CN102545266A

CN102545266A - 一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法

Info

Publication number: CN102545266A
Application number: CN2012100284362A
Authority: CN
Inventors: 白志红; 马皓
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: CN102545266B

Abstract

本发明公开了一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，包括：(1)采集电网电压、网侧电流和电容电流；(2)根据网侧电流生成指令信号；(3)根据电网电压和电容电流求得电流前馈信号和电压前馈信号；(4)使指令信号、电流前馈信号与电压前馈信号叠加得到调制信号，根据调制信号生成控制并网逆变器的开关信号。本发明通过采用电容电流一阶微分前馈环节补偿了电网电压二次微分前馈项，不仅使得整个***从三阶***降为一阶***，增大了***的稳定裕度，简化了电流调节器的设计，且抑制了电网电压谐波对网侧电流的影响。

Description

一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法

技术领域

本发明属于电力逆变控制技术领域，具体涉及一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法。

背景技术

近年来，随着环境污染以及能源紧缺的日益严重，开发和利用可再生能源(如太阳能、风能等)成为人类社会的迫切需要。而作为可再生能源发电***连接电网的必要接口设备，并网逆变器已成为当前电力电子领域的研究热点。

为抑制高频开关产生的电压和电流纹波，并网逆变器一般采用L型滤波器或LCL型滤波器作为其与电网的必要接口部件。由于L型滤波器对高频谐波的抑制能力有限，一般需要采用较大的电感来满足谐波标准。而LCL型滤波器可以降低总的电感取值，而且对电流高次谐波有较强的抑制能力，因此近年来被广泛应用在大中功率并网逆变器场合。但是，采用LCL型滤波器的并网控制***(包括并网逆变器、LCL型滤波器、电压电流传感器及控制环)为三阶***，其在谐振频率处存在很大的幅值增益尖峰，导致***运行不易稳定，从而使得***对电网电压波动等引起的扰动极为敏感，同时也对控制***的设计提出了更高的要求。

针对LCL型滤波器的谐振问题，目前多是采用以电容电流反馈为内环，电网电流反馈为外环的双闭环控制结构。该方法虽对LCL型滤波器的谐振问题能起到一定的抑制作用，但对电网电压的扰动却无能为力。为抑制电网电压扰动的影响，Xuehua Wang等人在标题为Full Feedforward of Grid Voltage forGrid-Connected Inverter With LCL Filter to Suppress Current Distortion Due to GridVoltage Harmonics(IEEE Transactions on Power Electronics，25，(12)，2010，pp.3119-3127)的文章中公开了一种电网电压的前馈方法，其并网控制***如图1所示。从理论上而言，该方法能完全消除电网电压的扰动影响，但文章中电网电压的前馈系数却包含了比例、一次微分和二次微分项，这显然在工程上是难以实现的，也是不可行的；而且，该方法的控制***仍然为三阶***，因此电流控制器的设计比较复杂。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，能够保证网侧电流不受电网电压扰动影响的同时，使得***获得较大的稳定裕度。

一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集电网电压、网侧电流以及LCL型滤波器的电容电流；

所述的LCL型滤波器包括逆变侧电感、电容和电网侧电感；所述的电容电流为流经电容的电流；所述的网侧电流为流经电网侧电感的电流。

(2)利用锁相环提取电网电压的相位，将所述的相位与给定的电网电流峰值相乘，得到网侧电流给定信号；使所述的网侧电流给定信号减去所述的网侧电流，得到电流误差信号；利用电流调节器对所述的电流误差信号进行调节，得到指令信号；

(3)对所述的电容电流进行前馈运算处理，得到电流前馈信号；将所述的电网电压与前馈比例系数相乘，得到电压前馈信号；

(4)将所述的电流前馈信号、电压前馈信号和指令信号相加，得到调制信号；利用PWM调制器使所述的调制信号与给定的三角载波信号进行比较，生成开关信号，以对并网逆变器中的开关管进行控制。

所述的电流调节器为PI(比例积分)控制器或PR(比例谐振)控制器。

所述的步骤(3)中，根据前馈传递函数H_c(s)＝L₁s/k_pwm对电容电流进行前馈运算处理；其中：k_pwm为PWM(脉冲宽度调制)比例增益，且k_pwm＝V_dc/V_cm，V_dc为直流母线电压(即并网逆变器直流侧的输入电压)，V_cm为三角载波幅值，L₁为逆变侧电感的电感值，s＝jω，ω为角频率。

所述的前馈比例系数k＝1/k_pwm；其中：k_pwm为PWM比例增益，且k_pwm＝V_dc/V_cm，V_dc为直流母线电压，V_cm为三角载波幅值。

本发明通过在电网电流反馈控制环的基础上，同时采用了电容电流前馈控制和电网电压前馈控制，利用电容电流前馈环节补偿了电网电压二次微分前馈项，从而不仅能够保证网侧电流不受电网电压的扰动影响，同时使整个***从三阶***降为一阶***，消除了LCL滤波器谐振频率处的幅值增益尖峰，从而使***可以获得较大的稳定裕度，且简化了电流调节器的设计。

附图说明

图1为现有技术并网控制***的示意图。

图2为本发明并网控制***的示意图。

图3为现有技术并网控制策略的控制流程图。

图4为本发明并网控制策略的控制流程图。

图5(a)为本发明中指令信号的波形图。

图5(b)为本发明中电流前馈信号的波形图。

图5(c)为本发明中电压前馈信号的波形图。

图6(a)为本发明采用电流前馈信号补偿前后电网电压及网侧电流的波形图。

图6(b)为采用本发明方法当电网电压发生跌落时电网电压及网侧电流的波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明并网逆变器的控制方法进行详细说明。

如图3所示，一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集电网电压v_g、网侧电流以及LCL型滤波器的电容电流；

本实施方式中，并网逆变器将450V的直流电转换为220V的交流电，并通过LCL型滤波器滤波后输入至电网。

并网逆变器为5kW的单相电压源型逆变器VSI，其具有4只IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，IGBT的开关频率为8.4kHz。

LCL型滤波器包括逆变侧电感L₁、电容C和电网侧电感L₂；L₁＝1.6mH，L₂＝1.6mH，C＝12μF。

电容电流为流经电容C的电流i_C；网侧电流为流经电网侧电感L₂的电流i_L2。

(2)利用锁相环PLL提取电网电压v_g的相位sinθ，将相位sinθ与给定的电网电流峰值I_gm相乘，得到网侧电流给定信号i_g；本实施方式中，电网电流峰值I_gm＝25A；

使网侧电流给定信号i_g减去网侧电流i_L2，得到电流误差信号i_u；

利用PI控制器对电流误差信号i_u进行PI调节，得到指令信号v_d；其中：PI控制器的传递函数为G_c(s)＝(K_ps+K_i)/s，K_p为比例系数，K_i为积分系数，s＝jω，ω为角频率；本实施方式中，K_p＝0.01，K_i＝80。

(3)根据前馈传递函数H_c(s)＝L₁s/k_pwm对电容电流i_C进行一阶微分处理，得到电流前馈信号v_fc；将电网电压v_g与前馈比例系数k相乘，得到电压前馈信号v_fg；其中：L₁为逆变侧电感的电感值，s＝jω，ω为角频率；k＝1/k_pwm，k_pwm为PWM比例增益，且k_pwm＝V_dc/V_cm，V_cm为三角载波幅值，V_dc为直流母线电压(即并网逆变器直流侧的输入电压)；本实施方式中，V_cm＝1V，V_dc＝450V。

(4)将电流前馈信号v_fc(波形如图5(b)所示)、电压前馈信号v_fg(波形如图5(c)所示)和指令信号v_d(波形如图5(a)所示)相加，得到调制信号v_m。

利用PWM调制器使调制信号v_m与给定的三角载波信号v_carrier进行比较，生成4路开关信号S₁～S₄分别对并网逆变器中的4只IGBT进行控制；

本实施方式中，PWM调制器采用单极倍频SPWM(Sinusoidal PWM)技术，即超前臂工作在工频模式，仅对滞后臂进行调制。

为了消除电网电压谐波对网侧电流的影响，现有技术所采用的电网电压前馈控制策略，如图3所示；可得从电网电压到网侧电流的闭环传递表达式为：

I_{L 2} (s) = \frac{H_{g} (s) k_{pwm} - (L_{1} C s^{2} + 1)}{L_{2} s + G_{c} (s) k_{pwm}} V_{g} (s)

其中：I_L2(s)为网侧电流；V_g(s)为电网电压；H_g(s)为电网电压前馈传递函数；G_c(s)为电流调节器；k_pwm为PWM比例增益，且k_pwm＝V_dc/V_cm，V_dc为直流母线电压，V_cm为三角载波幅值；L₁，L₂，C为LCL型滤波器的电感电容参数。

为完全消除电网电压谐波的影响，令I_L2(s)＝0，可以得到电网电压前馈传递函数为：

H_{g} (s) = \frac{L_{1} C s^{2} + 1}{k_{pwm}}

显然，在现有技术中，为完全消除电网电压谐波对网侧电流的影响，电网电压的前馈传递函数包含了二次微分项和比例项，二次微分项不仅在工程上难以实现，而且容易使***引入噪声干扰。

根据图3进一步地可以得到采用现有技术时，控制***从网侧电流给定信号i_g(s)到逆变器输出的网侧电流I_L2(s)的开环传递函数为：

G_{ol} (s) = G_{c} (s) \frac{k_{pwm}}{s^{3} L_{1} L_{2} C + s (L_{1} + L_{2})}

从上式可知，采用现有技术时，控制***仍然为三阶***，由于三阶***在谐振频率处存在很大的幅值增益尖峰，为使谐振尖峰完全移到0dB线以下，需要将开环***的截止频率设置得很低，这势必会增加电流调节器的设计难度。

本实施方式不仅采用了电网电压前馈控制，而且还引入了电容电流一阶微分的前馈控制。电容电流前馈控制环节补偿了电网电压二次微分前馈项，从而使得电网电压前馈传递函数中只有比例项，如图4所示；可得从电网电压到网侧电流的闭环传递函数为：

I_{L 2} (s) = \frac{k_{pwm} H_{g} (s) - 1}{s (L_{1} + L_{2}) + G_{c} (s) k_{pwm}} V_{g} (s)

其中：I_L2(s)为网侧电流；V_g(s)为电网电压；H_g(s)为电网电压前馈传递函数；G_c(s)为电流调节器；k_pwm为PWM比例增益，且k_pwm＝V_dc/V_cm，V_dc为直流母线电压，V_cm为三角载波幅值；L₁，L₂，C为LCL滤波器的电感电容参数。

H_{g} (s) = \frac{1}{k_{pwm}}

显然，本实施方式中，电网电压的前馈传递函数只有比例项，即可完全消除电网电压谐波对网侧电流的影响。

根据图4进一步推导可得到采用本实施方式时，控制***从网侧电流给定信号I_g(s)到逆变器输出的网侧电流I_L2(s)的开环传递函数为：

G_{ol} (s) = G_{c} (s) \frac{k_{pwm}}{s (L_{1} + L_{2})}

显然，采用本实施方式后，控制***降为一阶***，此时电流调节器G_c(s)的设计将与采用单电感滤波器时完全一样，***稳定裕度得到了本质上的提高，***带宽可以取到很大而不影响***的稳定性，同时电流调节器的设计在很大程度上得到了简化。

图6(a)为采用电容电流一阶微分前馈环节补偿前后的比较图，可以看出，采用电容电流一阶微分前馈补偿环节时，***稳定运行，且输出接近理想正弦电流波形，电网电流和电网电压基本同相位。当t＝0.142s时刻，去掉电容电流一阶微分前馈环节，此时***开始振荡，变得不稳定。图6(b)为本实施方式在电网电压发生跌落时网侧电流波形图，可以看出，当电网电压发生短暂跌落时，采用本实施方式能够使网侧电流具有较快的跟踪效果，且电流畸变程度小；由此可见，本实施方式的有效性。

Claims

1.一种基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集电网电压、网侧电流以及LCL型滤波器的电容电流；

2.根据权利要求1所述的基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，其特征在于：所述的电流调节器为PI控制器或PR控制器。

3.根据权利要求1所述的基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据前馈传递函数H_c(s)＝L₁s/k_pwm对电容电流进行前馈运算处理；其中：k_pwm为PWM比例增益，且k_pwm＝V_dc/V_cm，V_dc为直流母线电压，V_cm为三角载波幅值，L₁为逆变侧电感的电感值，s＝jω，ω为角频率。

4.根据权利要求1所述的基于前馈补偿的并网逆变器的控制方法，其特征在于：所述的前馈比例系数k＝1/k_pwm；其中：k_pwm为PWM比例增益，且k_pwm＝V_dc/V_cm，V_dc为直流母线电压，V_cm为三角载波幅值。