CN102347707A - 一种三相逆变器的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三相逆变器的控制系统，包括：储能装置、三相逆变器、LC滤波器、Δ/Y变压器和控制板；储能装置用于向负载提供电能，三相逆变器用于将储能装置的直流电逆变为交流电，LC滤波器用于对三相逆变器输出的电流进行滤波，Δ/Y变压器用于改变LC滤波器输出的电流电压，控制板用于：根据Δ/Y变压器输出的电流、电压信号实现正序电压控制环、负序电压控制环和正序电流内环并得出三相调试电压；以及根据三相调试电压控制三相逆变器的输出。本发明还提供了一种三相逆变器的控制方法。本发明在电压环调节的基础上加入了电流内环调节，因此提高了控制系统的响应速度；同时，使该控制系统在带非线性负载时减少了电压的畸变，提高了系统带非线性负载的能力。

Description

一种三相逆变器的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相逆变器的控制系统及其控制方法。

背景技术

在DC/AC变换中，逆变器是很重要的一部分，其控制方法的好环直接影响到逆变电压、电流的质量。随着社会的发展，对三相电压质量的要求越来越高，三相电压的不平衡度是衡量三相电压的一个重要指标，目前解决三相逆变电压不平衡度的方法主要有三相四桥臂、三个单相全桥单独控制和三相四线逆变器，相对于三相四桥臂逆变器控制方法的复杂和三个单相全桥单独控制的高成本，三相四线逆变器有它的优势。

目前，三相四线逆变器的控制方法有很多种，大多采用三相PI分别控制的方法，这些控制方法虽然简单，但不能够实现并网与离网带载的切换使用，且只有电压环调节，系统动态响应速度慢，带非线性负载能力不强。

发明内容

本发明为解决现有三相四线逆变器控制系统响应速度慢的技术问题，提供一种响应速度快的三相逆变器的控制系统及其控制方法。

本发明一方面提供了一种三相逆变器的控制系统，其中，所述控制系统包括：储能装置、三相逆变器、LC滤波器、Δ/Y变压器和控制板；所述储能装置、三相逆变器、LC滤波器和Δ/Y变压器依次电连接，所述储能装置用于向负载提供电能，所述三相逆变器用于将所述储能装置的直流电逆变为交流电，所述LC滤波器用于对三相逆变器输出的电流进行滤波，所述Δ/Y变压器用于改变LC滤波器输出的电流电压，所述控制板用于：根据Δ/Y变压器输出的电流、电压信号实现正序电压控制环、负序电压控制环和正序电流内环并得出三相调试电压；以及根据三相调试电压控制三相逆变器的输出。

所述控制板还用于：

根据电网的三相电压实现三相逆变器端的三相电流的dq解耦控制并得出三相调试电压；以及根据三相调试电压控制三相逆变器实现并网控制。

本发明另一方面还提供了一种三相逆变器的控制方法，其中，所述控制方法包括正序电压控制环、负序电压控制环和正序电流内环，正序电压控制环的输出作为正序电流内环的输入，正序电流内环的输出与负序电压控制环的输出叠加得出三相调试电压，根据三相调试电压控制三相逆变器的输出。

进一步地，所述正序电压控制环是这样实现地：

提取正序电压；

对正序电压进行dq变换分离出U_d+和U_q+；

分离出的U_d+和U_q+分别与目标给定U_d+^*＝0和U_q+^*＝U_qObj进行PI调节得出PIU_dOut和PIU_qOut。

所述正序电压是通过对称分量法提取得出的。

所述正序电流内环是这样实现地：

对正序电压电流进行dq变换分离出直流量I_d+和I_q+；

I_d+和I_q+分别与正序电压控制环得出的PIU_dOut和PIU_qOut进行PI调节得出PII_dOut和PII_qOut；

PII_dOut和PII_qOut通过dq反变换得出三相正序调试电压U_a+、U_b+和U_c+。

所述负序电压控制环是这样实现地：

得出U_d-和U_q-；

U_d-和U_q-分别与目标给定U_d-^*＝0和U_q-^*＝0进行PI调节得出PIU_d_Out和PIU_q_Out；

PIU_d_Out和PIU_q_Out通过dq反变换得出三相负序调试电压U_a-、U_b-和U_c-。

U_d-和U_q-是通过反方向dq变换后周期滤波得出的。

三相调试电压分别为U_a＝(U_a+)+(U_a-)，U_b＝(U_b+)+(U_b-)，Uc＝(U_c+)+(U_c-)。

所述控制方法还包括并网控制方法，所述并网控制方法是这样实现地：

检测电网的三相电压并进行相位锁定；

检测三相电流并根据锁定的电网相位对三相电流进行dq变换得出I_d和I_q；

I_d和I_q分别与给定的目标进行PI调节得出PII_dOut’和PII_qOut’；

PII_dOut’和PII_qOut’通过dq反变换得出三相调试电压U_a’、U_b’和U_c’。

本发明的三相逆变器的控制系统及其控制方法，在电压环调节的基础上加入了电流内环调节，因此提高了控制系统的响应速度；同时，使该控制系统在带非线性负载时减少了电压的畸变，提高了系统带非线性负载的能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三相逆变器的控制系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的三相逆变器的离网控制方法的示意图；

图3是本发明实施例提供的三相逆变器的并网控制方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一种实施方式，如图1所示，本发明一方面提供了一种三相逆变器的控制系统，其中，该控制系统包括：储能装置、三相逆变器、LC滤波器、Δ/Y变压器和控制板(图中未示出)；储能装置、三相逆变器、LC滤波器和Δ/Y变压器依次电连接，储能装置用于向负载提供电能，三相逆变器用于将储能装置的直流电逆变为交流电，LC滤波器用于对三相逆变器输出的电流进行滤波，Δ/Y变压器用于改变LC滤波器输出的电流电压，控制板用于：根据Δ/Y变压器输出的电流、电压信号实现正序电压控制环、负序电压控制环和正序电流内环并得出三相调试电压；以及根据三相调试电压控制三相逆变器的输出。

储能装置E可以选用各种合适类型的用于储能的装置，如可以为锂电池组、铅酸蓄电池组等。

储能装置E的两端并联有电容C_d，电容C_d的作用是稳压和滤波。

控制板包括各种合适的数据处理装置，如控制板的主芯片可以为TMS320F2812的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片。

三相逆变器可以为各种合适的逆变器，为了更好地实现并网模式，优选地，逆变器为双向逆变器。三相逆变器可以包括各种桥式逆变电路，只要能实现逆变充放电功能即可，优选采用由6个功率开关管(VT1～VT6)以及6个与之反向并联的二极管VD1～VD6组成的三相三桥臂逆变桥。控制板可以产生PWM信号来控制各个功率开关管的导通和关断。

LC滤波器可以为各种常用的滤波电路，如图1所示，LC滤波器由LA、C_a、LB、C_b、LC和C_c构成。

Δ/Y变压器为采用Δ/Y接法的变压器，变压器是用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。本发明中主要用作升降电压以及带不平衡负载。

另外本发明的控制系统还可包括断路器、接触器(图中均未示出)等部件，本领域技术人员可以各种需要合理增添控制系统的构成部件。

控制板除了实现三相逆变器的离网控制之外，还可以实现三相逆变器的并网控制，即该控制板还用于：

根据电网的三相电压实现三相逆变器端的三相电流的dq解耦控制并得出三相调试电压；以及根据三相调试电压控制三相逆变器实现并网控制。

其中三相逆变器端是指：当利用储能装置E放电向电网输送电能时，指的是三相逆变器的输出端；当利用电网给储能装置E充电时，指的是三相逆变器此时的输入端(与储能装置E放电时的三相逆变器的输出端相同)。

本发明另一方面还提供了一种三相逆变器的控制方法，其中，该控制方法包括正序电压控制环、负序电压控制环和正序电流内环，正序电压控制环的输出作为正序电流内环的输入，正序电流内环的输出与负序电压控制环的输出叠加得出三相调试电压，根据三相调试电压控制三相逆变器的输出。

根据本发明的一种实施方式，如图2所示，进一步地，正序电压控制环是这样实现地：

提取正序电压；

对正序电压进行dq变换分离出U_d+和U_q+；

分离出的U_d+和U_q+分别与目标给定U_d+^*＝0和U_q+^*＝U_qObj进行PI调节得出PIU_dOut和PIU_qOut。

其中，正序电压是通过对称分量法提取得出的。

PI调节即比例积分调节，本领域技术人员可以选择合适的比例积分调节程序来实现。

dq变换也就是Park变换，是一种解耦控制方法，它将三相绕组变换为等价的二相绕组，并且把旋转坐标系变换成正交的静止坐标，即可得到用直流量表示电压及电流的关系式。dq变换使得各个控制量可以分别控制，可以消除谐波电压和不对称电压的影响，由于应用了同步旋转坐标变换，容易实现基波与谐波的分离。

对称分量法(method of symmetrical components)是分析对称系统不对称运行状态的一种基本方法；即是将三个相量分解为对称的分量组，用于分析三相电路不对称运行状态的一种方法。

更进一步地，正序电流内环是这样实现地：

对正序电压电流进行正方向dq变换分离出直流量I_d+和I_q+；

I_d+和I_q+分别与正序电压控制环得出的PIU_dOut和PIU_qOut进行PI调节得出PII_dOut和PII_qOut；

PII_dOut和PII_qOut通过dq反变换得出三相正序调试电压U_a+、U_b+和U_c+。

更进一步地，负序电压控制环是这样实现地：

得出U_d-和U_q-；

U_d-和U_q-分别与目标给定U_d-^*＝0和U_q-^*＝0进行PI调节得出PIU_d_Out和PIU_q_Out；

PIU_d_Out和PIU_q_Out通过dq反变换得出三相负序调试电压U_a-、U_b-和U_c-。

其中，U_d-和U_q-是通过反方向dq变换后周期滤波得出的。

经过上述控制之后即可得出三相调试电压分别为U_a＝(U_a+)+(U_a-)，U_b＝(U_b+)+(U_b-)，Uc＝(U_c+)+(U_c-)。

控制板根据上述的三相调试电压U_a、U_b和U_c进行SPWM控制，以得出PWM控制信号从而控制三相逆变器的各个功率开关管的导通和关断，进而将储能装置E的电能转化为交流电供负载使用，即实现了三相逆变器的离网控制。

本发明的三相逆变器的控制系统及其控制方法，由于在电压环的基础上增加了电流内环，而电流内环是一个速度环，可以提高系统的响应速度。

同时增加了电流内环，即把控制系统的电流看作是对电压的一种扰动，电流会对电压产生影响，所以加入了电流内环调节就会使系统在带非线性负载时减少了电压的畸变，从而使控制系统带非线性负载能力更强。

另外，控制系统之所以不平衡，是因为有了负序电压的存在，而本控制系统及控制方法通过把负序电压调为零，使控制系统不存在负序电压，所以可以使系统带不平衡负载能力得到加强。

以下将利用上述的控制方法控制逆变器，给定目标电压值U_QObj，使逆变相电压达到额定电压220V，使逆变器空载运行，然后分别进行带三相平衡负载、单相带载、两相带载、非线性负载实验，实验结果如表1所示：

表1

通过表1的实验数据可以看出，本发明的三相逆变器的控制系统及其控制方法可以大大提高本控制系统带非线性负载和不平衡负载的能力。

上述控制方法均为离网工作模式的控制方法，更进一步地，本发明的三相逆变器的控制方法还包括并网控制方法。

根据本发明的一种实施方式，如图3所示，该并网控制方法是这样实现地：

检测电网的三相电压并进行PLL实现相位锁定；

检测三相电流并根据锁定的电网相位对三相电流进行dq变换得出I_d和I_q；

I_d和I_q和给定的目标进行PI调节，输出PII_dOut’和PII_qOut’；

PII_dOut’和PII_qOut’通过dq反变换得出三相调试电压U_a’、U_b’和U_c’。

PLL(Phase Locked Loop)：为锁相回路或锁相环，其利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。在对I_d和I_q进行PI调节时，给定的目标是这样确定的：根据目标功率并标定后得出，例如：要逆变出10KW的功率，则在控制程序里标定出一个对应的给定目标I_q，I_d给定目标一般为0。

控制板根据上述的三相调试电压U_a’、U_b’和U_c’进行SPWM控制，以得出PWM控制信号从而控制三相逆变器的各个功率开关管的导通和关断，进而向电网供电或将电网的电能存储到储能装置E中，即实现了三相逆变器的并网控制。

即本发明的三相逆变器的控制系统及其控制方法，可以利用并网控制方法将电网的电能转化为直流电储存在储能装置E中，还可以将储能装置E中的电能转化为交流电并到电网中。

即本发明的控制系统可以实现并网和离网两种模式的控制，当需要离网控制时即按照离网控制方法实现离网控制，当需要并网控制时即按照并网控制方法实现并网控制。

以下利用上述的并网控制方法，将直流电压设定为660V，电网电压线电压为380V，使逆变电压为380V，进行充放电实验，实验结果如表2所示：

表2

通过表2的实验数据可以看出，本发明的控制系统以及并网控制方法在充放电时都能满足谐波电流的要求。

本发明的三相逆变器的控制系统的离网控制方法的电路连接与并网控制方法的连接基本上是相同的，区别在于离网控制方法连接的是负载，并网控制方法连接的是电网。由于控制的起始端均位于Δ/Y变压器的输出端，所以对于离网控制方法来说可以直接控制负载电压的波形。而对于并网控制方法来说，由于检测电网的三相电压并进行PLL实现相位锁定，所以实现了相位的补偿。

本发明的三相逆变器的控制系统及其控制方法，在电压环调节的基础上加入了电流内环调节，因此提高了控制系统的响应速度；同时，使该控制系统在带非线性负载时减少了电压的畸变，提高了系统带非线性负载的能力。另外，本控制系统及控制方法通过把负序电压调为零，使控制系统不存在负序电压，所以可以使系统带不平衡负载能力得到加强。

本发明的三相逆变器的控制系统及其控制方法，还包括了并网控制方法，从而实现了并网和离网两种模式的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相逆变器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：储能装置、三相逆变器、LC滤波器、Δ/Y变压器和控制板；所述储能装置、三相逆变器、LC滤波器和Δ/Y变压器依次电连接，所述储能装置用于向负载提供电能，所述三相逆变器用于将所述储能装置的直流电逆变为交流电，所述LC滤波器用于对三相逆变器输出的电流进行滤波，所述Δ/Y变压器用于改变LC滤波器输出的电流电压，所述控制板用于：根据Δ/Y变压器输出的电流、电压信号实现正序电压控制环、负序电压控制环和正序电流内环并得出三相调试电压；以及根据三相调试电压控制三相逆变器的输出。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制板还用于：

根据电网的三相电压实现三相逆变器端的三相电流的dq解耦控制并得出三相调试电压；以及根据三相调试电压控制三相逆变器实现并网控制。

3.一种三相逆变器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括正序电压控制环、负序电压控制环和正序电流内环，正序电压控制环的输出作为正序电流内环的输入，正序电流内环的输出与负序电压控制环的输出叠加得出三相调试电压，根据三相调试电压控制三相逆变器的输出。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述正序电压控制环是这样实现地：

提取正序电压；

对正序电压进行dq变换分离出U_d+和U_q+；

分离出的U_d+和U_q+分别与目标给定U_d+^*＝0和U_q+^*＝U_qObj进行PI调节得出PIU_dOut和PIU_qOut。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述正序电压是通过对称分量法提取得出的。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述正序电流内环是这样实现地：

对正序电压电流进行dq变换分离出直流量I_d+和I_q+；

I_d+和I_q+分别与正序电压控制环得出的PIU_dOut和PIU_qOut进行PI调节得出PII_dOut和PII_qOut；

PII_dOut和PII_qOut通过dq反变换得出三相正序调试电压U_a+、U_b+和U_c+。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述负序电压控制环是这样实现地：

得出U_d-和U_q-；

U_d-和U_q-分别与目标给定U_d-^*＝0和U_q-^*＝0进行PI调节得出PIU_d_Out和PIU_q_Out；

PIU_d_Out和PIU_q_Out通过dq反变换得出三相负序调试电压U_a-、U_b-和U_c-。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，U_d-和U_q-是通过反方向dq变换后周期滤波得出的。

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，三相调试电压分别为U_a＝(U_a+)+(U_a-)，U_b＝(U_b+)+(U_b-)，U_c＝(U_c+)+(U_c-)。

10.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括并网控制方法，所述并网控制方法是这样实现地：

检测电网的三相电压并进行相位锁定；

检测三相电流并根据锁定的电网相位对三相电流进行dq变换得出I_d和I_q；

I_d和I_q分别与给定的目标I_dObj和I_qObj进行PI调节得出PII_dOut’和PII_qOut’；

PII_dOut’和PII_qOut’通过dq反变换得出三相调试电压U_a’、U_b’和U_c’。

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