採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法
2023-06-03 04:02:06
專利名稱：採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法
技術領域：
本發明涉及併網逆變器控制方法，尤其是採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法。
背景技術：
具有併網發電運行功能的逆變電源，其電路如圖1(a)、(b)所示，通常包括基於高頻開關的PWM(脈衝寬度調製)控制單相或三相逆變器、用於逆變併網連接運行的LCL低通濾波器、用於電流檢測的電流變送器、用於逆變器併網運行的含電流誤差計算和誤差信號比例積分調節器的電流控制環以及開關驅動電路，逆變器在併網運行時為輸出電流控制，以保證電流為嚴格的正弦波並具有較高的發電功率因數。傳統的電流控制方法大都以LCL低通濾波器的逆變側電感電流(即逆變輸出電流)或電網側電感電流(電網電流)為反饋信號，採用比例積分等方式對誤差信號作調節並控制逆變器的運行。由於LCL結構的濾波器使控制對象為三階系統，在濾波器轉折頻率附近存在很大的增益尖峰，為保證系統穩定，比例積分調節器的增益受到限制，取值較小，從而使系統在低頻段的開環增益較小，限制了系統對輸出電流穩態誤差和諧波的抑制能力。這種方法還易受電網電壓畸變和諧波幹擾的影響。
發明內容
本發明的目的是提供一種在滿足系統穩定的控制要求下減小輸出電流的穩態幅值和相位誤差，增強對電網畸變和諧波幹擾的抵抗能力，限制電網電流波形失真度和諧波含量的採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法。
本發明的採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法，其特徵是在包括基於高頻開關的脈衝寬度調製控制單相或三相逆變器、用於逆變併網連接運行的低通濾波器、用於電流檢測的電流變送器、用於逆變器併網運行的含電流加權平均、誤差計算和誤差信號比例積分調節器的電流控制環以及開關驅動電路的併網逆變器電路中，將接於逆變輸出與電網間的低通濾波器採用由逆變側串聯電感、相併聯的第一旁路電容和第二旁路電容、以及網側串聯電感組成的T型電路，第一旁路電容和第二旁路電容的容量之比等於其各自相鄰濾波器電感的電感量之反比，利用電流變送器檢測兩旁路電容之間的電流，並以此電流作為逆變輸出電流控制的反饋信號，與電網電流的給定信號進行比較，比較後輸出的誤差信號輸入比例積分調節器，以比例積分調節後的輸出信號作為逆變開關運行的脈衝寬度調製信號，控制併網逆變器的輸出電流波形和幅值。
本發明採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法實現了併網逆變器的穩定輸出，並使得控制對象近似地由原本的三階系統改造為一階系統，可實現電源系統輸出電流的高性能控制。試驗表明，在5kW功率的電源系統中，電網電壓失真度超過5％運行條件下，併網輸出電流的失真度小於3％，功率因數大於0.99。
本發明的控制方法簡單可行，相比於傳統的控制方法，不需要增加額外的檢測或控制環節，只需將傳統的LCL型輸出濾波器的中間電容設計改變為相併聯的兩部分電容，兩部分電容的電容量與各自相鄰的濾波器電感的電感量成反比，並將傳統的逆變輸出電流檢測或電網電流檢測線路移動到上述兩部分電容的中間，即完成線路改造。在控制環設計時，仍採用傳統的比例積分(PI)調節，但由於本發明對系統控制電流反饋信號的改造，使得電流控制環的控制對象的特性近似於單電感濾波的一階系統，可方便地設計和採用比例積分控制，在保證系統穩定的同時可以選用比直接逆變輸出電流反饋或直接電網電流反饋的控制方式更大的比例增益，從而獲得穩定的輸出、較小的穩態誤差以及較好的動態響應特性。採用該項技術可以使併網發電系統的輸出電流波形失真度較低、諧波量小、相位精度較高，並對電網電壓畸變和背景諧波幹擾具有較強的抵抗能力，抑制電網電流的失真。最終使併網系統獲得較高的功率因數和良好的輸出電流波形。
本發明適用於以MOSFET、IGBT等半導體器件為功率開關，採用各種形式PWM控制的三相或單相併網運行逆變電源，用於太陽能、風力、燃料電池發電等各種併網電源系統。
圖1(a)是傳統的採用逆變輸出電流為反饋控制信號的併網逆變器電路圖；圖1(b)是傳統的採用電網電流為反饋控制信號的併網逆變器電路圖；圖2是採用本發明方法的併網逆變器的一種具體電路圖例；圖3是採用本發明方法與傳統方法控制併網發電系統的特性對比圖；其中圖(a)為併網逆變電源系統的增益特性曲線；圖(b)為包括了比例積分調節控制器的系統迴路增益曲線。
具體實施例方式
圖2所示是採用本發明方法的併網逆變器電路，它包括基於高頻開關的脈衝寬度調製(PWM)控制單相逆變器1(圖例中，單相逆變器為電壓源型半橋式，採用IGBT為功率開關)、用於逆變併網連接運行的低通濾波器2、用於電流檢測的電流變送器3、用於逆變器併網運行的電流控制環4和開關驅動電路5，其中電流控制環4含電流誤差計算、誤差信號比例積分調節器和PWM發生電路。逆變輸出通過低通濾波器連接電網，低通濾波器是由逆變側串聯電感L1、相併聯的第一旁路電容C1和第二旁路電容C2以及網側串聯電感L2組成的T型電路(以下稱LCCL濾波器)，第一旁路電容C1和第二旁路電容C2的容量之比等於逆變輸出串聯電感L1與網側串聯電感L2電感量之反比。
併網逆變器電流控制方法是採用電流變送器檢測LCCL濾波器中兩旁路電容C1和C2之間的電流，並以該電流作為電流控制環的反饋信號，與給定電流信號比較得到誤差信號，由比例積分(PI)調節器對誤差信號作比例積分調節後得到PWM調製信號，PWM調製信號通過PWM發生電路和開關驅動電路控制逆變器運行，實現逆變併網發電系統的輸出電流波形和幅值的閉環控制。
本發明中逆變器採用電流控制PWM方式運行，輸出電流的高頻開關頻率分量在LCCL濾波器作用下得以有效地抑制，而輸出基波分量的穩定性和穩態誤差以及低頻諧波的抑制則決定於輸出電流的閉環控制。通過濾波器和反饋信號的改變，使得電源系統的控制特性發生變化，PI調節器的參數也相應地可以改善，達到更好的閉環控制特性。
採用本發明方法與傳統方法控制的電源系統特性對比以一個5kW電源系統為例，對於逆變輸出電流反饋而言，參見圖1(a)，反饋電流(i1)相對於逆變輸出電壓Vi的增益可表示為I1(s)Vi(s)=L2Cs2+1s(L1L2Cs2+L1+L2)]]>其幅值和相位特性為圖3(a)曲線1所示。
對於電網電流反饋而言，參見圖1(b)，反饋電流(i2)相對於逆變輸出電壓Vi的增益可表示為I2(s)Vi(s)=1s(L1L2Cs2+L1+L2)]]>其幅值和相位特性如圖3(a)曲線2所示。
曲線1和曲線2表明，採用傳統的逆變輸出電流反饋和網側電流反饋控制時的系統增益在1kHz與2kHz間存在很大的增益尖峰；
本發明方法採用LCCL兩電容之間的電流作為反饋信號，參見圖2，反饋電流(i12)相對於逆變輸出電壓Vi的增益可表示為I12(s)Vi(s)=C2C1+C2L2Cs2+1s(L1L2Cs2+L1+L2)]]>因電容C1、C2滿足比例關係C1/C2＝L2/L1，則上式可轉化為If(s)Vi(s)=L1L1+L2L2Cs2+1s(L1+L2)(L1L1+L2L2Cs2+1)]]>簡化後得If(s)Vi(s)=1s(L1+L2)]]>因此採用本發明的併網逆變電源的系統增益特性曲線將變為直線，如圖3(a)曲線3所示，不再出現增益尖峰。
在設計比例積分調節器時，首先應滿足系統穩定的要求，即迴路增益在0dB線上穿越頻率處相位偏移應小於180度。其次是低頻段迴路增益應儘可能大，轉折頻率較高，以提高系統輸出的穩態精度和動態響應特性。圖3(b)為包含了比例積分調節器的電流閉環控制系統迴路增益特性波特圖，其中曲線1為圖1(a)所示的傳統的逆變輸出電流反饋迴路增益特性，曲線2為圖1(b)所示的傳統的電網電流反饋迴路增益特性，曲線3為本發明的LCCL濾波器中間電流反饋迴路增益特性。由於本發明的LCCL濾波電容中間電流反饋控制系統迴路增益不存在尖峰，在確保系統控制穩定的要求下可選擇較大的比例積分調節器增益，使系統在低頻段的增益明顯提高，從而閉環控制時增強了對電流誤差(包括基波幅值誤差、相位誤差和低頻諧波分量)的抑制能力。
權利要求
1.採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法，其特徵是在包括基於高頻開關的脈衝寬度調製控制單相或三相逆變器、用於逆變併網連接運行的低通濾波器、用於電流檢測的電流變送器、用於逆變器併網運行的含電流加權平均、誤差計算和誤差信號比例積分調節器的電流控制環以及開關驅動電路的併網逆變器電路中，將接於逆變輸出與電網間的低通濾波器採用由逆變側串聯電感(L1)、相併聯的第一旁路電容(C1)和第二旁路電容(C2)、以及網側串聯電感(L2)組成的T型電路，第一旁路電容和第二旁路電容的容量之比等於其各自相鄰濾波器電感的電感量之反比，利用電流變送器檢測兩旁路電容之間的電流，並以此電流作為逆變輸出電流控制的反饋信號，與電網電流的給定信號進行比較，比較後輸出的誤差信號輸入比例積分調節器，以比例積分調節後的輸出信號作為逆變開關運行的脈衝寬度調製信號，控制併網逆變器的輸出電流波形和幅值。
全文摘要
本發明公開了採用濾波器中間電流反饋的併網逆變器電流控制方法，將接於逆變輸出與電網間的低通濾波器採用由逆變側串聯電感、並聯的兩旁路電容和網側串聯電感組成的T型電路，兩旁路電容的容量之比與各自相鄰濾波器電感的電感量成反比，利用電流變送器檢測兩旁路電容之間的電流，並以此電流作為逆變輸出電流控制的反饋信號，與電網電流的給定信號比較，比較後輸出的信號輸入比例積分調節器，以比例積分調節後的輸出信號作為逆變開關運行的脈衝寬度調製信號，控制併網逆變器的輸出電流波形和幅值。本發明方法可有效地增強對電網畸變和諧波幹擾的抵抗能力，抑制電網電流波形失真度和諧波含量，使併網系統獲得較高的功率因數和良好的輸出電流波形。
文檔編號H02M7/48GK1851998SQ20061005062
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月8日 優先權日2006年5月8日
發明者沈國橋, 徐德鴻 申請人:浙江大學