CN101552572A - 采用电压微分补偿的并网逆变器电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用电压微分补偿的并网逆变器电流控制方法，采用电容串联阻尼电阻的LCL滤波器连接PWM逆变器和电网，采用一个电流变送器检测滤波器电网侧电感的电流得到电网电流信号，采用一个电压变送器检测滤波器电容支路电压并通过RC微分电路得到电流补偿信号，将此两信号相加后得到的信号作为逆变器电流控制的反馈信号，与电网电流的控制给定信号进行比较得到误差信号，再通过比例积分调节控制PWM逆变器的输出，其中电压变送器的变比和RC微分时间常数根据LCL滤波器参数确定。本发明方法与传统电流反馈控制方法相比可减小LCL滤波器阻尼电阻，从而减小阻尼电阻引起的损耗并增强滤波器对逆变开关纹波电流的抑制能力。

Description

采用电压微分补偿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，尤其是采用电压微分补偿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以及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，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，如果滤波器不加阻尼或阻尼不足，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；如果滤波器加入足够的阻尼，流经阻尼电阻的电流，尤其是高频纹波电流，将在阻尼电阻上产生较大的功率损耗，不仅降低了并网逆变器的发电效率，还会引起散热问题，并且这种方法还会造成滤波器对逆变器高频开关引起的纹波电流抑制能力降低，电网电流中开关纹波电流增大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在满足系统稳定和较大的比例积分调节器的增益的控制要求下，减小滤波器的阻尼电阻及其损耗的采用电压微分补偿的并网逆变器电流控制方法，从而在获得较小的输出电流稳态幅值和相位误差，限制电网电流波形失真度和谐波含量的基础上，获得较高的并网逆变效率并维持LCL滤波器对逆变输出开关频率纹波电流的抑制能力。

本发明的采用电压微分补偿的并网逆变器电流控制方法，包括基于高频开关的脉冲宽度调制控制逆变器、用于逆变并网连接的LCL滤波器、用于电流检测的电流变送器、用于电压检测的电压变送器和RC微分电路、用于逆变器并网运行电流反馈控制的含电流误差计算、误差信号比例积分调节器和脉宽调制发生器的电流控制环，其特征在于LCL滤波器是由逆变侧电感、旁路电容和串联阻尼电阻以及电网侧电感组成的T型电路，利用电流变送器检测电网侧电感的电流得到电网电流信号，利用电压变送器检测LCL滤波器的电容支路电压得到电压信号，该电压信号经由RC微分电路得到电流补偿信号，将此电流补偿信号与电网电流信号相加后得到的信号作为电流反馈信号，通过电流控制环实现并网逆变器电流控制，其中电流变送器的变比设置为控制给定信号与期望的逆变器输出电流的幅值之比，电压变送器的变比设置为LCL滤波器的逆变侧电感的电感量相对于该滤波器总电感量的比值、该滤波器阻尼电阻的电导与电流变送器的变比三者相乘的积，并设置RC微分电路的RC时间常数等于LCL滤波器的电容量与串联阻尼电阻阻值相乘的积。

本发明采用电压微分补偿的并网逆变器电流控制方法使得控制对象近似地由原本的三阶系统改造为一阶系统，可实现并网逆变器的稳定输出和逆变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，不需要增加电流变送器和其它额外的控制环路，只需要增加一个电压变送器和RC微分电路，在传统电网电流反馈中加入电压微分补偿信号即可，而滤波器的阻尼电阻及其损耗可显著减小。在设计电流控制环时，仍可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，即使在滤波器阻尼很小的条件下，也使得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采用较高的PI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、开关纹波小，并最终使并网系统获得较高的功率因数、良好的输出电流波形和较小的滤波器阻尼电阻损耗。

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LCL滤波器的滤波特性(逆变输出电压到电网电流的传递函数幅频特性)对比图；其中电感L₁和L₂均为700uH，等效串联电阻为0.05Ω，电容为20uF，电容支路的串联阻尼电阻R_d有两种取值。实线代表R_d为0.5Ω时的滤波特性，即LCL滤波器阻尼较小；点线R_d为5Ω时的滤波特性。

图4是采用三种不同反馈控制方法时，从逆变输出电压到反馈信号的传递函数幅频特性。图(a)为R_d等于0.5Ω时的增益特性曲线，图(b)为R_d等于5Ω时的增益特性曲线。图(a)、图(b)中曲线1代表传统逆变电流反馈时的增益特性曲线，曲线2代表传统电网电流反馈时的增益特性曲线，曲线3代表本发明的电压微分补偿电流反馈时的增益特性曲线；滤波器参数与图3相同。

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，包括基于高频开关的脉冲宽度调制控制逆变器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)、用于逆变并网连接的LCL滤波器2、用于电流检测的电流变送器3、用于电压检测的电压变送器4和RC微分电路5、用于逆变器并网运行电流反馈控制的含电流误差计算、误差信号比例积分调节器和脉宽调制(PWM)发生器的电流控制环6，其中LCL滤波器是由逆变侧电感L₁、旁路电容C_f和串联阻尼电阻R_d以及电网侧电感L₂组成的T型电路，

并网逆变器电流控制方法是：利用电流变送器检测电网侧电感的电流得到电网电流信号，利用电压变送器检测LCL滤波器的电容支路电压得到电压信号，该电压信号经由RC微分电路得到电流补偿信号，将此电流补偿信号与电网电流信号相加后得到的信号作为电流反馈信号，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，其中电流变送器的变比设置为控制给定信号与期望的逆变器输出电流的幅值之比，电压变送器的变比设置为LCL滤波器的逆变侧电感的电感量相对于该滤波器总电感量的比值、该滤波器阻尼电阻的电导与电流变送器的变比三者相乘的积，并设置RC微分电路的RC时间常数等于LCL滤波器的电容量与串联阻尼电阻阻值相乘的积。

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LCL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，使得并网逆变系统的控制特性发生变化，在滤波器阻尼很小的条件下，也使得控制对象的特性近似于单电感滤波的一阶系统，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10kW电源系统为例，对于逆变输出电流反馈而言，参见图1(a)，设α＝L₁/(L₁+L₂)，反馈电流(i₁)相对于逆变输出电压V_i的增益可表示为：

$G_{\mathrm{Vi}-I1}\left(s\right)=\frac{I_1\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{(1-\mathrm{\α})L{C}_f{s}^2+R_d{C}_{f}s+1}{\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})L^2{C}_f{s}^3+R_{d}L{C}_f{s}^2+\mathrm{Ls}}$

其幅值和相位特性为图4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：

$G_{\mathrm{Vi}-I2}\left(s\right)=\frac{I_2\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{R_d{C}_{f}s+1}{\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})L^2{C}_f{s}^3+R_{d}L{C}_f{s}^2+\mathrm{Ls}}$

其幅值和相位特性如图4曲线2所示。

由图4(a)曲线1和曲线2表明，当LCL滤波器阻尼电阻为0.5Ω时，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滤波器极点频率处(本例图中2kHz附近)存在很大的增益尖峰，闭环设计时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。抑制滤波器增益尖峰的常用方法是增大滤波器串联阻尼电阻。图4(b)表明，当LCL滤波器阻尼电阻为5Ω时，该增益尖峰得以抑制，显示出阻尼电阻对滤波器的阻尼作用。

然而，阻尼电阻也影响并网逆变系统和滤波器的其它性能。如果滤波器加入较大的阻尼，流经阻尼电阻的电流，尤其是高频纹波电流，将在阻尼电阻上产生较大的功率损耗，不仅降低了并网逆变器的发电效率，还会引起散热问题。例如，当10kW逆变器的逆变输出电流纹波限定为额定电流的15％时，由0.5Ω阻尼电阻引起的损耗接近系统容量的0.23％，而5Ω阻尼电阻引起的损耗接近系统容量的2.3％。增大串联阻尼电阻还会造成滤波器对逆变器高频开关引起的纹波电流抑制能力降低、电网电流中开关纹波电流增大的问题，参见图3。图3显示，当逆变器开关频率大于10kHz时，点线代表的R_d为5Ω时的滤波特性与实线代表的R_d为0.5Ω时的滤波特性相比，开关频率信号衰减率相差接近20dB，即LCL滤波器在阻尼增大时对高频谐波的抑制能力下降。

本发明采用电压微分补偿的并网逆变器电流控制方法，以LCL滤波器电容支路的电压微分信号作为电网电流反馈的补偿信号，参见图2，用H_v(s)代表电压变送器和电压微分电路对电容支路电压传输增益函数，则H_v(s)可表示为：

$H_v\left(s\right)=\frac{K_v\mathrm{RCs}}{\mathrm{RCs}+1}$

按照本发明的方法，电压变送器的变比K_v设置为LCL滤波器的逆变侧电感的电感量相对于该滤波器总电感量的比值、该滤波器阻尼电阻的电导与电流变送器的变比三者相乘的积，并设置RC微分电路的RC时间常数等于LCL滤波器的电容量与串联阻尼电阻阻值相乘的积，H_v(s)可进一步表示为：

$H_v\left(s\right)=\frac{\mathrm{\α}{K}_i}{R_d}\·\frac{\mathrm{RCs}}{\mathrm{RCs}+1}=\frac{\mathrm{\α}{K}_i}{R_d}\·\frac{R_d{C}_{f}s}{R_d{C}_{f}s+1}=K_i\frac{\mathrm{\α}{C}_{f}s}{R_d{C}_{f}s+1}$

反馈电流信号(i_f)相对于逆变输出电压V_i的增益可表示为：

$G_{\mathrm{Vi}-I_f}\left(s\right)=\frac{I_f\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{(R_d{C}_{f}s+1)[K_i+(1-\mathrm{\α})\mathrm{Ls}{H}_v\left(s\right)]}{[\mathrm{\α}(1-\mathrm{\α})L{C}_f{s}^2+R_d{C}_{f}s+1]\mathrm{Ls}}=\frac{K_i}{\mathrm{Ls}}$

其中，K_i是电流变送器变比。上式表明，采用本发明的方法，反馈电流信号相对于逆变输出电压V_i的增益与LCL滤波器阻尼电阻的阻值没有关联。因此，无论LCL滤波器阻尼大或小，采用本发明的并网逆变电源的系统增益特性曲线将近似为直线，当K_i为1时，如图4曲线3所示，在阻尼电阻R_d为0.5Ω时也不再出现增益尖峰。

通过上述对比表明，采用本发明的控制方法可有效地抑制反馈控制系统的增益尖峰，从而对滤波器的阻尼电阻要求及其损耗可显著减小。在设计电流控制环时，仍可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，滤波器可选用较小的串联阻尼，也使得控制对象的特性近似于单电感滤波的一阶系统，在保证系统稳定的同时可以采用较高的PI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。由于滤波器阻尼小，可保证滤波器对高频开关纹波有较高的抑制能力和较小的阻尼电阻损耗。

Claims (1)

1.采用电压微分补偿的并网逆变器电流控制方法，包括基于高频开关的脉冲宽度调制控制逆变器、用于逆变并网连接的LCL滤波器、用于电流检测的电流变送器、用于电压检测的电压变送器和RC微分电路、用于逆变器并网运行电流反馈控制的含电流误差计算、误差信号比例积分调节器和脉宽调制发生器的电流控制环，其特征在于LCL滤波器是由逆变侧电感(L₁)、旁路电容(C_f)和串联阻尼电阻(R_d)以及电网侧电感(L₂)组成的T型电路，利用电流变送器检测电网侧电感的电流得到电网电流信号，利用电压变送器检测LCL滤波器的电容支路电压得到电压信号，该电压信号经由RC微分电路得到电流补偿信号，将此电流补偿信号与电网电流信号相加后得到的信号作为电流反馈信号，通过电流控制环实现并网逆变器电流控制，其中电流变送器的变比设置为控制给定信号与期望的逆变器输出电流的幅值之比，电压变送器的变比设置为LCL滤波器的逆变侧电感的电感量相对于该滤波器总电感量的比值、该滤波器阻尼电阻的电导与电流变送器的变比三者相乘的积，并设置RC微分电路的RC时间常数等于LCL滤波器的电容量与串联阻尼电阻阻值相乘的积。

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