CN102118028B - 一种三相lcl型并网逆变器电流谐波抑制控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相LCL型并网逆变器控制方法，步骤为①分别利用电容电流的电流传感器H _{i 1}和滤波电感的电流传感器H _{i 2}检测电容电流i _Cx 和并网电流i _{L 2x} ，采集并进行坐标变换得到电容电流反馈信号i _{C_of_m} 和并网电流反馈信号i _{L 2_of_m} ；利用电网电压的电压传感器H _{v 2}检测电网电压v _gx ，采集并进行坐标变换，经过电网电压前馈函数G _{g_fd} 计算得到电网电压前馈信号v _{g_fd_m} ；②根据i _{L 2_of_m} 及i _{ref_m} ，计算得误差信号e _1m ：③控制器对e _1m 进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i _{C_of_m} 的基准信号i _{C_ref_m} ；误差信号e _2m =i _{C_ref_m} +v _{g_fd_m} -i _{C_of_m} ；④利用e _2m ，生成控制逆变桥开关管的PWM控制信号。本发明可以有效抑制电网电压对并网电流波形质量的影响，提高入网功率因数，并网电流波形质量好,在三相电网电压不平衡时逆变器仍可向电网注入平衡的电流。

Description

一种三相LCL型并网逆变器电流谐波抑制控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种三相LCL型并网逆变器控制方法，具体为一种抑制电网电压对并网电流波形质量影响的控制方法。

背景技术

图1是三相LCL型并网逆变器的结构图。LCL型并网逆变器包括直流电源1、逆变桥2，LCL滤波器3，公共电网4，和控制器5。其中，逆变桥2是由开关管S₁～S₆和续流二极管D₁～D₆组成；LCL滤波器3是由滤波电感L₁，L₂和滤波电容C组成。H_i1和H_i2分别为检测电容电流和滤波电感L₂的并网电流传感器，H_v2为电网电压检测传感器。

在图1的结构中，向控制器5输入并网电流指令以及经电流传感器H_i2得到流过滤波电感L₂的并网电流。控制器5首先将检测得到的三相电流进行坐标变换(由abc坐标系转换到αβ坐标系)，然后根据锁相环得到的电网电压相位信息给出并网电流的指令值，最后经过并网电流闭环控制实现并网电流对指令值的跟踪。

此处，对并网逆变器的控制器5进行具体说明。经过坐标变换后，控制器5分别在α轴和β轴进行闭环控制，检测传感器H_v2检测到电网电压，并求得其相位角θ_m(本文所有下标m＝α，β)，电网电压相位角θ_m与并网电流指令提供的有效值I^*一起构成并网电流实际的指令值i_{ref_m}。i_{ref_m}与电流传感器H_i2检测的并网电流信号相减，得到的误差信号送入调节器G_i，其输出信号作为电流传感器H_i1检测回来的电容电流信号的指令值，它们的误差信号送入PWM调制器中，得到逆变桥2各开关管的控制信号。

在上述控制器5，并没有考虑电网电压对并网电流波形质量的影响。实际上，电网电压除基波分量外，通常还含有谐波以及不平衡分量。电网电压的基波会影响并网电流的相位，电网电压的谐波会引起并网电流畸变，电网电压的不平衡分量会引起三相并网电流的不平衡。如果不采取有效的措施抑制电网电压对并网电流的影响，势必会导致并网逆变器输出的并网电流不满足并网标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相LCL型并网逆变器电流谐波抑制控制方法，该控制方法可以有效抑制电网电压对并网电流波形质量的影响。

本发明提供的一种三相LCL型并网逆变器电流谐波抑制控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)利用电容电流的电流传感器H_i1检测电容电流i_Cx，采集并进行坐标变换得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}；利用滤波电感的电流传感器H_i2检测并网电流i_L2x，采集并进行坐标变换，得到并网电流反馈信号i_{L2_of_m}；利用电网电压的电压传感器H_v2检测电网电压v_gx，采集并进行坐标变换，经过电网电压前馈函数G_{g_fd}计算得到电网电压前馈信号v_{g_fd_m}；其中，下标x表示a，b，c三相，m表示αβ坐标系中的α轴、β轴分量；

(2)根据电流反馈信号i_{L2_of_m}及其基准信号i_{ref_m}，利用式I计算得误差信号e_1m：

e_1m＝i_{ref_m}-i_{L2_of_m}    式I

(3)控制器对误差信号e_1m进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}；利用式II计算误差信号e_2m；

e_2m＝i_{C_ref_m}+v_{g_fd_m}-i_{C_of_m}    式II

(4)利用误差信号e_2m，生成得到控制逆变桥开关管的PWM控制信号；

(5)控制器判断是否接收到故障信号，如果是，关机，否则，转入步骤(1)。

基于上述技术方案相同的发明构思，本发明方法也可以采用步骤实现：

一种三相LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)利用电容电流的电流传感器H_i1检测电容电流i_Cx，采集并进行坐标变换得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}；利用滤波电感的电流传感器H_i2检测并网电流i_L2x，采集并进行坐标变换，得到并网电流反馈信号i_{L2_of_m}；利用电容电压的电压传感器H_v1检测电容电压v_Cx，采集并进行坐标变换，经过电容电压前馈函数G_{C_fd}计算得到电容电压前馈信号v_{C_fd_m}；其中，下标x表示a，b，c三相，m表示αβ坐标系中的α轴、β轴分量；

(2)根据电流反馈信号i_{L2_of_m}及其基准信号i_{ref_m}，利用式I计算得误差信号e_1m：

e_1m＝i_{ref_m}-i_{L2_of_m}    式I

(3)控制器对误差信号e_1m进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}；利用式III计算误差信号e_2m；

e_2m＝i_{C_ref_m}+v_{C_fd_m}-i_{C_of_m}    式III

(4)利用误差信号e_2m，生成得到控制逆变桥开关管的PWM控制信号；

(5)控制器判断是否接收到故障信号；如果是，关机，否则，转入步骤(1)。

本发明提供的控制方法通过将包含电网电压信息的物理量按一定的函数关系前馈至控制器中，可以有效抑制电网电压对并网电流波形质量的影响。总之，该控制方法可以提高入网功率因数，保证并网电流波形质量好，在三相电网电压不平衡时仍可实现逆变器向电网注入平衡的电流。

附图说明

图1是现有典型三相LCL型并网逆变器的结构示意图；

图2是本发明提供的控制方法的一种具体实施方式的流程图，图中x＝a，b，c，m＝α，β；

图3是采用图2所示控制方法的三相LCL型并网逆变器的结构示意图；

图4是图2所示的三相LCL型并网逆变器的方框图，图中，m＝α，β；

图5是图4所示的三相LCL型并网逆变器的结构实现示意图；

图6是本发明提供的控制方法的另一种具体实施方式的流程图，图中，x＝a，b，c，m＝α，β；

图7是采用图6所示控制方法的三相LCL型并网逆变器的结构示意图；

图8是图7所示的三相LCL型并网逆变器的方框图，图中，m＝α，β；

图9是图8所示的三相LCL型并网逆变器的结构实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明所提供的控制方法包括下述步骤：

(1)分别利用电容电流的电流传感器H_i1和滤波电感L₂的电流传感器H_i2检测电容电流i_Cx和并网电流i_L2x，采集后进行坐标变换，得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}和并网电流反馈信号i_{L2_of_m}；利用电压传感器H_v2检测电网电压v_gx，采集后进行坐标变换，经过电网电压前馈函数G_{g_fd}计算得到电网电压前馈信号v_{g_fd_m}。

(2)根据电流反馈信号i_{L2_of_m}及其基准信号i_{ref_m}计算得误差信号e_1m，其公式为式I。

e_1m＝i_{ref_m}-i_{L2_of_m}    式I

(3)控制器对误差信号e_1m进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}。i_{C_ref_m}与电网电压前馈信号v_{g_fd_m}相加，相加之后的信号与电容电流反馈信号i_{C_of_m}相减得误差信号e_2m，其公式为式II。

e_2m＝i_{C_ref_m}+v_{g_fd_m}-i_{C_of_m}    式II

(4)利用误差信号e_2m，可以生成控制逆变桥2开关管的PWM控制信号；

(5)控制器判断是否接收到故障信号。如果是，关机，否则，转入步骤(1)。

如图3所示，上述控制方法通过在控制器5中增加前馈控制模块6来实现。控制器5和前馈控制模块6是由微处理器实现的，微处理器可以采用DSP或者ARM等数字信号处理芯片。

微处理器采集电压传感器H_v2输出的电压信号和电流传感器H_i1和H_i2输出的电流信号，经过微处理器内的相关程序运算后产生控制逆变桥2的六只开关管的PWM信号。

图4是图3所示的三相LCL型并网逆变器的方框图。其中，G_i为误差调节器，通常采用比例-积分调节器。G_inv为逆变桥2的增益，v_{inv_m}为逆变桥2输出电压。k₁，k₂和k₃分别为电容电流i_Cm、并网电流i_L2m和电网电压v_gm的采样系数，其大小取决于A/D采样芯片，根据采样系数k₁和k₂得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}和并网电流反馈信号i_{L2_of_m}。Z_L1，Z_C和Z_L2分别为滤波电感L₁，滤波电容C和滤波电感L₂的阻抗。G_{g_fd}为电网电压前馈函数，v_{g_fd_m}为采集计算得到的电网电压前馈信号。

i_{ref_m}为并网电流反馈信号i_{L2_of_m}的基准信号，e_1m为根据式I得到的误差信号。e_1m经误差调节器G_i后得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}，基准信号i_{C_ref_m}，电容电流反馈信号i_{C_of_m}和电网电压前馈信号v_{g_fd_m}经式II得到误差信号e_2m，利用误差信号e_2m，可以生成控制逆变桥2开关管的PWM控制信号，即得到逆变桥2输出电压v_{inv_m}。v_{inv_m}经LCL滤波器3后得到并网电流i_L2m。

如图5所示，具体实现图4所示的方框时，增加一个锁相环控制器7，其作用是保证并网电流i_L2m与电网电压v_gm同相位，它们的相位角为θ_m。根据相位角θ_m，微控制器里的正弦表以及并网电流指令的有效值得到并网电流i_L2m的基准信号i_{ref_m}。

由于电网中较显著的谐波是一些频率较低谐波(单相中如3次、5次、7次和9次等，三相中如5次、7次、11次等)。而在频率较低的时候，图7中电容电压v_Cx近似等于电网电压v_gx。即可以采用电容电压v_Cx作为前馈信号。图8为图7对应的控制方框图。

即本发明提供的控制方法也可以采用如图6所示的处理流程，其步骤为：

(1)分别利用电容电流的电流传感器H_i1和滤波电感L₂的电流传感器H_i2检测电容电流i_Cx和并网电流i_L2x，采集并进行坐标变换得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}和并网电流反馈信号i_{L2_of_m}；分别利用电容电压的电压传感器H_v1和电网电压的电压传感器H_v2检测电网电压v_Cx和v_gx，采集并进行坐标变换，经过电容电压前馈函数G_{C_fd}计算得到电容电压前馈信号v_{C_fd_m}。

(2)利用式I计算误差信号e_1m。

(3)控制器对误差信号e_1m进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}。i_{C_ref_m}与电容电压前馈信号v_{C_fd_m}相加，相加之后的信号与电容电流反馈信号i_{C_of_m}相减得误差信号e_2m，其公式为式III。

e_2m＝i_{C_ref_m}+v_{C_fd_m}-i_{C_of_m}    式III

(4)通过误差信号e_2m可以生成控制逆变桥2开关管的PWM控制信号。

(5)控制器判断是否接收到故障信号，如果是，关机，否则，转入步骤(1)。

如图7所示，上述控制方法通过在控制器5中增加前馈控制模块6来实现。控制器5和前馈控制模块6是由微处理器实现的，微处理器可以采用DSP或者ARM等数字信号处理芯片。

微处理器采集电压传感器H_v1和H_v2输出的电压信号和电流传感器H_i1和H_i2输出的电流信号，经过微处理器内的相关程序运算后产生控制逆变桥2的六只开关管的PWM信号。

图8是图7所示的三相LCL型并网逆变器的方框图。其中，G_i为误差调节器，通常采用比例-积分调节器。G_inv为逆变桥2的增益，v_{inv_m}为逆变桥2输出电压。k₁，k₂，k₃和k₄分别为电容电流i_Cm、并网电流i_L2m、电网电压v_gm和电容电压v_Cm的采样系数，其大小取决于A/D采样芯片，根据采样系数k₁和k₂得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}和并网电流反馈信号i_{L2_of_m}。Z_L1，Z_C和Z_L2分别为滤波电感L₁，滤波电容C和滤波电感L₂的阻抗。G_{C_fd}为电容电压前馈函数，v_{C_fd_m}为采集得到的电容电压前馈信号。

i_refm为并网电流反馈信号i_{L2_of_m}的基准信号，e_1m为根据式I得到的误差信号。e_1m经误差调节器G_i后得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}，基准信号i_{C_ref_m}，电容电流反馈信号i_{C_of_m}和电容电压前馈信号v_{C_fd_m}经式III得到误差信号e_2m，利用误差信号e_2m，可以生成控制逆变桥2开关管的PWM控制信号，即得到逆变桥2输出电压v_{inv_m}。v_{inv_m}经LCL滤波器3后得到并网电流i_L2m。

如图9所示，具体实现图8所示的方框时，增加一个锁相环控制器7，其作用是保证并网电流i_L2m与电网电压v_gm同相位，它们的相位角为θ_m。根据相位角θ_m，微控制器里的正弦表和并网电流指令的有效值得到并网电流i_L2m的基准信号i_{ref_m}。

下面，对本发明的第一实施方案进行说明，具体实施如图5所示。

(1)电网电压经电压传感器H_v2衰减k₃倍后送入锁相环7中，得到电压信号v_gm的相位θ_m。电网电压相位角θ_m与控制器5提供的并网电流指令有效值I^*一起构成并网电流实际的指令值i_{ref_m}。

(2)并网电流经电流传感器H_i2衰减k₂倍后与并网电流实际的指令值i_{ref_m}相减后送入调节器G_i，其输出信号作为电容电流的指令值。该指令值与电流传感器H_i1衰减k₁倍后的电容电流反馈信号相减，相减后所得的信号与电网电压经电压传感器H_v2衰减k₃倍以及前馈函数G_{g_fd}后的信号相加，即可得到决定占空比的调制信号。

(3)将调制信号送入PWM调制器中，即可生成各开关管的PWM控制信号。

当电网电压反馈信号的函数

(即电网电压前馈函数，式中，s表示微分，C表示滤波电容C的容值，L₁表示滤波电感L₁的电感值，G_inv为逆变桥2的增益，k₁为电容电流的采样系数，k₃为电网电压的采样系数)时，理论上可以将电网电压中各次谐波减小为0。函数G_{g_fd}中包括三项，比例项；一次微分项；二次微分项。其中，比例项主要抑制低次谐波，一次微分项主要抑制中频谐波，而二次微分项主要抑制高频谐波。由于电网中的谐波成分并不固定，各次谐波的大小也是经常变化的，所以可以根据实际情况对函数G_{g_fd}进行适当简化。

(3A)当电网电压中的低次谐波如5次或7次等谐波较丰富时，函数G_{g_fd}可以简化为

(3B)当电网电压中的中频谐波如13次、17次等谐波较丰富时，函数G_{g_fd}可以简化为

(3C)当电网电压中的高频谐波如大于23次的谐波含量比较突出时，G_{g_fd}为

下面，对本发明的第二实施方案进行说明，具体实施如图9所示。其步骤为：

(1)电网电压经电压传感器H_v2衰减k₃倍后送入锁相环7中，得到电压信号v_gm的相位θ。电网电压相位角θ与控制器5提供的并网电流指令有效值I^*一起构成并网电流实际的指令值i_{ref_m}。

(2)并网电流经电流传感器H_i2衰减k₂倍后与并网电流实际的指令值i_{ref_m}相减后送入调节器G_i，其输出信号作为电容电流的指令值。该指令值与电流传感器H_i1衰减k₁倍后的电容电流反馈信号相减，相减后所得的信号与电容电压经电压传感器H_v1衰减k₄倍以及电容电压前馈函数G_{C_fd}后的信号相加，即可得到决定占空比的调制信号。

(3)将调制信号送入PWM调制器中，即可生成各开关管的PWM控制信号。

使用前馈函数

(即电容电压前馈函数，式中，s表示微分，C表示滤波电容C的容值，G_inv为逆变桥2的增益，k₁为电容电流的采样系数，k₄为电容电压的采样系数)，可以有效抑制电网电压，使并网电流对应的各次谐波减小，注意方案二与方案一不同之处是前馈量是电容电压，这种方案不能完全消除电网谐波对并网电流的影响。函数G_{C_fd}中包括两项，比例项和一次微分项。其中，比例项主要抑制低次谐波，一次微分项主要抑制中频谐波。忽略二次微分项的主要原因是电网电压中的高频谐波含量很小。同样，方案二也可以对函数G_{C_fd}进行适当简化。

(3A)当电网电压中的低次谐波如5次或7次等谐波较丰富时，时，函数G_{C_fd}可以简化为

(3B)当电网电压中的中频谐波如13次、17次等谐波较丰富时，函数G_{C_fd}为

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计(如在三相四线制系统中的应用，在旋转dq坐标系下进行等效的控制等)，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种三相LCL型并网逆变器控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)利用电容电流的电流传感器H_i1检测电容电流i_Cx，采集并进行坐标变换得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}；利用滤波电感的电流传感器H_i2检测并网电流i_L2x，采集并进行坐标变换，得到并网电流反馈信号i_{L2_of_m}；利用电容电压的电压传感器H_v1检测电容电压v_Cx，采集并进行坐标变换，经过电容电压前馈函数G_{C_fd}计算得到电容电压前馈信号v_{C_fd_m}；其中，下标x表示a,b,c三相，m表示αβ坐标系中的α轴、β轴分量；

(2)根据并网电流反馈信号i_{L2_of_m}及其基准信号i_{ref_m}，利用式I计算得误差信号e_1m：

e_1m＝i_{ref_m}-i_{L2_of_m}              式I

(3)控制器对误差信号e_1m进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}；利用式Ⅲ计算误差信号e_2m；

e_2m＝i_{C_ref_m}+v_{C_fd_m}-i_{C_of_m}     式Ⅲ

(4)利用误差信号e_2m，生成得到控制逆变桥开关管的PWM控制信号；

(5)控制器判断是否接收到故障信号，如果是，关机，否则，转入步骤(1)。

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