CN103219911B - 一种基于无差拍控制方法的离网逆变器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于无差拍控制方法的离网逆变器及其工作方法,涉及一种离网逆变器。传统的正弦波光伏离网逆变器采用电压闭环,使得输出电压为标准正弦波(考虑电压),但逆变器采用电压闭环PID控制使得逆变器输出电压稳定度低,带载能力弱且THD值大。本发明包括升压电路、与升压电路相连的全桥逆变电路、电压采样电路及与电压采样电路相连的控制器,其特征在于:还包括与全桥逆变电路输出端相连的LC滤波器,控制器中设有计算模块和SPWM模块,所述的计算模块根据传递函数:计算输出电压Uin,并通过SPWM模块控制全桥逆变电路的输出。本技术方案变负载时过冲电流小,带不同负载时,具有良好的带载能力,并能获得较好的输出电压波形。

Description

一种基于无差拍控制方法的离网逆变器及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种离网逆变器。
背景技术
[0002] 随中国工业的可持续发展,传统能源的替代刻不容缓。寻求新的合适可替代能源 成为世界性的课题。新型能源中,太阳能以其清洁、无污染,并且取之不尽、用之不竭等优点 越来越得到人们的关注。世界上大部分地方都可以接收到太阳能,因此在大部分地段都可 以使用光伏发电。小型风力发电与水力发电更多依赖于特定的场所。同时,因为全球的日 照强度的数据公开,故在一定的海拔内,光照强度基本不变。不需要对当地的资源数据做长 期的调查。故在公共电网无法覆盖的边远地区以及重要负载设备与照明设施的电源等领域 中,光伏离网逆变器具备较好的应用前景。
[0003] 传统的正弦波光伏离网逆变器采用电压闭环,使得输出电压为标准正弦波(考虑 电压)。但逆变器采用电压闭环PID控制使得逆变器输出电压稳定度低,带载能力弱且THD 值较大。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进, 提供一种基于无差拍控制方法的离网逆变器及其工作方法,以达到增强离网逆变器带载能 力的目的。为此,本发明采取以下技术方案。
[0005] -种基于无差拍控制方法的离网逆变器,包括升压电路、与升压电路相连的全桥 逆变电路、电压采样电路及与电压采样电路相连的控制器,其特征在于:还包括与全桥逆变 电路输出端相连的LC滤波器,控制器中设有计算模块和SPWM模块,所述的计算模块根据传
Figure CN103219911BD00031
块控制全桥逆变电路的输出。
[0006] -种基于无差拍控制方法的离网逆变器的工作方法,包括以下步骤:
[0007] 1)初始化U_t、UMf、U sample、A、B、u_l;其中,U_t为计数值,U 为参考电压值, Usample为采样电压值,u_l为全局变量,A为CL/T s2, B为IV(RTs);该步骤用于程序中变量初 始化;
[0008] 2)计算 Uemr=Uref-Usaniple;该步骤计算误差;
[0009] 3)计算 Uin= (((Uemr - u_l) *A+B*UerrJ +Uref) dc为直流母线电压; 该步骤等效于简化的差分方程;
[0010] 4)判断Uin>U_t,若否,则Uin=U ramt;该步骤用于控制器上限限幅;
[0011] 5)判断Uin〈0,若否,则Uin=O;该步骤用于控制器下限限幅;
[0012] 6) u_l=Uem,,更新u_l数据;该步骤用于差分方程的队列结构更新;
[0013] 7)将Uin计算结果输出给SPWM模块,通过SPWM模块输出高低电平来控制全桥逆 变电路中开关管的通断,使参考电压值与实际电压值驱于一致。该步骤用于输出开关管占 空比。
[0014] 作为对上述技术方案的进一步完善和补充,本发明还包括以下附加技术特征。
[0015] 采用幅度为[_1,1]的双极型SPWM波,差分方程对应的时域表达式为:Uin= (机"«-11_1)私+8*^+4#;其中1_为参考电压与采集电压的差值,^ {为内部给定的 正弦信号,u_l为全局变量,A为CL/Ts2, B为IV(Rts)。
[0016] 计算模块将输出电压Uin经过限幅后输出给SPWM模块,1"=((饥"。,-u_l) *A+B*UM) +Urrf)其中U。。_为SPWM模块计数值,U d。为直流母线电压。
[0017] 有益效果:本控制方法具备变负载时过冲电流小,带不同负载时,具有良好的带载 能力,并能获得较好的输出电压波形。
附图说明
[0018] 图1是本发明控制框图。
[0019] 图2为本发明LC滤波器拓扑。
[0020] 图3为本发明输出波形。
[0021] 图4为本发明流程图。
具体实施方式
[0022] 以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0023] 采用电压源型LC型滤波器的离网逆变器逆变侧主电路拓扑见附图1。在单相并网 逆变器的逆变中,U d。为前级BOOST电路输出侧并联大电容等效的恒压源。Q i、Q2、Q3、Q4四个 功率器件组成全桥逆变电路。电感、电容单元构成LC滤波器,电阻R为等效的负载。其逆 变原理是,给定正弦交流信号与采集的负载端的电压进行比较,误差送入控制环节进行校 正。控制环节的目的调节LC滤波器引入的信号幅度衰减以及相位滞后。调节后的控制信 号送入SPWM环节,进一步由SPWM环节产生的脉宽波控制开关管的占空比。因为SPWM脉宽 波中不可避免的含有载波频率的整数倍及其附近的谐波分量。为了获得更好的输出电压波 形,需要LC滤波器消除高次谐波。虽然随着载波频率的增加,最低次谐波离基波分量越远, 也就更容易实现滤波。但载波频率受到功率器件的开关速度以及开关损耗影响,不能够无 限制增加。而后级LC滤波器必须考虑噪声、抑制能力、输出阻抗、逆变电流应力等多方面因 素。故实际L、C的取值必须折中考虑。
[0024] 图1中,令U。、UHUio I10Uil^别为电容电压、电容电流、电感电压、电感电 流、电阻电压、电阻电流、调制电压。硬件平台的开关频率选择20kHz,离网逆变器输出交流 电压频率选择50Hz。选择滤波器的截至频率为lKHz。LC低通滤波器拓扑见附图2。列出 LC滤波器负载电压输出,调制电压输入的传递函数为:
Figure CN103219911BD00041
Figure CN103219911BD00051
标称阻抗R的范围为[4. 87. 7]。取标准阻抗R为6,由给定截至频率确定电感L=lmH,电容 C=26uF〇
[0027] 基于新型无差拍控制方法的离网逆变器,其具体实现步骤如下:
[0028] 1、在该LC滤波器电路拓扑中,由拉普拉斯变换得出Uin输出,U。输入的传递函数 为:
Figure CN103219911BD00052
[0030] 2、将式(2)转换成数字系统实现,数字系统常见的离散手段包括零阶保持器变换 法、一阶保持器变换法、脉冲响应不变变换法、双线性变换法、预先转折的改进型双线性变 换法、零极点匹配变换法。本文采用常规零阶保持器变换法将模拟系统离散化成数字化差 分方程。
Figure CN103219911BD00053
[0032] 无差拍控制方法是根据电路模型进行校正的预测方法。故由无差拍控制率进一步 将式3时延一拍以便于代码实现。化简后的公式为:
Figure CN103219911BD00054
[0034] 在Simulink下,对离网无差拍控制方法进行仿真测试。Z环节由给定信号替代,其 他时延环节由负载端的采集电压决定。由式5计算的控制信号直接送入SPWM环节进行调 制。仿真环境下,负载电阻选择80欧姆,实际的负载输出电压仿真波形见附图3。相同控制 器参数,不同负载的测试数据见表1。
[0035]
Figure CN103219911BD00055
Figure CN103219911BD00061
[0036] 仿真结果表明该方法具备带载能力强,输出电压谐波畸变值(THD)小等优点。
[0037] 由图3知对比常规PID控制方法,本方法具备变负载时过冲电流小。带不同负载 时,具有良好的带载能力,并能获得较好的输出电压波形。采用幅度为[_1,1]的双极型 SPWM波时,差分方程对应的时域表达式为:
[0038] Uin= ((Uerror_u_l)*A+B*Uerror)+Uref (5)
[0039] 1)初始化U_t、UMf、U sample、A、B、u_l;其中Uotot为参考电压与采集电压的差值。 U ref为内部给定的正弦信号,u_l为全局变量,A为CL/TS2, B为IV(RTs)。DSP芯片中,其流 程如图4所示。初始化U_t、UMf、U sample、A、B、u_l ;其中,Uraunt为DSP芯片的PWM模块计数 值,UMf为参考电压值,U sample为采样电压值,u_l为全局变量,A为CL/T s2, B为IV(RTs);
[0040] 2)计算 Uemr=Uref-Usaniple;
[0041] 3)计算仏11=(((仏"。,-11_1)*六+8*仏"。,)+^*4。咖/^+4。_山 (1。为直流母线电压;
[0042] 4)判断 Uin>UCQUnt,若否,则 Uin=Uramt;
[0043] 5)判断 Uin〈0,若否,则 Uin=O ;
[0044] 6) u_l=UerrOT,更新 u_l 数据;
[0045] 7)将Uin计算结果输出给SPWM模块,通过SPWM模块输出高低电平来控制全桥逆 变电路中开关管的通断,使参考电压值与实际电压值驱于一致。
[0046] 选择EPWM模块的向上计数模式。在EPWM模块中断内,由差分方程计算出的结果 U in经过控制器限幅后输出。由图3知,该控制策略下的离网逆变器可以保证较好的波形质 量。
[0047] 以上图1-4所示的一种基于无差拍控制方法的离网逆变器及其工作方法是本发 明的具体实施例,已经体现出本发明突出的实质性特点和显著进步,可根据实际的使用需 要,在本发明的启示下,对其进行形状、结构、方法等方面的等同修改,均在本方案的保护范 围之列。

Claims (4)

1. 一种基于无差拍控制方法的离网逆变器,包括升压电路、与升压电路相连的全桥逆 变电路、电压采样电路及与电压采样电路相连的控制器,其特征在于:还包括与全桥逆变电 路输出端相连的LC滤波器,控制器中设有计算模块和SPWM模块,所述的计算模块根据传递
Figure CN103219911BC00021
控制全桥逆变电路的输出;式中:C为电容值,L为电感值,R为电阻值。
2. 根据权利要求1所述的一种基于无差拍控制方法的离网逆变器,其特征在 于:采用幅度为[_1,1]的双极型SPWM波,差分方程对应的时域表达式为:Uin= ((Ue"OT-u_l)*A+B*Ue"J+Uref;其中Uemff为参考电压与采集电压的差值,_为内部给定的正 弦信号,u_l为全局变量,A为CL/TS2,B为IV(RTs)。
3. 根据权利要求2所述的一种基于无差拍控制方法的离网逆变器,其特征 在于:计算模块将输出电压Uin经过限幅后输出给SPWM模块』^=((卬6""-u_l) *A+B*UM) +Urrf)其中U。。_为SPWM模块计数值,Ud。为直流母线电压。
4. 根据权利要求1所述的一种基于无差拍控制方法的离网逆变器的工作方法,其特征 在于包括以下步骤: 1) 初始化1_,、^_咖丄8、11_1;其中,1_,为计数值,1{为参考电压值』_1^ 为采样电压值,u_l为全局变量,A为CL/TS2,B为IV(RTs); 2. TjjUerrorUUsampie; 3) 计算Uin=(((UerrOT -u_l) *A+B*UerrJ+Uref) dc为直流母线电压; 4) 判断Uin>U_t,若否,则Uin=U_t;控制上限; 5) 判断Uin〈0,若是,则Uin=O;控制下限; 6)u_l=Uotot,更新u_l数据; 7) 将Uin计算结果输出给SPWM模块,通过SPWM模块输出高低电平来控制全桥逆变电 路中开关管的通断,使参考电压值与实际电压值趋于一致;用于输出开关管占空比。
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