分数阶LCL并网逆变器及其PR控制器及设计方法

本文件涉及lcl并网逆变器，尤其涉及一种分数阶lcl并网逆变器及其整数阶和分数阶pr控制器设计方法。

背景技术：

1、lcl滤波器在谐振频率处存在谐振尖峰，阻尼lcl滤波器谐振尖峰的方法有无源阻尼法和有源阻尼法，而更常用的有源阻尼法是电容电流反馈法。lcl型并网逆变器有源阻尼控制系统，需要设计的闭环参数有电容电流反馈系数和并网电流调节器参数。设计的主要目标是：并网电流稳态误差小；动态响应快；并网电流总谐波失真(thd)低和高功率因数(pf)，这些设计目标与系统的截止频率、相位裕度、幅值裕度以及低频段增益密切相关。

2、很多文献讨论了lcl型并网逆变器的闭环参数设计，如采用根轨迹和极点配置法设计闭环参数；将lcl滤波器近似为l滤波器，然后利用对称最优法得到具有最大相位裕度的电流调节器参数，最后通过根轨迹得到电容电流反馈系数。这些方法均可以得到合适的闭环参数，但由于没有综合考虑设计的主要目标，一般需要对参数进行反复试凑才能得到较为理想的闭环参数。也有基于稳态误差和稳定裕度对电容电流反馈系数和控制器参数进行设计的方法，不需要反复试凑就可得到合适的参数值，但为整数阶lcl系统，设计控制器参数前需要先对电容电流反馈系数进行设计，设计过程复杂很多，需要额外的传感器，从而控制系统成本相对较高。并且基于整数阶lcl型并网逆变器的控制器的参数选择范围受限，参数选取范围较窄。现有研究表明分数阶lcl在电感器和电容器阶数合适的情况下可以避免有源阻尼，去除电容电流反馈也能阻尼谐振尖峰。现有技术的分数阶系统的控制器参数是通过试凑方法得到，目前还没有研究涉及到基于该模型的控制器参数的设计方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种分数阶lcl并网逆变器及其整数阶和分数阶pr控制器设计方法，旨在解决上述问题。

2、本发明实施例提供了一种分数阶lcl并网逆变器，包括：

3、主电路部分及控制系统部分；

4、所述主电路部分包括：一个带功率开关管的逆变器及分数阶lcl滤波器，所述带功率开关管的逆变器通过分数阶lcl滤波器并入电网，其输入为直流电压udc，输出为交流电压ui，输出电流为i1；分数阶lcl并网逆变器系统电网电压为ug，并网电流为ig，电容支路电流为ic，其中，分数阶lcl滤波器的逆变器侧分数阶电感为l1，阶数为α1，滤波分数阶电容为c，阶数为β，网侧分数阶电感为l2，阶数为α2；

5、所述控制系统部分，包括锁相环pll及电流调节器，所述锁相环pll获得分数阶lcl滤波器电网电压ug的相位，由外部电压环产生并网电流幅值i*，将并网电流ig的采样信号与其指令值ig*进行比较得到误差信号并送入电流调节器，得到调制波um，所述调制波um与三角载波进行调制产生正弦脉宽调制信号，从而控制并网电流。

6、本发明实施例提供了一种分数阶lcl并网逆变器的整数阶和分数阶pr控制器设计方法，包括：

7、s1、通过单相分数阶lcl型无电容电流反馈并网逆变器及其控制结构获得单相分数阶lcl型并网逆变器无电容电流反馈的数学模型；

8、s2、将稳态误差对并网电流分量ig2的要求转换为对基波环路增益tfo的要求；

9、s3、根据环路增益得到整数阶和分数阶pr控制器的比例系数的设计关系；

10、s4、获取稳态误差和稳定裕度对整数阶和分数阶pr控制器参数的约束，从而得到控制器参数的设计。

11、通过采用本发明实施例，提出了基于分数阶lcl型并网逆变器的整数阶和分数阶pr控制器的设计方法，无需再考虑电容电流反馈系数的设计和使用，便可起到阻尼lcl滤波器谐振尖峰的效果，使得控制器参数设计不再受电容电流反馈系数的约束，便可使系统稳定并满足系统性能要求；本发明的整数阶和分数阶pr控制器设计无需额外的传感器去测量电容电流反馈系数，降低了控制系统的设计成本和设计的复杂度；针对分数阶lcl型并网逆变器控制系统，分别给出了整数阶和分数阶pr控制器的具体设计方法，通过该设计方法引入了分数阶电感的阶数α、分数阶电容的阶数β以及分数阶pr控制器的阶数μ，增加了多个自由度，使得控制器的设计更加灵活，得到的pr控制器参数值为比较理想的值，实际设计系统时无需再反复试凑pr控制器的参数值，使得pr控制器的设计更有效、更准确和更方便。

技术特征：

1.一种分数阶lcl并网逆变器，其特征在于，包括：主电路部分及控制系统部分；

2.一种分数阶lcl并网逆变器的整数阶和分数阶pr控制器设计方法，其特征在于，所述设计方法基于权利要求1所述的分数阶lcl并网逆变器，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s1具体包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将稳态误差对并网电流分量ig2的要求转换为对基波环路增益tfo的要求的步骤具体包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述s3具体包括：

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s4具体包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述s41中tfo对谐振系数kr的约束条件引入了分数阶电感的阶数α具体包括：

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述s41中相位裕度pm对谐振系数kr的约束条件引入了分数阶电感的阶数α和分数阶电容的阶数β具体包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述s42中tfo对谐振系数kr的约束条件引入了分数阶电感的阶数α和分数阶pr控制器的阶数μ具体包括：

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述s42中相位裕度pm对谐振系数kr的约束条件引入了分数阶电感的阶数α、分数阶电容的阶数β以及分数阶pr控制器的阶数μ具体包括：

技术总结
本发明提供了一种分数阶LCL并网逆变器及其PR控制器及设计方法，设计方法包括：通过单相分数阶LCL型无电容电流反馈并网逆变器及其控制结构获得单相分数阶LCL型并网逆变器无电容电流反馈的数学模型；将稳态误差对并网电流分量的要求转换为对基波环路增益的要求；获取稳态误差和稳定裕度对整数阶和分数阶PR控制器参数的约束；根据约束对整数阶和分数阶PR控制器进行设计。本申请分别给出了整数阶和分数阶PR控制器的具体设计方法引入了分数阶电感的阶数α、分数阶电容的阶数β以及分数阶PR控制器的阶数μ，实际设计系统时无需再反复试凑PR控制器的参数值，使得PR控制器的设计更有效、更准确和更方便。

技术研发人员：王晓刚,江远怀
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15