CN100359779C - 采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法，将接于逆变输出与电网间的低通滤波器采用由逆变侧串联电感、并联的两旁路电容和网侧串联电感组成的T型电路，两旁路电容的容量之比与各自相邻滤波器电感的电感量成反比，利用电流变送器检测两旁路电容之间的电流，并以此电流作为逆变输出电流控制的反馈信号，与电网电流的给定信号比较，比较后输出的信号输入比例积分调节器，以比例积分调节后的输出信号作为逆变开关运行的脉冲宽度调制信号，控制并网逆变器的输出电流波形和幅值。本发明方法可有效地增强对电网畸变和谐波干扰的抵抗能力，抑制电网电流波形失真度和谐波含量，使并网系统获得较高的功率因数和良好的输出电流波形。

Description

采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制方法，尤其是采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法。

背景技术

具有并网发电运行功能的逆变电源，其电路如图1(a)、(b)所示，通常包括基于高频开关的PWM(脉冲宽度调制)控制单相或三相逆变器、用于逆变并网连接运行的LCL低通滤波器、用于电流检测的电流变送器、用于逆变器并网运行的含电流误差计算和误差信号比例积分调节器的电流控制环以及开关驱动电路，逆变器在并网运行时为输出电流控制，以保证电流为严格的正弦波并具有较高的发电功率因数。传统的电流控制方法大都以LCL低通滤波器的逆变侧电感电流(即逆变输出电流)或电网侧电感电流(电网电流)为反馈信号，采用比例积分等方式对误差信号作调节并控制逆变器的运行。由于LCL结构的滤波器使控制对象为三阶系统，在滤波器转折频率附近存在很大的增益尖峰，为保证系统稳定，比例积分调节器的增益受到限制，取值较小，从而使系统在低频段的开环增益较小，限制了系统对输出电流稳态误差和谐波的抑制能力。这种方法还易受电网电压畸变和谐波干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种在满足系统稳定的控制要求下减小输出电流的稳态幅值和相位误差，增强对电网畸变和谐波干扰的抵抗能力，限制电网电流波形失真度和谐波含量的采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法。

本发明的采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法，其特征是在包括基于高频开关的脉冲宽度调制控制单相或三相逆变器、用于并网逆变器并网运行的低通滤波器、用于电流检测的电流变送器、用于并网逆变器并网运行的含电流加权平均、误差计算和误差信号比例积分调节器的电流控制环以及高频开关驱动电路的并网逆变器电路中，将接于逆变输出与电网间的低通滤波器采用由逆变侧串联电感、相并联的第一旁路电容和第二旁路电容、以及网侧串联电感组成的T型电路，第一旁路电容和第二旁路电容的容量之比等于逆变侧串联电感和网侧串联电感电感量的反比，利用电流变送器检测逆变侧串联电感与第一旁路电容的连接点和网侧串联电感与第二旁路电容的连接点之间的电流，并以此电流作为逆变输出电流控制的反馈信号，与电网电流的给定信号进行比较，比较后输出的误差信号输入到误差信号比例积分调节器，以比例积分调节后的输出信号作为逆变器高频开关运行的脉冲宽度调制信号，控制并网逆变器的输出电流波形和幅值。

本发明采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法实现了并网逆变器的稳定输出，并使得控制对象近似地由原本的三阶系统改造为一阶系统，可实现电源系统输出电流的高性能控制。试验表明，在5kW功率的电源系统中，电网电压失真度超过5％运行条件下，并网输出电流的失真度小于3％，功率因数大于0.99。

本发明的控制方法简单可行，相比于传统的控制方法，不需要增加额外的检测或控制环节，只需将传统的LCL型输出滤波器的中间电容设计改变为相并联的两部分电容，两部分电容的电容量与各自相邻的滤波器电感的电感量成反比，并将传统的逆变输出电流检测或电网电流检测线路移动到上述两部分电容的中间，即完成线路改造。在控制环设计时，仍采用传统的比例积分(PI)调节，但由于本发明对系统控制电流反馈信号的改造，使得电流控制环的控制对象的特性近似于单电感滤波的一阶系统，可方便地设计和采用比例积分控制，在保证系统稳定的同时可以选用比直接逆变输出电流反馈或直接电网电流反馈的控制方式更大的比例增益，从而获得稳定的输出、较小的稳态误差以及较好的动态响应特性。采用该项技术可以使并网发电系统的输出电流波形失真度较低、谐波量小、相位精度较高，并对电网电压畸变和背景谐波干扰具有较强的抵抗能力，抑制电网电流的失真。最终使并网系统获得较高的功率因数和良好的输出电流波形。

本发明适用于以MOSFET、IGBT等半导体器件为功率开关，采用各种形式PWM控制的三相或单相并网运行逆变电源，用于太阳能、风力、燃料电池发电等各种并网电源系统。

附图说明

图1(a)是传统的采用逆变输出电流为反馈控制信号的并网逆变器电路图；

图1(b)是传统的采用电网电流为反馈控制信号的并网逆变器电路图；

图2是采用本发明方法的并网逆变器的一种具体电路图例；

图3是采用本发明方法与传统方法控制并网发电系统的特性对比图；其中图(a)为并网逆变电源系统的增益特性曲线；图(b)为包括了比例积分调节控制器的系统回路增益曲线。

具体实施方式

图2所示是采用本发明方法的并网逆变器电路，它包括基于高频开关的脉冲宽度调制(PWM)控制单相逆变器1(图例中，单相逆变器为电压源型半桥式，采用IGBT为功率开关)、用于逆变并网连接运行的低通滤波器2、用于电流检测的电流变送器3、用于逆变器并网运行的电流控制环4和开关驱动电路5，其中电流控制环4含电流误差计算、误差信号比例积分调节器和PWM发生电路。逆变输出通过低通滤波器连接电网，低通滤波器是由逆变侧串联电感L₁、相并联的第一旁路电容C₁和第二旁路电容C₂以及网侧串联电感L₂组成的T型电路(以下称LCCL滤波器)，第一旁路电容C₁和第二旁路电容C₂的容量之比等于逆变输出串联电感L1与网侧串联电感L2电感量之反比。

并网逆变器电流控制方法是：采用电流变送器检测LCCL滤波器中两旁路电容C1和C2之间的电流，并以该电流作为电流控制环的反馈信号，与给定电流信号比较得到误差信号，由比例积分(PI)调节器对误差信号作比例积分调节后得到PWM调制信号，PWM调制信号通过PWM发生电路和开关驱动电路控制逆变器运行，实现逆变并网发电系统的输出电流波形和幅值的闭环控制。

本发明中逆变器采用电流控制PWM方式运行，输出电流的高频开关频率分量在LCCL滤波器作用下得以有效地抑制，而输出基波分量的稳定性和稳态误差以及低频谐波的抑制则决定于输出电流的闭环控制。通过滤波器和反馈信号的改变，使得电源系统的控制特性发生变化，PI调节器的参数也相应地可以改善，达到更好的闭环控制特性。

采用本发明方法与传统方法控制的电源系统特性对比：

以一个5kW电源系统为例，对于逆变输出电流反馈而言，参见图1(a)，反馈电流(i₁)相对于逆变输出电压V_i的增益可表示为：

$\frac{I_1\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{L_2{\mathrm{Cs}}^2+1}{s(L_1{L}_2{\mathrm{Cs}}^2+L_1+L_2)}$

其幅值和相位特性为图3(a)曲线1所示。

对于电网电流反馈而言，参见图1(b)，反馈电流(i₂)相对于逆变输出电压V_i的增益可表示为：

$\frac{I_2\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{1}{s(L_1{L}_2{\mathrm{Cs}}^2+L_1+L_2)}$

其幅值和相位特性如图3(a)曲线2所示。

曲线1和曲线2表明，采用传统的逆变输出电流反馈和网侧电流反馈控制时的系统增益在1kHz与2kHz间存在很大的增益尖峰；

本发明方法采用LCCL两电容之间的电流作为反馈信号，参见图2，反馈电流(i₁₂)相对于逆变输出电压V_i的增益可表示为：

$\frac{I_{12}\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{\frac{C_2}{C_1+C_2}{L}_2{\mathrm{Cs}}^2+1}{s(L_1{L}_2{\mathrm{Cs}}^2+L_1+L_2)}$

因电容C₁、C₂满足比例关系C₁/C₂＝L₂/L₁，则上式可转化为：

$\frac{I_f\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{\frac{L_1}{L_1+L_2}{L}_2{\mathrm{Cs}}^2+1}{s(L_1+L_2)(\frac{L_1}{L_1+L_2}{L}_2{\mathrm{Cs}}^2+1)}$

简化后得

$\frac{I_f\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{1}{s(L_1+L_2)}$

因此采用本发明的并网逆变电源的系统增益特性曲线将变为直线，如图3(a)曲线3所示，不再出现增益尖峰。

在设计比例积分调节器时，首先应满足系统稳定的要求，即回路增益在0dB线上穿越频率处相位偏移应小于180度。其次是低频段回路增益应尽可能大，转折频率较高，以提高系统输出的稳态精度和动态响应特性。图3(b)为包含了比例积分调节器的电流闭环控制系统回路增益特性波特图，其中曲线1为图1(a)所示的传统的逆变输出电流反馈回路增益特性，曲线2为图1(b)所示的传统的电网电流反馈回路增益特性，曲线3为本发明的LCCL滤波器中间电流反馈回路增益特性。由于本发明的LCCL滤波电容中间电流反馈控制系统回路增益不存在尖峰，在确保系统控制稳定的要求下可选择较大的比例积分调节器增益，使系统在低频段的增益明显提高，从而闭环控制时增强了对电流误差(包括基波幅值误差、相位误差和低频谐波分量)的抑制能力。

Claims (1)

1.采用滤波器中间电流反馈的并网逆变器电流控制方法，其特征是在包括基于高频开关的脉冲宽度调制控制单相或三相并网逆变器、用于并网逆变器并网运行的低通滤波器、用于电流检测的电流变送器、用于并网逆变器并网运行的含电流加权平均单元、误差计算单元和误差信号比例积分调节器的电流控制环以及高频开关驱动电路的并网逆变器电路中，将接于逆变输出与电网间的低通滤波器采用由逆变侧串联电感(L1)、相并联的第一旁路电容(C1)和第二旁路电容(C2)、以及网侧串联电感(L2)组成的T型电路，第一旁路电容和第二旁路电容的容量之比等于逆变侧串联电感(L1)和网侧串联电感(L2)电感量的反比，利用电流变送器检测逆变侧串联电感(L1)与第一旁路电容(C1)的连接点和网侧串联电感(L2)与第二旁路电容(C2)的连接点之间的电流，并以此电流作为逆变输出电流控制的反馈信号，与电网电流的给定信号进行比较，比较后输出的误差信号输入到误差信号比例积分调节器，以比例积分调节后的输出信号作为控制信号，生成逆变器高频开关运行的脉冲宽度调制信号，控制并网逆变器的输出电流波形和幅值。

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