并网逆变器频率自适应控制方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制技术领域，具体涉及并网逆变器频率自适应控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

受到地域的影响，在我国，分布式能源发出的电能需长距离传输，此时电网线路阻抗不可忽略，电网呈弱电网特性。弱电网下，并网电流谐波将被进一步放大，进而增加公共耦合点(PCC)处的电压谐波，同时电网频率波动也会更加严重。

并网逆变器作为分布式能源并网的关键设备，其控制性能的优劣决定了并网电流质量的好坏，深入研究弱电网环境下的逆变器控制策略意义重大。当前已有多种控制器用于并网逆变器的控制中，如比例积分控制器（PI），比例谐振控制器（PR），无差拍控制器（DB），重复控制器（RC）等。其中RC对周期性信号具有明显抑制作用，且相对于其它具有类似控制效果的控制器来说结构简单，数字实现以及参数设计更为容易，更适用于弱电网环境下并网逆变器的控制。

然而RC固有一个周期的延迟，响应速度慢，所以常与其它控制器一起使用，形成复合控制策略。当前常见的复合控制有RC与比例控制相结合的复合控制，PI并联或串联RC的控制策略，滑模控制、模糊控制等现代控制器与RC结合形成的复合控制等，但现代控制器参数设计复杂，相比经典控制器，其优势并不明显，因此当前亟需设计出一种控制效果优良且结构简单的复合控制器。

弱电网环境下不得不考虑系统频率偏移的影响，RC最大的缺点便是其带宽过小，当电网频率发生偏移时，RC在电网基波频率以及基波整数倍频率处的增益将大幅减小，这也意味着RC的跟踪精度大大降低。为了确保并网逆变器在电网频率偏移的工况下依旧可以输出高质量的并网电流，当前主要采用两种方法：一是变采样频率的方法使采样频率

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有并网逆变器的控制策略存在在电网频率发生偏移后不能输出高质量并网电流，控制效果不佳，精确性不高，结构复杂，稳定性差等问题。本发明目的在于提供并网逆变器频率自适应控制方法、装置、设备及存储介质，同时设计一种基于通用Newton结构的分数延迟滤波器近似重复控制器RC的分数部分延迟

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供并网逆变器频率自适应控制方法，该控制方法包括以下步骤：

获取电力系统中公共耦合点处的电压信号以及并网电流信号，通过锁相环（PLL）提取出公共耦合点处的电压信号的相角信息；

根据所述电压信号的相角信息以及电力系统所需的并网电流值，得到控制系统（即控制环）中的参考电流信号；获取的并网电流信号作为控制系统中的反馈信号；

所述参考电流信号与并网电流信号进行做差，得到差值信号；将所述差值信号输入电流控制器进行电流调节，得到调节信号；将所述调节信号与并网电流反馈有源阻尼信号做差，得到调制波信号；根据所述调制波信号与SPWM调制器内部产生的载波信号进行比较，得到控制信号；将所述控制信号输入并网逆变器控制其内部电子器件的开断；其中：所述电流控制器为比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的复合控制结构。

进一步地，所述参考电流信号与并网电流信号进行做差之前，所述并网电流信号需经过坐标系变换器进行坐标变换，变换后的信号分成两路，一路形成并网电流反馈有源阻尼抑制LCL滤波器的固有谐振峰，另一路与参考电流信号做差生成控制系统的控制误差。

进一步地，所述电流控制器为比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的复合控制结构，比例谐振控制器PR控制的传递函数

其中，

进一步地，所述重复控制器RC控制中引入分数滤波器，保证重复控制器RC在系统频率偏移下的幅值增益不受影响，实现重复控制器RC的频率自适应；

所述的分数滤波器为基于Newton结构的分数延迟滤波器，并由Farrow结构推导变换获得通用Newton结构；并确定所述通用Newton结构的分数延迟滤波器阶数。这是考虑到电力系统的电网频率发生偏移后，重复控制的阶数

进一步地，由Farrow结构推导变换获得通用Newton结构，具体实现包括以下步骤：

步骤A，将Farrow结构表达式记作式(2)的形式：

其中

步骤B，将Newton结构表达式记为式(3)的形式：

式(3)中

步骤C，进行Farrow结构到Newton结构的变换，Farrow结构到Newton结构的变换通过式(4)实现：

式中

其中矩阵

矩阵

其中，

进一步地，确定基于Newton结构的分数延迟滤波器阶数时，考虑到随着阶数的增加，滤波器结构也更加复杂，经过分析，当M=4即滤波器为三阶时，就有较好的逼近效果，因此本发明设计所述通用Newton结构的分数延迟滤波器为三阶的分数延迟滤波器。

第二方面，本发明还提供了并网逆变器频率自适应控制装置，包括：

数据获取单元，用于获取电力系统中公共耦合点处的电压信号以及并网电流信号，通过锁相环（PLL）提取出公共耦合点处的电压信号的相角信息；

预处理单元，用于根据所述电压信号的相角信息以及电力系统所需的并网电流值，得到控制系统中的参考电流信号；获取的并网电流信号作为控制系统中的反馈信号；

计算单元，所述参考电流信号与并网电流信号进行做差，得到差值信号；将所述差值信号输入电流控制器进行电流调节，得到调节信号；将所述调节信号与并网电流反馈有源阻尼信号做差，得到调制波信号；根据所述调制波信号与SPWM调制器内部产生的载波信号进行比较，得到控制信号；将所述控制信号输入至并网逆变器，控制其内部电子器件的开断；其中：所述电流控制器为比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的复合控制结构。

控制输出单元，用于将所述控制信号输出，并用于控制并网逆变器内部电子器件的开断。

进一步地，所述电流控制器为比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的复合控制结构，比例谐振控制器PR控制的传递函数

其中，

第三方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的并网逆变器频率自适应控制方法。

第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的并网逆变器频率自适应控制方法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的比例谐振控制器PR控制并联重复控制器RC控制的复合控制结构，能够采用较为简单的控制结构实现对谐波以及周期性扰动的有效抑制。

2、本发明采用并网电流反馈有源阻尼，相比于其它有源阻尼方式减少了一个电流采样的使用。

3、本发明考虑弱电网环境下电网频率的偏移，提出采用基于Newton结构的分数延迟滤波器逼近时间延持z

4、本发明基于Newton结构的分数延迟滤波器系数固定，更适用于电网频率不断波动的工况。

5、本发明的通用Newton结构由Farrow结构推导变换而来，但相比于Farrow结构，通用的Newton结构更为简单，计算负担也更小，同时有着和Farrow结构相似的效果，因此通用的Newton结构有更好的特性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明并网逆变器频率自适应控制方法流程图。

图2为本发明并网逆变器系统结构及控制方案图。

图3为本发明并网逆变器电流环在z域的控制框图。

图4为本发明三阶Newton-分数延迟滤波器的结构图。

图5是比例谐振控制器PR并联传统重复控制器RC策略的仿真结果图，图中

图6是本发明所提并网逆变器频率适应控制方法的仿真结果图，图中

图7所示是LCL型并网逆变器电路结构图。

附图标记及对应的零部件名称：

101-电流采样单元，102-电压采样单元，103-坐标系变换器，104-锁相环，105-并网电流反馈有源阻尼，106-Newton结构的分数延迟滤波器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明并网逆变器频率自适应控制方法，该控制方法包括以下步骤：

S1：获取电力系统中公共耦合点处的电压信号以及并网电流信号，具体根据图2，通过电流采样单元101和电压采样单元102分别采集并网电流信号和公共耦合点处的电压信号；

S2：通过锁相环104（即PLL）提取出公共耦合点处的电压信号的相角信息；此相角信息与电力系统所需的电流值

S3：所述参考电流信号与经过

图3给出图2中电流环的具体控制框图，图中

其中，

图7所示是LCL型三相并网逆变器电路结构图，

具体地，所述重复控制器RC控制中引入分数滤波器，保证重复控制器RC在系统频率偏移下的幅值增益不受影响，实现重复控制器RC的频率自适应；所述的分数滤波器为基于Newton结构的分数延迟滤波器，并由Farrow结构推导获得通用Newton结构；并确定所述通用Newton结构的分数延迟滤波器阶数。这是考虑到电力系统的电网频率发生偏移后，重复控制器RC的阶数

由Farrow结构推导变换获得通用Newton结构，具体实现包括以下步骤：

步骤A，将Farrow结构表达式记作式(2)的形式：

其中

步骤B，将Newton结构表达式记为式(3)的形式：

式(3)中

步骤C，进行Farrow结构到Newton结构的变换，Farrow结构到Newton结构的变换通过式(4)实现：

式中

其中矩阵

矩阵

其中，

S4：将所述控制信号输入并网逆变器控制其内部电子器件的开断。

工作原理是：该控制方法包括：获取电力系统中公共耦合点处的电压信号以及并网电流信号；通过公共耦合点处的电压信号得到控制系统（即控制环）中的参考电流信号，并网电流信号作为控制环中的反馈信号；所述电流控制器为比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的复合控制结构；本发明提出基于Newton结构的分数延迟滤波器，通过推导获得通用Newton结构；将Newton结构分数延迟滤波器引入到传统重复控制器RC中，保证重复控制器RC在系统频率偏移下的幅值增益不受影响，实现重复控制器RC的频率自适应。本发明提出的并网逆变器频率自适应控制方法有效提高了电网频率偏移下的并网电流质量，同时设计的基于Newton结构的分数延迟滤波器结构简单且系数无需随电网频率的波动而实时变化，极大地减轻了计算负担。

具体实施时：

经过分析，当M=4即滤波器为三阶时，就有较好的逼近效果，因此本发明设计三阶的Newton-FD滤波器样条插值具有更为简单的结构与良好的响应，首先给出Farrow结构三阶样条插值的分数延迟滤波器的系数矩阵C

三阶Farrow结构到Newton结构的转换矩阵Td’,Td’’和Tz如下：

因此，可以得到基于Newton结构的三阶样条插值滤波器系数：

经过上述分析得到M=4时基于样条插值的Newton结构，如图4所示。

为了验证本发明所提并网逆变器频率自适应控制方法在弱电网环境下的适用性能，通过MATLAB/Simulink仿真软件搭建三相LCL型并网逆变器仿真模型，同时搭建三相并网逆变器实验平台对本发明控制策略进行实验验证，弱电网环境中的电网阻抗采用纯电感来模拟。并网逆变器参数见表1，并网逆变器控制结构如图2所示。

表1 并网逆变器参数

其中，并网逆变器参考电流iref由常数Iref和锁相环PLL共同生成，并网电流经过clark变换后与iref做差得到控制误差，GCFAD为附加的有源阻尼部分。

搭建三相LCL型并网逆变器仿真模型，设置电网频率在0.3s时从50Hz跳变为50.8Hz，从而验证本发明所提控制策略在电网频率偏移下的有效性，图5和图6分别是比例谐振控制器PR并联传统重复控制器RC策略和本发明所提频率自适应比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的仿真结果。图5中的横坐标表示仿真时间t，纵坐标表示电流大小；图6中的横坐标表示仿真时间t，纵坐标表示电流大小。可见，在电网频率恒定为50Hz时，两种方法都有着较好的并网电流质量，并网电流总谐波畸变率（THD）分别为1.25%和1.28%。当并网电流变为50.8Hz后，传统的控制方式难以维持优良的控制特性，并网电流的THD显著增加，为2.33%，而频率自适应方法在电网频率偏移后，也能输出较好的并网电流，其THD为1.26%。

通过仿真验证可知，本发明所提出的频率自适应比例谐振控制器PR并联重复控制策略在电网频率发生偏移后也能输出高质量并网电流，结构简单，实用性强。

实施例2

如图1至图6所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了并网逆变器频率自适应控制装置，包括：

数据获取单元，用于获取电力系统中公共耦合点处的电压信号以及并网电流信号，通过PLL提取出公共耦合点处的电压信号的相角信息；

预处理单元，用于根据所述电压信号的相角信息以及电力系统所需的并网电流值

计算单元，用于将所述参考电流信号与并网电流信号进行做差，得到差值信号；将所述差值信号输入电流控制器进行电流调节，得到调节信号；将所述调节信号与所述反馈信号做差，得到调制波信号；根据所述调制波信号与SPWM调制器内部产生的载波信号进行比较，得到控制信号；其中：所述电流控制器为比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的复合控制结构；

控制输出单元，用于将所述控制信号输出，并用于控制并网逆变器内部电子器件的开断。

本实施例中，所述电流控制器为比例谐振控制器PR并联重复控制器RC的复合控制结构，比例谐振控制器PR控制的传递函数

其中，

本实施例中，所述重复控制器RC控制中引入分数滤波器，保证重复控制器RC在系统频率偏移下的幅值增益不受影响，实现重复控制器RC的频率自适应；

所述的分数滤波器为基于Newton结构的分数延迟滤波器，并由Farrow结构推导获得通用Newton结构；并确定所述通用Newton结构的分数延迟滤波器阶数。这是考虑到电力系统的电网频率发生偏移后，重复控制器RC的阶数

本实施例中，所述的通用Newton结构由Farrow结构推导出，具体步骤按照实施例1中的相应步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。

本实施例中，确定基于Newton结构的分数延迟滤波器阶数时，考虑到随着阶数的增加，滤波器结构也更加复杂，经过分析，当M=4即滤波器为三阶时，就有较好的逼近效果，因此本发明设计所述广义Newton结构的分数延迟滤波器为三阶的Newton-FD滤波器。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。