本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有三相并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了LCL型并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)電流控制策略為在dq坐標系下的重復(fù)控制。在圖1中，LCL型濾波器包括三個部分：變流器側(cè)電感L₁、并網(wǎng)側(cè)電感L₂和濾波電容C。由于線路以及電感上的電阻很小，以下分析中忽略其阻值。

并網(wǎng)電流與逆變器側(cè)電壓的傳遞函數(shù)為

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，傳統(tǒng)重復(fù)控制可抑制周期擾動信號，具備高增益特性，是較常用的并網(wǎng)電流控制策略方法，當(dāng)實際電網(wǎng)的頻率波動時，會對參考信號的跟蹤精度產(chǎn)生很大的影響，傳統(tǒng)重復(fù)控制傳遞函數(shù)為

T、ω₀分別為基波周期和基波頻率，重復(fù)環(huán)節(jié)通過指數(shù)函數(shù)的展開為多個諧振控制器的和，即

重復(fù)控制內(nèi)模離散模式為

雖然傳統(tǒng)重復(fù)控制通過周期性的方式能很好的消除周期性的諧波干擾，但是由于內(nèi)?？刂苹谏弦恢芷诘挠嬎惴椒?，離散模型中含有一個周期的延遲環(huán)節(jié)，導(dǎo)致無法抑制第一個周期和非周期的諧波，使得系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度慢，易受電網(wǎng)波動影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的控制方法，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和抗擾動性能。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的控制方法，控制方法基于PI控制器并聯(lián)重復(fù)控制器實現(xiàn)，具體包括以下步驟；

(1)三相LCL型并網(wǎng)逆變器主電路設(shè)計

三相LCL型并網(wǎng)逆變器包括三相全橋逆變器和LCL型濾波器，用于將輸入的直流電壓變換為交流電壓；其中LCL型濾波器包括逆變器側(cè)電感L₁、電網(wǎng)側(cè)電感L₂和濾波電容C，電學(xué)連接逆變橋和電網(wǎng)，濾波器電感總量C_f產(chǎn)生的無功被限制為不超過5％的系統(tǒng)額定功率；阻尼電阻

(2)采樣電網(wǎng)側(cè)電流信號和電壓信號，并將信號從三相靜止坐標變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標，取出；采樣電網(wǎng)側(cè)電壓信在參考電流信號的比較下，對兩相旋轉(zhuǎn)坐標中的并網(wǎng)電流進行解耦、校正，再將兩相旋轉(zhuǎn)坐標轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標，通過SVPWM生成六路脈沖波形控制三相全橋逆變器中六個IGBT的開關(guān)狀態(tài)；

(3)采用重復(fù)PI復(fù)合控制器校正并網(wǎng)電流，在重復(fù)控制器上并聯(lián)PI控制器，其中PI控制器為PI(z)＝K_P+K_Iz^-1，K_p、K_I分別代表比例環(huán)節(jié)系數(shù)、積分環(huán)節(jié)系數(shù)；其中重復(fù)控制器基于內(nèi)模原理，包括內(nèi)模模塊和補償器，所述內(nèi)模模塊結(jié)構(gòu)為所述補償器由補償增益k_r、超前環(huán)節(jié)z^m,m＞0、零相移陷波器S₁(z)、二階低通濾波器S₂(z)四個部分組成，為C(z)＝k_r·z^m·S₁(z)·S₂(z)。

優(yōu)選的，在步驟(3)中所述的PI控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)設(shè)定。

優(yōu)選的，在步驟(3)中所述的內(nèi)模模塊引入兩個可調(diào)整的系數(shù)——內(nèi)模系數(shù)Q、重復(fù)控制系數(shù)K_R。

優(yōu)選的，在步驟(3)中所述的重復(fù)控制器采用分數(shù)階實現(xiàn)，具體包括內(nèi)模模塊中的分數(shù)階相位延遲和補償器中的分數(shù)階相位校正。

本發(fā)明從抑制變換器諧波產(chǎn)生和抗電網(wǎng)波動兩大擾動因素來改善傳統(tǒng)重復(fù)控制的不足，針對傳統(tǒng)重復(fù)控制器基于采用上一周期值做迭代的原理不能處理非周期諧波和易受電網(wǎng)頻率波動影響導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，提出了一種多目標重復(fù)控制器，從PI參數(shù)、內(nèi)模系數(shù)、重復(fù)控制系數(shù)和分數(shù)階相位校正四個方面進行設(shè)計，增強了并網(wǎng)電流對參考信號的跟蹤精度，改善了系統(tǒng)抗電網(wǎng)頻率波動的能力，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

【附圖說明】

圖1 LCL型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2傳統(tǒng)重復(fù)控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3本發(fā)明重復(fù)PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 Ki-Kp取值區(qū)域

圖5 Q取不同值時的幅頻特性圖

圖6 Q＝0.98時KR取不同值的幅頻特性圖

圖7分數(shù)階超前環(huán)節(jié)相位補償示意圖

圖8傳統(tǒng)重復(fù)控制圖

(a)并網(wǎng)電流波形

(b)THD分析圖

圖9多目標重復(fù)控制圖

(a)并網(wǎng)電流波形

(b)THD分析圖

【具體實施方式】

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明改進的多目標重復(fù)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，從PI參數(shù)、內(nèi)模系數(shù)、重復(fù)控制系數(shù)以及相位的分數(shù)階校正等幾個方面對控制器進行綜合設(shè)計，同時去解決對并網(wǎng)電流信號的跟蹤速度、校正精確度和提高抗電網(wǎng)頻率波動干擾性能等多個問題。

1重復(fù)PI控制參數(shù)設(shè)計

本發(fā)明利用了PI控制器的快速響應(yīng)能力來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，采用PI并聯(lián)重復(fù)控制的系統(tǒng)在第一個基波周期內(nèi)的動態(tài)性能完全由PI控制器實現(xiàn)，如圖3所示。根據(jù)閉環(huán)控制傳遞函數(shù)特征方程，對PI控制器進行穩(wěn)定性分析來選取合適的PI參數(shù)。

PI控制器參數(shù)設(shè)計過程如下：

PI閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程為

L₁L₂Cs⁴+RC(L₁+L₂)s³+(L₁+L₂+RCK_P)s²+(L₁+L₂+RCK_i+K_p)s+K_i＝0 (5)

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可得

其中

系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為A₁＞0，A₂＞0。

LCL型濾波器參數(shù)設(shè)計如下：從穩(wěn)態(tài)條件下逆變器輸出有功功率的能力來考慮，(其中E_P為網(wǎng)側(cè)電壓的峰值；I_LP為電感電流的峰值)；C_f產(chǎn)生的無功被限制為不超過5％的系統(tǒng)額定功率，由于C_f越大，使產(chǎn)生的無功功率也越大，降低了逆變器的功率變換效率；阻尼電阻(ω_res為諧振角頻率，且諧振頻率設(shè)計在10倍基波頻率和0.5倍開關(guān)頻率之間)。本發(fā)明取L₁＝0.45mH、L₂＝0.1mH、C＝500μF、R＝0.14Ω，繪制K_p-K_i如圖4所示，陰影區(qū)域取值都能使系統(tǒng)穩(wěn)定。

PI控制器包括一個比例環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)，模型為Kp、Ki分別代表比例系數(shù)、積分系數(shù)。

陰影區(qū)域的值是根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)得來的，勞斯穩(wěn)定判據(jù)是用來判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定最基礎(chǔ)的方法。

2內(nèi)模系數(shù)設(shè)計

為了改善式(4)內(nèi)模模塊對并網(wǎng)電流信號控制的不可調(diào)節(jié)性，提高控制器在系統(tǒng)被不穩(wěn)定電網(wǎng)干擾情況下的適應(yīng)性，本發(fā)明在傳統(tǒng)內(nèi)模離散模式上加入兩個系數(shù)：內(nèi)模系數(shù)Q、重復(fù)控制系數(shù)K_R，如圖3所示。

重復(fù)控制內(nèi)膜離散模式中，加入系數(shù)Q來調(diào)節(jié)增益和帶寬，常將內(nèi)模系數(shù)Q設(shè)置為常數(shù)或者低通濾波器。當(dāng)Q＝1時，重復(fù)控制器在各個諧振頻率上增益無窮大，但諧振頻率附近的帶寬較小，易受電網(wǎng)頻率波動影響；當(dāng)Q<1或者為零相位低通濾波器時，增益為有限值，諧振頻率點的增益顯著下降，導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤誤差增大。圖5為在基波頻率處Q取不同值時的幅頻特性。

為了使重復(fù)控制器對電網(wǎng)頻率波動敏感度降低，同時具有較高的諧振頻率點增益，引入了一個重復(fù)控制系數(shù)。在取Q＝0.98的情況下，分析K_R取不同的值時的增益情況，如圖6所示，K_R能放大增益，且不影響增益帶寬。本發(fā)明取K_R＝20，保證控制器較高的諧振增益和較大的諧振帶寬，提高系統(tǒng)的抗擾動性能，減小控制器的跟蹤誤差。

3分數(shù)階的實現(xiàn)

3.1分數(shù)階實現(xiàn)原理

對于分數(shù)階其中N_i為小于且最接近N的整數(shù)、0＜D＜1?；谟邢逈_擊響應(yīng)濾波器的原理，z^-D由拉格朗日插值多項式近似為

其中拉格朗日系數(shù)為

在此，取N_m＝5，z^-D用z^-k表示如表1所示。

表1分數(shù)階轉(zhuǎn)化成整數(shù)階表示

3.2分數(shù)階延遲環(huán)節(jié)

若式(6)中，N為每個周期采樣數(shù)，即系統(tǒng)的采樣頻率f_s與基波頻率f之比。傳統(tǒng)的方法中，當(dāng)N為整數(shù)時，能精確跟蹤輸入實現(xiàn)無靜差輸出；當(dāng)電網(wǎng)頻率出現(xiàn)低頻波動時，N并不為整數(shù)，常采取四舍五入成整數(shù)的方法代入。為了抗電網(wǎng)波動，提高重復(fù)控制的跟蹤精度，本發(fā)明采用分數(shù)階延遲環(huán)節(jié)，如式(9)所示。

例如z^-200.5＝z^-200*z^-0.5，根據(jù)表1可知，

z^-0.5＝0.246z⁰+1.230z^-1-0.820z^-2+0.492z^-3-0.176z^-4+0.027z^-5

內(nèi)模離散模型可表示為

3.3分數(shù)階相位校正

圖3中補償器C(z)＝k_r·z^m·S₁(z)·S₂(z)，其中分別為補償增益k_r、超前環(huán)節(jié)z^m(m＞0)、零相移陷波器S₁(z)、二階低通濾波器S₂(z)四個部分組成。其中z^m補償由低通濾波器和被控對象引入的相位滯后，保持中低頻段零相移。令G₁(z)＝[PI(z)+G(z)k_rS₁(z)S₂(z)]·P(z)，z^m對G₁(z)的相位補償如圖7所示，取z^-m與G₁(z)的相位進行比較。。由圖可知，當(dāng)m＝2時，隨著頻率增大，超前環(huán)節(jié)無法補償G₁(z)；m＝3時，超前環(huán)節(jié)遠遠超過了G₁(z)所需要的補償；m取2到3中間的小數(shù)時，z^m對G₁(z)的相位補償對比，可見當(dāng)m＝2.4時，能很好的補償重復(fù)控制和負載帶來的相位滯后，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

以下通過具體實例對比，說明本發(fā)明的效果。

仿真參數(shù)為：并網(wǎng)電壓U_abc＝380V、頻率f＝49.5Hz(實際應(yīng)為f＝50Hz，制造0.5Hz的電網(wǎng)頻率波動干擾)；系統(tǒng)采用SVPWM調(diào)制，直流輸入電壓考慮到主電路上的部分壓降，本發(fā)明取U_dc＝700V；開關(guān)頻率固定為f_s＝10kHz。分別對傳統(tǒng)重復(fù)控制器和多目標重復(fù)控制器工作的三相LCL并網(wǎng)逆變器進行仿真，在仿真0.1秒時增大逆變器功率，參考電流從50A轉(zhuǎn)換為80A。

仿真波形對比如圖8、圖9所示，由圖可知：

(1)、如圖8(a)和圖8(b)所示，傳統(tǒng)重復(fù)控制在參考電流改變的第一個周期內(nèi)不能校正并網(wǎng)電流，對擾動信號的抑制延遲一個周期；如圖9(a)和圖9(b)所示，多目標重復(fù)控制器能對突變電流信號進行跟蹤控制，很快的校正并網(wǎng)電流。

(2)、傳統(tǒng)重復(fù)控制下的系統(tǒng)在電網(wǎng)頻率波動的情況下，總電流的諧波總畸變率THD＝8.67％，超過了電網(wǎng)對諧波的要求；而多目標重復(fù)控制中內(nèi)膜系數(shù)和重復(fù)控制系數(shù)的作用使得控制增益增大，抗擾動性能得到了明顯改善，電流諧波總畸變率THD降到2.11％。

綜上所述，相比傳統(tǒng)重復(fù)控制，多目標重復(fù)控制提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，增強了并網(wǎng)電流對參考信號的跟蹤精度，改善了系統(tǒng)抗電網(wǎng)頻率波動的能力，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，通過上述說明內(nèi)容，本技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)工作人員可以在不偏離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，進行多樣的改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。