一種光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的全橋逆變器的三閉環(huán)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的全橋逆變器的三閉環(huán)控制方法，本發(fā)明提出三個環(huán)路的閉環(huán)控制策略：內(nèi)環(huán)為逆變器濾波電感電流環(huán)，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；中間環(huán)為逆變器輸出瞬時電壓環(huán)，改善輸出電壓波形，提高穩(wěn)態(tài)精度；外環(huán)為逆變器輸出電壓有效值環(huán)，提高輸出電壓有效值的精度。整個三閉環(huán)控制可以有效地提高單項全橋逆變器電壓電流輸出質(zhì)量。
【專利說明】-種光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的全橋逆變器的三閉環(huán)控制 方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光伏儲能領域，尤其設有光伏儲能全橋逆變器的控制方法。

【背景技術】
[0002] 光伏儲能系統(tǒng)中功率變換器包括光伏側(cè)Boost逆變器、電池側(cè)Buck-Boost逆變器 以及負載側(cè)全橋逆變器。三個變換器都跨接到公共直流母線上，從而組成一個直流微網(wǎng)。由 于逆變器饋輸出電壓電流質(zhì)量有嚴格的要求，逆變器的控制策略顯得尤為重要。常用的單 閉環(huán)反饋控制和雙閉環(huán)電壓電流控制策略的逆變器系統(tǒng)往往動態(tài)性能和穩(wěn)定性能都較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是實現(xiàn)一種能夠提高單項全橋逆變器電壓電流輸出 質(zhì)量的控制方法。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：一種光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的 全橋逆變器的三閉環(huán)控制方法，光伏儲能系統(tǒng)光伏組件和電池組分別經(jīng)光伏側(cè)變換器和電 池側(cè)變換器接直流母線，本地負載經(jīng)全橋逆變器接直流母線，公共電網(wǎng)接入到本地負載和 全橋逆變器之間；所述全橋逆變器內(nèi)環(huán)為逆變器濾波電感電流環(huán)，中間環(huán)為逆變器輸出瞬 時電壓環(huán)，外環(huán)為逆變器輸出電壓有效值環(huán)。
[0005] 本發(fā)明提出三個環(huán)路的閉環(huán)控制策略：內(nèi)環(huán)為逆變器濾波電感電流環(huán)，提高系統(tǒng) 的動態(tài)性能；中間環(huán)為逆變器輸出瞬時電壓環(huán)，改善輸出電壓波形，提高穩(wěn)態(tài)精度；外環(huán)為 逆變器輸出電壓有效值環(huán)，提高輸出電壓有效值的精度。整個三閉環(huán)控制可以有效地提高 單項全橋逆變器電壓電流輸出質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 下面對本發(fā)明說明書中每幅附圖表達的內(nèi)容作簡要說明：
[0007] 圖1光伏儲能系統(tǒng)拓撲；
[0008] 圖2為圖1中全橋逆變器等效原理圖；
[0009] 圖3全橋逆變器工作在孤島模式下的控制框圖；
[0010] 圖4全橋逆變器工作在孤島模式下的電流環(huán)控制框圖；
[0011] 圖5全橋逆變器工作在孤島模式下電流環(huán)補償后開環(huán)幅頻特性圖；
[0012] 圖6全橋逆變器工作在孤島模式下的瞬時電壓環(huán)控制框圖；
[0013] 圖7全橋逆變器工作在孤島模式下瞬時電壓環(huán)補償后開環(huán)幅頻特性圖；
[0014] 圖8全橋逆變器工作在孤島模式下的有效值電壓環(huán)控制框圖；
[0015] 圖9簡化的有效值電壓環(huán)控制框圖；
[0016] 圖10全橋逆變器工作在孤島模式下有效值電壓環(huán)補償后開環(huán)幅頻特性圖。

【具體實施方式】
[0017] 參見圖1可知，光伏儲能系統(tǒng)光伏組件和電池組分別經(jīng)光伏側(cè)變換器和電池側(cè)變 換器接直流母線，本地負載經(jīng)全橋逆變器接直流母線，公共電網(wǎng)接入到本地負載和全橋逆 變器之間，三個變換器都跨接到公共直流母線上，從而組成一個直流微網(wǎng)。參見圖2、3可 知，全橋逆變器內(nèi)環(huán)為逆變器濾波電感電流環(huán)，中間環(huán)為逆變器輸出瞬時電壓環(huán)，外環(huán)為逆 變器輸出電壓有效值環(huán)。
[0018] 參見圖2可知，逆變器濾波電感電流環(huán)控制參數(shù)設置如下，全橋逆變器輸出端采 集電流信號反饋至其輸入的電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器：
[0019] 電流環(huán)在補償前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0020] q⑴-ττ-人層.______ζ______________7_________τ________ο______7__________D ig LCRS + LS + R (ι)
[0021] 其中：ΚΡΜ為調(diào)制器輸入到逆變器輸出的傳遞函數(shù)，此處為1，C為輸出LC濾波器 的濾波電容，L為輸出LC濾波器的濾波電感，R為負載。
[0022] 電流控制器采用Ρ調(diào)節(jié)器，考慮將補償后電流環(huán)的穿越頻率fic;設置在開關頻率f s 的1/10,即有： f - fs
[0023] jk 10 (2)
[0024] 設電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：
[0025] Q (s) = Kip (3)
[0026] 通過以下方程可求解得到電流環(huán)控制器參數(shù)： Kpmi(Rcs+i)
[0027] IP LCRS:他 R 視 ⑷
[0028] 取逆變器輸出濾波器參數(shù)取L = 2mH，C = 10uF，負載按照滿載5kW設計取為R = 9. 68 Ω。將以上參數(shù)代入式（4)可解得電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。最終取參數(shù)為：
[0029] Kip = 22 (5)
[0030] 圖5給出了補償前后電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)的伯特圖。從圖中可以看出，補償 后電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線以-20dB/dec的斜率穿過零點。系統(tǒng)穿越頻率為 1. 32e+4rad/sec，相角裕度為 99. 6deg。
[0031] 參見圖6可知，中間環(huán)為逆變器輸出瞬時電壓環(huán)設置如下，全橋逆變器輸出端采 集電壓信號反饋至其輸入的瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器。
[0032] 在設計瞬時電壓環(huán)補償網(wǎng)絡參數(shù)時，把電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為被控對象的一部 分。其中：電壓環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： Γ π州啡） 歷崎+ 1)
[0033] l + q(.s-) LCRS2+(L+KipKpmiRC)S + R + KipKpni (β)
[0034] 根據(jù)圖6以及式（6)，可以得到瞬時電壓環(huán)補償前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0035] ￠7,.(5) =-:-=-?- RCS+l LCRS~ +(L+KipKpmiRC)S+R+KlpKpnji (7)
[0036] 從上式可以看出，被控對象是一個二階系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)折角頻率為： \R+KKpmi
[0037] ω = -g c 'V LCR (8)
[0038] 設瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)折頻率fvn在上述震蕩環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率處，將補償后 瞬時電壓環(huán)的的穿越頻率fvc設置在PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)折頻率的1/5,即有： / =^- J M2 ^ 2,71
[0039] 1 疒-J'" (9)
[0040] 設瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：
[0041] Cv(s)^.................................................^............................................^........ C1U)
[0042] 通過以下方程組可求解得到瞬時電壓環(huán)控制器參數(shù)： ? Κ. ^0) κψc
[0043] j K S+K K K削R \p μ ψ Fit M ___1 ^-S^' LCRS1 + (L+KipKpn[RC)S+R + ΚφΚρη? t --=:-? (11)
[0044] 將相關參數(shù)代入上式，即可求得瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，最終取參數(shù)為： =0.025
[0045] \ Ψ
[1^-=325
[0046] 圖7給出了補償前后瞬時電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)的伯特圖。從圖中可以看出，補償 后瞬時電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線以_20dB/dec的斜率穿過零點。系統(tǒng)穿越頻率為 2. 19e+3rad/sec，相角裕度為83. 2deg，可以獲得較好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。
[0047] 參見圖8可知，外環(huán)為逆變器輸出電壓有效值環(huán)參數(shù)設置如下，全橋逆變器輸出 端采集電壓信號反饋至其輸入的效值電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器。
[0048] 有效值電壓控制框圖，補償后有效電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： /v ___ +[v; _KipKpmfR_ _9] ^?Mm2 + (￡+I^KFmfM：)S+及(13)
[0050] 故補償后有效電壓環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： φ (S)= v 1+Gv(s)
[_] =_(KvS+KK)K ipKpnfR_ ? LCRS1+(L + K；pKpniRC)S2 +(R+KipKpni +KvKipKpniR)S+KvK:pK pntR Q4)
[0052] 在設計有效值電壓環(huán)補償網(wǎng)絡參數(shù)時，將瞬時電壓環(huán)作為被控對象，控制框圖如 圖8所示。給定是輸出電壓的有效值參考值，反饋是輸出電壓的實際有效值，這兩個都是直 流量。從控制的角度上來說，被控對象的輸入是50Hz正弦波的幅值，輸出也是50Hz正弦 波的幅值，實際上被控對象的傳遞函數(shù)就是瞬時電壓環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線上50Hz 頻率對應的增益。所以可以將圖8簡化為圖9。其中：
[0053] Kw = | Φ? |s = j2" .5(| (15)
[0054] 將有效值電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)折頻率fm設置在瞬時電壓環(huán)穿越頻率fv。的1/5， 將補償后有效值電壓環(huán)的穿越頻率f w。設置在轉(zhuǎn)折頻率fm的1/5,即有： if =L· j J ΜΗ 5
[0055] j f _ J ? <! I 5 (16)
[0056] 設有效值電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為： κ s+κ . Cf \ m wW = ^^- S (17)
[0058] 通過以下方程組可求解得到有效值電壓環(huán)控制器參數(shù)： 」^二 2jTfwn Κη·ρ
[0059] 1 , (Kwps + KJKW- =1 ? 球7^ (18)
[0060] 將相關參數(shù)代入上式，即可求得有效值電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。最終取參數(shù)為： (K^ =0.16 [0061] \ 'Ψ .[w:=7〇 U9)
[0062] 圖10給出了補償后有效值電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)的伯特圖。從圖中可以看出，補償 后有效值電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線以-20dB/dec的斜率穿過零點。系統(tǒng)穿越頻率 為71rad/sec，相角裕度為99. 2deg。
【權利要求】
1. 一種光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的全橋逆變器的三閉環(huán)控制方法，其特征在于：光伏 儲能系統(tǒng)光伏組件和電池組分別經(jīng)光伏側(cè)變換器和電池側(cè)變換器接直流母線，本地負載經(jīng) 全橋逆變器接直流母線，公共電網(wǎng)接入到本地負載和全橋逆變器之間；所述全橋逆變器采 用三環(huán)控制方法內(nèi)環(huán)為逆變器濾波電感電流環(huán)，中間環(huán)為逆變器輸出瞬時電壓環(huán)，外環(huán)為 逆變器輸出電壓有效值環(huán)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的全橋逆變器的三閉環(huán)控制方法， 其特征在于：所述全橋逆變器輸出端采集電流信號反饋至其輸入的電流環(huán)P調(diào)節(jié)器； 所述電流環(huán)在補償前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
其中：ΚΡΜ為調(diào)制器輸入到逆變器輸出的傳遞函數(shù)，C為輸出LC濾波器的濾波電容，L 為輸出LC濾波器的濾波電感，R為負載； 將補償后電流環(huán)的穿越頻率fic設置在開關頻率fs的1/10,即有：
設電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為： Ci (s) = Kip 則電流環(huán)控制器參數(shù)：
3. 根據(jù)權利要求1所述的光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的全橋逆變器的三閉環(huán)控制方法， 其特征在于：所述全橋逆變器輸出端采集電壓信號反饋至其輸入的瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器； 所述瞬時電壓環(huán)將電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為被控對象的一部分，其中：電壓環(huán)閉環(huán)傳 遞函數(shù)為：
則瞬時電壓環(huán)補償前的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
則其轉(zhuǎn)折角頻率為：
設瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)折頻率fvn在上述震蕩環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率處，將補償后瞬時 電壓環(huán)的的穿越頻率fv。設置在PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)折頻率的1/5,即有：
設瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：
則瞬時電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)：
4.根據(jù)權利要求1所述的光伏儲能系統(tǒng)孤島模式下的全橋逆變器的三閉環(huán)控制方法， 其特征在于：所述全橋逆變器輸出端采集電壓信號，計算有效電壓反饋至其輸入的效值電 壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器； 補償后有效電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
則有效電壓環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
其中： Kw - I ① V (S) I s = j2 π . 50 將有效值電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)折頻率fwn設置在瞬時電壓環(huán)穿越頻率fvc的1/5,將 補償后有效值電壓環(huán)的穿越頻率fwc設置在轉(zhuǎn)折頻率fwn的1/5,則
設有效值電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：
則有效值電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為
【文檔編號】H02M7/5387GK104092397SQ201410336530
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權日:2014年7月15日
【發(fā)明者】蔡旭, 姜廣宇, 王海松, 葉程廣, 羅天意 申請人:安徽啟光能源科技研究院有限公司