一种有源功率解耦型并网变换器的控制方法

本发明属于变换器控制，具体涉及一种有源功率解耦型并网变换器的控制方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏等可再生能源的利用成为主流，越来越多的可再生能源发电通过并网变换器接入电网。并网变换器主要包括应用于低功率场景的单相并网变换器和应用于中高功率场景的三相并网变换器。单相并网变换器的直流侧存在着固有的二倍频功率波动。对三相并网变换器，由于高比例可再生能源电网中大量单相负荷随机运行、传输线路不对称以及系统不对称故障造成电网普遍的三相不平衡现象，变换器的直流侧也会出现二倍频功率波动。功率波动的存在会降低系统的性能，例如降低光伏面板的最大功率点跟踪效率、导致电池过热和缩短燃料电池寿命等。为抑制变换器直流侧的功率波动，常通过额外增加储能元件来吸收波动功率，实现功率解耦，已有许多学者对功率解耦方法展开研究。

2、目前常见的功率解耦方法包括无源功率解耦和有源功率解耦。无源功率解耦可通过增大直流侧的无源元件或者增设谐振电路来实现，虽然这种方法易于实现，但其过大的体积和重量增加了系统成本。有源功率解耦因其所需无源元件的体积远小于无源功率解耦而倍受青睐，其基本思想是将波动功率转移到增设的有源功率解耦电路中，从而使直流侧保持功率恒定。有源功率解耦型并网变换器通常由有源功率解耦电路和原始变换器构成，常见的有源功率解耦电路拓扑有buck型、boost型、buck-boost型和h桥型等，可以独立运行也可以和原始变换器共享桥臂。共享桥臂虽然能降低系统成本并提高系统效率，但其会加大直流电压和交流电流应力，同时会增加变换器的控制的难度。

3、有源功率解耦电路的控制方法主要包括开环控制和闭环控制。开环控制通常直接根据波动功率计算出辅助电容电压的参考值，其对系统参数变化的灵敏度较高，控制效果不佳。闭环控制能有效抑制系统参数变化的干扰，实现良好的控制性能，但现有文献大多以辅助电容电压为控制对象，其参考值中含有丰富的谐波，要实现精确的功率解耦，需采用多个比例谐(proportional-resonant，pr)控制器，大大增加了控制器的设计难度。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有源功率解耦型并网变换器的控制方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种有源功率解耦型并网变换器的控制方法，包括以下步骤：

4、分别获取并网变换器交流侧和直流母线侧的电压信号与电流信号，计算变换器交流侧和直流母线侧的瞬时功率；

5、通过二阶滤波器提取上述变换器交流侧和直流母线侧的瞬时功率中所含的二倍频波动功率；

6、根据上述得到的变换器交流侧和直流母线侧的二倍频波动功率构造辅助电容的功率参考值，基于此计算辅助电容电压平方的交流参考值；

7、在上述得到的辅助电容电压平方的交流参考值上叠加直流偏置，构造辅助电容电压平方的非负参考值；

8、建立以辅助电容电压平方与辅助电容功率为受控变量的数学模型；

9、基于上述数学模型，以辅助电容电压平方反馈为外环、辅助电容功率反馈为内环，内外环均采用比例谐振控制器对受控变量进行双闭环控制；

10、根据上述内环控制器的输出信号与辅助电容电压计算有源功率解耦桥臂的调制信号，进而通过载波调制得到桥臂的控制信号。

11、进一步的，所述并网变换器为单相并网变换器或三相并网变换器；

12、其中变换器交流侧的瞬时功率pac的计算方法为：

13、对单相并网变换器，瞬时功率等于变换器交流侧的输出电压uo与输出电流io的乘积，即pac＝uo·io；

14、对三相并网变换器，瞬时功率等于变换器各相输出电压uoa、uob、uoc与输出电流ioa、iob、ioc的乘积之和，即pac＝uoa·ioa+uob·iob+uoc·ioc；

15、所述直流母线侧的瞬时功率pdc等于直流母线电压udc与直流母线电流idc的乘积，即pdc＝udc·idc。

16、进一步的，所述二阶滤波器的传递函数gf(s)为：

17、

18、式中，ω0为电网角频率，k为二阶滤波器的阻尼比，s为拉普拉斯算子；

19、所述并网变换器交流侧的瞬时功率中所含的二倍频波动功率δpac的提取方法为：

20、δpac＝gf(s)·pac

21、所述直流母线侧的瞬时功率中所含的二倍频波动功率δpdc的提取方法为：

22、δpdc＝gf(s)·pdc；

23、所述辅助电容的功率参考值paux_ref等于直流母线侧的二倍频波动功率δpdc与并网变换器交流侧的二倍频波动功率δpac之和的相反数，即

24、paux_ref＝-(δpdc+δpac)。

25、进一步的，所述辅助电容电压平方的交流参考值δu2aux_ref的计算方法为：

26、假设辅助电容的瞬时功率paux与辅助电容的功率参考值paux_ref相等，即

27、

28、式中，uaux为辅助电容两端的电压，iaux为辅助电容所流过的电流，caux为辅助电容的容值；

29、将上式整理成含辅助电容电压平方u2aux的微分的形式，即

30、

31、将上式两边取积分，得u2aux_offset为常直流偏置，该式右端的积分项即为辅助电容电压平方的交流参考值δu2aux_ref，即

32、

33、进一步的，所述辅助电容电压平方的交流参考值δu2aux_ref的获取方法为：先将辅助电容的功率参考值paux_ref乘以比例系数2/caux,再将其结果输入到积分器中，积分器的输出即为δu2aux_ref，

34、

35、进一步的，所述辅助电容电压平方的非负参考值u2aux_ref等于辅助电容电压的交流参考值δu2aux_ref加上直流偏置u2aux_offset，即u2aux_ref＝δu2aux_ref+u2aux_offset。

36、进一步的，所述直流偏置u2aux_offset的选取原则为：假设辅助电容的功率参考值paux_ref的最大幅值为pmax，则辅助电容电压平方的交流参考值δu2aux_ref的最大幅值为综合考虑u2aux_ref大于等于0的下限约束以及小于等于直流母线电压平方u2dc的上限约束，得到u2aux_offset的取值范围为：

37、

38、进一步的，以所述辅助电容电压平方u2aux与辅助电容功率paux为受控变量的数学模型的建立方法为:

39、列写有源功率解耦电路的以辅助电容电压uaux与辅助电感电流iaux为状态变量的状态空间方程：

40、

41、式中，laux为辅助电感的感量，raux为辅助电感的内阻，uf为有源功率解耦桥臂的中心点电压；

42、将所述状态空间方程中关于uaux的微分方程两端乘以uaux并整理得到关于u2aux的微分方程

43、

44、对uaux·iaux取全微分并将所述状态空间方程的两个微分方程带入整理，得到关于uaux·iaux的微分方程

45、

46、将uaux·iaux用paux表示，联立两个所述微分方程，得到以辅助电容电压平方u2aux与辅助电容功率paux为状态变量的状态空间方程：

47、

48、s5.5：将上述状态空间模型转化为传递函数的形式，可得uf·uaux到u2aux与paux的开环传递函数分别为：

49、

50、

51、进一步的，所述比例谐振控制器的传递函数形式为

52、

53、式中，gc1(s)和gc2(s)分别为外环控制器和内环控制器，a0、a1、a2为待设计的控制器参数；

54、所述辅助电容电压平方外环的参考值为u2aux_ref，外环控制器的输入为外环参考值与辅助电容电压平方实际值u2aux的误差，记e1＝u2aux_ref-u2aux，外环控制器的输出为uc1＝gc1(s)·e1；

55、所述辅助电容功率内环的参考值为外环控制器的输出uc1，内环控制器的输入为内环参考值与辅助电容功率实际值paux的误差，记e2＝uc1-paux，内环控制器的输出为uc2＝gc2(s)·e2。

56、进一步的，所述有源功率解耦桥臂控制信号的获取方法为：

57、将内环控制器的输出uc2除以辅助电容电压uaux，得到有源功率解耦桥臂中点电压uf的参考值uf*，即

58、将有源功率解耦桥臂中点电压的参考值uf*除以直流母线电压udc，得到桥臂的调制信号d，即

59、对调制信号d进行载波调制，得到有源功率解耦电路上桥臂的控制信号s，其互补信号1-s作为对应下桥臂的控制信号。

60、本发明的有益效果：

61、本发明提出的有源功率解耦型并网变换器控制方法，通过建立以辅助电容电压平方和辅助电容功率为受控变量的数学模型，采用比例谐振控制器对辅助电容电压平方外环和辅助电容功率内环进行双闭环控制，外环参考信号为含直流偏置的二倍频正弦信号，不含高次谐波，只需让控制对象跟踪参考信号的二倍频分量，便可实现高精度功率解耦，控制器设计难度显著降低；由于控制器设计难度降低，在设计控制器参数时可以更侧重动态响应性能的提升，因此，本方法在降低控制器设计难度的同时还能提升系统性能。同时，在不考虑系统功率损耗的情况下，本方法的功率解耦控制是精确的，相比常规方法具有更好的功率解耦性能。