一種光伏併網逆變器系統的控制方法

2023-05-08 13:58:01

一種光伏併網逆變器系統的控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種光伏併網逆變器系統的控制方法，在比例諧振控制的基礎上，提出了對此控制方式的改進方法即準比例諧振控制方法，該方法可實現零穩態誤差控制，可增強系統的穩態性能和抗幹擾能力，具有良好的跟蹤性能，能夠提高系統的控制性能。同時可減小電網頻率偏移對併網電流的影響，更好的實現了併網電流和電網電壓同頻同相的目的，而且其實現起來也相對簡單，該方法適合光伏併網逆變器的高性能控制，對光伏併網發電的研究具有推動作用，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種光伏併網逆變器系統的控制方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及光伏併網發電技術、併網逆變器的控制【技術領域】，尤其涉及一種可實現零穩態誤差控制，增強系統的穩態性能和抗幹擾能力的併網逆變控制方法。

【背景技術】
[0002]光伏併網系統可看作是併網電流與電網電壓的並聯，控制器的目的是實現網側單位功率因數正弦波電流控制，保持併網電流與電網電壓同頻同相。目前有各種不同的控制技術，但用的最多的是滯環電流控制、雙環控制、多環控制以及正弦波脈寬調製技術。
[0003]結合逆變器系統的理想模型、工作狀態分析及系統建模，逆變器的控制策略大體可分為以下幾種:電流比例(P)控制、電流比例積分(PI)控制、電流比例諧振(PR)控制。上述控制方法各有優點，然而也有其弊端。其中，電流比例(P)控制會使得系統某些器件的電磁噪聲增加，併網電流的脈動增強；電流比例積分(PI)控制的電流環無法實現電流的無靜差控制，系統可能會發生振蕩；電流比例諧振(PR)控制雖然實現了電流的無靜差控制，卻不便實現有功和無功功率的獨立控制。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種光伏併網逆變器系統的控制方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種光伏併網逆變器系統的控制方法，在光伏併網逆變器系統上實現，所述光伏併網逆變器系統為單相非隔離併網逆變器系統，逆變部分採用全橋拓撲，並採用單極性的正弦脈寬調製方式，系統包括:全橋逆變器、輸出濾波電路、採樣調理電路、DSP控制器以及驅動保護電路；該方法包括以下步驟:
[0006](I)構建光伏併網逆變器系統的模型，具體為:與電網電壓同頻同相的參考電流Iref與逆變器的輸出電流I。的比較值經過系統控制器的傳遞函數G1 (S)與SPWM調製下的PWM逆變單元增益環節K得到新的控制量，該控制量與電網電壓Ugrid的比較值經過濾波網絡的傳遞函數G2 (S)得到逆變器的輸出電流I。；根據該模型可得逆變器輸出電流I。的傳遞函數為:
「 π / KG1(S)G2(S) ,G2(S)
[_7] c ^ l-r KG1(S)G2(S) nf } +KG1(S)G1(S) grM% ,
[0008]電流準比例諧振控制的傳遞函數G1⑶可表示為:

, IKsQjiS
[0009]--ι\?)= ? -T? ———12/

S~ + 2(^.0 + (OJ
[0010]其中，由於電網頻率f為50Hz，所以基波頻率= 2 JI f = 314 ;參數Kp根據系統對比例增益的要求來選擇；參數&與系統所需的峰值增益的大小有關；截止頻率ω。與系統截止頻率的帶寬需求有關；系統選擇以下參數:ω。= 10, Kr = 100, Kp = 4 ；
[0011](2)待測電壓信號經過採樣調理電路的降壓處理、信號調理、濾波以及放大處理之後得到一個電壓信號，經過電壓抬升與信號整形後，輸出到DSP控制器的A/D採樣口，經過DSP控制器採樣後得到電壓數位訊號量；待測電流信號經過採樣調理電路後，輸出到DSP控制器的A/D採樣口，經過DSP控制器採樣後得到電流數位訊號量；
[0012](3) DSP控制器進行A/D採樣和併網電流閉環控制；內部鎖相環對電網頻率進行鎖相跟蹤並產生SPWM(正弦脈寬調製)邏輯控制信號；包括以下子步驟:
[0013](3.DDSP控制器運行系統的主程序，完成DSP系統的初始化設置；DSP系統開啟Tl定時器和總中斷，並一直循環等待，直到中斷觸發脈衝到來；
[0014](3.2)當中斷被觸發時，運行定時器中斷子程序和捕獲中斷子程序；其中，定時器中斷子程序主要用來進行A/D採樣和併網電流閉環控制，具體為:
[0015]A.當定時器中斷被觸發時，先判斷A/D採樣是否完成，若完成則開始進行數字濾波和誤差計算，若未完成，則繼續進行A/D採樣直到其完成；
[0016]B.DSP系統根據步驟I設置的參數進行準PR控制，再經過正弦波發生器，並修改比較寄存器中的值，最後D/A轉化將數位訊號轉化為模擬波形並在仿真器上顯示出來；
[0017]C.中斷結束返回主程序繼續進行循環等待直到下次中斷觸發脈衝的到來；
[0018]捕獲中斷子程序主要用來實現電網電壓的鎖相功能進行市電相位跟蹤，具體為:
[0019]a.當第一次捕獲中斷產生時，首先載波周期定時器中斷被啟動並讀取零角度數據，每次中斷只依次從正弦數據表格中讀取一個表格數據；
[0020]b.當第二個捕獲中斷產生時，系統進入捕獲中斷程序，開始調頻，通過調整載波寄存器的值改變載波頻率，直到它滿足系統的同步要求；
[0021]c.通過改變讀表指針調相，實現系統的鎖相功能；
[0022](3.3)利用DSP控制器事件管理模塊中通用定時器的比較功能產生光伏併網逆變器系統所需要的4路PWM(脈寬調製)信號；具體為:DSP控制器中事件管理器模塊A的通用定時器I的計數方式設置為連續增減模式；定時器的周期寄存器在增減計數方式中裝載三角載波周期所需要的計數值，同時取出正弦波各個比較點的幅值送給比較寄存器；在每個周期中，若想改變PWM輸出脈衝的寬度以及開關管的通斷時間，只需改變相應寄存器的值，當脈衝寬度滿足正弦規律變化時輸出SPWM信號；SPWM波形的載波頻率為15KHz，採用PWM1-PWM4來驅動全橋逆變器；在全比較單元中的死區控制寄存器上設置死區時間大小為2 μ s ；
[0023](4) DSP控制器輸出的4路PWM經過驅動保護電路後，驅動全橋逆變器的開關管IGBT工作；
[0024](5)全橋逆變器的開關管IGBT在PWM信號控制下通斷；
[0025](6)全橋逆變器的輸出信號經過濾波電感和濾波電容的濾波後得到併網電流，分析比較併網電流與電網電壓波形，實現光伏併網逆變器系統的控制。
[0026]本發明的有益效果是:
[0027]1.對比例諧振(PR)控制方式進行改進，可實現零穩態誤差控制，可增強系統的穩態性能和抗幹擾能力，具有良好的跟蹤性能，能夠提高系統的控制性能。
[0028]2.可減小電網頻率偏移對併網電流的影響，更好的實現了併網電流和電網電壓同頻同相的目的，而且其實現起來也相對簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是併網逆變器系統結構圖；
[0030]圖2是併網逆變器的系統模型；
[0031]圖3是準PR控制器的波特圖；
[0032]圖4是電網電壓採樣電路；
[0033]圖5是併網電流採樣電路；
[0034]圖6是主程序流程圖；
[0035]圖7是定時器中斷程序流程圖；
[0036]圖8是鎖相環程序流程圖；
[0037]圖9是連續增減計數方式；
[0038]圖10是連續增減計數方式的PWM輸出波形圖；
[0039]圖11是正弦脈寬調製(SPWM)波形實現流程圖；
[0040]圖12是功率管驅動電路圖；
[0041 ] 圖13是過流保護電路；
[0042]圖14是過壓保護電路；
[0043]圖15是全橋逆變電路的工作狀態圖，(a)為工作模式1，(b)為工作模式2，(c)為工作模式3，(d)為工作模式4 ；
[0044]圖16是併網電流和併網電壓實驗波形。

【具體實施方式】
[0045]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0046]本發明一種光伏併網逆變器系統的控制方法，該方法在光伏併網逆變器系統上實現，所述光伏併網逆變器系統為單相非隔離併網逆變器系統，逆變部分採用全橋拓撲，並採用單極性的正弦脈寬調製方式，系統包括:全橋逆變器、輸出濾波電路、採樣調理電路、DSP控制器以及驅動保護電路；併網逆變器系統結構圖如圖1所示，該方法包括以下步驟:
[0047](I)構建光伏併網逆變器系統的模型，如圖2所示。具體為:與電網電壓同頻同相的參考電流IMf與逆變器的輸出電流I。的比較值經過系統控制器的傳遞函數G1 (S)與SPWM調製下的PWM逆變單元增益環節K得到新的控制量，該控制量與電網電壓UgHd的比較值經過濾波網絡的傳遞函數G2 (S)得到逆變器的輸出電流I。；根據該模型可得逆變器輸出電流I。的傳遞函數為:
1: KG1(S)G2(S),聊 fr⑴
_」c I+ KG1 (S)G:(S) ,vt \ ^ KCh(S)Gl(S)
[0049]電流準比例諧振(PR)控制的傳遞函數G1⑶可表示為:
廣,c.、 ^2A>tS
[0050]G1(S) = K +^r...........^............................e-7(2)

1 S +2ωβ + OJJ
[0051]其中，由於電網頻率f為50Hz，所以基波頻率ω。= 2Jif = 314 ;參數Kp主要根據系統對比例增益的要求來選擇；參數&與系統所需的峰值增益的大小有關；截止頻率ω。與系統截止頻率的帶寬需求有關；經過反覆實驗，系統選擇以下參數:《。= 10, Kr = 100,Kp = 4時，滿足系統要求，這些控制參數都將在準PR控制程序中設置。準PR控制器的波特圖如圖3所示。
[0052](2)待測電壓信號經過採樣調理電路的降壓處理、信號調理、濾波以及放大處理之後得到一個電壓信號，經過電壓抬升與信號整形後，輸出到DSP控制器的A/D採樣口，經過DSP控制器採樣後得到電壓數位訊號量；電網電壓採樣電路如圖4所示。待測電流信號經過採樣調理電路後，輸出到DSP控制器的A/D採樣口，經過DSP控制器採樣後得到電流數位訊號量；併網電流採樣電路如圖5所示。
[0053](3) DSP控制器進行A/D採樣和併網電流閉環控制；內部鎖相環對電網頻率進行鎖相跟蹤並產生SPWM(正弦脈寬調製)邏輯控制信號；具體內容如下:
[0054](3.DDSP控制器運行系統的主程序，完成DSP系統的初始化設置。具體包括:首先對系統寄存器、EV模塊、ADC模塊以及CAP進行初始化，再對系統的I/O埠進行設置，然後對鎖相環PLL、準諧振PR以及SPWM的參數進行初始化。初始化完成後，系統開啟Tl定時器和總中斷，並一直循環等待，直到中斷觸發脈衝到來；主程序流程圖如圖6所示。
[0055](3.2)當中斷被觸發時，運行定時器中斷子程序和捕獲中斷子程序；其中，定時器中斷子程序主要用來進行A/D採樣和併網電流閉環控制，定時器中斷程序流程圖如圖7所示。具體為:
[0056]A.當定時器中斷被觸發時，先判斷A/D採樣是否完成，若完成則開始進行數字濾波和誤差計算，若未完成，則繼續進行A/D採樣直到其完成。
[0057]B.系統運行準PR控制程序，再經過正弦波發生器，並修改比較寄存器中的值，最後D/A轉化將數位訊號轉化為模擬波形並在仿真器上顯示出來。
[0058]C.中斷結束返回主程序繼續進行循環等待直到下次中斷觸發脈衝的到來。
[0059]捕獲中斷子程序主要用來實現電網電壓的鎖相功能進行市電相位跟蹤，鎖相環程序流程圖如圖8所7]^。具體為:
[0060]a.當第一次捕獲中斷產生時，首先載波周期定時器中斷被啟動並讀取零角度數據，每次中斷只依次從正弦數據表格中讀取一個表格數據；
[0061]b.當第二個捕獲中斷產生時，系統進入捕獲中斷程序，開始調頻；具體為:首先判斷電網電壓是否正常，其頻率是否在50Hz左右，那麼載波周期則為25KHz左右。當電網電壓正常時，開始讀取Tl計數器的計數值和載波周期定時中斷中正弦表格數據Dl的值，然後經過計算來調整下一載波寄存器TlPR的值從而來改變載波頻率，直到它滿足系統的同步要求。
[0062]c.通過改變讀表指針調相，實現系統的鎖相功能；具體為:本系統採用的基準是一個由360個點代表360°的正弦表，中斷移動一次，程序就移動1°。當輸出波形滯後電網電壓時，增大基準指針變量P的值即相當於把基準往前移相；同理可知，當輸出波形超前電網電壓時，減小基準指針變量P的值即相當於把基準往後移相，這樣最終實現本系統的鎖相功能。
[0063](3.3)利用DSP控制器事件管理模塊中通用定時器的比較功能產生光伏併網逆變器系統所需要的4路PWM(脈寬調製)信號；具體實現如下:
[0064]DSP控制器中事件管理器模塊A的通用定時器I的計數方式設置為連續增減模式，即計數器先從O開始增大，向上計數，達到三角載波的波峰後從最大值開始遞減為0，這樣就形成了一個載波周期，其中三角載波的波峰值也就是周期寄存器的設定值，然後不斷重複這個數字增加和遞減的過程。具體的計數方式如圖9所示。
[0065]定時器的周期寄存器不僅需要在增減計數方式中裝載三角載波周期所需要的計數值，而且還要取出正弦波各個比較點的幅值送給比較寄存器。PWM的波形產生如圖10所示，圖中所標註的比較匹配是指計數值與比較寄存器的值相交，這個時候，定時器繼續計數，而圖中所標註的周期匹配則是指周期寄存器的設定值也就是三角載波的波峰值。在每個周期中，若想改變PWM輸出脈衝的寬度以及開關管的通斷時間，只需改變相應寄存器的值，當脈衝寬度滿足正弦規律變化時輸出SPWM信號。SPWM波形的載波頻率為15KHz，採用PWM1-PWM4來驅動全橋逆變電路。SPWM具體的實現流程圖如圖11所示。為了避免同一橋臂的上下管直通所導致的功率器件損壞，在全比較單元中的死區控制寄存器上設置死區時間大小為2 μ S。
[0066](4) DSP控制器輸出的4路PWM經過驅動保護電路後，驅動全橋逆變器的開關管IGBT工作。
[0067]本系統的驅動電路如圖12所示，功率管IR2103的HIN、LIN引腳與DSP晶片TMS320F2812的四路PWM輸出引腳相連，HO、LO引腳分別與不同開關管IGBT的柵極相連。為了防止自舉電容兩端放電，選用貼片封裝的快速恢復二極體USlK即圖12中D1，它的反向耐壓值為800V，額定正向電流為1Α。其他元件設計具體見圖12。本系統的保護電路採用過流保護電路和過壓保護電路，圖13為過流保護電路，圖14為過壓保護電路，保護電路與DSP控制器的Η)ΡΙΝΤ引腳相連，可以很好的實現系統中的保護功能。
[0068](5)全橋逆變器的開關管IGBT在PWM信號控制下通斷，具體的工作模式如圖15所示。本系統中的直流側電壓取U = 400V。單相全橋逆變電路由4個橋臂組成，其中每個橋臂都由一個可控開關管和一個反並聯二極體組成。為了防止直流側短路，電壓型逆變電路同一半橋上的上下兩個橋臂不能同時導通，因此全橋逆變器的功率器件有4種工作模式。模式一:Q1和Q4開通，直流側電壓加到負載兩端，直流側能量中的一部分能量會饋送到電網中，還有一部分通過逆變橋臂交流側的電感儲存起來，輸出併網電流增大；模式二:Q1和Q3開通，交流側濾波器元件儲存的能量通過Ql和D3向電網饋電，電感儲能逐漸變少，輸出電流也不斷減小，這時負載兩端為O電壓；模式三:Q2和Q3開通，直流側電壓反向加到負載兩端，其分析同模式I ;模式四:Q2和Q4開通，交流側濾波器元件儲存的能量通過Q2和D4向電網饋電，其分析同模式2。通過各開關模式的切換，控制各模式之間的時間比，改變開關頻率，便可控制逆變器併網電流的大小以達到系統的期望值。
[0069](6)全橋逆變器的輸出信號經過濾波電感和濾波電容對其進行濾波後得到了併網電流。系統中逆變器的輸出濾波器採用典型的LC濾波器，該逆變器系統的開關頻率為15KHz，經過計算濾波電感L取3mH，濾波電容C取0.6 μ F。得到的併網電流和電網電壓的實驗波形如圖16所示。
[0070]由實驗波形可知，逆變器的電流輸出波形是一條標準且相對平滑的正弦函數曲線，並且其能夠很好的跟蹤電網電壓，實現了併網電流和電網電壓同頻同相的目的。
【權利要求】
1.一種光伏併網逆變器系統的控制方法，在光伏併網逆變器系統上實現，所述光伏併網逆變器系統為單相非隔離併網逆變器系統，逆變部分採用全橋拓撲，並採用單極性的正弦脈寬調製方式，系統包括:全橋逆變器、輸出濾波電路、採樣調理電路、DSP控制器以及驅動保護電路；其特徵在於，包括以下步驟: (1)構建光伏併網逆變器系統的模型，具體為:與電網電壓同頻同相的參考電流U與逆變器的輸出電流I。的比較值經過系統控制器的傳遞函數G1 (S)與SPWM調製下的PWM逆變單元增益環節K得到新的控制量，該控制量與電網電壓Ugrid的比較值經過濾波網絡的傳遞函數G2 (S)得到逆變器的輸出電流I。；根據該模型可得逆變器輸出電流I。的傳遞函數為:
—KG1(S)G2(S)G2(S) J 嚴1.....................%J -1\ I /
c UKGi(S)G2(S) reJ I+KGi(S)G2(S) κ 電流準比例諧振控制的傳遞函數G1 (S)可表示為: G1 (5) = K11 十，2K/°cS ?(2)

+ 2ωβ + (oj 其中，由於電網頻率f為50Hz，所以基波頻率ω。= 2 π f = 314 ;參數Kp根據系統對比例增益的要求來選擇；參數&與系統所需的峰值增益的大小有關；截止頻率ω。與系統截止頻率的帶寬需求有關；系統選擇以下參數:ω。= 10, Kr = 100, Kp = 4 ； (2)待測電壓信號經過採樣調理電路的降壓處理、信號調理、濾波以及放大處理之後得到一個電壓信號，經過電壓抬升與信號整形後，輸出到DSP控制器的A/D採樣口，經過DSP控制器採樣後得到電壓數位訊號量；待測電流信號經過採樣調理電路後，輸出到DSP控制器的A/D採樣口，經過DSP控制器採樣後得到電流數位訊號量； (3)DSP控制器進行A/D採樣和併網電流閉環控制；內部鎖相環對電網頻率進行鎖相跟蹤並產生SPWM邏輯控制信號；包括以下子步驟: (3.1) DSP控制器運行系統的主程序，完成DSP系統的初始化設置；DSP系統開啟Tl定時器和總中斷，並一直循環等待，直到中斷觸發脈衝到來； (3.2)當中斷被觸發時，運行定時器中斷子程序和捕獲中斷子程序；其中，定時器中斷子程序主要用來進行A/D採樣和併網電流閉環控制，具體為: A.當定時器中斷被觸發時，先判斷A/D採樣是否完成，若完成則開始進行數字濾波和誤差計算，若未完成，則繼續進行A/D採樣直到其完成； B.DSP系統根據步驟I設置的參數進行準PR控制，再經過正弦波發生器，並修改比較寄存器中的值，最後D/A轉化將數位訊號轉化為模擬波形並在仿真器上顯示出來； C.中斷結束返回主程序繼續進行循環等待直到下次中斷觸發脈衝的到來； 捕獲中斷子程序主要用來實現電網電壓的鎖相功能進行市電相位跟蹤，具體為: a.當第一次捕獲中斷產生時，首先載波周期定時器中斷被啟動並讀取零角度數據，每次中斷只依次從正弦數據表格中讀取一個表格數據； b.當第二個捕獲中斷產生時，系統進入捕獲中斷程序，開始調頻，通過調整載波寄存器的值改變載波頻率，直到它滿足系統的同步要求； c.通過改變讀表指針調相，實現系統的鎖相功能； (3.3)利用DSP控制器事件管理模塊中通用定時器的比較功能產生光伏併網逆變器系統所需要的4路PWM信號；具體為:DSP控制器中事件管理器模塊A的通用定時器I的計數方式設置為連續增減模式；定時器的周期寄存器在增減計數方式中裝載三角載波周期所需要的計數值，同時取出正弦波各個比較點的幅值送給比較寄存器；在每個周期中，若想改變PWM輸出脈衝的寬度以及開關管的通斷時間，只需改變相應寄存器的值，當脈衝寬度滿足正弦規律變化時輸出SPWM信號；SPWM波形的載波頻率為15KHz，採用PWM1-PWM4來驅動全橋逆變器；在全比較單元中的死區控制寄存器上設置死區時間大小為2μ s ；(4)DSP控制器輸出的4路PWM經過驅動保護電路後，驅動全橋逆變器的開關管IGBT工作； (5)全橋逆變器的開關管IGBT在PWM信號控制下通斷； (6)全橋逆變器的輸出信號經過濾波電感和濾波電容的濾波後得到併網電流，分析比較併網電流與電網電壓波形，實現光伏併網逆變器系統的控制。
【文檔編號】H02M7/5387GK104319805SQ201410469732
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】張寅孩, 朱劍 申請人:浙江理工大學