CN104836467A - 基于有源降阶法的llcl并网逆变器及电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有源降阶法的LLCL并网逆变器,包括PWM逆变器、LLCL滤波器、用于监测并网电流的两个电流互感器、用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环和PWM驱动电路,PWM逆变器连接LLCL滤波器,LLCL滤波器连接电流控制环,电流控制环连接PWM驱动电路,PWM驱动电路连接PWM逆变器;两个电流互感器分别测量流经LC串联谐振支路和网侧串联电感的电流,并按照一定的权重系数相加所得作为逆变器输出电流的反馈控制信号,与相应的控制指令信号进行比较,得到的误差值经过PI调节器后的输出信号作为逆变器PWM调制信号,控制LLCL并网逆变器的输出电流波形和幅值。
Description
技术领域
本发明涉及电网变换器控制技术领域,尤其涉及一种基于有源降阶法的LLCL并网逆变器及电流控制方法。
背景技术
常见的LLCL并网逆变器,其电路如图1和图2所示,通常包括PWM逆变器、用于并网连接运行的LLCL滤波器、用于并网电流测量的电流互感器、用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环、PWM驱动电路。
所述的PWM逆变器采用四个绝缘栅双极型晶体管,两两串联后再并联,例如图1和图2所示的,第一绝缘栅双极型晶体管S1和第二绝缘栅双极型晶体管S2组成第一路串联电路,第三绝缘栅双极型晶体管S3和第四绝缘栅双极型晶体管S4组成第二路串联电路,第一路串联电路和第二路串联电路再并联,并与直流电源Vdc并联,第一绝缘栅双极型晶体管S1和第二绝缘栅双极型晶体管S2之间的导线作为PWM逆变器的第一输出端,第三绝缘栅双极型晶体管S3和第四绝缘栅双极型晶体管S4之间的导线作为PWM逆变器的第二输出端,第一输出端和第二输出端形成PWM逆变器输出电压ui。
所述的用于并网连接运行的LLCL滤波器包括LL电路和CL电路,LL电路包括串联的第一电感L1和第二电感L2,CL电路包括串联的串联谐振支路滤波电容Cf和串联谐振支路滤波电感Lf,第一电感L1的第一端连接PWM逆变器的第一输出端,第一电感L1的第二端连接第二电感L2的第一端,第二电感L2的第二端连接电网,PWM逆变器的第二输出端连接电网;串联谐振支路滤波电感Lf的第一端连接在第一电感L1和第二电感L2之间,串联谐振支路滤波电容Cf的第二端连接电网。
如图1所示,用于并网电流测量的电流互感器的采集端连接第一电感L1的第二端,采集的是PWM逆变器侧的电流,将PWM逆变器侧的电流作为反馈电流发送给加法器,加法器将反馈电流和指令电流i*进行加法运算,再通过电流控制环发送给PWM驱动电路,从而控制PWM逆变器的输出。
如图2所示,用于并网电流测量的电流互感器的采集端连接第二电感L1的第二端,采集的是电网侧的电流,将电网侧的电流作为反馈电流发送给加法器,加法器将反馈电流和指令电流i*进行加法运算,再通过电流控制环发送给PWM驱动电路,从而控制PWM逆变器的输出。
逆变器在并网运行时为输出电流控制,以保证输出电流为严格的、具较高功率因数的正弦波。然而,传统的LLCL并网逆变器电流控制方法大都以流经逆变侧电感的电流(即逆变输出电流i1)或者流经电网侧电感的电流(电网电流i2)为反馈电流,再利用PI调节等方法对误差信号进行调节来控制并网逆变器的输出电流。但是,由于LLCL结构的滤波器为高阶系统,使得滤波器在转折频率附近存在很大的增益尖峰,为保证控制系统的稳定,PI调节器的增益受到限制,取值较小,从而使系统在低频段的开环增益较小,降低了并网逆变器对输出电流稳态误差和谐波干扰的抵抗能力,还容易受电网电压畸变的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有源降阶法的LLCL并网逆变器及电流控制方法,增强系统对电网畸变和谐波干扰的抵抗能力,并限制电网电流波形失真和谐波含量。
本发明采用的技术方案为:
一种基于有源降阶法的LLCL并网逆变器,包括PWM逆变器、用于并网连接运行的LLCL滤波器、用于并网控制的电流控制环和PWM驱动电路,PWM逆变器连接LLCL滤波器,LLCL滤波器连接电流控制环,电流控制环连接PWM驱动电路,PWM驱动电路连接PWM逆变器;其特征在于:还包括用于监测并网电流的两个电流互感器和用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环;第一电流互感器的采样端连接串联谐振支路滤波电感的第一端,用于测量串联谐振支路的电流,第二电流互感器的采样端连接第二电感的第二端,用于测量电网侧的电流;所述的用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环包括第一放大器和第二放大器、第一加法器和第二加法器、PI调节器和PWM发生电路;第一加法器、第二加法器、PI调节器和PWM发生电路依次串联,且第一电流互感器的输出端通过第一放大器连接第一加法器的第一输入端,第二电流互感器的输出端通过第二放大器连接到第一加法器的第二输入端,第一加法器的输出端和指令电流接入第二加法器的输入端,PWM发生电路连接PWM驱动电路;用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环用于对第一电流互感器采集的信号按照权重系数k1放大、第二电流互感器采集的信号按照权重系数k2放大,且使得k1与k2的比例值满足反馈电流相对于逆变器输出电压的信号增益降为一阶函数。
根据权利要求1所述的基于有源降阶法的LLCL并网逆变器的电流控制方法,包括以下步骤:
步骤A:安装用于监测并网电流的两个电流互感器;第一电流互感器的采样端连接串联谐振支路滤波电感的第一端,第二电流互感器的采样端连接LL电路中的第二电感的第二端;第一电流互感器和第二电流互感器的输出端分别通过第一放大器和第二放大器连接到第一加法器的第一输入端和第二输入端;
步骤B:计算PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的信号增益,即输出滤波器的传递函数并判定此传递函数的阶级数;
设PWM逆变器侧电流i1作为初级反馈电流即i1相当于则PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
其中,ui为PWM逆变器的输出电压,ui中的i是逆变器的英文首字母,仅作为区分使用;i1为流经并网逆变器侧的电流;L1为并网逆变器侧第一电感;L2为电网侧的第二电感;其中:L=L1+L2,L1=αL,α是比例系数;Cf串联谐振支路滤波电容;Lf串联谐振支路滤波电感,f为区分下标,无特别含义;中的fp为区分下标,无特别含义;
由公式⑴可以看出,PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤C:计算电网侧电流i2相对于逆变器输出电压ui的信号增益,即输出滤波器的传递函数并判定此传递函数的阶级数;
设第二电流互感器采集的电网侧电流i2作为初级反馈电流即i1相当于则电网侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
其中,i2为流经电网侧电流;中的fd为区分下标,无特别含义;
由公式⑵可以看出,电网侧电流i2相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤D:将第一电流互感器将采集的串联谐振支路的电流信号与第二电流互感器采集的电网侧电流信号进行放大与加权计算处理,得到新的反馈电流if,并计算新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的信号增益;
步骤D1:将第一电流互感器采集的串联谐振支路的电流iLC发送给第一放大器,设第一放大器的权重系数为k1,第二电流互感器采集的电流信号发送给第二放大器,设第二放大器的权重系数为k2;
步骤D2:第一放大器和第二放大器将放大后的信号发送给第一加法器,经过第一加法器的加权计算后,输出的信号作为新的反馈电流if;
由于 公式⑶
其中,f是便于区分的下标,无特别含义;
则经过第一加法器整理得到的新的反馈电流if为:
if=k1i1+(k2-k1)i2 公式⑷
步骤D3:新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
由公式⑸可以看出,新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤E:利用有源降阶法,将公式⑸降低为一阶函数;
设公式⑸中的权重系数满足化简可得:
由公式⑹可以看出,新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数降为一阶系统;
步骤F:将步骤E得到的新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的一阶传递函数发送给第二加法器,并与相应的控制指令电流进行比较,得到的误差值经过PI调节器后的信号依次经过PWM发生电路和PWM驱动电路,PWM驱动电路输出的信号作为PWM逆变器的调制信号,控制LLCL并网逆变器的输出电流波形和幅值。
本发明利用两个电流互感器分别测量流经LC串联谐振支路和网侧串联电感的电流,并以此两项电流按照一定的权重系数相加所得作为逆变器输出电流的反馈控制信号,与相应的控制指令信号进行比较,得到的误差值经过PI调节器后的输出信号作为逆变器PWM调制信号,控制LLCL并网逆变器的输出电流波形和幅值;通过选择合适的权重系数,实现被控对象传递函数的有源降阶,使受控系统从三阶系统降为一阶系统,控制性能得以改善,实现了并网逆变器的稳定输出,并有效地增强了对电网畸变和谐波干扰的抵抗能力。
附图说明
图1为现有利用逆变输出电流i1为反馈信号的LLCL并网逆变器电路图;
图2为现有利用电网电流i2为反馈信号的LLCL并网逆变器电路图;
图3为本发明的并网逆变器电路图;
图4为本发明的并网逆变器控制框图。
具体实施方式
如图3和图4所示,本发明包括PWM逆变器1、用于并网连接运行的LLCL滤波器2、用于并网控制的电流控制环4和PWM驱动电路5,PWM逆变器1连接LLCL滤波器2,LLCL滤波器2连接电流控制环4,电流控制环4连接PWM驱动电路5,PWM驱动电路5连接PWM逆变器1;还包括用于监测并网电流的两个电流互感器和用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环4;第一电流互感器3-1的采样端连接串联谐振支路滤波电感Lf的第一端,用于测量串联谐振支路的电流,第二电流互感器3-2的采样端连接第二电感L2的第二端,用于测量电网侧的电流;所述的用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环包括第一放大器K11和第二放大器K21、第一加法器V1和第二加法器V2、PI调节器和PWM发生电路;第一加法器V1、第二加法器V2、PI调节器和PWM发生电路依次串联,且第一电流互感器3-1的输出端通过第一放大器K11连接第一加法器V1的第一输入端,第二电流互感器3-2的输出端通过第二放大器K21连接到第一加法器V1的第二输入端,第一加法器V1的输出端和指令电流接入第二加法器V2的输入端,PWM发生电路连接PWM驱动电路;用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环用于对第一电流互感器3-1采集的信号按照权重系数k1放大、第二电流互感器3-2采集的信号按照权重系数k2放大,且使得k1与k2的比例值满足反馈电流相对于逆变器输出电压的信号增益降为一阶函数。
基于有源降阶法的LLCL并网逆变器的电流控制方法,包括以下步骤:
步骤A:安装用于监测并网电流的两个电流互感器;第一电流互感器3-1的采样端连接串联谐振支路滤波电感Lf的第一端,第二电流互感器3-2的采样端连接LL电路中的第二电感L2的第二端;第一电流互感器3-1和第二电流互感器3-2的输出端分别通过第一放大器K11和第二放大器K21连接到第一加法器V1的第一输入端和第二输入端;
步骤B:计算PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的信号增益,即输出滤波器的传递函数并判定此传递函数的阶级数;
设PWM逆变器侧电流i1作为初级反馈电流即i1相当于则PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
其中,ui为PWM逆变器输出电压,ui中的i是逆变器的英文首字母,仅作为区分使用;i1为流经并网逆变器侧电流;L1为并网逆变器侧第一电感;L2为电网侧的第二电感;其中:L=L1+L2,L1=αL,α是比例系数;Cf是串联谐振支路滤波电容;Lf是串联谐振支路滤波电感,f为区分下标,无特别含义;中的fp为区分下标,无特别含义;
由公式⑴可以看出,PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤C:计算电网侧电流i2相对于逆变器输出电压ui的信号增益,即输出滤波器的传递函数并判定此传递函数的阶级数;
设第二电流互感器3-2采集的电网侧电流i2作为初级反馈电流即i1相当于则电网侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
其中,i2为流经电网侧的电流;中的fd为区分下标,无特别含义;
由公式⑵可以看出,电网侧电流i2相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤D:将第一电流互感器3-1将采集的串联谐振支路的电流信号与第二电流互感器3-2采集的电网侧电流信号进行放大与加权计算处理,得到新的反馈电流if,并计算新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的信号增益;
步骤D1:将第一电流互感器3-1采集的串联谐振支路的电流iLC发送给第一放大器K11,设第一放大器K11的权重系数为k1,第二电流互感器3-2采集的电流信号发送给第二放大器K21,设第二放大器K21的权重系数为k2;
步骤D2:第一放大器K11和第二放大器K21将放大后的信号发送给第一加法器V1,经过第一加法器V1的加权计算后,输出的信号作为新的反馈电流if;
由于 公式⑶
其中,f是便于区分的下标,无特别含义;
则经过第一加法器V1整理得到的新的反馈电流if为:
if=k1i1+(k2-k1)i2 公式⑷
步骤D3:新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
由公式⑸可以看出,新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤E:利用有源降阶法,将公式⑸降低为一阶函数;
设公式⑸中的权重系数满足化简可得:
由公式⑹可以看出,新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数降为一阶系统;
步骤F:将步骤E得到的新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的一阶传递函数发送给第二加法器,并与相应的控制指令电流进行比较,得到的误差值经过PI调节器后的信号依次经过PWM发生电路和PWM驱动电路,PWM驱动电路输出的信号作为PWM逆变器的调制信号,控制LLCL并网逆变器的输出电流波形和幅值。
本发明利用两个电流互感器分别测量流经LC串联谐振支路和网侧串联电感的电流,并以此两项电流按照一定的权重系数相加所得作为逆变器输出电流的反馈控制信号,与相应的控制指令信号进行比较,得到的误差值经过PI调节器后的输出信号作为逆变器PWM调制信号,控制LLCL并网逆变器的输出电流波形和幅值;通过选择合适的权重系数,实现被控对象传递函数的有源降阶,使受控系统从三阶系统降为一阶系统,控制性能得以改善,实现了并网逆变器的稳定输出,并有效地增强了对电网畸变和谐波干扰的抵抗能力。
Claims (2)
1.一种基于有源降阶法的LLCL并网逆变器,包括PWM逆变器、用于并网连接运行的LLCL滤波器、用于并网控制的电流控制环和PWM驱动电路,PWM逆变器连接LLCL滤波器,LLCL滤波器连接电流控制环,电流控制环连接PWM驱动电路,PWM驱动电路连接PWM逆变器;其特征在于:还包括用于监测并网电流的两个电流互感器和用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环;第一电流互感器的采样端连接串联谐振支路滤波电感的第一端,用于测量串联谐振支路的电流,第二电流互感器的采样端连接第二电感的第二端,用于测量电网侧的电流;所述的用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环包括第一放大器和第二放大器、第一加法器和第二加法器、PI调节器和PWM发生电路;第一加法器、第二加法器、PI调节器和PWM发生电路依次串联,且第一电流互感器的输出端通过第一放大器连接第一加法器的第一输入端,第二电流互感器的输出端通过第二放大器连接到第一加法器的第二输入端,第一加法器的输出端和指令电流接入第二加法器的输入端,PWM发生电路连接PWM驱动电路;用于并网控制的含电流加权计算和电流误差计算以及比例积分调节的电流控制环用于对第一电流互感器采集的信号按照权重系数k1放大、第二电流互感器采集的信号按照权重系数k2放大,且使得k1与k2的比例值满足反馈电流相对于逆变器输出电压的信号增益降为一阶函数。
2.根据权利要求1所述的基于有源降阶法的LLCL并网逆变器的电流控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤A:安装用于监测并网电流的两个电流互感器;第一电流互感器的采样端连接串联谐振支路滤波电感的第一端,第二电流互感器的采样端连接LL电路中的第二电感的第二端;第一电流互感器和第二电流互感器的输出端分别通过第一放大器和第二放大器连接到第一加法器的第一输入端和第二输入端;
步骤B:计算PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的信号增益,即输出滤波器的传递函数并判定此传递函数的阶级数;
设PWM逆变器侧电流i1作为初级反馈电流,即i1相当于则PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
其中,ui为PWM逆变器的输出电压,ui中的i是逆变器的英文首字母,仅作为区分使用;i1为流经并网逆变器侧的电流;L1为并网逆变器侧第一电感;L2为电网侧的第二电感;其中:L=L1+L2,L1=αL,α是比例系数;Cf是串联谐振支路滤波电容;Lf是串联谐振支路滤波电感,f为区分下标,无特别含义;中的fp为区分下标,无特别含义;
由公式⑴可以看出,PWM逆变器侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤C:计算电网侧电流i2相对于逆变器输出电压ui的信号增益,即输出滤波器的传递函数并判定此传递函数的阶级数;
设第二电流互感器采集的电网侧电流i2作为初级反馈电流即i1相当于则电网侧电流i1相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
其中,i2为流经电网侧电流;中的fd为区分下标,无特别含义;
由公式⑵可以看出,电网侧电流i2相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤D:将第一电流互感器将采集的串联谐振支路的电流信号与第二电流互感器采集的电网侧电流信号进行放大与加权计算处理,得到新的反馈电流if,并计算新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的信号增益;
步骤D1:将第一电流互感器采集的串联谐振支路的电流iLC发送给第一放大器,设第一放大器的权重系数为k1,第二电流互感器采集的电流信号发送给第二放大器,设第二放大器的权重系数为k2;
步骤D2:第一放大器和第二放大器将放大后的信号发送给第一加法器,经过第一加法器的加权计算后,输出的信号作为新的反馈电流if;
由于 公式⑶
其中,f是便于区分的下标,无特别含义;
则经过第一加法器整理得到的新的反馈电流if为:
if=k1i1+(k2-k1)i2 公式⑷
步骤D3:新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数为:
由公式⑸可以看出,新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数为三阶函数;
步骤E:利用有源降阶法,将公式⑸降低为一阶函数;
设公式⑸中的权重系数满足化简可得:
由公式⑹可以看出,新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的传递函数降为一阶系统;
步骤F:将步骤E得到的新的反馈电流if相对于逆变器输出电压ui的一阶传递函数发送给第二加法器,并与相应的控制指令电流进行比较,得到的误差值经过PI调节器后的信号依次经过PWM发生电路和PWM驱动电路,PWM驱动电路输出的信号作为PWM逆变器的调制信号,控制LLCL并网逆变器的输出电流波形和幅值。
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CN1866719A (zh) * | 2006-05-08 | 2006-11-22 | 浙江大学 | 采用电感电流加权平均值反馈的并网逆变器电流控制方法 |
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C06 | Publication | ||
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EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |