光伏单相离网逆变器控制方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及光伏单相离网逆变器控制技术领域。

背景技术：

光伏离网逆变系统需要将光能转为交流电能供负载使用。两级式光伏离网逆变器包含dc-dc模块和dc-ac模块两部分，前者为直流变换器，是将光伏阵列输出的低直流电压升至较高的直流母线电压，或降至储能电池组所需的直流电压，后者是实现直流到交流的逆变器。

现有光伏离网逆变器，常见的控制方法有pi(比例积分)、pr(谐振)、滑膜和重复控制，结构一般为电压单环或电压电流双环。pi算法简单，但单纯的单环或双环pi无法精确跟踪时变正弦信号的稳态误差；pr有良好的稳态特性，但需每种谐波都设一个pr控制器，开发成本较高；滑膜控制需建立准确的系统模型以获得滑膜面函数和控制域，技术相对复杂；重复控制只能延迟一个周期产生控制量，动态性能差。因此现有的控制方法，存在不能兼顾系统的动态响应能力和稳态精度要求，并且技术相对复杂的问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有光伏离网逆变器不能兼顾系统的动态响应能力和稳态精度要求，并且技术相对复杂的技术问题，提供一种光伏单相离网逆变器控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：光伏单相离网逆变器控制方法，应用于光伏单相离网逆变器，所述光伏单相离网逆变器包括信号采集模块、dc-dc模块、dc-ac模块、dc-dc双环控制模块和dc-ac三环控制模块，所述dc-dc模块与dc-ac模块通过直流母线连接，所述信号采集模块实时采集光伏板输出的电压反馈值、光伏板输出的电流反馈值、dc-dc模块的电感电流、直流母线电压、负载电压和dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流；

所述dc-dc双环控制模块的处理方法包括以下步骤：

步骤一、对光伏板输出的电压反馈值和光伏板输出的电流反馈值进行均值滤波处理后，送入最大功率点跟踪算法模块，通过扰动观察或电导增量计算获得光伏板电压参考值；

步骤二、将光伏板电压参考值和光伏板输出的电压反馈值送入iir电压滤波补偿模块，通过二阶补偿得到dc-dc模块的电感电流参考值；

步骤三、将dc-dc模块的电感电流参考值和dc-dc模块的电感电流送入iir电流滤波补偿模块，进行二阶补偿和饱和限幅后得到dc-dc升压电路功率管的pwm驱动信号；

步骤四、判断直流母线电压是否超过预设的阈值一，若未超过则执行步骤一，若超过则关闭最大功率点跟踪算法模块使能，然后执行步骤五；

步骤五、将直流母线电压送入dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的反馈输入端，并获取预设的直流母线电压稳态值作为dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的参考值，dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块根据输入的直流母线电压和参考值，进行pid补偿计算得到dc-dc模块的电感电流参考值；

步骤六、将dc-dc模块的电感电流参考值和dc-dc模块的电感电流送入dc-dc双环控制模块的电流内环控制模块，进行pid补偿和饱和限幅后得到dc-dc升压电路功率管的pwm驱动信号；

步骤七、判断是否接收到停止命令，若接收到停止命令则结束控制流程，否则执行步骤五；

所述dc-ac三环控制模块的处理方法包括以下步骤：

步骤a、判断直流母线电压是否达到预设的交流输出阈值，若未达到则不使能对dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号输出，若达到则使能对dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号输出；

步骤b、获取预设的交流电压有效值的参考值作为dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的参考值，将负载电压经正弦波分析模块处理获得负载电压的有效值，并将负载电压的有效值送入dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的反馈输入端，dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块根据获取到的参考值和负载电压有效值，经比例积分计算得到负载电压有效值的参考值；

步骤c、将负载电压有效值的参考值与标准正弦波产生模块产生的标准单位正弦向量做乘积运算，得到负载电压参考值，然后将负载电压参考值和负载电压送入dc-ac三环控制模块的电压中环模块，经比例计算后，获得dc-ac三环控制模块的电流内环模块的参考值；

步骤d、将dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流进行差分运算后送入dc-ac三环控制模块的电流内环模块的反馈输入端，然后与dc-ac三环控制模块的电流内环模块的参考值进行比例计算，然后将比例计算结果进行饱和限幅后得到dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号；

步骤e、判断是否接收到停止命令，若接收到停止命令则结束控制流程，否则执行步骤a。

作为进一步优化，所述步骤五中设置dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的参考值由0逐渐增大到预设的直流母线电压稳态值。通过逐渐增大dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的参考值，以达到软启动、减小启动瞬间的大电流冲击的目的，能够保护元器件，提高系统可靠性。

作为进一步优化，所述步骤b中设置dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的参考值由0逐渐增大到预设的交流电压有效值的参考值。通过逐渐增大dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的参考值，以达到软启动、减小启动瞬间的大电流冲击的目的，能够保护元器件，提高系统可靠性。

作为进一步优化，所述步骤b中的正弦波分析模块通过采集相邻两次电压过零点期间的电压瞬时值，然后通过均方根计算得到负载电压的有效值。上述方法较采集全周期电压值的算法更快捷，能够进一步提升系统的动态响应能力。

作为进一步优化，所述信号采集模块还实时采集负载电流；

在光伏单相离网逆变器的整个控制过程中，分别对光伏板输出的电压反馈值、光伏板输出的电流反馈值、dc-dc模块的电感电流、直流母线电压、负载电流、负载电压和dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流进行实时监测，并分别与预设的对应报警阈值和/或关闭驱动输出阈值做比较，判断是否进行相应的报警和/或关闭驱动输出。通过实时监测系统各部分的电压和电流，实现对系统多个部分进行欠压、过流和过压保护。

有益效果是：本发明的光伏单相离网逆变器控制方法，采用dc-dc双环pi及dc-ac三环比例积分和比例控制的方法，保留了pi的容易实现、高鲁棒性和快速响应的优点，同时又因采用有效值加瞬时值三环，达到消除正弦波稳态静差的目的，在有效提升系统动态响应能力的同时又能保持较高的稳态精度，从而有效提高逆变器系统的可靠性。本发明特别适用于光伏单相离网逆变器。

附图说明

图1是本发明实施例的控制框图。

其中，vpv_fbk是光伏板输出的电压反馈值，ipv_fbk是光伏板输出的电流反馈值，iboost_fbk是dc-dc模块的电感电流，vbus_fbk是直流母线电压，uc_fbk是负载电压，io_fbk是负载电流，ileg1_fbk和ileg2_fbk分别是dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流，vpv_ref是光伏板电压参考值，iboost_ref是dc-dc模块的电感电流参考值，vbus_ref是dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的参考值，ucrms_ref是dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的参考值，uc_rms是负载电压的有效值，uc_ref_dc是负载电压有效值的参考值，uc_ref是负载电压参考值，ileg_ref是dc-ac三环控制模块的电流内环模块的参考值，pwm1是dc-dc升压电路功率管的pwm驱动信号，pwm2是dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号。

mppt是最大功率点跟踪算法模块，iir_v是iir电压滤波补偿模块，iir_i是iir电流滤波补偿模块，pid_vb是dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块，pid_ib是dc-dc双环控制模块的电流内环控制模块，pid_ucrms是dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块，sine_analyze是正弦波分析模块，sine_gen是标准正弦波产生模块，p_uc是dc-ac三环控制模块的电压中环模块，p_ileg是dc-ac三环控制模块的电流内环模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明的技术方案。

本发明的技术方案是：光伏单相离网逆变器控制方法，应用于光伏单相离网逆变器，所述光伏单相离网逆变器包括信号采集模块、dc-dc模块、dc-ac模块、dc-dc双环控制模块和dc-ac三环控制模块，所述dc-dc模块与dc-ac模块通过直流母线连接，所述信号采集模块实时采集光伏板输出的电压反馈值、光伏板输出的电流反馈值、dc-dc模块的电感电流、直流母线电压、负载电压和dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流；

所述dc-dc双环控制模块的处理方法包括以下步骤：

步骤一、对光伏板输出的电压反馈值和光伏板输出的电流反馈值进行均值滤波处理后，送入最大功率点跟踪算法模块，通过扰动观察或电导增量计算获得光伏板电压参考值；

步骤二、将光伏板电压参考值和光伏板输出的电压反馈值送入iir电压滤波补偿模块，通过二阶补偿得到dc-dc模块的电感电流参考值；

步骤三、将dc-dc模块的电感电流参考值和dc-dc模块的电感电流送入iir电流滤波补偿模块，进行二阶补偿和饱和限幅后得到dc-dc升压电路功率管的pwm驱动信号；

步骤四、判断直流母线电压是否超过预设的阈值一，若未超过则执行步骤一，若超过则关闭最大功率点跟踪算法模块使能，然后执行步骤五；

步骤五、将直流母线电压送入dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的反馈输入端，并获取预设的直流母线电压稳态值作为dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的参考值，dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块根据输入的直流母线电压和参考值，进行pid补偿计算得到dc-dc模块的电感电流参考值；

步骤六、将dc-dc模块的电感电流参考值和dc-dc模块的电感电流送入dc-dc双环控制模块的电流内环控制模块，进行pid补偿和饱和限幅后得到dc-dc升压电路功率管的pwm驱动信号；

步骤七、判断是否接收到停止命令，若接收到停止命令则结束控制流程，否则执行步骤五；

所述dc-ac三环控制模块的处理方法包括以下步骤：

步骤a、判断直流母线电压是否达到预设的交流输出阈值，若未达到则不使能对dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号输出，若达到则使能对dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号输出；

步骤b、获取预设的交流电压有效值的参考值作为dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的参考值，将负载电压经正弦波分析模块处理获得负载电压的有效值，并将负载电压的有效值送入dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的反馈输入端，dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块根据获取到的参考值和负载电压有效值，经比例积分计算得到负载电压有效值的参考值；

步骤c、将负载电压有效值的参考值与标准正弦波产生模块产生的标准单位正弦向量做乘积运算，得到负载电压参考值，然后将负载电压参考值和负载电压送入dc-ac三环控制模块的电压中环模块，经比例计算后，获得dc-ac三环控制模块的电流内环模块的参考值；

步骤d、将dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流进行差分运算后送入dc-ac三环控制模块的电流内环模块的反馈输入端，然后与dc-ac三环控制模块的电流内环模块的参考值进行比例计算，然后将比例计算进行饱和限幅后得到dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号；

步骤e、判断是否接收到停止命令，若接收到停止命令则结束控制流程，否则执行步骤a。

上述控制方案可划分为dc-dc和dc-ac两个部分，dc-dc部分通过双环pi进行控制，使直流侧母线电压达到交流输出阈值，达到阈值后dc-ac部分通过有效值加瞬时值三环进行控制，输出单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号。dc-dc部分通过双环pi进行控制，保留了pi的容易实现、高鲁棒性和快速响应的优点，同时dc-ac部分通过三环比例积分和比例控制的方法，达到消除正弦波稳态静差的目的，在有效提升系统动态响应能力的同时又能保持较高的稳态精度，从而有效提高逆变器系统的可靠性。

对上述方法进一步优化，具体可以是：步骤五中可以设置dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的参考值由0逐渐增大到预设的直流母线电压稳态值，通过逐渐增大dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块的参考值，以达到软启动、减小启动瞬间的大电流冲击的目的，能够保护元器件，提高系统可靠性。步骤b中可以设置dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的参考值由0逐渐增大到预设的交流电压有效值的参考值，通过逐渐增大dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块的参考值，以达到软启动、减小启动瞬间的大电流冲击的目的，能够保护元器件，提高系统可靠性。另外，步骤b中的正弦波分析模块可以通过采集相邻两次电压过零点期间的电压瞬时值，然后通过均方根计算得到负载电压的有效值，上述方法较采集全周期电压值的算法更快捷，能够进一步提升系统的动态响应能力。信号采集模块还可以实时采集负载电流，然后本发明在对光伏单相离网逆变器的整个控制过程中，分别对光伏板输出的电压反馈值、光伏板输出的电流反馈值、dc-dc模块的电感电流、直流母线电压、负载电流、负载电压和dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流进行实时监测，并分别与预设的对应报警阈值和/或关闭驱动输出阈值做比较，判断是否进行相应的报警和/或关闭驱动输出，上述通过实时监测系统各部分的电压和电流，实现对系统多个部分进行欠压、过流和过压保护。

实施例

如图1所示，下面具体举例说明本发明的技术方案，本例针对3kw光伏单相离网逆变器，直流母线电压稳态值预设为380v，交流电压有效值的参考值预设为220v，阈值一预设为228v，交流输出阈值预设为350v。

本例的光伏单相离网逆变器控制方法，应用于光伏单相离网逆变器，所述光伏单相离网逆变器包括信号采集模块、dc-dc模块、dc-ac模块、dc-dc双环控制模块和dc-ac三环控制模块，所述dc-dc模块与dc-ac模块通过直流母线连接，所述信号采集模块实时采集光伏板输出的电压反馈值vpv_fbk、光伏板输出的电流反馈值ipv_fbk、dc-dc模块的电感电流iboost_fbk、直流母线电压vbus_fbk、负载电压uc_fbk、负载电流io_fbk和dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流ileg1_fbk和ileg2_fbk；

其中dc-dc双环控制模块的处理方法包括以下步骤：

步骤一、对光伏板输出的电压反馈值vpv_fbk和光伏板输出的电流反馈值ipv_fbk进行均值滤波处理后，送入最大功率点跟踪算法模块mppt，通过扰动观察或电导增量计算获得光伏板电压参考值vpv_ref；

步骤二、将光伏板电压参考值vpv_ref和光伏板输出的电压反馈值vpv_fbk送入iir电压滤波补偿模块iir_v，通过二阶补偿得到dc-dc模块的电感电流参考值iboost_ref；

步骤三、将dc-dc模块的电感电流参考值iboost_ref和dc-dc模块的电感电流iboost_fbk送入iir电流滤波补偿模块iir_i，进行二阶补偿和饱和限幅[0,0.85]后得到dc-dc升压电路功率管的pwm驱动信号pwm1；

步骤四、判断直流母线电压vbus_fbk是否超过228v，若未超过则执行步骤一，若超过则关闭最大功率点跟踪算法模块mppt使能，然后执行步骤五；

步骤五、将直流母线电压vbus_fbk送入dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块pid_vb的反馈输入端，并设置dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块pid_vb的参考值vbus_ref由0逐渐增大到380v，dc-dc双环控制模块的电压外环控制模块pid_vb根据输入的直流母线电压vbus_fbk和参考值vbus_ref，进行pid补偿计算得到dc-dc模块的电感电流参考值iboost_ref；

步骤六、将dc-dc模块的电感电流参考值iboost_ref和dc-dc模块的电感电流iboost_fbk送入dc-dc双环控制模块的电流内环控制模块pid_ib，进行pid补偿和饱和限幅[0,0.85]后得到dc-dc升压电路功率管的pwm驱动信号pwm1；

步骤七、判断是否接收到停止命令，若接收到停止命令则结束控制流程，否则执行步骤五，以实现直流母线电压vbus_fbk和dc-dc模块的电感电流iboost_fbk的双环控制；

所述dc-ac三环控制模块的处理方法包括以下步骤：

步骤a、判断直流母线电压vbus_fbk是否达到350v，若未达到则不使能对dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号输出，若达到则使能对dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号输出；

步骤b、设置dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块pid_ucrms的参考值ucrms_ref由0逐渐增大到220v，将负载电压uc_fbk送入正弦波分析模块sine_analyze，通过采集相邻两次电压过零点期间的电压瞬时值，然后通过均方根计算得到负载电压的有效值uc_rms，并将负载电压的有效值uc_rms送入dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块pid_ucrms的反馈输入端，dc-ac三环控制模块的最外层交流电压有效值环模块pid_ucrms根据获取到的参考值ucrms_ref和负载电压有效值uc_rms，经比例积分计算得到负载电压有效值的参考值uc_ref_dc；

步骤c、将负载电压有效值的参考值uc_ref_dc与标准正弦波产生模块sine_gen产生的标准单位正弦向量做乘积运算，得到负载电压参考值uc_ref，然后将负载电压参考值uc_ref和负载电压uc_fbk送入dc-ac三环控制模块的电压中环模块p_uc，经比例计算后，获得dc-ac三环控制模块的电流内环模块p_ileg的参考值ileg_ref；

步骤d、将dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流ileg1_fbk和ileg2_fbk进行差分运算后送入dc-ac三环控制模块的电流内环模块p_ileg的反馈输入端，然后与dc-ac三环控制模块的电流内环模块p_ileg的参考值ileg_ref进行比例计算，然后将比例计算结果进行饱和限幅[-1,1]后得到dc-ac模块的单相逆变全桥功率管的pwm驱动信号pwm2；

步骤e、判断是否接收到停止命令，若接收到停止命令则结束控制流程，否则执行步骤a,达到交流稳定输出的工作状态。

在上述整个过程中，分别对光伏板输出的电压反馈值vpv_fbk、光伏板输出的电流反馈值ipv_fbk、dc-dc模块的电感电流iboost_fbk、直流母线电压vbus_fbk、负载电流io_fbk、负载电压uc_fbk和dc-ac模块的单相逆变全桥两对桥臂的电流ileg1_fbk和ileg2_fbk进行实时监测，并分别与预设的对应报警阈值和/或关闭驱动输出阈值做比较，判断是否进行相应的报警和/或关闭驱动输出，以对系统进行欠压、过流和过压保护。