本发明公开了一种脉宽调制的无差拍并网控制方法，包括电压外环电流内环双闭环控制和快速鲁棒脉宽调制。电压外环采用PI控制，稳定逆变器直流侧电容电压；电流内环采用参数修正无差拍控制，降低了因滤波电感值变化对并网电流造成的畸变；快速鲁棒脉宽调制有效地解决了滞后一拍控制引入的延时问题，提高了系统的稳定性及动态响应速度。
1.一种脉宽调制的无差拍并网控制方法，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，对并网逆变器直流侧电压Udc、电网电压ugj和并网电流igj分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器进行处理；其中，j＝a,b,c，a,b,c分别对应电网电压的三相；
2)将直流侧参考电压Udcr与直流侧电压Udc相减，得到差值ue；
3)将差值ue与电压外环PI控制器的传递函数Gu(s)相乘，经过限幅后，得到并网电流幅值指令Igr；
4)将电网电压ugj经过锁相环后，得到电网基波角频率ω1，将电网基波角频率ω1构造成sin(ω1t+2kπ/3)，其中，k＝0,1,2,···；
5)将并网电流幅值指令Igr与sin(ω1t+2kπ/3)相乘，得到并网电流指令igjr；
6)将并网电流指令igjr、并网电流igj和电网电压ugj经过无差拍电流控制后，得到等效占空比Dj；
7)将等效占空比Dj经过快速鲁棒脉宽调制后，得到并网逆变器滤波电感L和电阻r两端的电压uLj；
其特征在于，步骤6)中，无差拍电流控制的过程如下：将并网电流指令igjr与esTs相乘，再与并网电流igj相减，得到差值iej；将差值iej经过同步采样开关S，与katL/Ts相乘后，得到的乘积与电阻r相乘后的并网电流igj相加，然后再与电网电压ugj相加，得到并网逆变器输出电压uinvj；将并网逆变器输出电压uinvj经过同步采样开关S，与零阶保持器的传递函数Gh(s)和控制延时的传递函数Gd(s)相乘，得到的乘积再与电网电压ugj相减，得到滤波电感L和电阻r两端电压uLj，其中，s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；Ts是采样周期，Ts＝
1/fs，fs为10kHz；kat是滤波电感偏差系数，kat＝L1/L*，kat取值范围为0.4≤kat≤1.1，L1是控制中滤波电感量，L*是滤波电感L的实际电感量；零阶保持器的传递函数Gh(s)的表达式为Gh(s)＝(1-e-sTs)/s；控制延时的传递函数Gd(s)的表达式为Gd(s)＝1。
2.根据权利要求1所述的脉宽调制的无差拍并网控制方法，其特征在于，步骤3)中，电压外环PI控制器的传递函数Gu(s)的表达式为Gu(s)＝kp+ki/s，其中，kp是PI控制器的比例系数，ki是PI控制器的积分系数，s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率。
3.根据权利要求2所述的脉宽调制的无差拍并网控制方法，其特征在于，kp取值范围为
1.4≤kp≤1.6，ki取值范围为0.2≤ki≤0.4。
4.根据权利要求1所述的脉宽调制的无差拍并网控制方法，其特征在于，步骤7)中，快速鲁棒脉宽调制的过程如下：在第k个三角载波的波峰开始采样，同时将第k-1个载波周期的占空比d(k-1)所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得前半个载波周期的导通时间是0.5Tsd(k-1)；在第k个三角载波的波谷，将采样计算得出的占空比d(k)的2倍减去d(k-1)的差值所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得后半个载波周期的导通时间为Ts(d(k)-0.5d(k-1))，因此，第k个载波周期的等效占空比D(k)的表达式为D(k)＝d(k)，其中，d(k)是根据第k个三角载波波峰的采样值计算出的占空比；Ts是采样周期。
一种脉宽调制的无差拍并网控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是一种脉宽调制的无差拍并网控制方法。
背景技术
[0002] 随着化石能源的不断衰竭，新能源分布式发电技术越来越受到人们的重视，其中，并网逆变器是分布式发电系统的核心部分，其作用是将来自分布式电源的电能转换为电网可接受的交流电能。而无差拍电流控制以并网逆变器数学模型为基础，依赖于主电路的实际电气参数，理论上可以实现无静差控制。因其快速的电流瞬态响应、精确的电流跟踪特性及全数字化控制，成为其理想的电流控制策略。
[0003] 但是无差拍控制存在着依赖精确的电气模型和控制延时等不足。一方面，滤波电感值无法精确检测，甚至随着并网电流增加，滤波电感进入饱和状态，从而引起滤波电感值减小，这些都会导致模型中的滤波电感值与实际滤波电感值存在一定偏差，影响无差拍控制的控制精度，引起并网电流畸变；另一方面，在无差拍电流控制下，采样和计算的固有延时会导致并网逆变器存在最大占空比受限的问题，因此系统多采用滞后一拍控制。而滞后一拍控制带来的控制延时会增加系统开环脉冲传递函数的极点数，引起闭环脉冲传递函数极点的变化，这不仅影响到系统的稳定性，还会对系统的动态性产生影响。因此，如何提高系统的稳定性、响应速度以及降低并网电流的畸变，已成为并网逆变器的研究重点和目标。
发明内容
[0004] 本发明所旨在提供一种脉宽调制的无差拍并网控制方法，有效地解决滞后一拍控制引入的延时问题，提高系统的稳定性及动态响应速度。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种脉宽调制的无差拍并网控制方法，包括以下步骤：
[0006] 1)在每个采样周期的起始点，对并网逆变器直流侧电压Udc、电网电压ugj和并网电流igj分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器进行处理；其中，j＝a,b,c，a,b,c分别对应电网电压的三相；
[0007] 2)将直流侧参考电压Udcr与直流侧电压Udc相减，得到差值ue；
[0008] 3)将差值ue与电压外环PI控制器的传递函数Gu(s)相乘，经过限幅后，得到并网电流幅值指令Igr；
[0009] 4)将电网电压ugj经过锁相环后，得到电网基波角频率ω1，将电网基波角频率ω1构造成sin(ω1t+2kπ/3)，其中，k＝0,1,2,…；
[0010] 5)将并网电流幅值指令Igr与sin(ω1t+2kπ/3)相乘，得到并网电流指令igjr；
[0011] 6)将并网电流指令igjr、并网电流igj和电网电压ugj经过无差拍电流控制后，得到等效占空比Dj；
[0012] 7)将等效占空比Dj经过快速鲁棒脉宽调制后，得到并网逆变器滤波电感L和电阻r两端的电压uLj。
[0013] 步骤3)中，电压外环PI控制器的传递函数Gu(s)的表达式为Gu(s)＝kp+ki/s，其中，kp是PI控制器的比例系数，ki是PI控制器的积分系数，s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率。
[0014] kp取值范围为1.4≤kp≤1.6，ki取值范围为0.2≤ki≤0.4。
[0015] 步骤6)中，无差拍电流控制的过程如下：将并网电流指令igjr与esTs相乘，再与并网电流igj相减，得到差值iej；将差值iej经过同步采样开关S，与katL/Ts相乘后，得到的乘积与电阻r相乘后的并网电流igj相加，然后再与电网电压ugj相加，得到并网逆变器输出电压uinvj；将并网逆变器输出电压uinvj经过同步采样开关S，与零阶保持器的传递函数Gh(s)和控制延时的传递函数Gd(s)相乘，得到的乘积再与电网电压ugj相减，得到滤波电感L和电阻r两端电压uLj，其中，s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；Ts是采样周期，Ts＝1/fs，fs为*10kHz；kat是滤波电感偏差系数，kat＝L1/L ，kat取值范围为0.4≤kat≤1.1，L1是控制中滤波电感量，L*是滤波电感L的实际电感量；零阶保持器的传递函数Gh(s)的表达式为Gh(s)＝(1-e-sTs)/s；控制延时的传递函数Gd(s)的表达式为Gd(s)＝1。
[0016] 步骤7)中，快速鲁棒脉宽调制的过程如下：在第k个三角载波的波峰开始采样，同时将第k-1个载波周期的占空比d(k-1)所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得前半个载波周期的导通时间是0.5Tsd(k-1)；在第k个三角载波的波谷，将采样计算得出的占空比d(k)的2倍减去d(k-1)的差值所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得后半个载波周期的导通时间为Ts(d(k)-0.5d(k-1))，因此，第k个载波周期的等效占空比D(k)的表达式为D(k)＝d(k)，其中，d(k)是根据第k个三角载波波峰的采样值计算出的占空比；Ts是采样周期。
[0017] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明电压外环采用PI控制，稳定逆变器直流侧电容电压；电流内环采用参数修正无差拍控制，降低了因滤波电感值变化对并网电流造成的畸变；快速鲁棒脉宽调制有效地解决了滞后一拍控制引入的延时问题，提高了系统的稳定性及动态响应速度。
附图说明
[0018] 图1为本发明一实施例光伏并网系统的结构；
[0019] 图2为本发明一实施例快速鲁棒脉宽调制的无差拍并网控制系统框图；
[0020] 图3为本发明一实施例并网逆变器的无差拍电流控制框图；
[0021] 图4为本发明一实施例快速鲁棒脉宽调制方法；
[0022] 图5为本发明一实施例采用滞后一拍控制时调制波和三角载波仿真波形；
[0023] 图6为本发明一实施例采用所提方法时调制波和三角载波仿真波形；
[0024] 图7为本发明一实施例采用滞后一拍控制时并网电流的波形；
[0025] 图8为本发明一实施例采用滞后一拍控制时并网电流的畸变率；
[0026] 图9为本发明一实施例采用所提方法时并网电流的波形；
[0027] 图10为本发明一实施例采用所提方法时并网电流的畸变率。
具体实施方式
[0028] 图1为光伏并网系统的结构，包括光伏阵列，逆变电路和LC滤波器。Cdc为直流侧储能电容，用来稳定直流侧电压Udc。功率管Q1-Q6构成三相全桥逆变电路，其将直流侧电压Udc转换为与电网电压ug幅值接近和频率相同的逆变器输出电压。LC滤波器由电感L和电容C构成，在并网模式下，LC滤波器的滤波效果等同于单电感L滤波器，使电流以较低的畸变率并入电网，电阻r是滤波电感L的寄生电阻和线路等效电阻之和。Idc是直流侧电流，iinvj(j＝a,b,c)是逆变器输出电流，igj是并网电流。由于流经滤波电容C的电流很小，为了简化可忽略不计，iinvj≈igj。
[0029] 图2为快速鲁棒脉宽调制的无差拍并网控制系统框图，在每个采样周期的起始点，对直流侧电压Udc、电网电压ugj(j＝a,b,c)和并网电流igj分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器进行处理；将直流侧参考电压Udcr与直流侧电压Udc相减，得到差值ue；将差值ue与电压外环PI控制器的传递函数Gu(s)相乘，经过限幅后，得到并网电流幅值指令Igr。其中，电压外环PI控制器的传递函数Gu(s)的表达式为Gu(s)＝kp+ki/s，其中，kp是PI控制器的比例系数，kp取值范围为1.4≤kp≤1.6，ki是PI控制器的积分系数，ki取值范围为0.2≤ki≤0.4，s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；将电网电压ugj经过锁相环后，得到电网基波角频率ω1，将其构造成sin(ω1t+2kπ/3)(k＝0,1,2,…)；将并网电流幅值指令Igr与sin(ω1t+2kπ/3)相乘，得到并网电流指令igjr；将并网电流指令igjr、并网电流igj和电网电压ugj经过无差拍电流控制后，得到等效占空比Dj；将等效占空比Dj经过快速鲁棒脉宽调制后，得到滤波电感L和电阻r两端电压uLj。
[0030] 图3为并网逆变器的无差拍电流控制框图，将并网电流指令igjr与esTs相乘，再与并网电流igj相减，得到差值iej；将差值iej经过同步采样开关S，与katL/Ts相乘后，得到的乘积与电阻r相乘后的并网电流igj相加，然后再与电网电压ugj相加，得到并网逆变器输出电压uinvj；将并网逆变器输出电压uinvj经过同步采样开关S，与零阶保持器的传递函数Gh(s)和控制延时的传递函数Gd(s)相乘，得到的乘积再与电网电压ugj相减，得到滤波电感L和电阻r两端电压uLj，其中，s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；Ts是采样周期，Ts＝1/fs，fs为10kHz；kat是滤波电感偏差系数，kat＝L1/L*，kat取值范围为0.4≤kat≤1.1，L1是控制中滤波电感量，L*是滤波电感L的实际电感量；零阶保持器的传递函数Gh(s)的表达式为Gh(s)＝(1-e-sTs)/s；控制延时的传递函数Gd(s)的表达式为Gd(s)＝1。
[0031] 图4为快速鲁棒脉宽调制方法，在第k个三角载波的波峰开始采样，同时将第k-1个载波周期的占空比d(k-1)所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得前半个载波周期的导通时间是0.5Tsd(k-1)；在第k个三角载波的波谷，将采样计算得出的占空比d(k)的2倍减去d(k-1)的差值所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得后半个载波周期的导通时间为Ts(d(k)-0.5d(k-1))，因此，第k个载波周期的等效占空比D(k)的表达式为D(k)＝d(k)，其中，d(k)是根据第k个三角载波波峰的采样值计算出的占空比；Ts是采样周期。
[0032] 图5和图6分别为采用滞后一拍控制时和所提方法时调制波和三角载波仿真波形，采用滞后一拍控制时，在第k-1个三角载波的波峰进行采样，根据采样值进行计算，在第k个三角载波的波峰，将第k-1个载波周期的调制波um(k-1)进行装载。采用所提方法时，在第k个三角载波的波峰开始采样，同时将第k-1个控制周期的占空比d(k-1)所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得前半个载波周期的导通时间是0.5Tsd(k-1)；在第k个三角载波的波谷，将采样计算得出的占空比d(k)的2倍减去d(k-1)的差值所对应的快速鲁棒脉宽调制波进行装载，使得后半个载波周期的导通时间为Ts(d(k)-0.5d(k-1))。所提方法完全消除了滞后一拍控制的延时，提高了系统的稳定性及动态响应速度。
[0033] 图7和图8分别为采用滞后一拍控制时并网电流波形与畸变率，图9和图10分别为所提方法时并网电流波形与畸变率，在滤波电感偏差系数kat＝0.5及其他控制参数相同条件下，滞后一拍控制方法的畸变率是2.8％，而所提方法的畸变率是2.4％，电流畸变率更低。
