專利名稱：采用濾波器中間電流反饋的并網(wǎng)逆變器電流控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及并網(wǎng)逆變器控制方法，尤其是采用濾波器中間電流反饋的并網(wǎng)逆變器電流控制方法。
背景技術(shù)：
具有并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行功能的逆變電源，其電路如圖1(a)、(b)所示，通常包括基于高頻開關(guān)的PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制單相或三相逆變器、用于逆變并網(wǎng)連接運(yùn)行的LCL低通濾波器、用于電流檢測的電流變送器、用于逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的含電流誤差計(jì)算和誤差信號比例積分調(diào)節(jié)器的電流控制環(huán)以及開關(guān)驅(qū)動電路，逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行時為輸出電流控制，以保證電流為嚴(yán)格的正弦波并具有較高的發(fā)電功率因數(shù)。傳統(tǒng)的電流控制方法大都以LCL低通濾波器的逆變側(cè)電感電流(即逆變輸出電流)或電網(wǎng)側(cè)電感電流(電網(wǎng)電流)為反饋信號，采用比例積分等方式對誤差信號作調(diào)節(jié)并控制逆變器的運(yùn)行。由于LCL結(jié)構(gòu)的濾波器使控制對象為三階系統(tǒng)，在濾波器轉(zhuǎn)折頻率附近存在很大的增益尖峰，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，比例積分調(diào)節(jié)器的增益受到限制，取值較小，從而使系統(tǒng)在低頻段的開環(huán)增益較小，限制了系統(tǒng)對輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差和諧波的抑制能力。這種方法還易受電網(wǎng)電壓畸變和諧波干擾的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的控制要求下減小輸出電流的穩(wěn)態(tài)幅值和相位誤差，增強(qiáng)對電網(wǎng)畸變和諧波干擾的抵抗能力，限制電網(wǎng)電流波形失真度和諧波含量的采用濾波器中間電流反饋的并網(wǎng)逆變器電流控制方法。
本發(fā)明的采用濾波器中間電流反饋的并網(wǎng)逆變器電流控制方法，其特征是在包括基于高頻開關(guān)的脈沖寬度調(diào)制控制單相或三相逆變器、用于逆變并網(wǎng)連接運(yùn)行的低通濾波器、用于電流檢測的電流變送器、用于逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的含電流加權(quán)平均、誤差計(jì)算和誤差信號比例積分調(diào)節(jié)器的電流控制環(huán)以及開關(guān)驅(qū)動電路的并網(wǎng)逆變器電路中，將接于逆變輸出與電網(wǎng)間的低通濾波器采用由逆變側(cè)串聯(lián)電感、相并聯(lián)的第一旁路電容和第二旁路電容、以及網(wǎng)側(cè)串聯(lián)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于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，并以此電流作為逆變輸出電流控制的反饋信號，與電網(wǎng)電流的給定信號進(jìn)行比較，比較后輸出的誤差信號輸入比例積分調(diào)節(jié)器，以比例積分調(diào)節(jié)后的輸出信號作為逆變開關(guān)運(yùn)行的脈沖寬度調(diào)制信號，控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流波形和幅值。
本發(fā)明采用濾波器中間電流反饋的并網(wǎng)逆變器電流控制方法實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定輸出，并使得控制對象近似地由原本的三階系統(tǒng)改造為一階系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)輸出電流的高性能控制。試驗(yàn)表明，在5kW功率的電源系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓失真度超過5％運(yùn)行條件下，并網(wǎng)輸出電流的失真度小于3％，功率因數(shù)大于0.99。
本發(fā)明的控制方法簡單可行，相比于傳統(tǒng)的控制方法，不需要增加額外的檢測或控制環(huán)節(jié)，只需將傳統(tǒng)的LCL型輸出濾波器的中間電容設(shè)計(jì)改變?yōu)橄嗖⒙?lián)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，并將傳統(tǒng)的逆變輸出電流檢測或電網(wǎng)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(huán)設(shè)計(jì)時，仍采用傳統(tǒng)的比例積分(PI)調(diào)節(jié)，但由于本發(fā)明對系統(tǒng)控制電流反饋信號的改造，使得電流控制環(huán)的控制對象的特性近似于單電感濾波的一階系統(tǒng)，可方便地設(shè)計(jì)和采用比例積分控制，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時可以選用比直接逆變輸出電流反饋或直接電網(wǎng)電流反饋的控制方式更大的比例增益，從而獲得穩(wěn)定的輸出、較小的穩(wěn)態(tài)誤差以及較好的動態(tài)響應(yīng)特性。采用該項(xiàng)技術(shù)可以使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流波形失真度較低、諧波量小、相位精度較高，并對電網(wǎng)電壓畸變和背景諧波干擾具有較強(qiáng)的抵抗能力，抑制電網(wǎng)電流的失真。最終使并網(wǎng)系統(tǒng)獲得較高的功率因數(shù)和良好的輸出電流波形。
本發(fā)明適用于以MOSFET、IGBT等半導(dǎo)體器件為功率開關(guān)，采用各種形式PWM控制的三相或單相并網(wǎng)運(yùn)行逆變電源，用于太陽能、風(fēng)力、燃料電池發(fā)電等各種并網(wǎng)電源系統(tǒng)。


圖1(a)是傳統(tǒng)的采用逆變輸出電流為反饋控制信號的并網(wǎng)逆變器電路圖；圖1(b)是傳統(tǒng)的采用電網(wǎng)電流為反饋控制信號的并網(wǎng)逆變器電路圖；圖2是采用本發(fā)明方法的并網(wǎng)逆變器的一種具體電路圖例；圖3是采用本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法控制并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特性對比圖；其中圖(a)為并網(wǎng)逆變電源系統(tǒng)的增益特性曲線；圖(b)為包括了比例積分調(diào)節(jié)控制器的系統(tǒng)回路增益曲線。
具體實(shí)施例方式
圖2所示是采用本發(fā)明方法的并網(wǎng)逆變器電路，它包括基于高頻開關(guān)的脈沖寬度調(diào)制(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，采用IGBT為功率開關(guān))、用于逆變并網(wǎng)連接運(yùn)行的低通濾波器2、用于電流檢測的電流變送器3、用于逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的電流控制環(huán)4和開關(guān)驅(qū)動電路5，其中電流控制環(huán)4含電流誤差計(jì)算、誤差信號比例積分調(diào)節(jié)器和PWM發(fā)生電路。逆變輸出通過低通濾波器連接電網(wǎng)，低通濾波器是由逆變側(cè)串聯(lián)電感L1、相并聯(lián)的第一旁路電容C1和第二旁路電容C2以及網(wǎng)側(cè)串聯(lián)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的容量之比等于逆變輸出串聯(lián)電感L1與網(wǎng)側(cè)串聯(lián)電感L2電感量之反比。
并網(wǎng)逆變器電流控制方法是采用電流變送器檢測LCCL濾波器中兩旁路電容C1和C2之間的電流，并以該電流作為電流控制環(huán)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(diào)節(jié)器對誤差信號作比例積分調(diào)節(jié)后得到PWM調(diào)制信號，PWM調(diào)制信號通過PWM發(fā)生電路和開關(guān)驅(qū)動電路控制逆變器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流波形和幅值的閉環(huán)控制。
本發(fā)明中逆變器采用電流控制PWM方式運(yùn)行，輸出電流的高頻開關(guān)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(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差以及低頻諧波的抑制則決定于輸出電流的閉環(huán)控制。通過濾波器和反饋信號的改變，使得電源系統(tǒng)的控制特性發(fā)生變化，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)也相應(yīng)地可以改善，達(dá)到更好的閉環(huán)控制特性。
采用本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法控制的電源系統(tǒng)特性對比以一個5kW電源系統(tǒng)為例，對于逆變輸出電流反饋而言，參見圖1(a)，反饋電流(i1)相對于逆變輸出電壓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。
對于電網(wǎng)電流反饋而言，參見圖1(b)，反饋電流(i2)相對于逆變輸出電壓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，采用傳統(tǒng)的逆變輸出電流反饋和網(wǎng)側(cè)電流反饋控制時的系統(tǒng)增益在1kHz與2kHz間存在很大的增益尖峰；
本發(fā)明方法采用LCCL兩電容之間的電流作為反饋信號，參見圖2，反饋電流(i12)相對于逆變輸出電壓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(guān)系C1/C2＝L2/L1，則上式可轉(zhuǎn)化為If(s)Vi(s)=L1L1+L2L2Cs2+1s(L1+L2)(L1L1+L2L2Cs2+1)]]>簡化后得If(s)Vi(s)=1s(L1+L2)]]>因此采用本發(fā)明的并網(wǎng)逆變電源的系統(tǒng)增益特性曲線將變?yōu)橹本€，如圖3(a)曲線3所示，不再出現(xiàn)增益尖峰。
在設(shè)計(jì)比例積分調(diào)節(jié)器時，首先應(yīng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，即回路增益在0dB線上穿越頻率處相位偏移應(yīng)小于180度。其次是低頻段回路增益應(yīng)盡可能大，轉(zhuǎn)折頻率較高，以提高系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)特性。圖3(b)為包含了比例積分調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)回路增益特性波特圖，其中曲線1為圖1(a)所示的傳統(tǒng)的逆變輸出電流反饋回路增益特性，曲線2為圖1(b)所示的傳統(tǒng)的電網(wǎng)電流反饋回路增益特性，曲線3為本發(fā)明的LCCL濾波器中間電流反饋回路增益特性。由于本發(fā)明的LCCL濾波電容中間電流反饋控制系統(tǒng)回路增益不存在尖峰，在確保系統(tǒng)控制穩(wěn)定的要求下可選擇較大的比例積分調(diào)節(jié)器增益，使系統(tǒng)在低頻段的增益明顯提高，從而閉環(huán)控制時增強(qiáng)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(quán)利要求
1.采用濾波器中間電流反饋的并網(wǎng)逆變器電流控制方法，其特征是在包括基于高頻開關(guān)的脈沖寬度調(diào)制控制單相或三相逆變器、用于逆變并網(wǎng)連接運(yùn)行的低通濾波器、用于電流檢測的電流變送器、用于逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的含電流加權(quán)平均、誤差計(jì)算和誤差信號比例積分調(diào)節(jié)器的電流控制環(huán)以及開關(guān)驅(qū)動電路的并網(wǎng)逆變器電路中，將接于逆變輸出與電網(wǎng)間的低通濾波器采用由逆變側(cè)串聯(lián)電感(L1)、相并聯(lián)的第一旁路電容(C1)和第二旁路電容(C2)、以及網(wǎng)側(cè)串聯(lián)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于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，并以此電流作為逆變輸出電流控制的反饋信號，與電網(wǎng)電流的給定信號進(jìn)行比較，比較后輸出的誤差信號輸入比例積分調(diào)節(jié)器，以比例積分調(diào)節(jié)后的輸出信號作為逆變開關(guān)運(yùn)行的脈沖寬度調(diào)制信號，控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流波形和幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開了采用濾波器中間電流反饋的并網(wǎng)逆變器電流控制方法，將接于逆變輸出與電網(wǎng)間的低通濾波器采用由逆變側(cè)串聯(lián)電感、并聯(lián)的兩旁路電容和網(wǎng)側(cè)串聯(lián)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，并以此電流作為逆變輸出電流控制的反饋信號，與電網(wǎng)電流的給定信號比較，比較后輸出的信號輸入比例積分調(diào)節(jié)器，以比例積分調(diào)節(jié)后的輸出信號作為逆變開關(guān)運(yùn)行的脈沖寬度調(diào)制信號，控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流波形和幅值。本發(fā)明方法可有效地增強(qiáng)對電網(wǎng)畸變和諧波干擾的抵抗能力，抑制電網(wǎng)電流波形失真度和諧波含量，使并網(wǎng)系統(tǒng)獲得較高的功率因數(shù)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(yōu)先權(quán)日2006年5月8日
發(fā)明者沈國橋, 徐德鴻 申請人:浙江大學(xué)