CN102832839A

CN102832839A - 一种电压型并联逆变器的控制方法

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Publication number: CN102832839A
Application number: CN2012103491468A
Authority: CN
Inventors: 张笑天
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明公开了一种新的无互联线并联逆变器的控制方法，将一系列带通滤波器组合成为线性控制器，结合占空比前馈对逆变器的输出电压进行控制，使这种逆变器的性能与传统逆变器性能相比有很大的提高，能够达到国际标准的要求。本发明通过使用线性控制器，避免了传统方法中对输出电流的谐波分量的测量，不仅使得输出电压的畸变得到了有效的抑制，还可以根据需要配置逆变器的输出阻抗大小。占空比前馈的结合使用大大提高了逆变器的输出电压跟踪精度和动态响应速度，并能够保证系统的稳定性不受影响。下垂法的使用实现了长距离传输线无互联线并联时的可靠均流，使得并联逆变器的实际应用成为可能，极大地改善了原有并联逆变器系统的有效性，可靠性和灵活性。

Description

一种电压型并联逆变器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电压型逆变器(VSI)的控制方法，特别适合于微网中并联逆变器的控制方法。

背景技术

逆变器作为电压源为负载独立供电时，传统的控制方法通常采用比例积分(PI)控制器对输出电压进行控制。这种控制方法需要很大的积分增益来实现足够的控制精度。由于要保证系统的稳定性，这种控制方法对于控制器参数的选取造成了很大的困难。另一方面，当逆变器接有非线性负载时，PI控制器也不适合抑制逆变器输出电压的谐波畸变。对于逆变器的控制，目前国内还缺乏非常有效的解决方法。

目前对于逆变器的并联运行，主要解决方法是使用一个系统级控制器，实现各模块间的均流控制。这种方法需要这些并联逆变器相互之间有通信联系，从而大大增加了系统的复杂度。并且，当其中某个逆变器出现故障时，也很难进行模块更换。这种并联逆变器系统不具备高度的可靠性和灵活性。为了提高系统的冗余度并实现并联逆变器之间的独立运行，目前并联技术的一个重要的发展趋势就是无互联线并联逆变器技术。通常的解决方法就是采用下垂控制法。但是，下垂法又会造成输出电能质量的下降。如何找到一个折中的方案，是目前并联逆变器控制面临的主要问题。将先进的逆变器电压控制方法与无互联线并

联技术相结合，国内尚无非常有效的应用方案。

从上述对现有技术的介绍分析可见，目前在国内尚无将先进的电压控制方法和有效的无互联线并联方法结合实现逆变器并联控制的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于下垂法的无互联线并联逆变器控制技术，既能使逆变器达到很高的输出精度，又能将谐波畸变抑制在很小的范围内，而且能够实现各逆变器之间的均流，从而改进逆变器并联系统的可靠性和灵活性。

本发明的技术方案的具体实现是把单个逆变器控制成电压源，并对参考电压信号进行下垂控制，其步骤为：

第一步，利用霍尔传感器测量逆变器的电感电流和电容电压，根据测得的电压与电流对逆变器的输出电压进行双环反馈控制。其中，内环为电感电流控制，外环为电容电压控制。内环采用比例控制器，外环采用线性控制器，即比例控制器结合一系列带通滤波器，通带频率为工频与各奇次谐波频率；

第二步，利用公式d_ff＝v_ref/V_dc，将参考电压转化为占空比进行前馈，从而减小电压补偿器的误差；

第三步，配置比例反馈系数以及带通滤波器的增益。电流环比例反馈系数为L/T_s/V_dc/2，电压环比例反馈系数为C/T_s/2。带通滤波器的增益根据各次谐波所需的输出阻抗幅值而定，增益的倒数就是逆变器实际输出阻抗的理论幅值；

第四步，为了实现并联运行的无互联线控制，根据逆变器的输出有功功率和无功功率，对参考电压的幅值和相位进行下垂控制，作为电压外环的指令信号；

第五步，将电压控制环与电流控制环的输出反馈占空比信号与前馈占空比信号相加，作为逆变全桥的驱动信号。采用双极性脉冲宽度调制(PWM)方法，获得控制逆变全桥中各个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件的PWM信号。

本发明通过线性前馈控制器将逆变器控制成电压源，并且使用下垂法调节逆变器的参考电压，使得逆变器的控制精度得到了有效提高，大大减小了非线性负载带来的输出电压畸变，使得无互联线并联逆变器系统的应用成为可能。

附图说明

图1是本发明所适用的逆变器主电路的原理图；

图2是控制电路核心部分框图；

图3是逆变器的二端口戴维宁等效电路图；

图4(a)是图3中输出电压对参考电压增益G的波特图；

图4(b)是图3中输出阻抗Z_o的波特图；

图5(a)是两并联逆变器接线性负载时的输出电流和输出电压波形图；

图5(b)是两并联逆变器接线性负载时的输出电压的频谱分析结果图；

图5(c)是两并联逆变器接线性负载和非线性负载时的输出电流和输出电压波形图；

图5(d)是两并联逆变器接线性负载和非线性负载时的输出电压的频谱分析结果图；

图5(e)是两并联逆变器接非线性负载时的输出电流和输出电压波形图；

图5(f)是两并联逆变器接非线性负载时的输出电压的频谱分析结果图；

具体实施方式

附图是本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：

参照图1所示，直流电通过逆变全桥变为交流，其输出通过滤波电感L和滤波电容C向负载供电。Z_cable表示输出到负载的线路阻抗，r_L表示滤波电感的寄生电阻，负载接在输出端口上，但是没有在图中画出。

参照图2所示，用霍尔传感器测量输出电压v_o和电感电流i_L，作为逆变器的反馈控制信号。采用数字信号处理器，对系统进行数字控制。反馈控制器采用双环控制方法：内环为电感电流比例控制，提高控制的执行效率，参数选取为k_c＝L/T_s/2；外环是电容电压比例+工频谐振+谐波谐振控制，控制器的z域表达式为：

其中分式代表某次谐波的数字带通滤波器，通常由双线性变换法得出。k_v的取值为C/T_s/2，k_h的取值根据实际所需的输出阻抗值来确定。例如如果需要逆变器在3次谐波处(150Hz)具有0.1欧姆的阻值，则取k₃＝10。除了双环反馈控制之外，图2中另外一个很重要的控制器就是前馈控制器。前馈控制可以降低稳态误差，提高动态响应速度，并不影响系统的稳定性。因此，占空比的前馈系数选取为k_ff＝v_ref/V_dc。双环反馈与占空比前馈相结合，组成了整个逆变器的控制器。最终的占空比经过数字信号处理器的调制，生成PWM信号驱动逆变全桥。

本系统并不需要检测输出电压中的谐波成分，而可以实现对输出电压的谐波抑制。这个功能是由控制器中的一系列数字带通滤波器实现的。使用这样的反馈控制器，不但能够实现接近单位1的输出电压增益，而且可以达到用户所需的低输出阻抗，为系统的实际应用带来了极大的方便。前馈控制器的结合，进一步提高了逆变器的输出精度和响应速度，使该控制方案的实用价值大大增加。

参照图3所示，该图表示逆变器的二端口戴维南等效电路图。由于逆变器的输出电压被控制，因此可以把逆变器看作是一个非理想电压源。其中，G为逆变器参考电压到输出电压的增益，Z_o为逆变器的输出阻抗。对于所有并联逆变器，输出增益通常要求严格一致，本发明实例也采用完全一致的增益G。对于逆变器的输出阻抗，其大小可根据额定输出功率而定。阻抗匹配要求输出功率与阻抗大小成反比，而本发明实例中的并联逆变器采用等功率输出，因而每个逆变器的输出阻抗设置完全相同。

参考电压的幅值和相位还要根据逆变器的输出功率进行下垂控制，以实现无互联线并联功能。本系统采用最简单的下垂法，即有功功率——参考电压幅值的线性递增控制，以及无功功率——参考相位的线性递减控制。

参照图4(a)、(b)所示，给出了本系统等效电路的频率响应分析结果，其中图4(a)为输出电压增益G的频率响应，其中横坐标表示角频率，纵坐标分别表示幅值和相角；图4(b)输出阻抗Z_o的频率响应，其中横坐标表示角频率，纵坐标分别表示幅值和相角。

可见，本系统的控制方法简单，只需要控制电容电压和电感电流，就可以实现很高的控制精度和谐波抑制能力，并且可以按照输出功率的需求对输出阻抗进行合理配置，实现可靠的并联均流效果。

以下给出实验例：

实验以两个同等容量的逆变器并联为例，实验中的线性负载采用电炉丝，非线性负载采用整流桥，线性负载和非线性负载还可以并联在一起供测试使用。逆变器的参考电压频率与电网同步，主电路参数为：L＝1.6mH、r_L＝0.4Ω、C＝10μF，测量电路采用最小二乘法对测量结果进行校正，以保证反馈测量的准确性。

参照图5(a)、(b)、(c)(d)、(e)、(f)所示，给出了实验中各并联逆变器输出电流和输出电压的波形及其频谱分析结果，其中图5(a)为逆变器带线性负载时输出电流和输出电压的波形图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流和电压幅值；图5(b)为图5(a)的输出电压的频谱分析结果，其中横坐标表示频率，纵坐标表示电压幅值，可见其中谐波含量基本可以忽略；图5(c)为逆变器带线性负载和非线性负载时输出电流和输出电压的波形图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流和电压幅值；图5(d)为图5(c)的输出电压的频谱分析结果，其中横坐标表示频率，纵坐标表示电压幅值，可见其中有较高的谐波含量；图5(e)为逆变器带非线性负载时输出电流和输出电压的波形图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流和电压幅值；图5(f)为图5(e)的输出电压的频谱分析结果，其中横坐标表示频率，纵坐标表示电压幅值，可见其中有很高的谐波含量。当谐波含量非常高，以至于总谐波畸变率(THD)高于5％时，输出电压畸变则超过IEEE1547-2003标准中所规定的上限。

参照图5(a)所示，测量得到的两个逆变器的输出电流基本相等，其有效值皆为3.9A，说明本系统的并联均流效果很好；参照图5(b)所示，测量计算得到两个逆变器的输出电压幅值达到指定值的97.4％，而THD仅为0.6％，满足IEEE1547-2003标准。参照图5(c)和图5(e)所示，观察示波器可以看出两个逆变器的输出电压稍有畸变。参照图5(d)和图5(f)所示，测量计算得到逆变器的输出电压幅值分别达到指定值的97.8％和98.5％，而THD分别为1.2％和1.5％，在两种接有非线性负载的情况下输出电压质量都完全满足IEEE1547-2003标准。

对实验结果进行整理，得出下表：

表：线性控制器与前馈控制结合的新方案与传统的比例谐振控制器方案的性能比较

从以上结果可见，使用本发明所提出的新控制器，不但提高了输出电压的跟踪精度，使电压幅值更接近于电网所要求大小，而且还保证了输出电流的均流效果，取得了良好的输出特性。在有非线性负载的情况下，采用本发明中的新控制方法，使得输出电压中的谐波成分大大降低，不会因为输出电压畸变而造成谐波污染，保证了整个并联逆变器系统运行的稳定性、有效性、可靠性和灵活性。

Claims

1.一种电压型并联逆变器的控制方法，采用线性反馈控制器与前馈控制相结合，把逆变器控制成电压源，并对参考电压信号进行下垂控制，其特征在于：利用霍尔传感器测量逆变器的电感电流和电容电压，对逆变器的输出电压进行电压与电流的双环反馈控制。其中，内环为电感电流的比例控制器，外环为电容电压的线性控制器，即比例控制器结合一系列带通滤波器，通带频率为工频与各奇次谐波频率。

2.根据权利要求1所述的电压型并联逆变器的控制方法，其特征在于，电流环反馈系数为L/T_s/V_dc/2，电压环比例反馈系数为C/T_s/2。带通滤波器的增益根据各次谐波所需的输出阻抗幅值而定。在此基础上，利用公式d_ff＝v_ref/V_dc，将参考电压转化为占空比进行前馈，以减小电压补偿器的误差；

3.根据权利要求1所述的电压型并联逆变器的控制方法，其特征在于，为实现逆变器并联运行的无互联线控制，根据逆变器的输出有功功率和无功功率，对参考电压的幅值和相位进行下垂控制。