CN102223100A - 基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法，它是首先根据给定的逆变器有功和无功功率和电网电压计算得到需要的同步坐标系下的d轴和q轴电流，结合PLL测得的相位信息或者测得的电网三相电压信号通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流参考信号，然后将逆变器输出电流信号坐标变换至α-β坐标系下通过带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器进行控制跟踪参考电流信号，再通过坐标变换回到abc坐标系下，生成PWM脉冲控制三相全桥逆变器输出，从而使分布式发电系统并网发电。本发明在省去大量的复杂计算的同时还能简化控制结构，是一种准确高效的新型逆变器控制方法，具有光明的发展前景。

Description

基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法，属电力行业技术领域。

背景技术

近年来，基于可再生能源的分布式并网发电技术，如光伏发电和风力发电等，得到了广泛关注，成为人类能源可持续发展战略的重要组成部分。分布式发电系统与电网接口通常采用逆变器。逆变器控制方法目前是采用传统的比例积分控制器，是将三相电流信号转换到同步旋转坐标系下，由交流量转变为直流量，通过对旋转坐标系的d-q两个坐标分量分别控制，实现有功分量与无功分量解耦，然后再经坐标变换回到自然坐标系下。因其算法简单、技术成熟等特点，成为并网工程领域广泛采用的控制方案。基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系控制法，尽管已经得到了广泛应用，但是采用比例积分控制器对并网电流调节时，需要进行多次坐标系的旋转变换，增加了控制的复杂性和算法实现难度；尤其在对系统低次谐波进行补偿时，各次谐波分量需要分别进行多次复杂的高低通滤波和坐标变换，且滤除相应次的负序谐波分量时，还会使计算量加倍，加大系统控制算法实现的难度，同时，在动态响应能力方面也不具优势。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法。它是根据参考电流输出值或功率值和电网电压的相位角，把参考信号和实测信号通过坐标变换转换到静止α-β坐标系下，然后用比例谐振调节器进行控制，输出结果再转换回a-b-c坐标系下进行输出。采用比例谐振调节器能够对特定频率的正弦波做到无静差调节，且拥有很好的控制性能，省去大量的复杂计算的同时还简化了控制结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法，是首先根据给定的逆变器有功和无功功率和电网电压计算得到需要的同步坐标系下的d轴和q轴电流；将d轴和q轴电流以及锁相环(PLL)测得的相位信息通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流参考信号；将逆变器输出电流信号通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的实际电流信号；将静止α-β坐标系下的电流参考信号和实际电流信号相减，得到的误差信号通过带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器进行调节，以控制静止α-β坐标系下的实际电流信号跟踪静止α-β坐标系下的电流参考信号；将带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器的输出信号通过坐标变换至abc坐标系下，生成PWM脉冲控制三相全桥逆变器输出，从而使分布式发电系统并网发电。

本发明三相并网逆变器的控制原理是：不同于传统的逆变器电流控制策略，得益于比例谐振调节器(PR调节器)优异的对正弦量的无差跟踪能力，本发明不再需要将电流信号进行多次坐标变换转换到旋转坐标系下，将交流量转变为直流量进行控制。

传统的比例积分控制器(PI调节器)对于直流量具有很好的控制效果，然而对于正弦被控量PI调节器无法体现出上述优异的控制性能，其无法消除稳态下的静差，很难实现系统的高性能控制。相比而言，PR调节器在基频部分的增益为无穷大，可以消除稳态误差，提升控制性能。PR调节器的传递函数为

$G\left(s\right)=K_p+\frac{{2K}_{R}s}{s^2+{{\mathrm{\ω}}_1}^2}---\left(1\right)$

式中，K_p和K_i分别为比例和谐振积分系数，ω₁为谐振频率，s为复变量，含义为jω。由式1可以看出PR调节器的传递函数有一对位于虚轴的开环极点，形成该频率下的谐振。这就使得PR调节器区别于PI调节器，PR调节器的频率特性在特定频率处有着特殊的幅频特性。上述传递函数对应的Bode图如附图2所示(此时，K_p＝1，K_R＝20，ω＝314rad/sec)。从图中可以看出，在基频处，PR调节器具有非常大的增益，并且相角变化为0，由此稳态控制性能得以改善。

考虑到传统PR调节器在基频处的增益大、带宽小，为避免出现系统稳定性方面的问题，本发明在系统中采用了修正的PR调节器，其传递函数为

$G\left(s\right)=K_p+\frac{{2K}_R{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_1}^2}---\left(2\right)$

和式1相比，式2中引入了系数ω_c。通过调节ω_c的取值，可以控制基频处的幅频特性，以满足系统稳定性的要求。ω_c取值不同时，电流控制器传递函数的Bode图如附图3所示。通过改变ω_c，电流控制器的带宽可以可控地缩小或放大。因此可以根据不同系统的要求，调整ω_c的取值。

由于修正的PR调节器能够在静止坐标系下对交流信号进行快速准确的跟踪，因而可以省去坐标旋转变换，在静止α-β坐标系下对交流信号进行无静差调节。

为消除并网电流的低次谐波，必须在电流控制器中加入谐波补偿(Harmonic Compensator HC)。对于传统的PI调节器，若需添加HC模块，则需要复杂的abc-dq坐标变换。而且对于每个需要消除的谐波频率，都需要做一次abc-dq坐标变换。然而使用PR调节器的HC模块则可以避免坐标变换，只需要将多个对应所需消除谐波频率的HC模块，并联至原有的PR控制器单元即可。PR调节器与多个HC模块共享一个输入信号，将输出相加，就得到了所需的逆变器输出电压值。其中HC模块的传递函数由式3给出，式中，ω_k代表所需消除的谐波频率。这样的传递函数在ω_k频率时具有很高的增益，因此电流在该频率的谐波分量将会被HC模块消除。

$G\left(s\right)=\frac{{2K}_{R}s}{s^2+{{\mathrm{\ω}}_k}^2}---\left(3\right)$

本发明的有益效果是：三相并网逆变器采用修正比例谐振调节器进行控制，由于比例谐振调节器具有优异的对交流信号正弦量的快速准确的无差跟踪能力，不再需要将电流信号进行多次坐标变换转换到旋转坐标系下，即可将交流量转变为直流量进行控制，并且比例谐振调节器的频率特性在特定频率处有着特殊的幅频特性，即在基频处比例谐振调节器具有非常大的增益，并且相角变化为0。另外，由于不需要对信号进行旋转坐标变换，电网相位信息已经不成为不可缺少的信息，三相电流的参考值可以通过电网电压信息和参考输出电流值计算得出，然后再转换到静止α-β坐标系下进行调节，因而基于比例谐振调节器的并网逆变器控制过程中，已经无需相位信息的提供，因而锁相环这个结构是完全可以省去的。即本发明在省去大量的复杂计算的同时还能简化控制结构，是一种准确高效的新型逆变器控制方法，因而基于修正的比例谐振调节器的并网逆变系统的发展将有光明的前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是本发明基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法的结构示意图。

图2是比例谐振调节器传递函数波特图。

图3是ω_c取值不同时修正比例谐振调节器的波特图。

图4是比例谐振调节器的输出波形图。

图5是比例谐振调节器输入输出误差波形图。

图6是三相并网输出电流波形图。

具体实施方式

请参阅图1至图6，基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法，其步骤是：

步骤1：首先根据给定的逆变器有功和无功功率和电网电压计算得到需要的同步坐标系下的d轴和q轴电流。

步骤2：将d轴和q轴电流以及锁相环(PLL)测得的相位信息通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流参考信号。

步骤3：将逆变器输出电流信号通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的实际电流信号。

步骤4：将静止α-β坐标系下的电流参考信号和实际电流信号相减，得到的误差信号通过带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器进行调节，以控制静止α-β坐标系下的实际电流信号跟踪静止α-β坐标系下的电流参考信号。

步骤5：将带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器的输出信号通过坐标变换至abc坐标系下，生成PWM脉冲控制三相全桥逆变器输出，从而使分布式发电系统并网发电。

以下就5KW并网逆变器，输出工频220V电压为例进行说明。三相全桥逆变电路，直流母线由蓄电池或者直流电源供电，通过滤波器和隔离变压器输送至电网。逆变器系统的工作状态由基于DSP的工作系统监控，并产生控制信号，经过门极驱动电路处理控制逆变器主电路。

逆变器系统的工作状态由基于数字信号处理器的工作系统监控，并产生控制信号，经过门极驱动电路处理控制逆变器主电路。

首先，根据逆变器功率算得逆变器输出有功电流i_d ^*，结合由锁相环得到电网的相位信息，可以通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的参考电流值i_α ^*和i_β ^*。同时将霍尔元件测得的瞬时输出电流信号i_a，i_b和i_c也转化到静止α-β坐标系下变成i_α和i_β。将瞬时值和标准值作差形成一个闭环控制，2路差值分别输入到PR调节器，输出得到V_α和V_β。

其中PR调节器的控制特性，可以结合滤波器的传递函数，根据系统传递函数的开环根轨迹进行调节。只考虑PR调节器和滤波器的传递函数时，系统开环传递函数将有3个开环极点(其中有一对位于虚轴上)和2个开环零点，通过调节比例和谐振系数可以控制2个开环零点的位置和闭环增益K，从而控制闭环极点的位置，达到控制PR调节器响应特性的目的。

对于系统的谐波补偿，可以直接在PR调节器部分并联各次谐波频率的补偿PR调节器，然后与基波信号直接叠加，此处的谐波补偿无需进行坐标变换，直接在α-β坐标系下进行，并且与基频调节并联，实现起来非常方便。

PR调节器的输出波形如图4所示，PR调节器的输入输出误差值如图5所示。输出的V_α和V_β再经过坐标变换重新变换到a-b-c坐标系下变成V_a，V_b和V_c，在注入3次谐波后转换成PWM脉冲信号给控制逆变器输出。逆变器输出电压经过滤波器滤波得到输出给电网的电流。滤波器采用L滤波，电感值为10mH。输出电流波形如图6。

输出电流的谐波仿真分析如下表所示，可以看出，该控制方法下输出电流的低次谐波非常小，主要谐波集中在开关频率及其整数倍附近。

谐波次数	1	3	5	7	THD
						PR调节控制(％)	100	0.15	0.08	0.17	1.8

由以上结果和数据可以看出，本发明在保证并网输出电流质量的同时将系统信号转换到α-β坐标系下用PR调节器进行控制，大大简化了控制过程中的计算，并且使得逆变器系统可以在无锁相环结构下正常运行，是一种准确高效的新型逆变器控制方法。

Claims (2)

1.一种基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法，其特征在于：

步骤1：首先根据给定的逆变器有功和无功功率和电网电压计算得到需要的同步坐标系下的d轴和q轴电流；

步骤2：将d轴和q轴电流以及锁相环(PLL)测得的相位信息通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流参考信号；

步骤3：将逆变器输出电流信号通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的实际电流信号；

步骤4：将静止α-β坐标系下的电流参考信号和实际电流信号相减，得到的误差信号通过带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器进行调节，以控制静止α-β坐标系下的实际电流信号跟踪静止α-β坐标系下的电流参考信号；

步骤5：将带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器的输出信号通过坐标变换至abc坐标系下，生成PWM脉冲控制三相全桥逆变器输出，从而使分布式发电系统并网发电。

2.根据权利要求1所述的基于修正比例谐振调节器的三相并网逆变器控制方法，其特征在于：其中步骤4所述的带有谐波补偿的修正的比例谐振调节器，其结构为修正的比例谐振调节器与谐波补偿环节并联，修正的比例谐振调节器的传递函数为

$G\left(s\right)=K_p+\frac{{2K}_R{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_1}^2}$

谐波补偿环节的传递函数为

$G\left(s\right)=\frac{{2K}_{R}s}{s^2+{{\mathrm{\ω}}_k}^2}.$

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