一种LCCL型光伏并网逆变器dq轴解耦控制设计方法与流程

本发明涉及控制技术领域，具体是一种LCCL型光伏并网逆变器dq轴解耦控制设计方法。

背景技术：

能源是人类生产生活中的动力来源。当今人类所使用的能源以一次能源为主，如石油、煤炭、天然气等不可再生的化石能源。由于环境污染日益加剧和化石能源的不断紧缺，风能、太阳能、潮汐能等具有可再生、无污染、绿色环保等特点的新能源已经成为当今研究的重点。在新能源发电过程中，由于电网电压是恒定的交流电，而风力发电机的输出为频率随风速变化的交流电，太阳能电池输出的是直流电，所以，并网逆变器就成为了新能源发电系统中的一个重要组成部分。

光伏发电并网中，光伏并网系统的暂态特性就由逆变器起着引导作用。在电力系统中仿真模型参数计算的准确性对系统的分析至关重要。然而参数选取的有效方法是对仿真测量数据通过逆变器模型的辨识而获得。通过建模仿真获得较好的模型参数，基于LCCL型光伏并网逆变器采用SVPWM控制，其LCCL滤波器具有更强的谐波抑制能力，减小阻尼损耗，提高电网电流质量。在光伏并网逆变器中，采用逆变器输出电流的矢量控制方法来实现网侧有功分量、无功分量的控制。在实际控制中，当并网逆变器的输出电流与电网侧电压相位相同时，则实现单位功率因数的运行；否则当并网逆变器控制其输出的电流相位超前于电网侧电压相位，其并网逆变器的输出为有功分量与无功分量。在电流矢量控制过程中有功分量和无功分量具有耦合性，采用基于PI控制器的dq轴参数解耦辨识控制方法完成解耦控制。本发明提出了基于LCCL型滤波器的无源阻尼控制方式，该滤波器滤除电流中的谐波分量，提高波形质量，从而得到更理想的电流参考量，该电流参考量为改进的解耦控制提供了基础。并改进了解耦控制方法，改进后的解耦控制方法采用dq轴参考量代替dq轴解耦分量。该方法提高了并网系统的动态响应速度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种LCCL型光伏并网逆变器dq轴解耦控制设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题；为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种LCCL型光伏并网逆变器dq轴解耦控制设计方法，包括以下步骤：首先介绍传统解耦控制方法，三相静止坐标系中，定义矢量X_abc＝(x_a,x_b,x_c)^T，E_abc,U_abc,I_abc分别为电网电压矢量、逆变器桥侧电压矢量与并网电流矢量，由于LCCL型与L型滤波器在低频段输出特性基本一致，则逆变器的电压方程可以表示为：

式中R为电感的等效串联电阻。

当只考虑三相平衡系统时，三相系统可以简化成两相系统，将三相abc坐标系下的模型转换成αβ坐标系下的模型，即：

X_αβ＝TX_abc (2)

式中，变换矩阵T为：

X_αβ—矢量，X_αβ＝(x_α，x_β)^T。

则在αβ坐标系下的方程为：

再将αβ坐标系下的模型转换到dq坐标系下，即：

X_dq＝T(θ)X_αβ (5)

式中，变换矩阵T(θ)为：

X_dq—矢量，X_dq＝(x_d，x_q)^T。

结合式(5)、式(6)并进行相应的变化可得到dq坐标系下的方程为：

式中ω₀为同步旋转角速度，且ω₀＝dθ/dt。

由式(7)可得：

由式(8)可知，d、q轴之间存在着耦合，其中任何一个量的调节必然会影响到另一个量，为了实现的d、q轴解耦控制，必须消除他们之间的耦合项。PI电流控制中常采用前馈解耦控制策略，将耦合项前馈到前面的控制信号端；电网电压看作外界扰动，可以通过电压分量的前馈来消除或尽可能的减弱电网电压变化对并网电流的影响，同时电压分量的前馈也减轻PI控制器的负担。SVPWM调制的PI控制器的给定信号为：

改进前的并网电流解耦控制方法是在dq轴PI控制器后的输出上分别加入电网电流交轴分量i_d和直轴分量i_q与总滤波电感感抗w₀L的乘积，这种方法中电网电流存在谐波时，会使电网电流dq轴分量产生脉动，i_d和i_q中的脉动影响解耦分量，使得-w₀Li_q和w₀Li_d也将会存在脉动，进而影响到u_d*和u_q*中脉动的产生，很大程度的降低了电网电流的波形质量，在解耦过程中，参考电压u_d*和u_q*的值由解耦分量-w₀Li_q和w₀Li_d、参考电流i_d*和i_q*共同影响，仅由参考电流i_d*和i_q*的变化不能完全反映出来电压u_d*和u_q*的变化，所以影响了参考电压u_d*和u_q*的变化速率，导致系统的动态特性变差。

作为本发明再进一步的方案：介绍基于LCCL的改进解耦控制，

逆变器输出的电压电流，经过LCCL型无源阻尼滤波器滤除谐波，实现了滤波器谐振尖峰的无源阻尼；因为电容支路对基波电流呈现出高阻态，主要是高频电流分量通过，所以流过电容电流相对较小，再由于LCCL型滤波器是电容并联，将电流分流，使流过电阻的电流更小，电阻产生的损耗也相对小了很多，LCCL型滤波器滤除电流中的谐波，提高了电网电流波形质量，削弱了i_d和i_q中电流脉动。

系统是电流内环闭环控制，其内环是基于PI控制器的有功电流i_d和无功电流i_q的闭环系统，在电流内环中，令q轴的电流给定量i_q*＝0，通过PI控制器的作用实现电压矢量与电流矢量相重合，PI控制器在αβ坐标系下产生的控制信号，经过SVPWM调制控制逆变器的输出，从而实现了闭环控制。

系统经过改进以后，相对于传统的控制方法具有更快的动态响应速度和更稳定的波形。其中参数的定义同上。

该方法是将电网电流解耦分量中的i_d和i_q替换为i_d*和i_q*，由上述公式可以推导出u_d*和u_q*公式如下：

改进后的并网电流解耦控制方法是在dq轴PI控制器后的输出上分别加入电流参考量i_d*和i_q*与总滤波电感感抗w₀L的乘积，当电网电流中存在谐波时，使dq轴解耦分量i_d和i_q产生脉动，该方法避免了解耦分量脉动对电网波形质量的影响，提高了参考电压u_d*和u_q*的反应速度，改善了系统的动态特性。

附图说明

图1为一种LCCL型光伏并网逆变器双环控制系统图。

图2为改进前电流解耦图

图3为改进后电流解耦图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围；

图1为本发明中的一种LCCL型光伏并网逆变器双环控制系统图，如图1所示，检测并入电网网侧三相电压瞬时有效值e_a，e_b，e_c，经静止坐标系变换到αβ坐标系下的分量，通过锁相环PLL锁定电压矢量的旋转角度θ，由此就可以得到同步旋转坐标系的旋转角度θ。对电网电流进行检测，得到电流值i_a、i_b、i_c，基于旋转角度θ进行坐标变换可以得到dq坐标系下的电流分量分别为i_d、i_q，再将i_d、i_q与电流的参考量i_d*、i_q*进行比较，最终在PI控制器的基础上达到对电流检测值无静差控制。

其中PI控制器的闭环控制具有可靠性高，容易实现，控制方便等特点，是工程上常用的一种控制方式。基于PI的电流内环控制和电网电压定向的矢量控制的控制系统原理图。

本发明中，一种LCCL型光伏并网逆变器d q轴解耦控制设计方法，包括以下步骤：

首先介绍传统解耦控制方法，三相静止坐标系中，定义矢量X_abc＝(x_a,x_b,x_c)^T，E_abc,U_abc,I_abc分别为电网电压矢量、逆变器桥侧电压矢量与并网电流矢量，由于LCCL型与L型滤波器在低频段输出特性基本一致，则逆变器的电压方程可以表示为：

式中R为电感的等效串联电阻。

当只考虑三相平衡系统时，三相系统可以简化成两相系统，将三相abc坐标系下的模型转换成αβ坐标系下的模型，即：

X_αβ＝TX_abc (2)

式中，变换矩阵T为：

X_αβ—矢量，X_αβ＝(x_α，x_β)^T。

则在αβ坐标系下的方程为：

再将αβ坐标系下的模型转换到dq坐标系下，即：

X_dq＝T(θ)X_αβ (5)

式中，变换矩阵T(θ)为：

X_dq—矢量，X_dq＝(x_d，x_q)^T。

结合式(5)、式(6)并进行相应的变化可得到dq坐标系下的方程为：

式中ω₀为同步旋转角速度，且ω₀＝dθ/dt。

由式(7)可得：

由式(8)可知，d、q轴之间存在着耦合，其中任何一个量的调节必然会影响到另一个量，为了实现的d、q轴解耦控制，必须消除他们之间的耦合项。PI电流控制中常采用前馈解耦控制策略，将耦合项前馈到前面的控制信号端；电网电压看作外界扰动，可以通过电压分量的前馈来消除或尽可能的减弱电网电压变化对并网电流的影响，同时电压分量的前馈也减轻PI控制器的负担。SVPWM调制的PI控制器的给定信号为：

由图2可知，改进前的并网电流解耦控制方法是在dq轴PI控制器后的输出上分别加入电网电流交轴分量i_d和直轴分量i_q与总滤波电感感抗w₀L的乘积，这种方法中电网电流存在谐波时，会使电网电流dq轴分量产生脉动，i_d和i_q中的脉动影响解耦分量，使得-w₀Li_q和w₀Li_d也将会存在脉动，进而影响到u_d*和u_q*中脉动的产生，很大程度的降低了电网电流的波形质量。在解耦过程中，参考电压u_d*和u_q*的值由解耦分量-w₀Li_q和w₀Li_d、参考电流i_d*和i_q*共同影响，仅由参考电流i_d*和i_q*的变化不能完全反映出来电压u_d*和u_q*的变化，所以影响了参考电压u_d*和u_q*的变化速率，导致系统的动态特性变差。

作为本发明再进一步的方案：介绍基于LCCL的改进解耦控制,

逆变器输出的电压电流，经过LCCL型无源阻尼滤波器滤除谐波，实现了滤波器谐振尖峰的无源阻尼。因为电容支路对基波电流呈现出高阻态，主要是高频电流分量通过，所以流过电容电流相对较小，再由于LCCL型滤波器是电容并联，将电流分流，使流过电阻的电流更小，电阻产生的损耗也相对小了很多。LCCL型滤波器滤除电流中的谐波，提高了电网电流波形质量，削弱了i_d和i_q中电流脉动。

系统是电流内环闭环控制，其内环是基于PI控制器的有功电流i_d和无功电流i_q的闭环系统。在电流内环中，令q轴的电流给定量i_q*＝0，通过PI控制器的作用实现电压矢量与电流矢量相重合，PI控制器在αβ坐标系下产生的控制信号，经过SVPWM调制控制逆变器的输出，从而实现了闭环控制。

系统经过改进以后，相对于传统的控制方法具有更快的动态响应速度和更稳定的波形。其中参数的定义同上。

该方法是将电网电流解耦分量中的i_d和i_q替换为i_d*和i_q*，由上述公式可以推导出u_d*和u_q*公式如下：

改进后的并网电流解耦控制方法是在dq轴PI控制器后的输出上分别加入电流参考量i_d*和i_q*与总滤波电感感抗w₀L的乘积，当电网电流中存在谐波时，使dq轴解耦分量i_d和i_q产生脉动，该方法避免了解耦分量脉动对电网波形质量的影响，提高了参考电压u_d*和u_q*的反应速度，改善了系统的动态特性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。