CN102638057A

CN102638057A - 一种并网逆变器控制装置

Info

Publication number: CN102638057A
Application number: CN2012101207772A
Authority: CN
Inventors: 何国锋; 徐德鸿; 苏娜; 陈敏; 谢人
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开的一种并网逆变器控制装置，是在现有的单相全桥并网逆变器系统中增设直流分量抑制电路，通过对全桥逆变器两个桥臂中点之间的高频PWM波差分采样、低通滤波、比例积分调节得到逆变侧输出电压直流分量反馈量，把所述直流分量反馈量和电压直流分量基准值（设定为零伏）相比较得到直流分量偏差。把所述直流分量偏差以负反馈的形式和并网电流参考值相叠加，通过校正并网电流参考值控制逆变器的并网直流注入电流为零。本发明结构简单，实现方便，既保留了原有系统的特点，又消除了并网逆变器的并网直流注入电流。

Description

一种并网逆变器控制装置

技术领域

本发明属于逆变电源并网技术领域，尤其涉及一种并网逆变器控制装置。

背景技术

随着世界经济对能源需求的增长，新能源发电技术正愈来愈受到世界各国的重视。并网发电系统主要由直流电源、并网逆变器和电网组成，并网逆变器是连接直流电源和电网之间的接口。直流电源可以是光伏阵列、燃料电池等输出为直流的新能源，也可以是蓄电池。

并网逆变器根据输出是否带隔离变压器，可分为变压器隔离型和无变压器隔离型。无变压器隔离型单相全桥并网逆变器因为其高效率、低成本、和体积小的优点在小功率场合得到广泛应用。现在使用的无变压器隔离型单相全桥逆变器并网发电系统，如图1所示，包括逆变并网主电路1，电网电流采样电路2和并网控制电路3。并网电流控制电路用以控制向电网注入正弦电流。逆变并网主电路1包括直流电源101、逆变器102、和电网103。逆变器102采用单相全桥结构，包括直流储能电容C ₁，功率管S ₁、S ₂ 、S ₃、S ₄，滤波电感L ₁和滤波电感L ₂；直流电源101的正极性端和直流储能电容C ₁的正极性端连接在一起，直流电源101的负极性端和直流储能电容C ₁的负极性端连接在一起；功率管S₁的集电极和功率管S ₃的集电极并联接在直流储能电容C ₁的正极性端，功率管S ₂的源极和功率管S ₄的源极并联接在直流储能电容C ₁的负极性端，功率管S ₁的源极和功率管S ₂的集电极连接在H ₁点，功率管S ₃的源极和功率管S ₄的集电极连接在H ₂点; 滤波电感L ₁的一端和H ₁点相连，滤波电感L ₁的另外一端和电网103的一端相连；滤波电感L ₂的一端和H ₂点相连，滤波电感L ₂的另外一端和电网103的另外一端相连。电网电流采样电路2的输入端信号是电网电流的检测值I _g，电网电流采样电路2的输出端连接到并网控制电路3的304的输入端；并网控制电路3包括PLL（锁相环）301、cos（余弦计算函数）模块302、乘法器303、相加器304、电流调节器305和SPWM（正弦脉宽调节器）模块306。PLL（锁相环）301的输入端信号是u _g，PLL（锁相环）301的输出和cos（余弦计算函数）模块302的输入端连接，cos（余弦计算函数）模块302的输出和乘法器303的一个输入端相连，乘法器(303)的另一个输入端是并网电流的参考幅值I _ref，乘法器303的输出和相加器304的一个输入端相连，相加器304的第二输入端和电网电流采样电路2的输出端相连，相加器304的输出和电流调节器305的输入端相连，电流调节器305的输出和SPWM（正弦脉宽调节器）模块306的输入端相连，SPWM（正弦脉宽调节器）模块306的输出为驱动脉冲V _g1、V _g2 、V _g3和V _g4，分别用来驱动功率管S ₁、S ₂ 、S ₃和S ₄。

然而，此拓扑结构不能消除并网电流中的直流分量。当逆变器采用正弦脉宽调制技术时，由于同一桥臂上下开关管饱和压降不一致、驱动脉冲分配不对称和控制电路中的运算放大器存在零点漂移等原因，会造成逆变输出电压当中含有直流分量U_dc1。电网馈电电压中的直流偏置U_dc2接近为零mV。因此，当逆变器并网发电时，由于逆变输出电压中的直流分量U_dc1和电网馈电电压中的直流分量U_dc2之间存在直流电压差，会导致直流电流注入电网，如图2所示。

图2为并网逆变器直流注入等效电路原理图。U_dc1为逆变器输出电压的直流分量，U_dc2为电网馈电电压的直流分量（U_dc2≈0），R_dc1为逆变器的等效直流电阻，R_dc2为电网的等效直流电阻，I_dc为并网逆变器注入电网的直流电流。由图2可得：

Figure 2012101207772100002DEST_PATH_IMAGE002

（1）

由直流注入电流计算公式（1）知，由于直流阻抗R_dc1和R_dc2很小，微小的直流电压差就会产生很大的直流注入电流。

注入电网的直流分量会使感性设备的励磁工作点偏移，导致磁路饱和，并且产生附加损耗，因此，世界各国对并网直流注入抑制标准有严格的要求。

现有的技术中抑制直流分量的方法主要有两种，一种方法是在逆变器和电网之间加入隔离变压器或大的隔直电容，该方法不仅电路的体积大、功耗大、也增加了系统的成本；另外一种抑制直流分量的方法是通过霍尔电流传感器检测出电网电流中的直流分量，通过调节驱动脉宽来抑制并网电流直流分量，然而由于电流霍尔传感器存在零点漂移和温漂的问题，该方法的有效性受到影响。

发明内容

本发明的目的一种并网逆变器控制装置，以抑制并网逆变器的输出直流分量，解决采用大容量隔直电容、隔离变压器系统体积大、功耗大、成本高和采用霍尔电流传感器受温漂影响的问题。

本发明装置包括逆变并网主电路、电网电流采样电路、并网控制电路和电压直流分量抑制电路。

其中逆变并网主电路包括直流电源、逆变器和电网。直流电源可以是光伏阵列、燃料电池等输出为直流的新能源，也可以是蓄电池。逆变器采用单相全桥结构，包括直流储能电容C ₁，功率管S ₁、S ₂ 、S ₃、S ₄，滤波电感L ₁和滤波电感L ₂；直流电源的正极性端和直流储能电容C ₁的正极性端连接在一起，直流电源的负极性端和直流储能电容C ₁的负极性端连接在一起；功率管S₁的集电极和功率管S ₃的集电极并联接在直流储能电容C ₁的正极性端，功率管S ₂的源极和功率管S ₄的源极并联接在直流储能电容C ₁的负极性端，功率管S ₁的源极和功率管S ₂的集电极连接在H ₁点，功率管S ₃的源极和功率管S ₄的集电极连接在H ₂点; 滤波电感L ₁的一端和H ₁点相连，滤波电感L ₁的另外一端和电网的一端相连；滤波电感L ₂的一端和H ₂点相连，滤波电感L ₂的另外一端和电网的另外一端相连。电网电流采样电路的输入端信号是电网电流的检测值i _g，电网电流采样电路的输出端连接到并网控制电路的的输入端；并网控制电路包括PLL（锁相环）、cos（余弦计算函数）模块、乘法器、相加器、电流调节器和SPWM（正弦脉宽调节器）模块。PLL（锁相环）的输入端信号是u _g，PLL（锁相环）的输出和cos（余弦计算函数）模块的输入端连接，cos（余弦计算函数）模块的输出和乘法器的一个输入端相连，乘法器的另一个输入端是并网电流的参考幅值I _ref，乘法器的输出和相加器的一个输入端相连，相加器的第二输入端和并网直流注入抑制电路的输出端相连，相加器的第三输入端和电网电流采样电路的输出端相连，相加器的输出和电流调节器的输入端相连，电流调节器的输出和SPWM（正弦脉宽调节器）模块的输入端相连，SPWM（正弦脉宽调节器）模块的输出为驱动脉冲V _g1、V _g2 、V _g3和V _g4，分别用来驱动功率管S ₁、S ₂ 、S ₃和S ₄。

在并网逆变器系统中增设一个电压直流分量抑制电路模块，由增设的电压直流分量抑制电路模块控制并网逆变器的输出电压直流分量为零，从而控制并网逆变器的并网直流注入电流为零。

电压直流分量抑制电路模块用于控制并网逆变器的输出电压直流分量为零，该模块由采样调理电路、低通滤波电路、直流分量调节电路和第一减法比较器顺次连接而成。采样调理电路为电压直流分量抑制电路模块的第一级电路，该电路的两个输入端连接采样输入点，其中一个输入端连接并网逆变器的逆变桥臂中点H ₁，另外一个输入端连接并网逆变器的逆变桥臂中点H ₂，采样输入信号 u _H1H2为频率等于开关频率的高频PWM波信号，采样调理电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接直流分量调节电路的输入端，第一减法比较器的正极性端和负极性端分别连接电压直流分量基准U _dc ^*（设定为0伏）和直流分量调节电路的输出端U _dc, 第一减法比较器的输出端的输出信号△U _dc叠加到并网电流的参考输入端（相加器的一个正极性输入端），通过负反馈抑制并网逆变器的直流注入分量为零。

直流分量抑制电路模块中的采样调理电路采用电阻分压的差分放大器结构进行采样。采样调理电路采用差分放大器结构，用于实现高频PWM波信号的采样、衰减，由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第四电阻R4、第二电容C2和运算放大器IC1组成。第一电阻R1的输入端连接并网逆变器的全桥逆变器的一个桥臂中点H ₁，第一电阻R1的另外一端连接运算放大器IC1的反相输入端，第二电阻R2的输入端连接并网逆变器的全桥逆变器另外一个桥臂中点H ₂，第二电阻R2的另外一端连接运算放大器IC1的同相输入端，第三电阻R3和第一电容C₁并联，并联的一端连接运算放大器IC1的反相输入端，并联的另外一端连接运算放大器IC1的输出端，第四电阻R4和第二电容C2并联，并联的一端连接运算放大器IC1的同相输入端，并联的另外一端连接到地。运算放大器IC1的输出连接到低通滤波器的输入端，此连接点电压为v₁,低通滤波电路采用二阶低通滤波器结构，用于滤除v1的交流分量得到电压直流分量，由第五电阻R5、第三电容C3、第六电阻R6和第四电容C4组成。第五电阻R5的一端和采样调理电路的输出端相连接，第五电阻R5的另外一端和第六电阻R6、第三电容C3的一端连接在一点，第三电容C3的另外一端接在地，第六电阻R6的另外一端连接第四电容C4的一端，此连接点电压为直流电压V_dc，第四电容C4的另外一端接在地。直流分量调节电路用于对直流电压V_dc进行PI调节得到与逆变模块中极性相同、大小成比例的直流分量，由第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第五电容C5和运算放大器IC2组成。第七电阻R7的一端连接低通滤波电路的输出端，第八电阻R8的一端连接运算放大器IC2的同相输入端，第八电阻R8的另外一端接地，第七电阻R7的另外一端和第九电阻R9的一端、运算放大器IC2的反相输入端连接在一起，第九电阻R9的另外一端和第五电容C5的一端连接在一起，第五电容C5的另外一端连接在运算放大器IC2的输出端，此连接点电压为调节后的直流电压U_dc。第一减法比较器404的正极性端连接电压直流分量基准U_dc*（设定为0伏），第一减法比较器404的负极性端连接直流分量调节电路的输出端, 第一减法比较器的输出△U_dc叠加到并网电流的参考输入端（相加器304的一个正极性输入端）。

本发明结构简单，实现方便，既保留了原有系统的特点，又消除了并网逆变器的并网直流注入电流。

附图说明

图1是已有技术的并网发电原理图；

图2是并网直流注入等效电路原理图。

图3是本发明构成电路原理图；

图4是直流分量抑制电路原理图。

具体实施方式

参照图3，用于实现本发明方法的装置，包括逆变并网主电路1、电网电流采样电路2、并网控制电路3和电压直流分量抑制电路4。

其中逆变并网主电路1包括直流电源101、逆变器102、和电网103。直流电源101可以是光伏阵列、燃料电池等输出为直流的新能源，也可以是蓄电池。逆变器102采用单相全桥结构，包括直流储能电容C ₁，功率管S ₁、S ₂ 、S ₃、S ₄，滤波电感L ₁和滤波电感L ₂；直流电源101的正极性端和直流储能电容C ₁的正极性端连接在一起，直流电源101的负极性端和直流储能电容C ₁的负极性端连接在一起；功率管S₁的集电极和功率管S ₃的集电极并联接在直流储能电容C ₁的正极性端，功率管S ₂的源极和功率管S ₄的源极并联接在直流储能电容C ₁的负极性端，功率管S ₁的源极和功率管S ₂的集电极连接在H ₁点，功率管S ₃的源极和功率管S ₄的集电极连接在H ₂点; 滤波电感L ₁的一端和H ₁点相连，滤波电感L ₁的另外一端和电网103的一端相连；滤波电感L ₂的一端和H ₂点相连，滤波电感L ₂的另外一端和电网103的另外一端相连。电网电流采样电路2的输入端信号是电网电流的检测值i _g，电网电流采样电路2的输出端连接到并网控制电路3的相加器304的输入端；并网控制电路3包括PLL（锁相环）301、cos（余弦计算函数）模块302、乘法器303、相加器304、电流调节器305和SPWM（正弦脉宽调节器）模块306。PLL（锁相环）301的输入端信号是u _g，PLL（锁相环）301的输出和cos（余弦计算函数）模块302的输入端连接，cos（余弦计算函数）模块302的输出和乘法器303的一个输入端相连，乘法器303的另一个输入端是并网电流的参考幅值I _ref，乘法器303的输出和相加器304的一个输入端相连，相加器304的第二输入端和并网直流注入抑制电路4的输出端相连，相加器304的第三输入端和电网电流采样电路2的输出端相连，相加器304的输出和电流调节器305的输入端相连，电流调节器305的输出和SPWM（正弦脉宽调节器）模块306的输入端相连，SPWM（正弦脉宽调节器）模块306的输出为驱动脉冲V _g1、V _g2 、V _g3和V _g4，分别用来驱动功率管S ₁、S ₂ 、S ₃和S ₄。

电压直流分量抑制电路模块4用于控制并网逆变器102的输出电压直流分量为零，该模块由采样调理电路401、低通滤波电路402、直流分量调节电路403和第一减法比较器404顺次连接而成。采样调理电路401为电压直流分量抑制电路模块4的第一级电路，该电路的2个输入端连接采样输入点，其中一个输入端连接并网逆变器102的逆变桥臂中点H ₁，另外一个输入端连接并网逆变器102的逆变桥臂中点H ₂，采样输入信号 u _H1H2为频率等于开关频率的高频PWM波信号，采样调理电路401的输出端连接低通滤波电路402的输入端，低通滤波电路402的输出端连接直流分量调节电路403的输入端，第一减法比较器404的正极性端和负极性端分别连接电压直流分量基准U _dc ^*（设定为0伏）和直流分量调节电路403的输出端U _dc, 第一减法比较器404的输出端的输出信号△U _dc叠加到并网电流的参考输入端（相加器304的一个正极性输入端），通过负反馈抑制并网逆变器的直流注入分量为零。

直流分量抑制电路模块中的采样调理电路采用电阻分压的差分放大器结构进行采样。采样调理电路401采用差分放大器结构，用于实现高频PWM波信号的采样、衰减，由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第四电阻R4、第二电容C2和运算放大器IC1组成。第一电阻R1的输入端连接并网逆变器102的全桥逆变器的一个桥臂中点H ₁，第一电阻R1的另外一端连接运算放大器IC1的反相输入端，第二电阻R2的输入端连接并网逆变器102的全桥逆变器另外一个桥臂中点H ₂，第二电阻R2的另外一端连接运算放大器IC1的同相输入端，第三电阻R3和第一电容C₁并联，并联的一端连接运算放大器IC1的反相输入端，并联的另外一端连接运算放大器IC1的输出端，第四电阻R4和第二电容C2并联，并联的一端连接运算放大器IC1的同相输入端，并联的另外一端连接到地。运算放大器IC1的输出连接到低通滤波器402的输入端，此连接点电压为v₁,低通滤波电路402采用二阶低通滤波器结构，用于滤除v1的交流分量得到电压直流分量，由第五电阻R5、第三电容C3、第六电阻R6和第四电容C4组成。第五电阻R5的一端和采样调理电路401的输出端相连接，第五电阻R5的另外一端和第六电阻R6、第三电容C3的一端连接在一点，第三电容C3的另外一端接在地，第六电阻R6的另外一端连接第四电容C4的一端，此连接点电压为直流电压V_dc，第四电容C4的另外一端接在地。直流分量调节电路403用于对直流电压V_dc进行PI调节得到与逆变模块中极性相同、大小成比例的直流分量，由第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第五电容C5和运算放大器IC2组成。第七电阻R7的一端连接低通滤波电路402的输出端，第八电阻R8的一端连接运算放大器IC2的同相输入端，第八电阻R8的另外一端接地，第七电阻R7的另外一端和第九电阻R9的一端、运算放大器IC2的反相输入端连接在一起，第九电阻R9的另外一端和第五电容C5的一端连接在一起，第五电容C5的另外一端连接在运算放大器IC2的输出端，此连接点电压为调节后的直流电压U_dc。第一减法比较器404的正极性端连接电压直流分量基准U_dc*（设定为0伏），第一减法比较器404的负极性端连接直流分量调节电路403的输出端, 第一减法比较器404的输出△U_dc叠加到并网电流的参考输入端（相加器304的一个正极性输入端）。

本发明的设计思想：在现有的单相全桥并网逆变器系统中增设直流分量抑制电路，通过对全桥逆变器两个桥臂中点之间的高频PWM波差分采样、低通滤波、比例积分调节得到逆变侧输出电压直流分量反馈量，把所述直流分量反馈量和电压直流分量基准值（设定为零伏）相比较得到直流分量偏差。把所述直流分量偏差以负反馈的形式和并网电流参考值相叠加，通过校正并网电流参考值控制逆变器的并网直流注入电流为零。本发明结构简单，实现方便，既保留了原有系统的特点，又消除了并网逆变器的并网直流注入电流。

本发明一种并网逆变器控制装置既可以用于单相并网系统，也可以用于三相并网系统。

Claims

1. 一种并网逆变器控制装置,它包括逆变并网主电路(1)、电网电流采样电路(2)、并网控制电路(3)和电压直流分量抑制电路(4)；

其中逆变并网主电路(1)包括直流电源(101)、逆变器(102)和电网(103)；逆变器(102)采用单相全桥结构，包括直流储能电容C ₁，功率管S ₁、功率管S ₂ 、功率管S ₃、功率管S ₄，滤波电感L ₁和滤波电感L ₂；直流电源(101)的正极性端和直流储能电容C ₁的正极性端连接在一起，直流电源(101)的负极性端和直流储能电容C ₁的负极性端连接在一起；功率管S₁的集电极和功率管S ₃的集电极并联接在直流储能电容C ₁的正极性端，功率管S ₂的源极和功率管S ₄的源极并联接在直流储能电容C ₁的负极性端，功率管S ₁的源极和功率管S ₂的集电极连接在H ₁点，功率管S ₃的源极和功率管S ₄的集电极连接在H ₂点；滤波电感L ₁的一端和H ₁点相连，滤波电感L ₁的另外一端和电网(103)的一端相连；滤波电感L ₂的一端和H ₂点相连，滤波电感L ₂的另外一端和电网(103)的另外一端相连；电网电流采样电路(2)的输入端信号是电网电流的检测值i _g，电网电流采样电路(2)的输出端连接到并网控制电路(3)的相加器(304)的输入端；并网控制电路(3)包括锁相环(301)、余弦计算函数模块(302)、乘法器(303)、相加器(304)、电流调节器(305)和正弦脉宽调节器模块(306)；锁相环(301)的输入端信号是电网电压u _g，锁相环(301)的输出和余弦计算函数模块(302)的输入端连接，余弦计算函数模块(302)的输出和乘法器(303)的一个输入端相连，乘法器(303)的另一个输入端是并网电流的参考幅值I _ref，乘法器(303)的输出和相加器(304)的一个输入端相连，相加器(304)的第二输入端和电压直流分量抑制电路(4)的输出端相连，相加器(304)的第三输入端和电网电流采样电路(2)的输出端相连，相加器(304)的输出和电流调节器(305)的输入端相连，电流调节器(305)的输出和正弦脉宽调节器模块(306)的输入端相连，正弦脉宽调节器模块(306)的输出驱动脉冲，分别为V _g1、V _g2 、V _g3和V _g4，用来驱动功率管S ₁、S ₂、S ₃和S ₄，其特征是：

电压直流分量抑制电路模块(4)用于控制并网逆变器(102)的输出电压直流分量为零，该模块由采样调理电路(401)、低通滤波电路(402)、直流分量调节电路(403)和第一减法比较器(404)顺次连接而成；采样调理电路(401)为电压直流分量抑制电路模块(4)的第一级电路，该电路的两个输入端连接采样输入点，其中一个输入端连接并网逆变器(102)的逆变桥臂中点H ₁，另外一个输入端连接并网逆变器(102)的逆变桥臂中点H ₂，采样输入信号 u _H1H2为频率等于开关频率的高频PWM波信号，采样调理电路(401)的输出端连接低通滤波电路(402)的输入端，低通滤波电路(402)的输出端连接直流分量调节电路(403)的输入端，第一减法比较器(404)的正极性端和负极性端分别连接电压直流分量基准U _dc ^*和直流分量调节电路(403)的输出端U _dc, 第一减法比较器(404)的输出端的输出信号△U _dc叠加到并网电流的参考输入端，通过负反馈抑制并网逆变器的直流注入分量为零。

2.根据权利要求1所述的一种并网逆变器控制装置，其特征是：直流分量抑制电路模块中的采样调理电路采用电阻分压的差分放大器结构进行采样，用于实现高频PWM波信号的采样、衰减；采样调理电路由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第四电阻R4、第二电容C2和运算放大器IC1组成；第一电阻R1的输入端连接并网逆变器(102)的全桥逆变器的一个桥臂中点H ₁，第一电阻R1的另外一端连接运算放大器IC1的反相输入端，第二电阻R2的输入端连接并网逆变器(102)的全桥逆变器另外一个桥臂中点H ₂，第二电阻R2的另外一端连接运算放大器IC1的同相输入端，第三电阻R3和第一电容C₁并联，并联的一端连接运算放大器IC1的反相输入端，并联的另外一端连接运算放大器IC1的输出端，第四电阻R4和第二电容C2并联，并联的一端连接运算放大器IC1的同相输入端，并联的另外一端连接到地；运算放大器IC1的输出连接到低通滤波器(402)的输入端，此连接点电压为v₁,低通滤波电路(402)采用二阶低通滤波器结构，用于滤除v1的交流分量得到电压直流分量，由第五电阻R5、第三电容C3、第六电阻R6和第四电容C4组成；第五电阻R5的一端和采样调理电路401的输出端相连接，第五电阻R5的另外一端和第六电阻R6、第三电容C3的一端连接在一点，第三电容C3的另外一端接地，第六电阻R6的另外一端连接第四电容C4的一端，此连接点电压为直流电压V_dc，第四电容C4的另外一端接地；直流分量调节电路(403)用于对直流电压V_dc进行PI调节得到与逆变并网主电路中极性相同、大小成比例的直流分量，由第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第五电容C5和运算放大器IC2组成；第七电阻R7的一端连接低通滤波电路(402)的输出端，第八电阻R8的一端连接运算放大器IC2的同相输入端，第八电阻R8的另外一端接地，第七电阻R7的另外一端和第九电阻R9的一端、运算放大器IC2的反相输入端连接在一起，第九电阻R9的另外一端和第五电容C5的一端连接在一起，第五电容C5的另外一端连接在运算放大器IC2的输出端，此连接点电压为调节后的直流电压U_dc；第一减法比较器(404)的正极性端连接电压直流分量基准U_dc*，第一减法比较器(404)的负极性端连接直流分量调节电路(403)的输出端, 第一减法比较器(404)的输出△U_dc叠加到并网电流的参考输入端。