CN101694944B

CN101694944B - 基于电容电流内环的并网无缝切换控制器及其控制方法

Info

Publication number: CN101694944B
Application number: CN2009102336961A
Authority: CN
Inventors: 姚志垒; 胡国文; 陈荣; 顾春雷; 孙宏国; 薛迎成
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Hangzhou Heshan Instrument Co., Ltd.
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: CN101694944A

Abstract

本发明公布了一种基于电容电流内环的并网无缝切换控制器及其控制方法，本发明控制器包括微处理器、电压采样电路、并网开关驱动电路和逆变器功率管驱动电路，其中微处理器包括电网同步模块、输出电压控制器、并网模式下的电容基准电流生成器、进网电流控制器、电容电流控制器、切换控制指令开关和逆变器功率管逻辑生成器。本发明方法通过并网开关连接电网的逆变器在独立带载运行时为输出电压控制模式，在并网运行时为进网电流控制模式。本发明适用于可独立与并网双模式运行的并网逆变器，提高了独立模式下输出电压的负载调整率，以及并网模式下非线性负载和电网电压畸变情况下的功率因数和进网电流波形质量，实现了两种工作模式之间的无缝切换。

Description

基于电容电流内环的并网无缝切换控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及可独立与并网双模式运行并网逆变器的控制方法，尤其是基于电容电流内环的并网无缝切换控制器及其控制方法。

背景技术

随着化石能源的不断紧缺和环境污染的日益加剧，基于可再生能源的分布式发电系统已成为研究的热点，而并网逆变器是其中的一个重要组成部分。为了给关键负载提供不间断供电，要求带关键负载的并网逆变器可工作在并网和独立两种工作模式。并网模式下，给关键负载供电的同时将多余的能量送给电网；独立模式下，给关键负载供电。但当关键负载为非线性负载时，传统的并网控制方法无法消除并网模式下非线性负载向电网注入的谐波电流。电网电压受整流性等非线性负载的污染，电网电压不是纯正弦波，谐波含量较大，而独立与并网双模式运行的并网逆变器存在输出滤波电容，流过输出滤波电容的谐波电流会降低进网电流的波形质量。另外，为了减小独立与并网两模式切换过程中对电网和关键负载的冲击，要求独立与并网双模式工作的并网逆变器实现2种模式之间的无缝切换。传统无缝切换控制方法未考虑电压控制模式电压调节器和电流控制模式电流调节器切换瞬间的电压差对负载电压和进网电流的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对传统并网控制方法的缺陷，提出一种可减小非线性负载和电网电压畸变情况下进网电流的总谐波含量(Total Harmonic Distortion——THD)和提高独立模式下输出电压的负载调整率，可实现独立与并网双模式的无缝切换的并网控制器及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于包括微处理器、电压采样电路、并网开关驱动电路和逆变器功率管驱动电路，其中微处理器包括电网同步模块、输出电压控制器、并网模式下的电容基准电流生成器、进网电流控制器、电容电流控制器、切换控制指令开关和逆变器功率管逻辑生成器，电压采样电路的输入端分别接电源系统的电网电压和逆变器自身输出电压的输出端，电压采样电路的输出端分别接电网同步模块和输出电压控制器的输入端，电网同步模块的输出端分别接输出电压控制器和进网电流控制器的输入端，输出电压控制器和并网模式下的电容基准电流生成器的输出端分别接切换控制指令开关的输入端，并网模式下的电容基准电流生成器的输入端接电网反馈电压与电容电流系数的积，进网电流控制器的输入端接电源系统的电网反馈电流，进网电流控制器和切换控制指令开关的输出端、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流分别接电容电流控制器的输入端，电容电流控制器的输出端依次串接逆变器功率管逻辑生成器、逆变器功率管驱动电路后接电源系统中逆变器的各个功率开关管，微处理器的并网开关控制信号输出端串接并网开关驱动电路后接电源系统中并网开关的输入端。

所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器的控制方法，其特征在于在带载独立运行时关断并网开关，电源系统的逆变器为输出电压控制模式；在并网运行时开通并网开关，电源系统的逆变器为进网电流控制模式；采用电压采样电路采样电源系统电网电压得到电网反馈电压，采用电压采样电路采样逆变器输出电压得到输出反馈电压；

从独立运行到并网运行的切换过程中，先将电网反馈电压经过电网同步模块得到与电网电压同步的电源系统的基准电压和基准电流，电网反馈电压乘电容电流系数后经微分器输出电容基准电流，将电源系统的基准电流和电网反馈电流依次经过第二误差计算单元、比例调节器得到进网基准电流，在逆变器输出电压过零点时微处理器切换控制指令开关(SW)为1后将所述电容基准电流、进网基准电流、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流依次经过第三误差计算单元、电容电流调节器、逆变器功率管逻辑生成器、逆变器功率管驱动电路后输出各功率开关管驱动信号至逆变器；然后微处理器将并网开关控制信号经过并网开关驱动电路闭合并网开关；最后将基准电流由零逐渐增加至额定值，逆变器由输出电压控制模式切换至进网电流控制模式；

从并网运行到独立运行的切换过程中，电源系统的基准电压和逆变器的输出反馈电压依次经过第一误差计算单元、电压调节器得到电容基准电流，先将基准电流在电网电压过零点减小至零，并采用微处理器将并网开关控制信号经过并网开关驱动电路断开并网开关；然后在输出电压过零点微处理器切换控制指令开关(SW)为0后将所述电容基准电流、进网基准电流、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流依次经过第三误差计算单元、电容电流调节器、逆变器功率管逻辑生成器、逆变器功率管驱动电路后输出各功率开关管驱动信号至逆变器，逆变器由进网电流控制模式切换至输出电压控制模式。

本发明提高了独立模式下输出电压的负载调整率，以及并网模式下非线性负载和电网电压畸变情况下的功率因数和进网电流波形质量，在2种工作模式的切换过程中抑制了负载电压的波动，保证了关键负载的连续供电，实现了2种工作模式之间的无缝切换。本发明适用于以MOSFET、IGBT、继电器和接触器等为并网开关，采用电容电流内环控制的逆变电源，用于太阳能、风能和燃料电池发电的可独立与并网运行的分布式发电系统。

附图说明

图1是本发明的一种具体实现方法电路原理图。

图中符号名称：S₁——并网开关，L_f——输出滤波电感，i_L——流过输出滤波电感的电流，i_g——流过电网的电流(简称：进网电流)，v_grid——电网电压，v_o——逆变器自身输出电压，Z_L——关键负载，i_o——流过关键负载的电流，C_f——输出滤波电容，i_c——流过输出滤波电容的电流，v_of——输出反馈电压，v_gridf——电网反馈电压，v_ref——基准电压，i_cref——电容基准电流，i_ref——基准电流，i_of——负载反馈电流，i_Lf——输出滤波电感反馈电流，i_gf——电网反馈电流，V_bw——并网开关控制信号，K₁——电容电流系数。

图2是本发明的具体切换过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

根据附图叙述本发明的具体实施方式。由图1可知，电源系统包括基于高频开关的逆变器、由L_f和C_f组成的低通滤波器、关键负载、并网开关S₁、电流电压传感器和电网，基于电容电流内环的并网无缝切换控制器包括微处理器、电压采样电路、并网开关驱动电路和逆变器功率管驱动电路，其中微处理器包括电网同步模块、输出电压控制器、并网模式下的电容基准电流生成器、进网电流控制器、电容电流控制器、切换控制指令开关和逆变器功率管逻辑生成器，电压采样电路的输入端分别接电源系统的电网电压和逆变器自身输出电压的输出端，电压采样电路的输出端分别接电网同步模块和输出电压控制器的输入端，电网同步模块的输出端分别接输出电压控制器和进网电流控制器的输入端，输出电压控制器和并网模式下的电容基准电流生成器的输出端分别接切换控制指令开关的输入端，并网模式下的电容基准电流生成器的输入端接电网反馈电压与电容电流系数的积，进网电流控制器的输入端接电源系统的电网反馈电流，进网电流控制器和切换控制指令开关的输出端、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流分别接电容电流控制器的输入端，电容电流控制器的输出端依次串接逆变器功率管逻辑生成器、逆变器功率管驱动电路后接电源系统中逆变器的各个功率开关管，微处理器的并网开关控制信号输出端串接并网开关驱动电路后接电源系统中并网开关的输入端。

所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述输出电压控制器由第一误差计算单元串接电压调节器构成，第一误差计算单元的输入端分别接电网同步模块和电压采样电路的输出端，电压调节器的输出端接切换控制指令开关的输入端。

所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述并网模式下的电容基准电流生成器由微分器构成，微分器的输入端接电网反馈电压与电容电流系数的积，微分器的输出端接切换控制指令开关的输入端。

所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述进网电流控制器由第二误差计算单元串接比例调节器构成，第二误差计算单元的输入端分别接电网同步模块的输出端和电源系统的电网反馈电流，比例调节器的输出端接电容电流控制器的输入端。

所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述电容电流控制器由第三误差计算单元串接电容电流调节器构成，第三误差计算单元的输入端分别接进网电流控制器和切换控制指令开关的输出端、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流，电容电流调节器的输出端接逆变器功率管逻辑生成器的输入端。

逆变器输出经过LC低通滤波器连接到并网开关S₁，S₁的另一端连接到电网正端，所述低通滤波器的C与关键负载并联。DSP中包括电网同步、逆变器功率管逻辑生成器、电容电流控制器、进网电流控制器、输出电压控制器、并网模式下电容基准电流生成器和切换控制指令开关。DSP的输入信号有电网反馈电流i_gf、电网反馈电压v_gridf、电感反馈电流i_Lf、关键负载反馈电流i_of和逆变器自身输出反馈电压v_of，输出信号有逆变器功率开关管的开关逻辑信号和并网开关控制信号V_bw。并网开关控制信号V_bw通过其驱动电路控制并网开关S₁的开通与关断，逆变器功率开关管的开关逻辑信号通过其驱动电路控制各功率开关管的开通与关断。各反馈电流由电流传感器采样相应电流得到。

独立模式下，基准电压v_ref为纯正弦波形，该电压与逆变器输出反馈电压v_of相减后，误差信号经电压调节器得到独立模式下的电容基准电流信号，此信号连接到切换控制指令开关(SW)的0端，切换控制指令开关(SW)选通该信号作为电容电流控制器的一个输入信号——电容基准电流i_cref；由于独立模式下并网开关S₁关断，进网电流i_g为0，则电网反馈电流i_gf也为0，该电网反馈电流i_gf作为进网电流控制器的一个输入信号与基准电流i_ref(独立模式下为0)相减后，误差信号经P(比例)调节器得到电容电流控制环节的另一个输入信号(独立模式下为0)；负载反馈电流i_of与上述电容电流控制器的两个输入信号相加后所得信号与输出滤波电感反馈电流i_Lf相减后，误差信号经电容电流调节器所得信号再经逆变器功率管逻辑生成器，作为逆变器功率管驱动电路的输入信号，该逆变器功率管驱动电路的输出驱动逆变器的功率开关管。该模式下为输出电压控制模式，采用电容电流内环用于提高输出电压的负载调整率。

并网模式下，电网反馈电压v_gridf乘电容电流系数K₁后经过微分器得到并网模式下的电容基准电流信号，此信号连接到切换控制指令开关(SW)的1端，切换控制指令开关(SW)选通该信号作为电容电流控制器的一个输入信号——电容基准电流i_cref；基准电流i_ref为电网反馈电压v_gridf经过电网同步环节后生成的与电网电压同频、同相的正弦波，该信号与电网反馈电流i_gf相减后，误差信号经P(比例)调节器得到电容电流控制器的另一个输入信号；负载反馈电流i_of与上述输出电容电流控制器的两个输入信号相加后所得信号与输出滤波电感反馈电流i_Lf相减后，误差信号经电容电流调节器所得信号再经逆变器功率管逻辑生成器，作为逆变器功率管驱动电路的输入信号，该逆变器功率管驱动电路的输出驱动逆变器的功率开关管。该模式下为进网电流控制模式，采用电容电流内环用于消除电网电压畸变情况下输出滤波电容C_f对进网电流的影响，以及提高非线性负载下的功率因数和进网电流波形质量。

当DSP检测到电网发生故障时，将并网模式切换到独立模式，该过程切换控制方法参见图2。将进网基准电流i_ref在电网电压v_grid过零点减小至零，并将并网开关控制信号V_bw由高电平变为低电平，通过其驱动电路，关断并网开关S₁，然后在输出电压v_o过零点切换电容基准电流i_cref至独立模式下的电容基准电流。

当DSP检测到电网恢复正常时，将独立模式切换到并网模式，该过程切换控制方法参见图2。先将基准电压v_ref与电网电压v_grid同步，在输出电压v_o过零点切换电容基准电流i_cref至并网模式下的电容基准电流，然后DSP将并网开关控制信号V_bw由低电平变为高电平，通过其驱动电路，开通并网开关S₁，最后将进网基准电流i_ref由零逐渐增加至额定值。

Claims

1.一种基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于包括微处理器、电压采样电路、并网开关驱动电路和逆变器功率管驱动电路，其中微处理器包括电网同步模块、输出电压控制器、并网模式下的电容基准电流生成器、进网电流控制器、电容电流控制器、切换控制指令开关和逆变器功率管逻辑生成器，电压采样电路的输入端分别接电源系统的电网电压和逆变器自身输出电压的输出端，电压采样电路的输出端分别接电网同步模块和输出电压控制器的输入端，电网同步模块的输出端分别接输出电压控制器和进网电流控制器的输入端，输出电压控制器和并网模式下的电容基准电流生成器的输出端分别接切换控制指令开关的输入端，并网模式下的电容基准电流生成器的输入端接电网反馈电压与电容电流系数的积，进网电流控制器的输入端接电源系统的电网反馈电流，进网电流控制器和切换控制指令开关的输出端、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流分别接电容电流控制器的输入端，电容电流控制器的输出端依次串接逆变器功率管逻辑生成器、逆变器功率管驱动电路后接电源系统中逆变器的各个功率开关管，微处理器的并网开关控制信号输出端串接并网开关驱动电路后接电源系统中并网开关的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述输出电压控制器由第一误差计算单元串接电压调节器构成，第一误差计算单元的输入端分别接电网同步模块和电压采样电路的输出端，电压调节器的输出端接切换控制指令开关的输入端。

3.根据权利要求1所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述并网模式下的电容基准电流生成器由微分器构成，微分器的输入端接电网反馈电压与电容电流系数的积，微分器的输出端接切换控制指令开关的输入端。

4.根据权利要求1所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述进网电流控制器由第二误差计算单元串接比例调节器构成，第二误差计算单元的输入端分别接电网同步模块的输出端和电源系统的电网反馈电流，比例调节器的输出端接电容电流控制器的输入端。

5.根据权利要求1所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器，其特征在于所述电容电流控制器由第三误差计算单元串接电容电流调节器构成，第三误差计算单元的输入端分别接进网电流控制器和切换控制指令开关的输出端、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流，电容电流调节器的输出端接逆变器功率管逻辑生成器的输入端。

6.一种如权利要求1所述的基于电容电流内环的并网无缝切换控制器的控制方法，其特征在于在带载独立运行时关断并网开关，电源系统的逆变器为输出电压控制模式；在并网运行时开通并网开关，电源系统的逆变器为进网电流控制模式；采用电压采样电路采样电源系统电网电压得到电网反馈电压，采用电压采样电路采样逆变器输出电压得到输出反馈电压；

从独立运行到并网运行的切换过程中，先将电网反馈电压经过电网同步模块得到与电网电压同步的电源系统的基准电压和基准电流，电网反馈电压乘电容电流系数后经微分器输出电容基准电流，将电源系统的基准电流和电网反馈电流依次经过第二误差计算单元、比例调节器得到进网基准电流，在逆变器输出电压过零点时微处理器切换控制指令开关(SW)为1后将所述电容基准电流、进网基准电流、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流依次经过第三误差计算单元、电容电流调节器、逆变器功率管逻辑生成器、逆变器功率管驱动电路后输出各功率开关管驱动信号至逆变器；然后微处理器将并网开关控制信号经过并网开关驱动电路闭合并网开关；最后将电源系统的基准电流由零逐渐增加至额定值，逆变器由输出电压控制模式切换至进网电流控制模式；

从并网运行到独立运行的切换过程中，电源系统的基准电压和逆变器的输出反馈电压依次经过第一误差计算单元、电压调节器得到电容基准电流，先将电源系统的基准电流在电网电压过零点减小至零，并采用微处理器将并网开关控制信号经过并网开关驱动电路断开并网开关；然后在输出电压过零点微处理器切换控制指令开关(SW)为0后将所述电容基准电流、进网基准电流、电源系统的负载反馈电流和输出滤波电感反馈电流依次经过第三误差计算单元、电容电流调节器、逆变器功率管逻辑生成器、逆变器功率管驱动电路后输出各功率开关管驱动信号至逆变器，逆变器由进网电流控制模式切换至输出电压控制模式。