本發(fā)明屬于電力電子控制領域，尤其是涉及一種基于pi補償器的并網(wǎng)逆變器高電壓穿越控制方法。

背景技術：

隨著新能源涉網(wǎng)性能要求的提升，具備高電壓穿越能力的并網(wǎng)逆變器逐步成為市場的主流。目前國內(nèi)擬定標準，要求并網(wǎng)新能源設備具備1.3倍過電壓運行能力。

電網(wǎng)過電壓會引起并網(wǎng)逆變器過調(diào)制現(xiàn)象，嚴重過調(diào)制會造成母線波動、電流突增，引發(fā)停機保護甚至逆變器燒毀?，F(xiàn)有高電壓穿越技術多采用狀態(tài)判斷機制，根據(jù)電網(wǎng)電壓驟升等級，來開環(huán)提升母線電壓或增加無功電流，無法實現(xiàn)母線電壓和無功電流的優(yōu)化配置

本技術方案根據(jù)并網(wǎng)逆變器出口電壓和直流母線電流合理計算母線電壓和無功電流補償值，以最小代價抑制過調(diào)制產(chǎn)生的不利影響，使并網(wǎng)逆變器順利通過高電壓穿越。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種基于pi補償器的并網(wǎng)逆變器高電壓穿越控制方法，根據(jù)并網(wǎng)逆變器出口電壓和直流母線電流合理計算母線電壓和無功電流補償值，以最小代價抑制過調(diào)制產(chǎn)生的不利影響，使并網(wǎng)逆變器順利通過高電壓穿越。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

一種基于pi補償器的并網(wǎng)逆變器高電壓穿越控制方法,包括以下步驟：

s1，采樣逆變器出口線電壓幅值的最大值vmax,l、母線電壓值vdc、過調(diào)制補償量b，計算出pi控制器輸入值pi_in；

s2，通過滯環(huán)控制器使能無功電流pi控制器、母線電壓pi控制器，將步驟s1中得到的pi控制器輸入值pi_in引入無功電流pi控制器、母線電壓pi控制器計算得到無功電流補償值id_cmp、母線電壓補償值vdc_cmp；

s3，將無功電流pi控制器輸出的補償值id_cmp與高穿無功電流估算值id_evl求和，將結(jié)果依次引入電流限幅器、電流斜率限制器，得到無功電流參考值id_ref；

將母線電壓pi控制器輸出的補償值vdc_cmp與高穿母線電壓估算值vdc_evl求和，并將結(jié)果依次引入電壓限幅器和電壓斜率限制器，得到母線電壓參考值vdc_ref；

s4，將步驟s3中得到的無功電流參考值id_ref、母線電壓參考值vdc_ref分別作為并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制的母線電壓參考值、無功電流參考值，用于并網(wǎng)逆變器控制。

進一步的，所述步驟s1中，采用計算公式為：

pi_in＝vmax,l-(vdc-b)(1)

式中，vmax,l為逆變器出口線電壓幅值的最大值；vdc為母線電壓值；b為過調(diào)制補償量。

進一步的，所述步驟s2中，滯環(huán)控制器對母線電壓pi控制器、無功電流pi控制器進行使能和清零控制，其控制方法為：

當電網(wǎng)線電壓幅值最大值umax,l與穩(wěn)態(tài)母線電壓參考值vdc_std_ref之差大于滯環(huán)上限hys_up時，使能母線電壓pi控制器和無功電流pi控制器；

當電網(wǎng)線電壓幅值最大值umax,l與穩(wěn)態(tài)母線電壓參考值vdc_std_ref之差小于滯環(huán)下限hys_dw時，關閉母線電壓pi控制器和無功電流pi控制器，并對兩個pi控制器的輸出值vdc_cmp和id_cmp清零。

進一步的，所述步驟s2中，通過母線電壓pi控制器計算母線電壓補償值vdc_cmp的表達式為

式中，kpv為母線電壓pi控制器比例系數(shù)；kiv為母線電壓pi控制器積分系數(shù)；s為積分算子。

進一步的，所述步驟s2中，通過無功電流pi控制器計算無功電流補償值id_cmp的表達式為：

式中，kpi為無功電流pi控制器比例系數(shù)；kii為無功電流pi控制器積分系數(shù)，s為積分算子。

一種基于pi補償器的并網(wǎng)逆變器高電壓穿越控制系統(tǒng)，包括高電壓穿越控制模塊、雙閉環(huán)矢量控制模塊，所述高電壓穿越控制模塊包括滯環(huán)控制器、母線電壓控制模塊、無功電流控制模塊，所述母線電壓控制模塊、無功電流控制模塊的輸出端連接雙閉環(huán)矢量控制模塊；

所述無功電流控制模塊包括無功電流pi控制器、電流限幅器、電流斜率限制器，三者依次連接；

所述母線電壓控制模塊包括母線電壓pi控制器、電壓限幅器、電壓斜率限制器，三者依次連接；

所述滯環(huán)控制器的信號輸出端連接無功電流pi控制器、母線電壓pi控制器，用于對母線電壓pi控制器和無功電流pi控制器進行使能和清零控制。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明所述的一種基于pi補償器的并網(wǎng)逆變器高電壓穿越控制方法具有以下優(yōu)勢：根據(jù)并網(wǎng)逆變器出口電壓和直流母線電流合理計算母線電壓和無功電流補償值，以最小代價抑制過調(diào)制產(chǎn)生的不利影響，使并網(wǎng)逆變器順利通過高電壓穿越；當高電壓穿越中母線電壓和無功電流給定值非最優(yōu)時，所述方法可自動將其校準至最優(yōu)狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例所述的控制示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例所述的高電壓穿越控制效果圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。

圖1為一種基于pi補償器的并網(wǎng)逆變器高電壓穿越控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括高電壓穿越控制模塊、雙閉環(huán)矢量控制模塊，所述高電壓穿越控制模塊包括滯環(huán)控制器、母線電壓控制模塊、無功電流控制模塊，所述母線電壓控制模塊、無功電流控制模塊的輸出端連接雙閉環(huán)矢量控制模塊；

所述無功電流控制模塊包括無功電流pi控制器、電流限幅器、電流斜率限制器，三者依次連接；

所述母線電壓控制模塊包括母線電壓pi控制器、電壓限幅器、電壓斜率限制器，三者依次連接；

所述滯環(huán)控制器的信號輸出端連接無功電流pi控制器、母線電壓pi控制器，用于對母線電壓pi控制器和無功電流pi控制器進行使能和清零控制。

一種基于pi補償器的并網(wǎng)逆變器高電壓穿越控制方法，具體過程如下：

1、建立母線電壓、無功電流pi控制器，分別計算母線電壓補償值與無功電流補償值。

(1)計算母線電壓和無功電流的pi控制器輸入值pi_in，計算方法為：

pi_in＝vmax,l-(vdc-b)(1)

式中，vmax,l為逆變器出口線電壓幅值的最大值；vdc為母線電壓值；b為過調(diào)制補償量，其作用是為了在高穿穩(wěn)態(tài)期間使vmax,l略高于vdc，一般可設b＝5。

(2)建立無功電流pi控制器，并根據(jù)pi控制器輸入值pi_in，計算無功電流補償值id_cmp，其表達式為：

式中，kpi為無功電流pi控制器比例系數(shù)；kii為無功電流pi控制器積分系數(shù)，s為積分算子

對于kpi和kii，可根據(jù)電流環(huán)數(shù)學模型進行整定。由于電流內(nèi)環(huán)可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，且一般響應時間約為0.001s，因此可近似認為其傳遞函數(shù)為1/[(0.001/3)s+1]。因此可設整定公式為：

其中，tr為時間常數(shù)，pi控制器主要負責穩(wěn)態(tài)補償，不要求過快的影響速度，因此可以設計tr在4～10電網(wǎng)周波之間即可，例如取tr＝0.12。

(3)建立母線電壓pi控制器，并根據(jù)pi控制器輸入值pi_in，計算母線電壓補償值vdc_cmp，其表達式為：

式中，kpv為母線電壓pi控制器比例系數(shù)；kiv為母線電壓pi控制器積分系數(shù)；s為積分算子。

對于kpv和kiv，首先，可令母線電壓pi與無功電流pi具有相同的模態(tài)，由此兩pi控制器將具有相同的時間常數(shù)。其次，讓兩pi控制器對輸入誤差具有相近的敏感程度，因此整定公式為：

式中，k為權(quán)重系數(shù)；當k＝1時，兩pi控制器將具有相近的調(diào)節(jié)能力；當取k＞1時，電壓pi調(diào)節(jié)能力強于電流pi，使電流pi承擔更多的穩(wěn)態(tài)誤差；反之，當取k＜1時，電流pi調(diào)節(jié)能力強于電壓pi，使電壓pi承擔更多的穩(wěn)態(tài)誤差。tr為時間常數(shù)，pi控制器主要負責穩(wěn)態(tài)補償，不要求過快的影響速度，因此可以設計tr在4～10電網(wǎng)周波之間即可，例如取tr＝0.12。

2、建立滯環(huán)控制器，對母線電壓pi控制器和無功電流pi控制器進行使能和清零操作。具體邏輯為：

當電網(wǎng)線電壓幅值最大值umax,l與穩(wěn)態(tài)母線電壓參考值vdc_std_ref之差大于滯環(huán)上限hys_up時，使能母線電壓pi控制器和無功電流pi控制器；

當電網(wǎng)線電壓幅值最大值umax,l與穩(wěn)態(tài)母線電壓參考值vdc_std_ref之差小于滯環(huán)下限hys_dw時，關閉母線電壓pi控制器和無功電流pi控制器，并對兩個pi控制器的輸出值vdc_cmp和id_cmp清零；

一般情況下，穩(wěn)態(tài)母線電壓參考值vdc_std_ref設為1070；滯環(huán)上限hys_up設為0，環(huán)寬范圍為0～94。環(huán)寬過小會造成pi控制器頻繁投切，不利于系統(tǒng)控制；環(huán)寬過大會增加滯環(huán)控制的盲區(qū)，即：高穿后電壓回落在環(huán)寬范圍內(nèi)時，仍會使pi控制器工作于負限幅區(qū)，導致滯環(huán)控制功能失效。綜合考慮，設計滯環(huán)下限hys_dw為-50。

3、計算高穿狀態(tài)下的母線電壓參考值vdc_ref和無功電流參考值id_ref，包括以下步驟：

(1)將母線電壓pi控制器輸出值vdc_cmp與高穿母線電壓估算值vdc_evl求和，并將結(jié)果依次送入電壓限幅器和電壓斜率限制器，獲得母線電壓參考值vdc_ref。

電壓限幅器邏輯為：

當母線電壓最優(yōu)工作點vdc大于vmax時，vdc等于vmax；

當母線電壓最優(yōu)工作點vdc小于vmin時，vdc等于vmin；

當母線電壓最優(yōu)工作點vdc介于vmin至vmax時，vdc值不發(fā)生變化；

其中，vmin為母線電壓穩(wěn)態(tài)控制時的參考值，一般多采用1070；vmax為母線危險電壓值，一般多采用1150。

電壓斜率限制器邏輯為：

當限幅后的母線電壓最優(yōu)工作點單位時間上升或下降值大于dv時，該值等于dv；

當限幅后的母線電壓最優(yōu)工作點單位時間上升或下降值小于dv時，該值不發(fā)生變化；

其中，dv為電壓斜率限制值。

對于電壓斜率限制值dv的取值，應根據(jù)并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制特性來整定。首先，斜率dv應小于電壓外環(huán)的變化速率，否則斜坡無意義。例如：根據(jù)并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)，可近似估算某一并網(wǎng)逆變器外環(huán)響應時間約為0.025s；由于直流母線的變化范圍為[1070,1150]v，因此，dv最大值為(1150v-1070v)/0.025s＝3.2kv/s。其次，為盡量縮小過調(diào)制時間，應讓直流母線響應時間在4周波內(nèi)，即dv最小值為(1150v-1070v)/(4×0.02s)＝1kv/s。綜上所述，dv的取值范圍為：1kv/s≤dv＜3.2kv/s，較大的斜率可減小過調(diào)制時間，但會引起沖擊電流，降低系統(tǒng)可靠性。綜合考慮，對于本方案所舉的并網(wǎng)逆變器實例，電壓斜率限制值可設為dv＝1.5kv/s。

(2)將無功電流pi控制器輸出值id_cmp與高穿母線電壓估算值id_evl求和，并將結(jié)果依次送入電流限幅器和電流斜率限制器，獲得無功電流參考值id_ref。

電流限幅器邏輯為：

當無功電流最優(yōu)工作點iq大于imax時，iq等于imax；

當無功電流最優(yōu)工作點iq小于imin時，iq等于imin；

當無功電流最優(yōu)工作點iq介于imin至imax時，iq值不發(fā)生變化；

其中，imin為無功電流穩(wěn)態(tài)控制時的參考值，一般多采用0；imax為無功電流可發(fā)出最大電流值，該值一般根據(jù)變流器容量選取，例如：1.5mw雙饋變流器采用450。

電流斜率限制器邏輯為：

當限幅后的無功電流最優(yōu)工作點單位時間上升或下降值大于di時，該值等于di；

當限幅后的無功電流最優(yōu)工作點單位時間上升或下降值小于di時，該值不發(fā)生變化；

其中，di為電壓斜率限制值。

對于電流斜率限制值di的取值，應根據(jù)并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制特性來整定。首先，斜率di應分別小于電流內(nèi)環(huán)的變化速率，否則斜坡無意義。例如：根據(jù)并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)，可近似估算某一并網(wǎng)逆變器內(nèi)環(huán)響應時間約為0.001s；由于id的變化范圍為[0,450]a，因此，di最大值為(450a-0a)/0.001s＝450ka/s。其次，為盡量縮小過調(diào)制時間，應讓無功電流響應時間在2周波內(nèi)，即di最小值為(450a-0a)/(2×0.02s)＝11.25ka/s。綜上所述，di的取值范圍為：11.25ka/s≤di＜450ka/s，較大的斜率可減小過調(diào)制時間，但會引起沖擊電流，降低系統(tǒng)可靠性。綜合考慮，對于本方案所舉的并網(wǎng)逆變器實例，電流斜率限制值可設為di＝20ka/s。

4、將第三步所得結(jié)果母線電壓參考值vdc_ref和無功電流參考值id_ref作為傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制的母線電壓參考值和無功電流參考值，用于并網(wǎng)逆變器控制。

對本發(fā)明的技術方案進行實際驗證，當電網(wǎng)電壓升高至1.2倍時，控制效果如圖2所示。由圖2可以看出，采用本發(fā)明的技術方案，可有效抑制電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生的不利影響，使并網(wǎng)逆變器順利完成高電壓穿越。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。