一种lcl型逆变器的鲁棒延时补偿并网控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是一种LCL型逆变器的鲁棒延时补偿并 网控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着能源危机和环境污染的日益严重，新能源分布式发电技术受到了广泛的关注 与研究。其中，并网逆变器是分布式发电系统的核心部分，其采用的高频功率开关器件会产 生高次谐波，将造成谐波污染。因此，并网逆变器与电网之间需滤波器将其衰减或滤除。
[0003] 相比于L型和LC型并网逆变器，LCL型并网逆变器对高频谐波电流起到较大的衰 减作用。因此，其可以选取较小的电感电容值，得到满意的滤波效果。但由于滤波电容的分 流作用，导致LCL型并网逆变器是一个低阻尼三阶系统，容易发生谐振。采用电容电流反馈 有源阻尼可以有效地抑制谐振，但在数字控制下，由于控制延时的作用，该策略在谐振频率 等于1/6的采样频率时，逆变器无法稳定运行。虽然合适的参数取值可以避免谐振频率等 于1/6的采样频率，但电网电阻的不确定性，易造成谐振频率穿越1/6的采样频率，影响系 统稳定性。因此，为了增强系统对电网阻抗的鲁棒性，并网逆变器的延时补偿方法成为数字 控制系统的研究热点之一。
[0004] 国内文献提出对被控量进行预测的数学控制方法，把采样信号修改为下一周期被 控量的预测值引入控制环路，该方法虽然补偿计算产生的延时，但是不能补偿由零阶保持 器产生的延时。也提出零极点延时补偿方法，该方法虽然可以提高系统的鲁棒性，但是只能 补偿由零阶保持器产生的延时，不能补偿计算产生的延时。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种LCL型逆变器的鲁 棒延时补偿并网控制方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 1)在每个采样周期的起始点，DSP控制器启动A/D转换器，对光伏电压upv、光伏电 流i pv、直流侧电压Ud。、电容电流L1、电网电压Us、并网电流i s分别进行采样，所有采样数据 经A/D转换器转换后，通过并行接口送给DSP控制器进行处理；
[0008] 2) DSP控制器根据光伏电压Upv和光伏电流i pv的瞬时值进行最大功率点跟踪，并 计算出每个采样周期的有功功率Ppv，同时，DSP控制器利用傅里叶算法DFT计算出每个电网 周期内的电网电压有效值U s;
[0009] 3)将直流侧参考电压心和直流侧电压ud。的差值e作为PI控制器的输入，PI 控制器的输出通过限幅后，获得直流侧稳压环节的电流幅值指令I:，其中，PI控制的传 递函数Gu(S)表达式为=G u(S) = l^s+lw/s，kUp是PI控制器的比例系数，其取值范围为 0· 1彡kUp彡20 ;k w是PI控制器的积分系数，其取值范围为0· 001彡k U1S 0· I ;s = j ω， j是虚部单位符号，ω为电网角频率；
[0010] 4)计算前馈电流幅值指令ΙΡ1Λ其计算公式为：IP1*= kpvupvipv/Us，其中，kpv为功率 前馈比例系数，其取值范围为1. 27 < kpv< 1. 34 ;
[0011] 5)将电流幅值指令I:和前馈电流幅值指令I:相加合成内环电流幅值指令I "/， 将电网电压同步信号sincot与Ij相乘，得到该采样周期内与电网电压同步的并网电流瞬 时值指令(6:;
[0012] 6)将并网电流is与并网电流反馈系数H2(S)相乘，其中，H 2(S)取值范围为 0. l〈H2(s)〈0. 2,再将并网电流瞬时值指令^与得到的值相减得到差值ei，再将差值^与PI 控制的传递函数^^)相乘，将得到的值与匕(8)相乘得到Gd(S)的输出值IV其中，G d(S) 的表达式为：t
[0013] 7)将电容电流U与电容电流反馈系数H Js)相乘得到电容电流反馈信号Uw。其 中，H1(S) = KjL1, &是电容电流反馈系数的比例系数，其取值范围为40〈K'137, 1^是LCL 滤波器的电感；
[0014] 8)将匕⑷的输出值w与电容电流反馈信号Uy相减得到调制信号Uni;
[0015] 9)将调制信号Uni与采样频率1/T s相乘，其中，T s是采样周期，与采样频率1/Τ 3相 乘之后得到的值与零极点延时补偿传递函数C(S)相乘，最后得到的值与零阶保持器的传 递函数G h (s)相乘，得到SPffM调制波信号D。其中，Gh (s)的表达式为：
[0017] 10)对SPffM调制波信号D和三角载波进行双极性调制，得到逆变电路开关管的占 空比信号，经LCL型单相并网逆变器的驱动保护电路，控制逆变电路开关管的开通与关断；
[0018] 11)所述步骤6)中，PI控制的传递函数61(8)表达式为=G1(S) = kIps+kn/s，kIp是 PI控制器的比例系数，其取值范围为0. 5彡kIp彡5 ;k π是PI控制器的积分系数，其取值范 围为0· 005彡kn彡0· 05 ;
[0019] 12)所述步骤8)中，调制信号Uni的具体调制过程是：在三角载波的波谷第k时刻 采样并网电流i s，并按步骤6)计算出第k时刻的ujk);在三角载波的波峰第k+0. 5时刻 采样电容电流ici，并按步骤7)计算出第k+0. 5时刻的ui(：1 (k+0. 5);在下一个并网电流is 采样第k+1时刻，计算并装载调制信号11"1〇^+1)到DSP，um(k+l)的计算公式为：u m(k+l)= uf (k)-uia (k+0. 5)。其中，k是米样时刻序列号；
[0020] 13)所述步骤9)中，零极点延时补偿传递函数C(S)表达式为：
[0021] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用LCL型逆变器的鲁棒 延时补偿并网控制方法，包括电容电流反馈延时补偿和零极点延时补偿策略，电容电流反 馈延时补偿可以补偿计算延时中的半个采样周期滞后，零极点延时补偿可以补偿零阶保持 器产生的半个采样周期滞后，其有效地降低了电容电流反馈有源阻尼中的控制延时，提高 了系统的鲁棒性和动态性，从而可以更好地满足逆变器并网运行的要求。
【附图说明】
[0022] 图1为单相LCL型光伏并网逆变器拓扑结构；
[0023] 图2为LCL型逆变器的鲁棒延时补偿并网控制系统框图；
[0024] 图3为本发明一实施例采用电容电流反馈延时补偿方法的控制延时；
[0025] 图4为本发明一实施例Req2 ( ω )和)(eq2 ( ω )的频率特性；
[0026] 图5为本发明一实施例电网阻抗变化时采用本文所提控制方法单环闭环系统的 零极点图。
【具体实施方式】
[0027] 图1所示为单相LCL型光伏并网逆变器拓扑结构，光伏阵列提供第一级直流电压 upv，电感L。、二极管VD。和功率管Q。构成Boost升压电路，其将电压值较低且变化范围较大 的U pv转换为适合DC/AC变换的第二级直流侧电压u d。，电容C。用来稳定u d。，功率管和二极 管构成逆变电路，其将直流侧电压Ud。转换为与电网电压幅值接近和频率相同的逆变器输 出电压U inv，电感L1、电容C1和电感L 2构成LCL滤波器，其将对高频谐波电流起到较大的衰 减作用，使电流以较低的畸变率并入电网。ipv是直流侧电流，i ιην是逆变器输出电流，i 3是 iinv经过LCL滤波器后流入电网的电流。5个IGBT开关管包含在智能功率模块（IPM)中， 并具备故障自诊断功能。DSP系统主要包括功率前馈控制、电压外环PI控制和电流内环鲁 棒延时补偿并网控制三个部分，如图2所示。
[0028] 在每个采样周期的起始点，DSP控制器启动A/D转换器，对光伏电压Upv、光伏电流 ipv、直流侧电压Ud。、电容电流L1、电网电压Us、并网电流1分别进行采样，AD转换器转换后 的数据通过并行接口送给DSP控制器进行处理。
[0029] 功率前馈控制能加快系统稳态过程的响应，当外界条件突然变化时（光照改变、 温度变化），通过功率前馈控制，使并网逆变器能快速地做出响应，同时由于减小了外环PI 的输出指令值，从而减小了直流侧电压的稳态误差。在具体实施中，DSP控制器根据光伏电 压和光伏电流的瞬时值进行最大功率点（MPPT)跟踪，并计算出每个采样周期的有功功率 Ppv，同时，DSP在单个电网周期内计算出该电网周期内的电网电压有效值Us，前馈电流幅值 指令I:可由下列公式计算出：
[0031] 式中，kpv为功率前馈比例系数，考虑到逆变器的有功损耗（〈5% )，其取值范围为 0. 9 < kpv< 0. 95。
[0032] 为确保外环直流侧电压稳定，采用增量