一种基于PI补偿器的并网逆变器高电压穿越控制方法与流程

本发明属于电力电子控制领域，尤其是涉及一种基于pi补偿器的并网逆变器高电压穿越控制方法。

背景技术：

随着新能源涉网性能要求的提升，具备高电压穿越能力的并网逆变器逐步成为市场的主流。目前国内拟定标准，要求并网新能源设备具备1.3倍过电压运行能力。

电网过电压会引起并网逆变器过调制现象，严重过调制会造成母线波动、电流突增，引发停机保护甚至逆变器烧毁。现有高电压穿越技术多采用状态判断机制，根据电网电压骤升等级，来开环提升母线电压或增加无功电流，无法实现母线电压和无功电流的优化配置

本技术方案根据并网逆变器出口电压和直流母线电流合理计算母线电压和无功电流补偿值，以最小代价抑制过调制产生的不利影响，使并网逆变器顺利通过高电压穿越。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于pi补偿器的并网逆变器高电压穿越控制方法，根据并网逆变器出口电压和直流母线电流合理计算母线电压和无功电流补偿值，以最小代价抑制过调制产生的不利影响，使并网逆变器顺利通过高电压穿越。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于pi补偿器的并网逆变器高电压穿越控制方法,包括以下步骤：

s1，采样逆变器出口线电压幅值的最大值vmax,l、母线电压值vdc、过调制补偿量b，计算出pi控制器输入值pi_in；

s2，通过滞环控制器使能无功电流pi控制器、母线电压pi控制器，将步骤s1中得到的pi控制器输入值pi_in引入无功电流pi控制器、母线电压pi控制器计算得到无功电流补偿值id_cmp、母线电压补偿值vdc_cmp；

s3，将无功电流pi控制器输出的补偿值id_cmp与高穿无功电流估算值id_evl求和，将结果依次引入电流限幅器、电流斜率限制器，得到无功电流参考值id_ref；

将母线电压pi控制器输出的补偿值vdc_cmp与高穿母线电压估算值vdc_evl求和，并将结果依次引入电压限幅器和电压斜率限制器，得到母线电压参考值vdc_ref；

s4，将步骤s3中得到的无功电流参考值id_ref、母线电压参考值vdc_ref分别作为并网逆变器双闭环控制的母线电压参考值、无功电流参考值，用于并网逆变器控制。

进一步的，所述步骤s1中，采用计算公式为：

pi_in＝vmax,l-(vdc-b)(1)

式中，vmax,l为逆变器出口线电压幅值的最大值；vdc为母线电压值；b为过调制补偿量。

进一步的，所述步骤s2中，滞环控制器对母线电压pi控制器、无功电流pi控制器进行使能和清零控制，其控制方法为：

当电网线电压幅值最大值umax,l与稳态母线电压参考值vdc_std_ref之差大于滞环上限hys_up时，使能母线电压pi控制器和无功电流pi控制器；

当电网线电压幅值最大值umax,l与稳态母线电压参考值vdc_std_ref之差小于滞环下限hys_dw时，关闭母线电压pi控制器和无功电流pi控制器，并对两个pi控制器的输出值vdc_cmp和id_cmp清零。

进一步的，所述步骤s2中，通过母线电压pi控制器计算母线电压补偿值vdc_cmp的表达式为

式中，kpv为母线电压pi控制器比例系数；kiv为母线电压pi控制器积分系数；s为积分算子。

进一步的，所述步骤s2中，通过无功电流pi控制器计算无功电流补偿值id_cmp的表达式为：

式中，kpi为无功电流pi控制器比例系数；kii为无功电流pi控制器积分系数，s为积分算子。

一种基于pi补偿器的并网逆变器高电压穿越控制系统，包括高电压穿越控制模块、双闭环矢量控制模块，所述高电压穿越控制模块包括滞环控制器、母线电压控制模块、无功电流控制模块，所述母线电压控制模块、无功电流控制模块的输出端连接双闭环矢量控制模块；

所述无功电流控制模块包括无功电流pi控制器、电流限幅器、电流斜率限制器，三者依次连接；

所述母线电压控制模块包括母线电压pi控制器、电压限幅器、电压斜率限制器，三者依次连接；

所述滞环控制器的信号输出端连接无功电流pi控制器、母线电压pi控制器，用于对母线电压pi控制器和无功电流pi控制器进行使能和清零控制。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于pi补偿器的并网逆变器高电压穿越控制方法具有以下优势：根据并网逆变器出口电压和直流母线电流合理计算母线电压和无功电流补偿值，以最小代价抑制过调制产生的不利影响，使并网逆变器顺利通过高电压穿越；当高电压穿越中母线电压和无功电流给定值非最优时，所述方法可自动将其校准至最优状态。

附图说明

图1为本发明实施例所述的控制示意图；

图2为本发明实施例所述的高电压穿越控制效果图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为一种基于pi补偿器的并网逆变器高电压穿越控制系统结构示意图，包括高电压穿越控制模块、双闭环矢量控制模块，所述高电压穿越控制模块包括滞环控制器、母线电压控制模块、无功电流控制模块，所述母线电压控制模块、无功电流控制模块的输出端连接双闭环矢量控制模块；

所述无功电流控制模块包括无功电流pi控制器、电流限幅器、电流斜率限制器，三者依次连接；

所述母线电压控制模块包括母线电压pi控制器、电压限幅器、电压斜率限制器，三者依次连接；

所述滞环控制器的信号输出端连接无功电流pi控制器、母线电压pi控制器，用于对母线电压pi控制器和无功电流pi控制器进行使能和清零控制。

一种基于pi补偿器的并网逆变器高电压穿越控制方法，具体过程如下：

1、建立母线电压、无功电流pi控制器，分别计算母线电压补偿值与无功电流补偿值。

(1)计算母线电压和无功电流的pi控制器输入值pi_in，计算方法为：

pi_in＝vmax,l-(vdc-b)(1)

式中，vmax,l为逆变器出口线电压幅值的最大值；vdc为母线电压值；b为过调制补偿量，其作用是为了在高穿稳态期间使vmax,l略高于vdc，一般可设b＝5。

(2)建立无功电流pi控制器，并根据pi控制器输入值pi_in，计算无功电流补偿值id_cmp，其表达式为：

式中，kpi为无功电流pi控制器比例系数；kii为无功电流pi控制器积分系数，s为积分算子

对于kpi和kii，可根据电流环数学模型进行整定。由于电流内环可近似为一阶惯性环节，且一般响应时间约为0.001s，因此可近似认为其传递函数为1/[(0.001/3)s+1]。因此可设整定公式为：

其中，tr为时间常数，pi控制器主要负责稳态补偿，不要求过快的影响速度，因此可以设计tr在4～10电网周波之间即可，例如取tr＝0.12。

(3)建立母线电压pi控制器，并根据pi控制器输入值pi_in，计算母线电压补偿值vdc_cmp，其表达式为：

式中，kpv为母线电压pi控制器比例系数；kiv为母线电压pi控制器积分系数；s为积分算子。

对于kpv和kiv，首先，可令母线电压pi与无功电流pi具有相同的模态，由此两pi控制器将具有相同的时间常数。其次，让两pi控制器对输入误差具有相近的敏感程度，因此整定公式为：

式中，k为权重系数；当k＝1时，两pi控制器将具有相近的调节能力；当取k＞1时，电压pi调节能力强于电流pi，使电流pi承担更多的稳态误差；反之，当取k＜1时，电流pi调节能力强于电压pi，使电压pi承担更多的稳态误差。tr为时间常数，pi控制器主要负责稳态补偿，不要求过快的影响速度，因此可以设计tr在4～10电网周波之间即可，例如取tr＝0.12。

2、建立滞环控制器，对母线电压pi控制器和无功电流pi控制器进行使能和清零操作。具体逻辑为：

当电网线电压幅值最大值umax,l与稳态母线电压参考值vdc_std_ref之差大于滞环上限hys_up时，使能母线电压pi控制器和无功电流pi控制器；

当电网线电压幅值最大值umax,l与稳态母线电压参考值vdc_std_ref之差小于滞环下限hys_dw时，关闭母线电压pi控制器和无功电流pi控制器，并对两个pi控制器的输出值vdc_cmp和id_cmp清零；

一般情况下，稳态母线电压参考值vdc_std_ref设为1070；滞环上限hys_up设为0，环宽范围为0～94。环宽过小会造成pi控制器频繁投切，不利于系统控制；环宽过大会增加滞环控制的盲区，即：高穿后电压回落在环宽范围内时，仍会使pi控制器工作于负限幅区，导致滞环控制功能失效。综合考虑，设计滞环下限hys_dw为-50。

3、计算高穿状态下的母线电压参考值vdc_ref和无功电流参考值id_ref，包括以下步骤：

(1)将母线电压pi控制器输出值vdc_cmp与高穿母线电压估算值vdc_evl求和，并将结果依次送入电压限幅器和电压斜率限制器，获得母线电压参考值vdc_ref。

电压限幅器逻辑为：

当母线电压最优工作点vdc大于vmax时，vdc等于vmax；

当母线电压最优工作点vdc小于vmin时，vdc等于vmin；

当母线电压最优工作点vdc介于vmin至vmax时，vdc值不发生变化；

其中，vmin为母线电压稳态控制时的参考值，一般多采用1070；vmax为母线危险电压值，一般多采用1150。

电压斜率限制器逻辑为：

当限幅后的母线电压最优工作点单位时间上升或下降值大于dv时，该值等于dv；

当限幅后的母线电压最优工作点单位时间上升或下降值小于dv时，该值不发生变化；

其中，dv为电压斜率限制值。

对于电压斜率限制值dv的取值，应根据并网逆变器双闭环控制特性来整定。首先，斜率dv应小于电压外环的变化速率，否则斜坡无意义。例如：根据并网逆变器双闭环控制系统参数，可近似估算某一并网逆变器外环响应时间约为0.025s；由于直流母线的变化范围为[1070,1150]v，因此，dv最大值为(1150v-1070v)/0.025s＝3.2kv/s。其次，为尽量缩小过调制时间，应让直流母线响应时间在4周波内，即dv最小值为(1150v-1070v)/(4×0.02s)＝1kv/s。综上所述，dv的取值范围为：1kv/s≤dv＜3.2kv/s，较大的斜率可减小过调制时间，但会引起冲击电流，降低系统可靠性。综合考虑，对于本方案所举的并网逆变器实例，电压斜率限制值可设为dv＝1.5kv/s。

(2)将无功电流pi控制器输出值id_cmp与高穿母线电压估算值id_evl求和，并将结果依次送入电流限幅器和电流斜率限制器，获得无功电流参考值id_ref。

电流限幅器逻辑为：

当无功电流最优工作点iq大于imax时，iq等于imax；

当无功电流最优工作点iq小于imin时，iq等于imin；

当无功电流最优工作点iq介于imin至imax时，iq值不发生变化；

其中，imin为无功电流稳态控制时的参考值，一般多采用0；imax为无功电流可发出最大电流值，该值一般根据变流器容量选取，例如：1.5mw双馈变流器采用450。

电流斜率限制器逻辑为：

当限幅后的无功电流最优工作点单位时间上升或下降值大于di时，该值等于di；

当限幅后的无功电流最优工作点单位时间上升或下降值小于di时，该值不发生变化；

其中，di为电压斜率限制值。

对于电流斜率限制值di的取值，应根据并网逆变器双闭环控制特性来整定。首先，斜率di应分别小于电流内环的变化速率，否则斜坡无意义。例如：根据并网逆变器双闭环控制系统参数，可近似估算某一并网逆变器内环响应时间约为0.001s；由于id的变化范围为[0,450]a，因此，di最大值为(450a-0a)/0.001s＝450ka/s。其次，为尽量缩小过调制时间，应让无功电流响应时间在2周波内，即di最小值为(450a-0a)/(2×0.02s)＝11.25ka/s。综上所述，di的取值范围为：11.25ka/s≤di＜450ka/s，较大的斜率可减小过调制时间，但会引起冲击电流，降低系统可靠性。综合考虑，对于本方案所举的并网逆变器实例，电流斜率限制值可设为di＝20ka/s。

4、将第三步所得结果母线电压参考值vdc_ref和无功电流参考值id_ref作为传统并网逆变器双闭环控制的母线电压参考值和无功电流参考值，用于并网逆变器控制。

对本发明的技术方案进行实际验证，当电网电压升高至1.2倍时，控制效果如图2所示。由图2可以看出，采用本发明的技术方案，可有效抑制电网过电压产生的不利影响，使并网逆变器顺利完成高电压穿越。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。