CN110635707B - 基于谐波干扰观测器的三相lcl型逆变器控制方法及装置 - Google Patents

基于谐波干扰观测器的三相lcl型逆变器控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法及装置,方法包括建立dq旋转坐标下的数学模型;引入电容电流有源反馈阻尼,得到等效被控对象数学模型,将其离散化得到z域数学模型;在电流内环比例负反馈和电网电压直接前馈的基础上,采用无限冲击响应滤波器方法设计离散扰动观测器的Q(z)滤波器,在扰动观测器的Gpn ‑1(s)通道和输出通道分别引入一阶低通滤波器和零相移低通滤波器以滤除高频噪声,在扰动观测器的输出引入2拍超前以补偿数字控制的时延;将电流内环比例负反馈的输出减去扰动观测器的输出观测值,补偿扰动,从而得到高质量的逆变器输出电流,解决死区效应、电网电压畸变和参数摄动等扰动导致LCL逆变器输出电流畸变的问题。

Description

基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法及装置
技术领域
本发明属于电气技术领域,更具体地,涉及一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法及装置。
背景技术
LCL型逆变器是分布式新能源发电、电能质量治理等领域的关键设备,其控制***的设计主要目标是实现逆变器输出电流零静差跟踪、并网电流低次谐波含量低、动态响应快以及较强的鲁棒性等,而这些目标与开关管死区效应、电网电压畸变、参数摄动、控制***延时等因素密切相关。因此,设计控制器时有必要克服各种不利因素的影响,保证LCL型逆变器***具备良好的稳态和动态性能。
在实际逆变器***中,为了防止同桥臂开关管产生“直通”现象,需要在互补的PWM信号中***死区时间td,然而,死区效应将会导致逆变器输出电流严重畸变,降低逆变器***输出电流质量。另一方面,逆变器输出电流质量也受到电网电压质量的影响。实际配电网中,特别是一些偏远地区,可能存在电网电压畸变。采用L滤波器的电压前馈方法并不能消除电压畸变对输出电流的影响。事实上,死区效应、电网电压畸变、参数摄动等不利因素都可归结为逆变器***的电压总扰动,可采用干扰观测器进行估计与补偿。干扰观测器在dq坐标下对参数摄动等扰动具有良好的抑制作用,然而对周期性扰动信号的抑制能力有待进一步研究与改进。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法及装置,旨在解决死区效应、电网电压畸变和参数摄动等扰动导致LCL逆变器输出电流畸变的问题。
为实现上述目的,按照本发明的一方面,提供了一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法,包括以下步骤:
步骤一、建立三相LCL型逆变器在dq旋转坐标下的数学模型;
步骤二、在dq旋转坐标下的LCL型逆变器数学模型中引入电容电流有源反馈阻尼,得到三相LCL型逆变器等效被控对象数学模型,将其离散化得到z域数学模型;
步骤三、在z域数学模型中,在电流内环比例负反馈和电网电压直接前馈的基础上,采用无限冲击响应滤波器方法设计离散扰动观测器的Q(z)滤波器,在扰动观测器的Gpn -1(s)通道和输出通道分别引入一阶低通滤波器和零相移低通滤波器以滤除高频噪声,在扰动观测器的输出引入2拍超前以补偿数字控制的时延;
步骤四、将电流内环比例负反馈的输出减去扰动观测器的输出观测值,补偿LCL型逆变器中存在的扰动,从而得到高质量的逆变器输出电流。
进一步地,步骤一所述的数学模型用公式表示为:
Figure BDA0002206548120000021
其中,L1为变流器侧电感,L2为网侧电感,C为LCL滤波器电容。udq(s)、uCdq(s)和usdq(s)分别为逆变侧电压、滤波电容电压和电网电压在dq轴的分量,i1dq(s)、i2dq(s)为逆变侧电流和网侧电流在dq轴的分量,ω为***基频角频率。
进一步地,步骤二所述的电容电流有源反馈阻尼为LCL逆变器电容电流乘以阻尼Kc。z域数学模型表达式为:
Figure BDA0002206548120000022
其中,Ts为采样周期,Kc为电容电流有源阻尼,ωr为LCL谐振角频率。
按照本发明的另一方面,提供了一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制装置,包括:
电流内环比例控制调节器,用于控制输出电流跟踪指令值;
Q(z)滤波器,用于跟踪交流周期性扰动信号;
零相移低通滤波器,用于滤除信号中的高频噪声;
2拍超前延时补偿器,用于补偿数字控制的2拍延时;
一阶低通滤波器,用于抑制Gpn -1(s)通道对噪声的放大。
进一步地,Q(z)滤波器表达式为:
Figure BDA0002206548120000031
其中,α为Q(z)滤波器系数,且0<α<1,N=fs/f,fs为采样频率,f为基频。
进一步地,零相移低通滤波器和延时补偿器用公式表示为:
Figure BDA0002206548120000032
进一步地,一阶低通滤波器抑制Gpn -1(s)通道对噪声的放大用公式表示为:
Figure BDA0002206548120000033
其中,τ为一阶低通滤波器的时间常数,L1为变流器侧电感,L2为网侧电感。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得以下有益效果:
1、本发明提供的基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法,通过扰动观测器对扰动的估计与补偿,相比与传统的方法,对死区效应、电网电压畸变和参数摄动等扰动补偿精度高,提升LCL型逆变器输出电流质量,提高了对指令电流稳态跟踪性能;
2、相比与传统的死区补偿方法,本发明提供的基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法不需要增加专门的相电流极性硬件检测电路。
附图说明
图1是本发明实施例提供的三相LCL型逆变器的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器的控制框图;
图3是现有技术采用PI控制的LCL型逆变器输出电流仿真图;
图4为本发明实施例提供的基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制的仿真图。
具体实施方式
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,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法,如图1所示,***包括三相逆变器、与三相逆变器的逆变侧连接的LCL型滤波器及与三相逆变器的控制端连接的控制器,本实施例的LCL滤波器参数为:逆变侧电感L1为1mH,网侧电感L2为0.6mH,滤波电容Cf为20uF,设置死区时间td为4us。控制方法如图2所示,包括以下步骤:
步骤一、建立三相LCL型逆变器在dq旋转坐标下的数学模型;
步骤二、在dq旋转坐标下的LCL型逆变器数学模型中引入电容电流有源反馈阻尼,得到三相LCL型逆变器等效被控对象数学模型,将其离散化得到z域数学模型;
步骤三、在z域数学模型中,在电流内环比例负反馈和电网电压直接前馈的基础上,采用无限冲击响应滤波器方法设计离散扰动观测器的Q(z)滤波器,在扰动观测器的Gpn -1(s)通道和输出通道分别引入一阶低通滤波器和零相移低通滤波器以滤除高频噪声,在扰动观测器的输出引入2拍超前以补偿数字控制的时延;
步骤四、将电流内环比例负反馈的输出减去扰动观测器的输出观测值,补偿LCL型逆变器中存在的扰动,从而得到高质量的逆变器输出电流。
进一步地,步骤一所述的数学模型用公式表示为:
Figure BDA0002206548120000051
其中,L1为变流器侧电感,L2为网侧电感,C为LCL滤波器电容。udq(s)、uCdq(s)和usdq(s)分别为逆变侧电压、滤波电容电压和电网电压在dq轴的分量,i1dq(s)、i2dq(s)为逆变侧电流和网侧电流在dq轴的分量,ω为***基频角频率。
进一步地,步骤二所述的电容电流有源反馈阻尼为LCL逆变器电容电流乘以阻尼Kc。z域数学模型表达式为:
Figure BDA0002206548120000052
其中,Ts为采样周期,Kc为电容电流有源阻尼,ωr为LCL谐振角频率。
按照本发明的另一方面,提供了一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制装置,包括:
电流内环比例控制调节器,用于控制输出电流跟踪指令值;
Q(z)滤波器,用于跟踪交流周期性扰动信号;
零相移低通滤波器,用于滤除信号中的高频噪声;
2拍超前延时补偿器,用于补偿数字控制的2拍延时;
一阶低通滤波器,用于抑制Gpn -1(s)通道对噪声的放大。
进一步地,Q(z)滤波器表达式为:
Figure BDA0002206548120000061
其中,α为Q(z)滤波器系数,且0<α<1,N=fs/f,fs为采样频率,f为基频。
进一步地,零相移低通滤波器和延时补偿器用公式表示为:
Figure BDA0002206548120000062
进一步地,一阶低通滤波器抑制Gpn -1(s)通道对噪声的放大用公式表示为:
Figure BDA0002206548120000063
其中,τ为一阶低通滤波器的时间常数,L1为变流器侧电感,L2为网侧电感。
图3和图4为根据上述步骤所设计的控制器得出的仿真结果。设置电网电压含有0.06pu五次谐波和0.03pu七次谐波,PWM信号的死区时间为4us。图4为采用传统PI控制的三相输出电流仿真结果,图4为采用本发明方法进行逆变器控制的三相输出电流仿真结果。比较图3和图4可知,发现采用本发明方法进行逆变器控制后输出电流波形正弦度大大的改善,总谐波畸变率从10.44%降到1.98%,动态响应良好。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、建立三相LCL型逆变器在dq旋转坐标下的数学模型;
步骤二、在所述dq旋转坐标下的LCL型逆变器数学模型中引入电容电流有源反馈阻尼,得到三相LCL型逆变器等效被控对象数学模型,将其离散化得到z域数学模型;
步骤三、在所述z域数学模型中的电流内环比例负反馈和电网电压直接前馈的基础上,采用无限冲击响应滤波器方法设计离散扰动观测器的Q(z)滤波器,在扰动观测器的Gpn -1(s)通道和输出通道分别引入一阶低通滤波器和零相移低通滤波器以滤除高频噪声,在扰动观测器的输出引入2拍超前以补偿数字控制的时延;
步骤四、将电流内环比例负反馈的输出减去扰动观测器的输出观测值,补偿LCL型逆变器中存在的扰动,从而得到高质量的逆变器输出电流。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,步骤一所述的数学模型用公式表示为:
Figure FDA0002636951120000011
其中,L1为变流器侧电感,L2为网侧电感,C为LCL滤波器电容,udq(s)、uCdq(s)和usdq(s)分别为逆变侧电压、滤波电容电压和电网电压在dq轴的分量,i1dq(s)、i2dq(s)为逆变侧电流和网侧电流在dq轴的分量,ω为***基频角频率。
3.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,步骤二所述的电容电流有源反馈阻尼为LCL逆变器电容电流乘以阻尼Kc
4.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,步骤二所述的z域数学模型表达式为:
Figure FDA0002636951120000021
其中,Ts为采样周期,Kc为电容电流有源阻尼,ωr为LCL谐振角频率。
5.一种基于谐波干扰观测器的三相LCL型逆变器控制装置,其特征在于,包括:
电流内环比例控制调节器,用于控制输出电流跟踪指令值;
Q(z)滤波器,用于跟踪交流周期性扰动信号;
零相移低通滤波器,用于滤除信号中的高频噪声;
2拍超前延时补偿器,用于补偿数字控制的2拍延时;
一阶低通滤波器,用于抑制Gpn -1(s)通道对噪声的放大;
所述电流内环比例控制调节器的输出与所述Q(z)滤波器的输出作差得到ur;所述零相移低通滤波器和所述2拍超前延时补偿器串联得到Gzpf(z);在Gpn -1(s)通道引入所述一阶低通滤波器,将逆变器网侧输出电流作为其输入,将其输出与ur作差后作为Gzpf(z)的输入,将Gzpf(z)的输出作为Q(z)滤波器的输入。
6.根据权利要求5所述的控制装置,其特征在于,所述Q(z)滤波器表达式为:
Figure FDA0002636951120000022
其中,α为Q(z)滤波器系数,且0<α<1,N=fs/f,fs为采样频率,f为基频。
7.根据权利要求5所述的控制装置,其特征在于,所述零相移低通滤波器和2拍超前延时补偿器用公式表示为:
Figure FDA0002636951120000023
8.根据权利要求5所述的控制装置,其特征在于,所述一阶低通滤波器抑制Gpn -1(s)通道对噪声的放大用公式表示为:
Figure FDA0002636951120000031
其中,τ为一阶低通滤波器的时间常数,L1为变流器侧电感,L2为网侧电感。
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