一種lcl併網逆變器系統的有源阻尼方法及其電路的製作方法
2023-04-24 03:21:36 1
專利名稱：一種lcl併網逆變器系統的有源阻尼方法及其電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法及其電路，屬電網變換器的控制技術領域。
背景技術：
電壓源型併網逆變器是當前蓬勃發展的新能源進入電網的接口，用於各種分布式併網發電系統(如光伏發電系統、直驅型風力發電系統、燃料電池系統等)、交流微網中的逆變型接口及直流微網中直流母線與電網的接口等，需求巨大。為了減輕和限制它們對電網的汙染，IEEE Std 9^-2000、UL1741等國際標準對併網逆變器的進網電流做了嚴格的指標限制，包括總諧波含量和單次諧波含量。結合併網逆變器的實現技術來看，達到開關頻率諧波電流抑制指標最為困難，涉及進網濾波器的選擇。 進網濾波器結構有L、LC和LCL三種形式，它們的濾波性能和控制特性已有文獻論述。從現階段工業應用情況來看，在小功率併網逆變器中一般採用L型濾波器，在中、大功率的SPWM 併網逆變器中一般採用LC型濾波器或帶阻尼電阻的LCL型濾波器，而在學術界備受關注的帶有源阻尼(Active Damping, AD)環節的LCL濾波器在實際應用中卻較少見，現階段關於 LCL濾波器的有源阻尼技術的研究離規模化應用仍有一段距離。相比L型濾波器，LCL型濾波器為併網逆變器系統引入一對共軛諧振極點，其阻尼比為零且振蕩頻率較高，威脅併網逆變器控制系統的穩定性。有源阻尼技術的思想即為引入獨立零點將共軛諧振極點吸引至穩定區域內並留有一定安全裕度，或引入共軛零點對消共軛諧振極點。已有大量的文獻對有源阻尼方法進行了研究=Dahono通過研究阻尼電阻在 LCL型併網逆變器系統傳遞函數中的作用，利用信號流圖變換將實際存在的電阻元件轉移至控制器結構中，提出了虛擬電阻(Virtual resistor)的概念，介紹了 4種與常用的阻尼電阻方式對應的虛擬電阻實現方式。增加系統阻尼的另一種方式是通過增加濾波器狀態變量反饋來實現有文獻提出採用串聯超前-滯後(Lead-Lag)模塊的濾波電容電壓反饋的有源阻尼方法；還有文獻提出基於比例環節的濾波電容電流反饋的有源阻尼方法；也有文獻提出採用反饋部分進網電流和電容電流的方法將三階LCL降至一階達到消除諧振。上述有源阻尼方法均能實現LCL濾波器諧振極點的有效阻尼，但對進網電流波形質量的提高作用有限，特別是容易受電網電壓諧波和畸變幹擾的影響。
發明內容
本發明的目的是提供一種LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法及其電路，在現有技術進網電流控制器(比例諧振調節器)的基礎上，引入網側電感電壓U2的反饋實現LCL 濾波器的諧振阻尼，對電網電壓諧波影響的抑制作用，提高進網電流波形質量。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法，通過設置獨立零點或共軛零點，對消 LCL濾波器在併網逆變器系統中產生的諧振極點或將共軛極點吸引至穩定區域內，採用網側電感電流反饋和引入LCL濾波器中的狀態變量進行反饋補償的方法實現，其特徵在於 所述引入LCL濾波器中的狀態變量系網側電感電壓，通過對網側電感電壓進行反饋補償， 來控制LCL濾波器的諧振阻尼，進而對併網逆變器系統的進網電流波形和幅值進行控制。實現上述LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法的電路，併網逆變器系統包括逆變器及LCL型進網濾波器，其特徵在於設置一個控制器，該控制器包括比例諧振調節器、微分調節器、減法器及PWM產生電路，通過電流傳感器在LCL型進網濾波器網側獲取的進網電流輸入至第一減法器，進網電流基準值亦輸入至第一減法器，第一減法器輸出至比例諧振調節器，比例諧振調節器輸出至第二減法器，通過電壓傳感器在LCL型進網濾波器中獲取的網側電感電壓經過微分調節器後，亦輸入至第二減法器，第二減法器的輸出至PWM產生電路，PWM產生電路的輸出經過隔離驅動電路送至逆變器，構成並聯結構的有源阻尼電路。實現上述LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法的電路，併網逆變器系統包括逆變器及LCL型進網濾波器，其特徵在於設置一個控制器，該控制器包括比例諧振調節器、微分調節器、減法器及PWM產生電路，通過電流傳感器在LCL型進網濾波器網側獲取的進網電流輸入至第一減法器，進網電流基準值亦輸入至第一減法器，第一減法器輸出至比例諧振調節器，比例諧振調節器輸出至第二減法器，通過電壓傳感器在LCL型進網濾波器中獲取的網側電感電壓亦輸入至第二減法器，第二減法器的輸出至微分調節器，微分調節器的輸出至PWM產生電路，PWM產生電路的輸出經過隔離驅動電路送至逆變器，構成串聯結構的有源阻尼電路。本發明的優點及顯著效果本發明在現有技術進網電流控制器(比例諧振調節器)的基礎上，引入網側電感電壓U2的反饋實現LCL濾波器的諧振阻尼，進網電流i2的比例諧振控制器實現進網電流控制。網側電感電壓U2反饋實現LCL濾波器諧振阻尼的同時， 還可以有效抑制電網電壓諧波對進網電流的影響。
圖1是本發明的並聯型結構，(a)並聯型電路圖；(b)並聯型控制框圖；圖2是本發明的串聯型結構電路圖；圖3是本發明網側電感電壓U2微分反饋與現有電容電壓Uc微分反饋和電容電流 ic比例反饋三種有源阻尼方法下控制器特性曲線，其中(a)進網電流開環傳遞函數Bode 圖；(b)電網電壓抑制導納I2/Ug，用來衡量控制器對電網電壓擾動的抑制能力；圖4是圖3三種有源阻尼方法下進網電流、電網電壓實驗波形，其中(a)本發明網側電感電壓U2微分反饋；(b)現有電容電壓Uc微分反饋；(C)現有電容電流比例反饋；
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對發明進行詳細說明。附圖的符號及標號說明UPV——逆變器輸入電壓^ S4——功率開關管；ug—— 電網電壓；Lp L2——進網濾波電感；ip I1^ U1, U」 Γι——濾波電感L1的電流、電壓和內阻； i2、I2、u2、U2、r2——濾波電感L2的電流、電壓和內阻K1——濾波電容；ic、Ic、uc Uc、——濾波電容C1的電流和電壓；Uinv——逆變器橋臂間輸出電壓；I2ref——進網電流基準；K——逆變器等效比例環節A2(S)——進網電流控制器屯——微分反饋係數。
本發明在現有技術進網電流控制器(比例諧振調節器)的基礎上，引入網側電感 L2電壓U2的反饋實現LCL濾波器的諧振阻尼。具體實現電路有並聯結構的有源阻尼電路圖 1(a)及串聯結構的有源阻尼電路圖2(a)兩種。圖1(a)中，逆變器1、LCL型進網濾波器2 及隔離驅動電路5均為已知電路。設置控制器3，其中包括比例諧振調節器、微分調節器4、 減法器及PWM產生電路，它們均為公知的模塊。通過電流傳感器在LCL型進網濾波器網側獲取的進網電流輸入至第一減法器，進網電流基準值亦輸入至第一減法器，第一減法器輸出至比例諧振調節器，比例諧振調節器輸出至第二減法器，通過電壓傳感器在LCL型進網濾波器中獲取的網側電感電壓經過微分調節器後，亦輸入至第二減法器，第二減法器的輸出至PWM產生電路，PWM產生電路的輸出經過隔離驅動電路送至逆變器。圖2(a)中，通過電流傳感器在LCL型進網濾波器網側獲取的進網電流輸入至第一減法器，進網電流基準值亦輸入至第一減法器，第一減法器輸出至比例諧振調節器，比例諧振調節器輸出至第二減法器， 通過電壓傳感器在LCL型進網濾波器中獲取的網側電感電壓亦輸入至第二減法器，第二減法器的輸出至微分調節器，微分調節器的輸出至PWM產生電路，PWM產生電路的輸出經過隔離驅動電路送至逆變器。單相光伏併網逆變器的進網電流控制框圖如附圖1(b)所示，為了便於分析，將 PWM逆變單元近似為一增益環節K。在附圖1(b)中，I2ref為進網電流參考，G(S)為進網電流控制器傳遞函數，通過控制逆變器輸出電流可以使逆變器以設定的功率因數向電網輸入電能。單相併網逆變器的電流控制目前常採用PI控制、滯環控制等技術，PI控制具有算法簡單和可靠性高等特點，因此被廣泛應用，但常規的PI控制對正弦參考電流無法實現無靜差跟蹤；滯環電流控制具有實現簡單和動態相應快等特點，但開關頻率、損耗及控制精度受滯環寬度的影響。比例諧振(PR)控制由比例調節器和諧振調節器組成，在基波頻率處增益無窮大，從而可以實現正弦基波電流的零穩態誤差跟蹤，本節在預先選用PR控制器的前提下對幾種有源阻尼方法進行比較。PR控制器傳遞函數如式(1)所示
權利要求
1.一種LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法，通過設置共軛零點或獨立零點，對消LCL 濾波器在併網逆變器系統中產生的共軛諧振極點或將共軛諧振極點吸引至穩定區域內，採用網側電感電流反饋和引入LCL濾波器中的狀態變量進行反饋補償的方法實現，其特徵在於所述引入LCL濾波器中的狀態變量系網側電感電壓，通過對網側電感電壓進行反饋補償，來控制LCL濾波器的諧振阻尼，進而對併網逆變器系統的進網電流波形和幅值進行控制。
2.實現權利要求1所述LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法的電路，併網逆變器系統包括逆變器及LCL型進網濾波器，其特徵在於設置一個控制器，該控制器包括比例諧振調節器、微分調節器、減法器及PWM產生電路，通過電流傳感器在LCL型進網濾波器網側獲取的進網電流輸入至第一減法器，進網電流基準值亦輸入至第一減法器，第一減法器輸出至比例諧振調節器，比例諧振調節器輸出至第二減法器，通過電壓傳感器在LCL型進網濾波器中獲取的網側電感電壓經過微分調節器後，亦輸入至第二減法器，第二減法器的輸出至 PWM產生電路，PWM產生電路的輸出經過隔離驅動電路送至逆變器，構成並聯結構的有源阻尼電路。
3.實現權利要求1所述LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法的電路，併網逆變器系統包括逆變器及LCL型進網濾波器，其特徵在於設置一個控制器，該控制器包括比例諧振調節器、微分調節器、減法器及PWM產生電路，通過電流傳感器在LCL型進網濾波器網側獲取的進網電流輸入至第一減法器，進網電流基準值亦輸入至第一減法器，第一減法器輸出至比例諧振調節器，比例諧振調節器輸出至第二減法器，通過電壓傳感器在LCL型進網濾波器中獲取的網側電感電壓亦輸入至第二減法器，第二減法器的輸出至微分調節器，微分調節器的輸出至PWM產生電路，PWM產生電路的輸出經過隔離驅動電路送至逆變器，構成串聯結構的有源阻尼電路。
全文摘要
一種LCL併網逆變器系統的有源阻尼方法，通過設置共軛零點或獨立零點，對消LCL濾波器在併網逆變器系統中產生的共軛諧振極點或將共軛諧振極點吸引至穩定區域內，採用網側電感電流反饋和引入LCL濾波器中的狀態變量進行反饋補償的方法來實現。通過對網側電感電壓進行反饋補償，來控制LCL濾波器的諧振阻尼，進而對併網逆變器系統的進網電流波形和幅值進行控制，可以有效抑制電網電壓諧波對進網電流的影響。是一種簡單有效的實現方式，實現電路有並聯及串聯兩種結構的有源阻尼電路。
文檔編號H02M1/12GK102522879SQ201110368829
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者肖華鋒, 許津銘, 謝少軍 申請人:東南大學