CN105552958A - 一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，包括主电路采取五电平电路的逆变器，以及设置在逆变器直流的升压电路；所述的升压电路可增加逆变器最大功率跟踪的范围的同时拓宽逆变器的调制比，同时保证逆变器直流侧输入电压的稳定性。本发明采取自适应滞环电流控制方法，与现有的滞环电流控制方法相比较具有以下优点：1.滤波电感的体积仅为相同条件下两电平的0.8；2.逆变器输出电流的THD不超过4.5%；3.直流侧最大功率跟踪效率达到99.95%以上；5.只是对SVPWM的矢量合成方式进行重新调整，并不增加硬件电路成本；滞环控制器对三相逆变器采取三个独立的方案完成，减少各项之间的耦合，控制方案更加简单、方便。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子与新能源发电的应用领域，具体说明为一种对光伏发电系统的电流控制系统采取自适应频率的滞环控制，消除常规滞环控制带来的频率变化对逆变器滤波环节的设计所带来的困难和采取定频率的滞环电流控制方法时光伏并网逆变器输出电能质量不高的缺陷。
背景技术
传统能源利用日趋紧张，并且其大规模的消费带来严重的污染问题。因此，21世纪的今天人类面临能源和环境的双重压力。而以太阳能发电、风力发电为代表的可再生能源发电可以同时解决这两个问题。在整个分布式电源中，光伏并网发电在可再生能源发电领域的比重越来越大。目前制约光伏发电的主要因素主要有两个方面：一是发电成本过高，二是光伏电池板的转换效率较低。因此，最大限度地提高光伏发电系统的发电效率以及发电质量是重中之重。
光伏发电的控制策略是保证把太阳能转换为电能的关键部分，传统的PI控制技术采取的定频率控制具有保证开关器件的频率恒定以及装置的安全性高等一系列优点，但是同时也具有反应速度慢，控制精度低等缺陷。比例谐振控制在电网电压频率在额定值式，可以完全消除稳态误差，提高输出电流的精度，但是由于电网的频率主要是由电网中的发电机等旋转设备所决定的，并且电网经常会出现投、切负荷以及大型功率的发电设备，造成电网频率在一定范围内波动。当电网频率波动时，比例-谐振控制器就不能消除稳态精度，跟踪的精度就会下降的尤为严重。因此，比例-谐振的控制策略对抑制谐波的能力受到一定的限制，并不能取得理想的控制效果。
为了提高控制系统的反应速度以及控制精度，以控制电流带宽的滞环电流控制被提出来。滞环电流控制的原理是一种简单的Bang-bang控制，它是集电流控制与PWM于一体的控制方法，利用实际电流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点。指令电流的上、下限形成一个滞环。滞环电流的具体控制方法就是将指令电流值与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中，然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件。与传统的PI控制、比例-谐振控制相比较而言，由于滞环控制是基于电流暂态的控制，因此动态响应快且控制系统的鲁棒性较好。同时传统的滞环控制本质是一种隐含载波的变频SPWM调制方式，其隐含的载波频率为会随电网电压的频率作周期性变化，并且变化的频率更快，为电网频率的两倍。
因此，滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较困难，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围内。常规的滞环控制严重影响光伏并网逆变器电流输出的质量，同时频率波动在一定程度上降低了系统的安全性。
发明内容
为了克服上述现有滞环电流控制技术中的不足，本发明提出了一种针对五电平光伏并网逆变器利用固定频率的滞环控制方法。通过自适应的带宽控制能保证逆变器开关器件工作在恒定频率下，一方面保证了控制系统的反应速度以及控制精度，同时降低了逆变器滤波器的设计难度，提高了逆变器输出的电能质量，减少对电网的污染。
本发明的目的是这样实现的：
一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，包括主电路采取五电平电路的逆变器，以及设置在逆变器直流侧的升压电路；所述的升压电路在增加逆变器最大功率跟踪的范围的以及拓宽逆变器的调制比，进而保证了逆变器直流侧输入电压的稳定性；
所述的逆变器输出的具有脉冲性质的电流经过LCL滤波器滤波后采样，一方面作为系统锁相环的输入，经过锁相环求出电网相位，作为整个控制系统中坐标变换一个输入；滤波后的电流另一个方面就是作为滞环控制器的实际电流采样输入；采取滞环控制的方式是在ABC坐标系下对三相独立分别控制，减少逆变器相与相之间的耦合，不需要再进行解耦处理；
作为滞环控制器中的滞环电流的参考电流的输入对于不同的相，其相位不同；当锁相环所得到的相位角作为A相的相位角，那么B相和C相的相位角分别滞后A相1200和超前1200，相位角的正弦值分别与电压环的PI输出相乘作为滞环控制器参考电流的输入值；而后参考电流再输入到自适应带宽计算环节，利用参考电流、开关频率、滤波电感的数值以及电网电压计算出来对应滞环宽度，然后把计算所得到的滞环宽度以及对应相的参考电流输入到滞环控制器中；滞环控制器的输出与对应相上的电容电流作比较后再经过控制器P最后经过SVPWM调制后输出的信号作为开关管的输入控制信号，来驱动开关管，由于电容电流主要用来调整控制系统的稳定性，而对跟踪的精度要求不高，因此作为电容电流的反馈环，只需要单个比例调节器就可完全满足系统要求。
所述的LCL滤波器包括电感器L1、滤波电容以及电感器L2，所述的电感器L2数值为电感器L1数值的1/2；
所述的升压电路包括升压电感L、开关管S以及续流二极管D。
积极有益效果：本发明采取自适应滞环电流控制方法，与现有的滞环电流控制方法相比较具有以下优点：1.滤波电感的体积仅为相同条件下两电平的0.8；2.逆变器输出电流的THD不超过4.5%；3.直流侧最大功率跟踪效率达到99.95%以上；5.只是对SVPWM的矢量合成方式进行重新调整，并不增加硬件电路成本；滞环控制器对三相逆变器采取三个独立的方案完成，减少各项之间的耦合，控制方案更加简单、方便。
附图说明
图1为本发明的控制方法系统方案图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明做进一步的说明：
一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，包括主电路采取五电平电路的逆变器，以及设置在逆变器直流侧的升压电路；所述的升压电路在增加逆变器最大功率跟踪的范围以及拓宽逆变器的调制比，进而保证逆变器直流侧输入电压的稳定性；
所述的逆变器输出的具有脉冲性质的电流经过LCL滤波器滤波后采样，一方面作为系统锁相环的输入，经过锁相环求出电网相位，作为整个控制系统中坐标变换一个输入；滤波后的电流另一个方面就是作为滞环控制器的实际电流采样输入；采取滞环控制的方式是在ABC坐标系下对三相独立分别控制，减少逆变器相与相之间的耦合，不需要再进行解耦处理；
作为滞环控制器中的滞环电流的参考电流的输入对于不同的相，其相位不同；当锁相环所得到的相位角作为A相的相位角，那么B相和C相的相位角分别滞后A相1200和超前1200，相位角的正弦值分别与电压环的PI输出相乘作为滞环控制器参考电流的输入值；同样参考电流再输入到自适应带宽计算环节，利用参考电流、开关频率、滤波电感的数值以及电网电压计算出来对应滞环宽度，然后把计算所得到的滞环宽度以及对应相的参考电流输入到滞环控制器中，滞环控制器的输出与对应相上的电容电流作比较后再经过控制器P最后经过SVPWM调制后输出的信号作为开关管的输入控制信号，来驱动开关管，由于电容电流主要用来调整控制系统的稳定性，而对跟踪的精度要求不高，因此作为电容电流的反馈环，只需要单个比例调节器就可完全满足系统要求。
本发明就是根据滞环宽度与逆变器不同的输出电压、电网电压的幅值以及参考电流之间的关系，通过调整滞环宽度从而保证逆变器功率开关管的频率恒定。由于光伏阵列在任何环境一定的情况下，均有一个最大功率输出点（Um，Im），因此需要配备一个最大功率跟踪的环节（MPPT），而通常MPPT输出电压降低，无法直接作为逆变器直流侧的输入电压，而在逆变器直流增加一个升压电路，在增加逆变器最大功率跟踪的范围的同时拓宽逆变器的调制比，最主要的是还可以保证逆变器直流侧输入电压的稳定性。为了得到更好的电能质量以及更好电流正弦波形，逆变器的主电路采取五电平电路。由于五电平逆变器的开关频率更高，就会带来输出电流的高频分量较大，低频分量相对减少，但是这样带来的好处就是能够减少滤波器的体积，因而在提取采样出来的电流时需要先经过一个高通滤波器进行滤波来消除采样电流中的谐波含量。
实施例
如图1所示，由升压电感L、开关管S以及续流二极管D组成的升压电路其作用主要有两个方面：一方面把光伏电池板输出的电压进行升高，来提高三相逆变器的调制比范围，另一方面由于对于不同的环境其最大功率点对应的光伏板输出电压不同，这样需要升压电路进行稳压，为逆变器直流侧提供一个稳定的直流电压。逆变器采取五电平电路，这样同样可以提高光伏板的最大功率跟踪的范围。电感器L1、滤波电容以及电感器L2组成LCL滤波器，采取LCL滤波器可以减少滤波器的体积，电感器L2数值只需要电感器L1的1/2就可。PLL为锁相环来提取三相电网电压的相位，作为逆变器并网的必要条件。同时锁相得到锁相角可以作为坐标变换的输入之一。通过霍尔元件采样的三相电流ia、ib、iac先进行坐标变换把三相电流变换到旋转坐标系下，通过HPF环节进行高频滤波，只保留基波部分。再进行归一化处理。而后再经过旋转坐标系到ABC坐标系的坐标变换，这样就可以分别得到三相电压的相位的正弦值。而后把每一相电压相位的正弦值与外环电压差值经PI输出所得到数值相乘，这样就可以得到三相逆变器电流环的参考值，送入到滞环控制器中。由于逆变器采取的是五电平结构的主电路，对应于不同的电平输出，其输出带宽输出的形式不同，式（1）-（4）分别为逆变器在2Vdc,Vdc,-Vdcand-2Vdc下的带宽。
这样根据，就可以根据不同的电平输出值，来调整滞环控制器的带宽，从而保证逆变器功率开关器件的频率恒定。
三相滞环的带宽作为滤波电容电流的参考值与各相电容电流比较后，直接送入到对应相的控制器中。由于电容电流的反馈只是来调整整个控制系统的稳定性，对控制精度要求不是太高，只选取单个比例（P）控制器就可满足要求。比例（P）控制器的输出再送到到脉冲调制环节，经过SVPWM控制后作为开关器件的触发信号。
本发明采取自适应滞环电流控制方法，与现有的滞环电流控制方法相比较具有以下优点：1.滤波电感的体积仅为相同条件下两电平的0.8；2.逆变器输出电流的THD不超过4.5%；3.直流侧最大功率跟踪效率达到99.95%以上；5.只是采取对SVPWM的矢量合成方式进行重新调整，并不增加硬件电路成本；滞环控制器对三相逆变器采取三个独立的方案完成，减少各项之间的耦合，控制方案更加简单、方便。
以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。
Claims (5)
1.一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，其特征在于：包括主电路采取五电平电路的逆变器，以及设置在逆变器直流侧的升压电路；所述的升压电路在增加逆变器最大功率跟踪的范围的以及拓宽逆变器的调制比，同时保证逆变器直流侧输入电压的稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，其特征在于：所述的逆变器输出的具有脉冲性质的电流经过LCL滤波器滤波后采样，一方面作为系统锁相环的输入，经过锁相环求出电网相位，作为整个控制系统中坐标变换一个输入；滤波后的电流另一个方面就是作为滞环控制器的实际电流采样输入；采取滞环控制的方式是在ABC坐标系下对三相独立分别控制，减少逆变器相与相之间的耦合，不需要再进行解耦处理。
3.根据权利要求2所述的一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，其特征在于：作为滞环控制器中的滞环电流的参考电流的输入对于不同的相，其相位不同；当锁相环所得到的相位角作为A相的相位角，那么B相和C相的相位角分别滞后A相1200和超前1200，相位角的正弦值分别与电压环的PI输出相乘作为滞环控制器参考电流的输入值；同样参考电流再输入到自适应带宽计算环节，利用参考电流、开关频率、滤波电感的数值以及电网电压计算出来对应滞环宽度，然后把计算所得到的滞环宽度以及对应相的参考电流输入到滞环控制器中，滞环控制器的输出与对应相上的电容电流作比较后再经过控制器P最后经过SVPWM调制后输出的信号作为开关管的输入控制信号，来驱动开关管，由于电容电流主要用来调整控制系统的稳定性，而对跟踪的精度要求不高，因此作为电容电流的反馈环，只需要单个比例调节器就可完全满足系统要求。
4.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，其特征在于：所述的LCL滤波器包括电感器L1、滤波电容以及电感器L2，所述的电感器L2数值为电感器L1数值的1/2。
5.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器定频率的滞环电流控制方法，其特征在于：所述的升压电路包括升压电感L、开关管S以及续流二极管D。
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