CN102142694A - 基于旋转坐标变换的三相并网逆变器电流解耦控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于同步旋转坐标变换的三相并网逆变器电流解耦控制方法，对于具有LCL滤波器的并网逆变器，采用坐标变换将逆变三相输出电流信号和电网侧三相电流信号变换为同步旋转坐标系内两组正交电流信号，并对这两组正交电流信号计算加权平均值，以此作为旋转坐标系下逆变器电流控制的反馈信号和去耦信号，反馈信号与控制给定信号进行比较，得到的误差信号经过比例积分调节后，与去耦信号做组合运算，得到旋转坐标系下控制三相逆变开关运行的脉冲占空比信号，从而实现并网逆变器的输出电流波形和幅值控制。本发明方法可有效解决LCL滤波三相并网逆变器三相电流控制存在的信号耦合问题，增强对各相输出电流的独立控制能力，使并网系统获得良好的输出电流波形。
Description
技术领域
本发明涉及三相并网逆变器控制方法，尤其是基于旋转坐标变换的三相并网逆变器电流解耦控制方法。
背景技术
具有LCL滤波的三相并网逆变电源，其主电路和控制框图参见图1所示，通常包括基于高频开关的三桥臂三相逆变电路、用于逆变并网连接的三相LCL低通滤波器（三相对称）、三相电流变送器与电流检测电路以及逆变控制器，其中逆变控制器包含了电流控制环和PWM脉冲发生器，在并网运行时为输出电流控制，以保证并网发电的电能质量。由于三相电流相互关联，可以将三相电压和电流通过同步旋转坐标变换从ABC三相静止坐标系转换到dq两相同步旋转坐标系内，以便于对基波信号做更好的控制。经过同步旋转坐标变换后，LCL滤波三相并网逆变输出电路模型如图2所示。其中，L1为逆变侧电感L1A、L1B、L1C的电感量，L2为电网侧电感L2A、L2B、L2C的电感量，C为滤波电容CA、CB、CC的电容量，正交信号（i1d,i1q）和（i2d,i2q）分别为逆变侧三相电感电流(i1A,i1B,i1C)和电网侧电感电流(i2A,i2B,i2C)经同步旋转坐标变换后在dq两相坐标系中的对应量，（ud,uq）、(ucd,ucq)和(uGd,uGq)分别为逆变侧三相输出电压（uA,uB,uC）、滤波电容电压（ucA,ucB,ucC）和电网电压（uGA,uGB,uGC）在dq两相坐标系中的对应量。由于进行了旋转变换，系统的d相和q相信号间存在着复杂的耦合。d、q两相电流除了受到控制量(ud,uq)的影响，还受逆变侧电感电流耦合、电网侧电感电流耦合及电容电压耦合的影响。为了对d、q两相电流进行独立精确的控制，需要对系统做解耦处理。传统的解耦运算常常从系统中选取状态变量并直接用于解耦项，存在着状态变量采样量多、计算量大、微分运算干扰大等各种问题，对控制系统的成本和控制性能都产生了不利的影响。如图3所示，采用状态反馈解耦控制的并网逆变控制系统需采集电容电压、电感电流等多路电量信息，并进行微分运算来实现电流解耦控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于同步旋转坐标变换的三相并网逆变器电流解耦控制方法，在系统输出电流控制要求下，简化系统各相电量与控制量间的耦合关系，减少状态量采样数量和运算量，避免微分运算，改善系统的控制性能。
本发明的基于同步旋转坐标变换的三相并网逆变器电流解耦控制方法，包括三相并网逆变器主电路、三相电流检测电路和逆变控制器，其中三相并网逆变器主电路包含了基于高频开关的三桥臂三相逆变电路和用于逆变并网连接的三相LCL低通滤波器两部分，三相电流检测电路包含了用于三相LCL低通滤波器逆变侧电感电流检测和电网侧电感电流检测的两组电流变送器，逆变控制器包含了从ABC三相静止坐标系到dq两相同步旋转坐标系的变换、信号误差计算和比例积分调节、去耦运算的电流控制环和PWM脉冲发生器，其特征在于由电流控制环对三相LCL低通滤波器逆变侧电感电流信号和电网侧电感电流信号分别经过同步旋转坐标变换后获得的两组正交信号i1d、i1q和i2d、i2q作dq两相加权计算，由此得到的dq两相加权平均值作为dq两相电流控制环的反馈信号和去耦信号，将dq两相电流控制环的反馈信号与同步旋转坐标系下dq两相电流给定信号进行比较，比较后输出的两相误差信号分别输入dq两相比例积分调节器，以d相比例积分调节器的输出信号减去q相去耦信号与特定乘数的积，q相比例积分调节器的输出信号加上d相去耦信号与特定乘数的积，作为dq两相同步旋转坐标系下的开关占空比信号，通过PWM脉冲发生器产生三相并网逆变器的开关控制脉冲，用以控制并网逆变器的输出电流波形和幅值，其中，对同步旋转坐标变换后获得的两组正交信号作dq两相加权计算时，逆变侧电感电流信号i1d、i1q的权值为LCL低通滤波器逆变侧电感量与该滤波器每相总电感量的比值，电网侧电感电流信号i2d、i2q的权值为LCL低通滤波器电网侧电感量与该滤波器每相总电感量的比值，上述的与去耦信号相乘的特定乘数为LCL低通滤波器每相总电感的基波感抗与三相并网逆变器直流侧电压之比。
本发明的技术原理说明如下：
分析带有三相LCL低通滤波器的并网逆变器，当同步旋转变换的角频率为ω时，可以得到dq同步旋转坐标系内并网逆变输出的状态方程为
(1)
将方程(1)中的两式相加，得到
将方程(2)中的两式相加，得到
若将式(3)和式(4)两边分别除以，可得
(6)
引入下列两个加权平均值变量，
采用上述加权平均值变量代入式(5)、式(6)，可以将dq信号之间的耦合关系进行简化，分别得到
式(9)和式(10)表明，通过上述推算和变量替换后，三相并网逆变输出电路在dq坐标系统的状态方程中的每相耦合项仅有一项，并且系数为常量。这为下一步做解耦控制提供了便利条件。
采用占空比控制的高频开关三相并网逆变器，在dq坐标系中逆变输出两相电压(ud,uq)与逆变控制两相开关占空比信号(dd,dq)的关系如(11)式所示,其中Vdc为直流母线电压。
将上式代入式(9)和式(10)，得到两相加权平均值变量与两相开关占空比的关系式为
根据式(12)，为了消除d相电流状态方程中的q相反馈信号的影响，可以在d相占空比中增加一个合适的去耦项。假定用于抵消q相耦合的d相占空比增量为
，即
可得d相的去耦项为：
(15)
同样可以推得q相的去耦项为：
(16)
按照上述方法做去耦处理后，式(12)和式(13)可简化为两项独立的状态方程，很容易采用经典的控制方法进行电流控制环的闭环设计。如采用比例积分调节器对反馈信号误差做闭环控制。
本发明的方法解决了三相并网逆变器三相电流控制存在的耦合问题，方便控制系统的分析、设计和总体系统的性能优化，增强对各相输出电流的独立控制能力，实现了并网逆变器的稳定输出，并使并网系统获得良好的输出电流波形。试验表明，在9kW功率的三相并网逆变系统中，电网电压失真度超过5％运行条件下，三相并网输出各相电流的失真度均小于3％，平均失真度为2.91%，功率因数大于0.99。
本发明的控制方法简单可行，相比于传统的用于LCL滤波逆变器的解耦控制方法，减少了滤波电容电压或电容电流等信号传感器。在控制环设计时，需要计算的解耦项每相仅一项，并且只是变量和常量的一次乘法运算。相比于传统的解耦控制方法，采用该项技术可以使并网发电系统的控制设计简单化，实现方法简便，系统性能改善，降低控制系统成本的同时还提高了系统可靠性。
本发明适用于以MOSFET、IGBT等半导体器件为功率开关，利用同步旋转坐标变换实现电流调节环控制的LCL滤波三相并网逆变器，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是LCL滤波的三相并网逆变器主电路和控制框图；
图2是经过同步旋转坐标变换后LCL滤波三相并网逆变输出电路模型图；
图3是采用多个状态反馈解耦控制的三相并网逆变控制系统在同步旋转坐标系统中的模型图；
图4是采用本发明方法的三相并网逆变器一种解耦控制方法具体图例。
具体实施方式
图1所示是并网逆变器的主电路和控制框图。它包括基于高频开关的三桥臂三相逆变电路1（图例中，三相逆变器为电压源型三桥臂六开关逆变器，采用IGBT为功率开关）、用于逆变并网连接运行的LCL低通滤波器2、用于三相LCL低通滤波器逆变侧电感电流检测和电网侧电感电流检测的两组电流变送器3、三相电流检测电路4、电流控制环5和PWM脉冲发生器6，其中电流控制环5（参见图4）包含了电流加权平均计算7、误差计算与比例积分调节器8和去耦运算9。
本发明的基于同步旋转坐标系的三相并网逆变器电流解耦控制方法是：采用两组电流变送器3分别检测流经LCL低通滤波器2逆变侧电感L1A、L1B、L1C和电网侧电感L2A、L2B、L2C的电流，经三相电流检测电路4将两组电流信号送给电流控制环5，通过同步旋转坐标变换将该两组电流信号从ABC三相静止坐标系变换到dq两相旋转坐标系下的两组正交信号i1d、i1q和i2d、i2q，然后通过加权平均值计算7得到这两组正交信号的d相加权平均值和q相加权平均值，以此作为dq两相电流控制环的反馈信号和去耦信号，将dq两相电流控制环的反馈信号分别与同步旋转坐标系下d相给定信号和q相给定信号进行比较，比较后输出的dq两相误差信号分别输入dq两相比例积分调节器，以d相比例积分调节器的输出信号减去q相去耦信号与特定乘数的积，q相比例积分调节器的输出信号加上d相去耦信号与特定乘数的积，作为dq两相同步旋转坐标系下的开关占空比信号，再通过PWM脉冲发生器6产生三相并网逆变器的开关控制脉冲，用以控制并网逆变器的输出电流波形和幅值，从而实现对并网电流的闭环控制。其中，对同步旋转坐标变换后获得的两组正交信号作dq两相加权计算时，逆变侧电感电流信号i1d、i1q的权值为逆变侧电感量L1与每相总电感量（L1+L2）的比值，电网侧电感电流信号i2d、i2q的权值为电网侧电感量L2与每相总电感量（L1+L2）的比值，与去耦信号相乘的特定乘数为LCL低通滤波器每相总电感的基波感抗ω(L1+L2)与三相并网逆变器直流侧电压Vdc之比。
本发明中三相并网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。通过同步旋转坐标变换，基波电流信号在dq坐标系内变为直流量，通过比例积分控制可实现输出电流对给定电流信号的无静差跟踪；通过本发明的解耦控制方法，使dq两相间方便地实现解耦，所需的状态反馈变量减少，并避免了大量复杂的解耦运算，从而为三相并网逆变控制系统的设计优化提供了良好的基础，使得并网发电系统的控制特性得以改善和提高。
Claims (1)
1. 基于同步旋转坐标变换的三相并网逆变器电流解耦控制方法，包括三相并网逆变器主电路、三相电流检测电路（4）和逆变控制器，其中三相并网逆变器主电路包含了基于高频开关的三桥臂三相逆变电路（1）和用于逆变并网连接的三相LCL低通滤波器（2）两部分，三相电流检测电路（4）包含了用于三相LCL低通滤波器逆变侧电感电流检测和电网侧电感电流检测的两组电流变送器（3），逆变控制器包含了从ABC三相静止坐标系到dq两相同步旋转坐标系的变换、信号误差计算和比例积分调节、去耦运算的电流控制环（5）和PWM脉冲发生器（6），其特征在于由电流控制环（5）对三相LCL低通滤波器逆变侧电感电流信号和电网侧电感电流信号分别经过同步旋转坐标变换后获得的两组正交信号i1d、i1q和i2d、i2q作dq两相加权计算，由此得到的dq两相加权平均值作为dq两相电流控制环的反馈信号和去耦信号，将dq两相电流控制环的反馈信号与同步旋转坐标系下dq两相电流给定信号进行比较，比较后输出的两相误差信号分别输入dq两相比例积分调节器，以d相比例积分调节器的输出信号减去q相去耦信号与特定乘数的积，q相比例积分调节器的输出信号加上d相去耦信号与特定乘数的积，作为dq两相同步旋转坐标系下的开关占空比信号，通过PWM脉冲发生器产生三相并网逆变器的开关控制脉冲，用以控制并网逆变器的输出电流波形和幅值，其中，对同步旋转坐标变换后获得的两组正交信号作dq两相加权计算时，逆变侧电感电流信号i1d、i1q的权值为LCL低通滤波器逆变侧电感量与该滤波器每相总电感量的比值，电网侧电感电流信号i2d、i2q的权值为LCL低通滤波器电网侧电感量与该滤波器每相总电感量的比值，上述的与去耦信号相乘的特定乘数为LCL低通滤波器每相总电感的基波感抗与三相并网逆变器直流侧电压之比。
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