CN104158224A - 一种针对z源逆变器并网/离网切换的控制算法 - Google Patents
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Abstract
一种针对Z源逆变器并网/离网切换的控制算法。属于新型逆变拓扑控制技术领域。本发明依据Z源逆变器拓扑结构特点和Z源逆变器在实际应用中存在并网和离网两种工作状态，针对两种工作状态间的切换过程，设计了Z源逆变器并网到离网过程中采用修正调制信号控制算法，离网到并网过程中采用电感电流渐增控制算法，以确保Z源逆变器切换过程平稳。本发明物理意义明确，实用性强，能够达到Z源逆变器并网和离网两种工作状态间协调平稳的切换，在切换过程中对电网和用电设备冲击小，实现系统稳定运行，可靠安全的控制目标，使Z源逆变器并网和离网运行的控制全过程得到完善。
Description
技术领域
本发明属新型逆变拓扑控制技术领域，具体涉及一种针对Z源逆变器的并网/离网切换控制算法，基于Z源逆变器自身特点，实现并网/离网工作状态的平滑切换。
背景技术
随着能源的枯竭，以及生产生活对电能消耗的增长，利用可再生能源发电受到越来越多人的关注。而在可再生能源中，太阳能具有清洁、无污染，可以贴近居民区安装的优势，因此太阳能发电快速发展。然而制约太阳能发电应用的首要因素是太阳能发电的稳定性较差，因此需要具有高升压比、高效安全的逆变器配合太阳能发电。Z源逆变器具有升压比大，无需死区时间等优势，但由于大多数的针对Z源逆变器的控制方法（F. Z Peng. Four quasi-Z-Source Inverters. IEEE2008:2743-2749；J.W.Jung, A.Keyani. Control of a Fuel Cell Based Z-Source Converter. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2007, 22(2): 467-468；Yu Tang, Shaojun Xie, Chaohua Zhang. Single-phase Z-Source Inverter. IEEE Transactions on Power Electronics. 2011, 26(12):3869-3873）未涉及Z源逆变器在实际应用中的并网和离网的切换问题，而仅是对Z源逆变器的并网或者离网的任一工况下的控制进行分析，因此在Z源逆变器的实际应用控制中存在盲点。由于Z源逆变器电感电容电磁惯性大的特点，直接采用传统逆变器的并网和离网的切换控制（JIANG Ji. Research on Control Strategy for Three-Phase Double Mode Inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012,27(2): 52-58；YANG Zi-long, WU Chun-sheng, WANG Huan. Design of Three-phase Inverter System with Double Mode of Grid-Connection and Stand-alone[J]. Power Electronics, 2010,44(1): 14-16；GUO Liang. Research on Indirect Current Control Algorithm for Grid-connected Inverter[J]. Power Electronics, 2008,42(4):36-38）用于Z源逆变器，会造成对电网和负载电压电流冲击大的缺点，产生不必要的经济损失，只有根据Z源逆变器自身特点设计的并网/离网控制算法才能更好的解决所述逆变器并网和离网间的切换问题。
鉴于目前没有针对Z源逆变器的并网和离网切换控制算法，本发明结合Z源逆变器特点，提出了并网到离网过程中采用修正SVPWM调制信号控制算法，在离网到并网的切换中采用电感电流渐增控制算法。所述控制方法物理意义清晰，算法的针对性强，效果显著，能够有效地削弱切换过程中产生的过电压、过电流，很好地保护电网和设备安全。
发明内容
本发明的目的是针对Z源逆变器在并网/离网相互切换过程中电流电压冲击大的缺点，提出一种控制算法，减小切换过程中产生的冲击。结合Z源逆变器电容电感电磁惯性大的特点，提出并网到离网过程的修正SVPWM调制信号控制，离网到并网过程中的电感电流渐增控制，来实现两种工作状态间的平滑切换。
本算法发明是通过以下技术方案实现的：在Z源逆变器并网到离网的过程中，通过传感器检测所述Z源逆变器输出电压，确定是否离网运行。计算三相电压的最大变化率，当变化率大于1时，切断输出电压反馈，根据变化率大小迅速修正SVPWM调制信号。通过修正切换中SVPWM调制信号来弥补切换暂态，实现平滑切换；在离网到并网的过程中，由于离网模式时所述Z源逆变器的输出电流由负载特性决定，因此在向并网切换时易对电网产生电流冲击。根据Z源逆变器功率守恒和Z源网络电感电流不能突变的特点，检测所述Z源逆变器的电感电流，计算离网状态下后级逆变器的电流给定值，作为并网状态初始时刻的给定值。调整离网系统的相位跟随电网相位，当电压相位一致时，将Z源逆变器基于电压的控制模式切换到基于电流的控制模式，通过让并网电流给定值缓慢增加的控制方法，抵抗负载电流在切换前后的暂态变化，实现并网无冲击。
本发明有以下有益效果：1、本发明基于Z源逆变器并网到离网切换中存在的过电压问题，设计了并网到离网切换的SVPWM修正调制信号控制，通过电压微分量的加入预测冲击大小，进而设置调整修正系数K，使切换中过电压明显减小，有效的保护了设备；2、本发明基于离网到并网切换过程中电流冲击大的问题，设计了电感电流渐增控制，通过计算推导出电感电流和并网电流的关系，用电感电流控制并网电流，抑制了Z源逆变器由离网到并网过程中的过电流，减弱并网冲击，实现了并网/离网双状态间的平滑切换。
附图说明
图1为Z源逆变器并网/离网切换电路结构图。
图2为Z源逆变器并网/离网切换过程的控制框图。
图3为Z源逆变器并网到离网修正SVPWM调制信号控制示意图。其中，图3(301)为SVPWM调制信号的具体修正过程；图3(302)为G的输入输出表达式。
图4为并网到离网过程未加切换控制的控制效果和加入切换控制的控制效果比较。其中，图4(401)为未加修正SVPWM调制信号控制的控制效果；图4(402)为加入修正SVPWM调制信号控制的控制效果。
图5为离网到并网过程未加切换控制的控制效果和加入切换控制的控制效果比较。其中，图5(501)为未加电感电流渐增控制的控制效果；图5(502)为加入电感电流渐增控制的控制效果。
具体实施方式
为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。
图1为Z源逆变器并网/离网切换电路结构图。Z源逆变器的并网/孤岛运行的工况由开关K所连接的线路分支决定。并网模式时，需控制输出的电流跟随电网电压变化，与电网电压同频反相，是基于电流的控制模式；孤岛模式时，需控制输出的电压符合负载电压要求，是基于电压的控制模式。要实现并网/孤岛间的切换，控制流程如图2所示。假定所述的Z源逆变器初始时刻工作在并网运行状态，控制模式为基于电流的控制模式，实时监测电网的工作状态，采用检测点处的电网电压和频率检测相结合的方式，判定电网出现异常时，发出退网的切换信号；所述Z源逆变器转为孤岛运行状态，控制模式为基于电压的控制模式，检测电网电压和频率，判定电网此时是否正常运行，调整所述的Z源逆变器输出电压的幅值和相位同电网电压幅值和相位匹配，切换开关并网运行。
在并网到孤岛切换过程，具体实施方案如图3所示，采集所述Z源逆变器输出三相电压进入微分环节，取三者最大值为u，由G的表达式计算系数k，与U ref 相乘，其中U ref 为SVPWM的原始调制信号。所产生的影响为，以电压变化率大小迅速修正SVPWM调制信号，电压变化率同输出调制信号幅值成反比，输出电压冲击变化率越大，调制信号幅值减小的越多。由此种反馈实现并网到孤岛切换时有效削弱过电压。如图4所示，未修正前(图4(401))，直接切换过电压峰值为580V，且暂态过程较长，修正后(图4(402))，过电压峰值为395V，且迅速恢复稳态。
在孤岛到并网切换过程，具体实施方案为：由功率守恒定律可知，所述Z源逆变器直流侧输入功率等于交流侧有功功率，即U in I L =(1-D 0 )(e d i d +e q i q )，其中D 0 为直通占空比，由于I L不能突变，故i d不突变。用i d =(U in I L /(1-D 0 )- e q i q )/e d 作为并网有功电流的给定值i d *，可以实现并网电流的缓慢增加，使并网无冲击。孤岛到并网切换中由于输出电压被电网钳制，故电压畸变可忽略，而为了减小并网电流对电网的冲击，采用电感电流渐增控制。如图5(501)所示，通过电感电流i d计算出并网电流给定值i d *，通过渐增控制使并网电流平缓增加，如图5(502)所示，最终进入稳态，避免了并网电流冲击。
Claims (3)
1.一种针对Z源逆变器并网/离网切换的控制算法，其特征在于，并网到离网过程中采用修正SVPWM调制信号控制算法，在离网到并网的切换中采用电感电流渐增控制算法。
2.根据权利要求1所述的针对Z源逆变器并网/离网切换的控制算法，其特征在于，在Z源逆变器并网到离网的过程中，通过传感器检测所述Z源逆变器输出电压，确定是否离网运行；计算三相电压的最大变化率，当变化率大于1时，切断输出电压反馈，根据变化率大小迅速修正SVPWM调制信号;通过修正切换中SVPWM调制信号来弥补切换暂态，实现平滑切换；在离网到并网的过程中，检测所述Z源逆变器的电感电流，计算离网状态下后级逆变器的电流给定值，作为并网状态初始时刻的给定值；调整离网系统的电压相位跟随电网相位，当相位一致时，将Z源逆变器基于电压的控制模式切换到基于电流的控制模式，通过让并网电流给定值缓慢增加的控制方法，抵抗负载电流在切换前后的暂态变化，实现并网无冲击。
3.根据权利要求1所述的针对Z源逆变器并网/离网切换的控制算法，其特征在于，并网到离网切换的SVPWM修正调制信号控制，通过电压微分量的加入预测冲击大小，进而设置调整修正系数k，使切换中过电压明显减小；离网到并网切换的电感电流渐增控制，通过计算推导出电感电流和并网电流的关系，用电感电流控制并网电流，抑制了Z源逆变器由离网到并网过程中的过电流。
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