一种单相LC型并网逆变器分数阶控制方法与流程

一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法
技术领域
1.本发明涉及逆变器控制技术领域，尤其涉及一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法。


背景技术：

2.并网逆变器是新能源并入电网的重要电力设备，他能有效将新能源的电能转换为可接入电网的交流电。目前对于逆变器拓扑结构数学模型的建立大多都是基于整数阶微积分原理，即默认的逆变器电路存在的电感和电容均为整数阶特性，常用的建模方法有：状态空间平均法、离散时域法。有研究表明，电容和电感本质上是分数阶的，整数阶的电容和电感在实际工程中并不存在。
3.国外学者westerlund通过实验确定，在不同的电解质环境下，电容的电路特性为分数阶，jesus分别制造出阶数为0.59和0.42阶的电容，machado通过趋肤效应可以制造出任意阶次的电感。通过大量实验表明，电感、电容电学特性均不符合整数阶特性，实际为分数阶特性。因此，想实现对逆变器电路拓扑结构的精确建模，以分数阶微积分建立电感、电容数学模型能更加准确反映其电学特性，随着分数阶微积分研究的逐渐深入，在逆变器领域，分数阶pid控制器也得到了广泛应用。将分数阶pid应用于逆变器的控制策略中也具有非常重要的理论和实际意义。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述提到的问题，提供了一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单相lc型并网逆变器分数阶控制方法，包括：
6.构建单相lc型并网逆变器，获取直流侧电压参考值，与直流侧电压实际值求差后，经过电压外环改进的比例—谐振(qpr)控制器，得到二次侧滤波电感电流幅值；
7.取电网电压信号，经过锁相环回路得到标准单位正弦信号；
8.将滤波电感电流幅值信号与单位正弦信号相乘，得到电感电流标准参考值，与电感电流实际值做差，经过电流内环分数阶pid控制器，得到调制信号；
9.将调制信号输入到单相lc型并网逆变器的spwm模块，得到驱动信号，以控制单相lc型并网逆变器开关器件的关断与导通，实现对逆变器拓扑结构数学模型的分数阶控制。
10.其中，电压外环采用比例—谐振(qpr)控制器的传递函数g
qpr
(s)，补偿后的分数阶电流内环闭环传递函数g
ic
(s)、电感电流至输出电压的传递函数g
vi
(s)表达式如下：
[0011][0012]
[0013][0014]
其中，k
pp
为比例控制参数；2k1ω
c
s/(s2 2ω
c
s ω
o2
)为谐振项，用于实现对比例—谐振(qpr)控制器50hz基频信号的无误差跟踪；ω0为电网角频率，r为负载侧电阻；k1为比例谐振系数；ω
c
为截止频率，用于调节带宽；β为分数阶的微分阶次。
[0015]
其中，所述准比例谐振控制器的比例控制增益k
pp
取10，比例谐振系数k1取5，截止频率ω
c
取20rad/s，电网角频率ω0取314rad/s，β取0.6。
[0016]
其中，电流内环分数阶pid控制器的传递函数如下：
[0017][0018]
g
id
(s)是占空比到电感电流的传递函数，其表达式如下：
[0019][0020]
g
pwm
(s)是spwm调制模块的传递函数，其表达式如下：
[0021][0022]
其中k
p
、k
i
、k
d
分别为分数阶pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数；α和β2分别为电流内环分数阶pid控制器的积分阶次和微分阶次，r
l
表示滤波电感的寄生电阻，u
dc
为直流侧电压，u
cm
是三角载波的峰值电压。
[0023]
其中，分数阶pid控制器的比例系数k
p
取58，积分系数k
i
取95，微分系数k
d
取6；分数阶积分阶次α取0.45，分数阶微分阶次β取0.6。
[0024]
其中，单相lc型并网逆变器的锁相环回路利用市电电压v
s
取样后得到信号v
m
sinωt，再经过1/4周期延迟后得到信号
‑
v
m
cosωt；两个信号再与其后产生的同步信号cosω1t与sinω1t分别相乘后相加得到误差e
[0025]
e＝v
m
(sinωtcosω1t
‑
cosωtsinω1t)
[0026]
。
[0027]
区别于现有技术，本发明是一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法，将分数阶pid控制器应用于单相lc逆变器控制策略中，使逆变器有更好的动稳态性能，大大降低了入网电流的thd；通过并网逆变器有效地将新能源的电能转换为可接入电网的交流电；考虑电容和电感的分数阶特性，设计分数阶双闭环控制策略；通过本发明，实现对逆变器的有效控制，有助于提升系统的鲁棒性。
附图说明
[0028]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0029]
图1是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法的流程示意图。
[0030]
图2是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法中单相lc型并网逆变器的结构示意图。
[0031]
图3是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法中电感电流内环控制回路的结构示意图。
[0032]
图4是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法中电压外环控制回路的结构示意图。
[0033]
图5是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法中锁相环的结构示意图。
[0034]
图6是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法中分数阶双环控制输出电压电流波形示意图。
[0035]
图7是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法中电流突减20％时的仿真波形示意图。
[0036]
图8是本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法中电压跌落20％时的仿真波形示意图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。
[0038]
参照附图1，本发明提供的一种针对单相lc型并网逆变器的分数阶控制方法，单相lc型并网逆变器的拓扑控制结构如图2所示，图2中包括lc滤波器，主要由逆变器侧电感l、滤波电容c构成；v
d
为直流电压；c1为直流侧稳压电容；s1～s4为并网逆变器的开关管igbt；v
c
为lc滤波器电容电压；i
s
为并网电流；i
l
为电感电流；v
s
为电网电压。
[0039]
该方法的步骤包括：
[0040]
构建单相lc型并网逆变器，获取直流侧电压参考值，与直流侧电压实际值求差后，经过电压外环改进的比例—谐振(qpr)控制器，得到二次侧滤波电感电流幅值；
[0041]
取电网电压信号，经过锁相环回路得到标准单位正弦信号；
[0042]
将滤波电感电流幅值信号与单位正弦信号相乘，得到电感电流标准参考值，与电感电流实际值做差，经过电流内环分数阶pid控制器，得到调制信号；
[0043]
将调制信号输入到单相lc型并网逆变器的spwm模块，得到驱动信号，以控制单相lc型并网逆变器开关器件的关断与导通，实现对逆变器拓扑结构数学模型的分数阶控制。
[0044]
电压外环控制如图3所示，电压外环采用比例—谐振(qpr)控制器的传递函数g
qpr
(s)，补偿后的分数阶电流内环闭环传递函数g
ic
(s)、电感电流至输出电压的传递函数g
vi
(s)表达式如下：
[0045][0046][0047]
[0048]
其中，k
pp
为比例控制参数；2k1ω
c
s/(s2 2ω
c
s ω
o2
)为谐振项，用于实现对比例—谐振(qpr)控制器50hz基频信号的无误差跟踪；ω0为电网角频率，r为负载侧电阻；k1为比例谐振系数；ω
c
为截止频率，用于调节带宽；β为分数阶的微分阶次。
[0049]
具体的，准比例谐振控制器的比例控制增益k
pp
取10，比例谐振系数k1取5，截止频率ω
c
取20rad/s，电网角频率ω0取314rad/s，β取0.6。
[0050]
图3中g
ic
(s)为补偿后的分数阶电流内环闭环传递函数。
[0051]
如图4所示，电流内环分数阶pid控制器的传递函数如下：
[0052][0053]
g
id
(s)是占空比到电感电流的传递函数，其表达式如下：
[0054][0055]
g
pwm
(s)是spwm调制模块的传递函数，其表达式如下：
[0056][0057]
其中k
p
、k
i
、k
d
分别为分数阶pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数；α和β2分别为电流内环分数阶pid控制器的积分阶次和微分阶次，r
l
表示滤波电感的寄生电阻，u
dc
为直流侧电压，u
cm
是三角载波的峰值电压。
[0058]
具体的，分数阶pid控制器的比例系数k
p
取58，积分系数k
i
取95，微分系数k
d
取6；分数阶积分阶次α取0.45，分数阶微分阶次β取0.6。
[0059]
锁相环控制回路控制器如图5所示，单相lc型并网逆变器的锁相环回路利用市电电压v
s
取样后得到信号v
m
sinωt，再经过1/4周期延迟后得到信号
‑
v
m
cosωt；两个信号再与其后产生的同步信号cosω1t与sinω1t分别相乘后相加得到误差e；
[0060]
e＝v
m
(sinωtcosω1t
‑
cosωtsinω1t)
[0061]
进一步地，以下对本发明提出的实施例进行了仿真研究，如下表1所示，列出了仿真的系统规格，对表1中拟议的控制系统进行了仿真和实验评估。
[0062]
参数数值直流侧电压v
dc
/v400直流侧电容c
dc
/μf330滤波电感l/mh5.5滤波电容c/μf27交流侧并联电压v
s
/v220采样频率f
s
/khz10
[0063]
表1仿真系统参数列表
[0064]
仿真和实验评估如下所述：
[0065]
图6为本发明分数阶双环控制输出的结果图，结果图显示了：分数阶双环控制下的输出电流和电压达到同相位并满足并网电压电流同步，同时保证了输出波形高正弦度，在过零点与峰值处也保证波形不发生畸变。该控制策略可以很好地过滤谐波，提升并网电能
质量。
[0066]
图7和图8为本发明在外部扰动下的动态性能实验波形，分别为：分数阶控制下的电流突减仿真波形和外部扰动下的仿真波形。其表示：在仿真运行到0.245s时，正弦波处于峰顶最易产生畸变时，加入电流突降20％，电压跌落20％的外界扰动。
[0067]
由图7可知，分数阶pid控制下电流在0.245s突减20％，经过0.28ms后电流恢复。同等条件下，整数阶pid控制电流恢复需要0.44ms。当以电网电压突降为扰动时，由图8可知，分数阶pid控制下，电网电压在0.245s突降20％，经过0.31ms恢复，且入网电流波形良好。同等条件，整数阶pid控制恢复需要0.59ms。通过上述分析可以看出，在同等外部扰动条件下，整数阶pid控制器虽然能恢复正弦波，但需要时间相比较分数阶pid控制器来说较长，且过滤谐波能力远不如分数阶pid控制器。由此证明，分数阶pid控制器具有强抗干扰能力。
[0068]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。