荡，其相位发生-90
°
到-270
°
的一个-180
°
的跳变，这会给光伏逆变系统带来失稳风险；当k＝0.1时，系统的有源阻尼抑制了谐振尖峰；当k＝0.4时，阻尼抑制谐振尖峰的效果更加明显，此时与k＝0.1时相比，k对低频段和高频段的幅频特性影响很小，但是系统的相角变小了。
[0051]
s2:基于vpi控制器，通过加入截止频率，构成准vpi控制器；
[0052]
步骤s2中所述vpi控制器的传递函数g
vpi
(s)如下式：
[0053][0054]
所述准vpi控制器的传递函数g
准vpi
(s)如下式：
[0055][0056]
式中，k
kp
为vpi控制器的比例系数，k
ir
为vpi控制器的谐振系数，ωr为vpi控制器的基波频率，ωc为谐振频率处带宽，取值为5～10rad/s，s为复频率。
[0057]
pr控制器传递函数为：可以看出vpi控制器与pr控制器有相似之处，是因为它们都属于谐振控制器。pr、vpi和准vpi的bode图参考图4，由图4可知，vpi控制器相比于pr控制器有90
°
相位补偿的特性，在低频段具有优越的跟踪性能；准vpi与vpi相比，准vpi控制器仍然有90
°
相位补偿的特性，并且准vpi在基频处的增益虽然没有vpi的大，但是当基频发生偏移时，准vpi控制器受到影响后其带宽变化的幅度不大，可以很好地减小电网频率波动对控制器的影响。
[0058]
s3:基于s2所获得的准vpi控制器，通过并联至少两个截止频率不同的准vpi控制器，构成多谐振vpi控制器，将给定并网电流i
ref
与实际并网电流i0的差值作为多谐振vpi控制器的输入，获得多谐振vpi控制器的输出；
[0059]
步骤s3中将直流母线电压u
bus
与给定的基准电压u
ref
的误差经过pi控制器调节获得并网电流的基准幅值ir，通过锁相环控制算法求得电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值ir相乘获得给定并网电流i
ref
。
[0060]
所述多谐振vpi控制器的传递函数g
多谐振vpi
(s)如下式：
[0061][0062]
式中，n表示待抑制的谐波次数，k
kp
为vpi控制器的比例系数，k
ir
为vpi控制器的谐振系数，ωr为vpi控制器的基波频率，ωc为谐振频率处带宽，s为复频率。
[0063]
在一个实施例中，所述多谐振vpi控制器由四个截止频率不同的准vpi控制器并联构成，各准vpi控制器所针对的谐波次数分别为1、3、5、7次谐波。
[0064]
s4:将并网电流直流量参考值i
dc
与实际并网电流i0的差值作为pi控制器的输入，获得pi控制器的输出；
[0065]
步骤s4中pi控制器的传递函数g
pi
(s)如下式：
[0066][0067]
式中，k
p
为pi控制器的比例系数，ki为pi控制器的积分系数，s为复频率。
[0068]
比例积分控制中比例调节的作用就是立即产生调节作用以减少偏差，基于pi控制与步骤s3中的多谐振vpi联合控制，不仅弥补了输出电流偏移，系统不稳定的问题，还消除了并网电流中的直流分量。
[0069]
s5:将多谐振vpi控制器的输出与pi控制器的输出相加，相加后所得的信号与阻尼电流ib做差得到误差电流ia，误差电流ia作为调制波，经过正弦脉宽调制，输出作为逆变器开关管开通与关断的控制信号，完成单相lcl型光伏并网逆变器并网。
[0070]
s6:单相lcl型光伏并网逆变器的输出电流经过lcl滤波器，得到实际并网电流i0，获得多谐振vpi和pi联合控制的单相lcl型光伏并网逆变器的开环传递函数，通过设置开环传递函数的参数，保证并网系统的稳定性。
[0071]
步骤s6中多谐振vpi和pi联合控制的单相lcl型光伏并网逆变器的开环传递函数g
open
(s)如下式：
[0072][0073]
式中，g
多谐振vpi
(s)为多谐振vpi控制器的传递函数，g
pi
(s)为pi控制器的传递函数，k
pwm
为直流侧电压与三角载波幅值的比值，k为电容电流反馈系数，l1、l2为lcl滤波器中的电感值，c0为lcl滤波器中电容c0的电容值，s为复频率。
[0074]
采用多谐振vpi和pi联合控制的开环传递系统bode图参考图5，图5中以3kw单相光伏并网逆变器为例，其中：c0＝4.7uf，l1＝1.6mh，l2＝0.6mh，k
kp
＝0.05，k
ir
＝5，k
p
＝0.07，ki＝0.1，ωr＝314，ωc＝5rad/s，k＝0.25。多谐振vpi控制器本身具有相频特性的优势，为系统带来更大的相角裕度，由图5可知，多谐振vpi与pi联合控制的开环系统在谐振点处不会出现-180
°
跳变，并且相角裕度和幅值裕度满足系统稳定条件，能够保证系统稳定性。
[0075]
采用多谐振vpi控制输出的并网电流仿真波形图参考图6，采用多谐振vpi和pi联合控制输出的并网电流仿真波形图参考图7，对比图6与图7可得到结论：多谐振vpi和pi联合电流控制方法解决了多谐振vpi控制有输出电流偏移、系统不稳定的问题，验证了多谐振vpi和pi联合电流控制方法在单相lcl型光伏并网逆变器系统中的有效性和优越性。
[0076]
采用多谐振vpi控制器输出的并网电流仿真谐波分布图参考图8，其总谐波含量率为2.03％，采用多谐振vpi和pi联合控制输出的并网电流仿真谐波分布图参考图9，其总谐波含量为1.23％，都小于国际标准规定的5％。由图8和图9对比可以看出，多谐振vpi和pi联合电流控制方法比单一的使用多谐振vpi控制时总谐波含量少0.8％。并且多谐振vpi和pi联合电流控制在频率为0时，基波百分比趋于0，说明直流分量被消除。
[0077]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。