CN105610335A - 一种静止坐标系下lcl并网逆变器的有源阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其一共包括七个步骤，包括：1、电网电压检测以及坐标变换；2、变换器侧电流检测以及坐标变换；3、直流电压控制以得到有功电流的直流参考值；4、变换器侧两相电流参考值的计算；5、交流电流的控制；6、通过主动阻尼网络得到逆变器输出电压的补偿值；7、电压空间矢量的生成。采用本发明能够在不增加任何额外传感器的条件下，有效实现对LCL滤波器谐振峰值的阻尼控制，而且简化了算法的复杂程度，降低了算法对于高性能数字控制器的要求，并且有效改善系统的效率和成本。

Description

一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，属于并网型PWM逆变器的控制技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展以及电网对并网型逆变器注入谐波电流的严格要求，在并网型PWM逆变器中采用LCL型滤波器取代L型滤波器在光伏发电、风力发电以及储能PCS系统等领域中得到了广泛的应用。

众所周知，相比L型滤波器，LCL型滤波器具有更好的谐波衰减特性，能够带来更好的谐波抑制效果，因此在并网逆变器中采用LCL型滤波器能够有效减小滤波器的体积和成本，降低注入电网的谐波电流含量。但是由于LCL滤波器存在固有谐振频率点，在谐波电压的激发下容易引起电路谐振，引起较大的谐振电流，严重情况下导致并网逆变器不能稳定运行，因此，对于LCL的谐振抑制控制或者阻尼控制成为众多学者研究的热点。

目前，已经出现的能够实现LCL谐振阻尼控制的方法主要分为两类，一类是无源阻尼控制，一类为有源阻尼控制。无源阻尼控制主要是在LCL滤波器的电容支路串联电阻，通过增加LCL的阻尼从而消除LCL的固有谐振频率点，这种方法简单，实现方便，但是增加阻尼电阻会带来一定的功率损耗，降低了系统的效率，而且也增加了系统散热的难度，此外无源阻尼方法也降低了LCL滤波器对于高频电流的衰减性能，因此这种方法难以满足高性能并网逆变器系统的要求。有源阻尼控制技术主要通过增加额外的控制算法来抑制LCL固有的谐振峰值点，公开号为102075108A和102545266A的中国发明专利通过反馈电容电流控制实现了LCL的有源阻尼控制，但是该方法需要额外增加电流传感器，既增加了系统的成本，也降低了系统的可靠性；公开号为103326386A的中国发明专利通过反馈电容电压控制实现LCL的有源阻尼控制，但是该方法需要增加电压传感器，而且反馈网络为一个纯微分环节，比较容易引入干扰噪声，影响系统的控制效果；公开号为1866719A的中国发明专利通过同时反馈电网侧电流和逆变器侧电流实现了LCL的阻尼控制，该方法需要同时检测电网侧电流和逆变器侧电流，将两个电流进行加权平均处理后实现LCL滤波器的有源阻尼控制，但是该方法也需要额外电流传感器。公开号为102522879A的中国发明专利，通过采用网侧电感电压反馈补偿，实现了对LCL滤波器的谐振阻尼，该方案的明显缺陷是需要提供额外的电压传感器来采集电感电压，增加了系统的硬件成本，此外控制算法中采用的微分调节器数字实现是一个难点，且微分环节比较容易引入干扰，影响系统的控制精度和稳定性；公开号为102263417A的中国发明专利，通过采用在滤波电容器上串联阻尼电阻以及引入滤波器电容电流反馈的混合阻尼方案，实现了对LCL滤波器的谐振阻尼，该方案的最大优点是具有较强的电网适应能力，最大缺陷是需要提供额外的电流传感器来采集滤波器电容电流，增加了系统的硬件成本，且增加了算法的复杂程度。上述专利所采用的方法均需要额外增加电流传感器或者电压传感器，显然不利于系统成本降低和提高系统的可靠性。

公开号为102710105A的中国专利，通过反馈变换器侧电流控制并将变换器侧电流通过一个比例模块和带通滤波器模块，在不增加传感器的基础上实现了LCL型PWM变流器的有源阻尼控制；公开号为102290820的中国专利，同样不增加额外传感器，将变换器侧电流通过一个一阶高通滤波器并反馈至电压输出值中从而实现了LCL滤波器的有源阻尼控制。但是上述方法均未公开该处有源阻尼网络的设计方法，而且反馈变换器侧电流控制并不能实现电网侧电流单位功率因数控制，此外，上述方法均在两相旋转坐标系下实现，需要对电压和电流分别进行派克变换以及一次电压反派克变换，增加了算法的复杂程度。

因此，针对现有技术的不足之处，本领域亟待提出在一种不需要增加任何传感器、算法实现简单，能够有效实现LCL型并网逆变器的有源阻尼控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了一种不需要增加任何传感器、算法简单、有效改善系统效率和成本的静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，解决了如何使得实现LCL型并网逆变器的有源阻尼控制方法既不需要增加任何传感器且算法简单的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过电网电压检测单元采样两相电网线电压，通过电网线电压到两相静止坐标系的坐标变换公式得到电网电压矢量在静止坐标系中的分量，通过直接计算得到电网电压的幅值以及电网相位角的正弦值和余弦值；

步骤二：通过电流检测以及变换单元采样两相变换器侧相电流，通过坐标变换公式得到变换器侧电流矢量在两相静止坐标系中的分量；

步骤三：通过直流电压控制单元采样直流电压值，将直流电压的参考值与实际值之间的误差值通过PI调节器得到电网侧有功电流的参考值送入电流指令生成单元中；

步骤四：计算电容支路无功电流值，并根据步骤三中得到电网侧有功电流的参考值和无功电流参考值得到变换器侧有功电流和无功电流的参考值并坐标变换到静止坐标系下；

步骤五：在两相静止坐标系中，将两个交流电流的参考值和反馈值的差值输入至两个电流控制单元中的两个PR调节器中得到变换器输出电压指令值；

步骤六：将静止坐标系下的变换器侧电流输入至有源阻尼控制单元的主动阻尼网络得到变换器输出电压的补偿值，变换器输出电压控制值减去变换器输出电压补偿值得到变换器输出电压的指令值；

步骤七：将变换器输出电压的指令值输入至空间矢量脉冲生成单元得到逆变器的驱动脉冲控制逆变器工作。

优选地，所述步骤一的实现包括以下具体内容：

步骤1.1：采样两相电网线电压u_gab和u_gbc，并通过坐标变换公式变换到两相静止坐标系下得到u_gα和u_gβ，所采用的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{g\mathrm{\α}}\\ u_{g\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{3}& \frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{gab}\\ u_{gbc}\end{array}\right];$

步骤1.2：根据步骤1.1得到的电网电压在αβ坐标系中的分量u_gα和u_gβ得到电网电压的幅值u_m以及电网电压相角的正弦值cos(θ)和余弦值sin(θ)，对应的计算公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_m=\sqrt{u_{ga}^2+u_{g\mathrm{\β}}^2}\\ cos\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{u_{g\mathrm{\α}}}{u_m},\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{u_{g\mathrm{\β}}}{u_m}\end{array}\right..$

优选地，所述的步骤二的实现包括以下具体内容：

步骤2.1：采样变换器侧两相电流值i_ia和i_ic，并利用坐标变换公式得到变换器侧电流矢量在αβ坐标系中分量i_iα和i_iβ，使用到的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{ia}\\ i_{i\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{\sqrt{3}}{3}& -\frac{2\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{ia}\\ i_{ic}\end{array}\right].$

优选地，所述步骤三的实现包括以下具体内容：

步骤3.1：采样直流电压值u_dc，将直流电压的参考值u_dc ^*与实际值u_dc之间的误差值送入PI调节器得到电网侧有功电流的参考值i_gd ^*，具体计算公式为：

${i_{gd}}^{*}=(k_{vp}+\frac{k_{vi}}{s})\·({u_{dc}}^{*}-u_{dc}).$

优选地，所述步骤四的实现包括以下具体内容：

步骤4.1：根据电网电压检测单元中电网电压的幅值u_m计算电容支路消耗的有功电流值i_cd和无功电流值i_cq，具体的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{cd}=0\\ i_{cq}={\mathrm{\ω}}_g{C}_f{u}_m\end{array}\right.,$

式中，ω_g为电网电压的电角度；C_f为LCL滤波器的电容值；

步骤4.2：根据电网侧电流有功电流参考值i_gd ^*和无功电流参考值i_gq ^*以及电容支路消耗的有功电流值i_cd和无功电流值i_cq，计算得到变换器侧电流的有功电流参考值i_id ^*和无功电流参考值i_iq ^*，具体的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{id}}^{*}={i_{gd}}^{*}-i_{cd}\\ {i_{iq}}^{*}={i_{gq}}^{*}-i_{cq}\end{array}\right.;$

步骤4.3：利用反派克变换公式将变换器侧的i_id ^*和无功电流参考值i_iq ^*变换到静止坐标系中得到变换器侧电流在静止坐标系中的参考值i_iα ^*和i_iβ ^*，使用的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i_{i\mathrm{\α}}}^{*}\\ {i_{i\mathrm{\β}}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& -sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{id}}^{*}\\ {i_{iq}}^{*}\end{array}\right].$

优选地，所述步骤五的实现包括以下具体内容：

步骤5.1：将静止坐标系下的两个电流参考值i_iα ^*和i_iβ ^*以及反馈值i_iα和i_iβ做差，并分别送入两个PR调节器，得到电流环PR调节器输出的电压值u_oα和u_oβ，具体的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o\mathrm{\α}}=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·({i_{i\mathrm{\α}}}^{*}-i_{i\mathrm{\α}})\\ u_{o\mathrm{\β}}=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·({i_{i\mathrm{\β}}}^{*}-i_{i\mathrm{\β}})\end{array}\right.;$

式中：ω_c为PR调节器的谐振角频率，此处取电网角频率即ω_c＝ω_g；ξ为PR调节器的阻尼系数；

步骤5.2：将电网电压值u_gα和u_gβ减去PR调节器输出电压值u_oα和u_oβ得到变换器输出电压控制值u_rα和u_rβ，其计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{r\mathrm{\α}}=u_{g\mathrm{\α}}-u_{o\mathrm{\α}}\\ u_{r\mathrm{\β}}=u_{g\mathrm{\β}}-u_{o\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

优选地，所述步骤六的实现包括以下具体内容：

步骤6.1：将变换器侧电流i_iα和i_iβ输入至主动阻尼网络H(s)得到变换器输出电压的补偿值Δu_iα和Δu_iβ，其中补偿网络的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2};$

其中，k为补偿网络的增益系数；γ为补偿网络的阻尼系数；ω_d为补偿网络的谐振角频率；

补偿网络中的三个参数按照下式来选择：

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{1}{3}\sqrt{\frac{(L_g+L_i)L_i}{L_g{C}_f}}\\ \mathrm{\γ}=0.1\\ {\mathrm{\ω}}_d=\sqrt{\frac{1}{L_g{C}_f}}\end{array}\right.;$

则输出电压的补偿值计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\α}}=i_{i\mathrm{\α}}\·\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2}\\ {\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\β}}=i_{i\mathrm{\β}}\·\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2}\end{array}\right.;$

步骤6.2：将变换器输出电压控制值u_rα和u_rβ减去变换器输出电压的补偿值Δu_iα和Δu_iβ得到变换器输出电压的指令值u_iα和u_iβ，计算公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{i\mathrm{\α}}=u_{r\mathrm{\α}}-{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\α}}\\ u_{i\mathrm{\β}}=u_{r\mathrm{\β}}-{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

优选地，所述步骤七的实现包括以下具体内容：

步骤7.1：将变换器输出电压指令值u_iα和u_iβ输入至空间矢量脉冲生成单元得到逆变器的六路驱动脉冲控制逆变器工作。

本发明不需要额外引入任何电压传感器或者电流传感器，同时对已有反馈变换器侧电流实现有源阻尼控制的方法进行了改进，将变换器侧电流通过一个具有一定增益的二阶高通滤波器来补偿变换器的输出电压从而实现对LCL滤波器谐振峰值的抑制。

本发明具有以下的优点：

1、在两相静止坐标系下实现对并网逆变器的控制，避免了对电流和电压进行繁琐的派克坐标变换，从而简化了算法的复杂程度；

2、充分利用了反馈变换器侧电流闭环控制，系统稳定裕度高的特点，减轻了LCL谐振阻尼网络的设计压力，通过设计阻尼网络将变换器侧电流反馈至变换器的输出电压，实现了对LCL型滤波器的有源阻尼控制，而不需要增加任何额外的电压或者电流传感器；

3、通过将电容电流补偿至变换器侧控制电流中，实现了反馈变换器侧电流间接控制电网侧电流的目标，能够实现精确的单位功率因数运行。

采用本发明能够在不增加任何额外传感器的条件下，有效实现对LCL滤波器谐振峰值的阻尼控制，而且简化了算法的复杂程度，降低了算法对于高性能数字控制器的要求，并且有效改善系统的效率和成本。

附图说明

图1为本发明一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法的实现框图；

图2(a)为本发明中引入主动阻尼网络之前的LCL滤波器结构框图；

图2(b)为本发明中引入主动阻尼网络之后的LCL滤波器结构框图；

图3为本发明中引入主动阻尼网络之前和之后LCL滤波器的伯德图；

图4(a)为本发明中引入主动阻尼网络之前逆变器系统电流内环的控制结构框图；

图4(b)为本发明中引入主动阻尼网络之后逆变器系统电流内环的控制结构框图；

图5(a)为本发明中引入主动阻尼网络之前逆变器系统电流内环的离散零极点根轨迹示意图；

图5(b)为本发明中引入主动阻尼网络之后逆变器系统电流内环的离散零极点根轨迹示意图；

图6(a)为投入有源阻尼网络时变换器侧电流的响应波形图；

图6(b)为稳态情况下LCL滤波器滤波效果示意图；

图6(c)为电流内环PR调节器的控制效果图；

图6(d)为单位功率运行情况下电网电压和电网侧电流的波形示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明的方法一共包括七个步骤，包括：1、电网电压检测以及坐标变换；2、变换器侧电流检测以及坐标变换；3、直流电压控制以得到有功电流的直流参考值；4、变换器侧两相电流参考值的计算；5、交流电流的控制；6、通过主动阻尼网络得到逆变器输出电压的补偿值；7、电压空间矢量的生成；具体步骤如下：

步骤一：通过电网电压检测单元(6)采样两相电网线电压，通过电网线电压到两相静止坐标系的坐标变换公式得到电网电压矢量在静止坐标系中的分量，通过直接计算得到电网电压的幅值以及电网的相位角的正弦值和余弦值；具体包括：

步骤1.1采样两相电网线电压u_gab和u_gbc，并通过坐标变换公式变换到两相静止坐标系下得到u_gα和u_gβ，所采用的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{g\mathrm{\α}}\\ u_{g\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{3}& \frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{gab}\\ u_{gbc}\end{array}\right];$

步骤1.2根据步骤1.1得到的电网电压在αβ坐标系中的分量u_gα和u_gβ得到电网电压的幅值u_m以及电网电压相角的正弦值cos(θ)和余弦值sin(θ)，对应的计算公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_m=\sqrt{u_{g\mathrm{\α}}^2+u_{g\mathrm{\β}}^2}\\ cos\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{u_{g\mathrm{\α}}}{u_m},\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{u_{g\mathrm{\β}}}{u_m}\end{array}\right..$

式中：u_m为电网电压矢量的幅值也即电网相电压的幅值；cos(θ)和sin(θ)为电压电压矢量相角的正弦值和余弦值。

步骤二：通过电流检测以及变换单元(7)采样两相变换器侧相电流，通过坐标变换公式得到变换器侧电流矢量在两相静止坐标系中的分量，具体包括：

步骤2.1采样变换器侧两相电流值i_ia和i_ic，并利用坐标变换公式得到变换器侧电流矢量在αβ坐标系中分量i_iα和i_iβ，使用到的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{i\mathrm{\α}}\\ i_{i\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{\sqrt{3}}{3}& \frac{2\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{ia}\\ i_{ic}\end{array}\right].$

步骤三：通过直流电压控制单元(8)采样直流电压值，将直流电压的参考值与实际值之间的误差值通过PI调节器得到电网侧有功电流的参考值送入电流指令生成单元(9)中，具体包括：

步骤3.1采样直流电压值u_dc，将直流电压的参考值u_dc ^*与实际值u_dc之间的误差值送入PI调节器得到电网侧有功电流的参考值i_gd ^*，具体计算公式为：

${i_{gd}}^{*}=(k_{vp}+\frac{k_{vi}}{s})\·({u_{dc}}^{*}-u_{dc})$

式中：k_vp和k_vi分别为电压环PI调节的比例系数和积分系数。

步骤四：计算电容支路无功电流值，并根据步骤三中得到电网侧有功电流的参考值和无功电流参考值得到变换器侧有功电流和无功电流的参考值，并坐标变换到两相静止坐标系中，具体包括：

步骤4.1根据电网电压检测单元(6)中电网电压的幅值u_m计算电容支路消耗的有功电流值i_cd和无功电流值i_cq，具体的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{cd}=0\\ i_{cq}={\mathrm{\ω}}_g{C}_f{u}_m\end{array}\right.$

式中，ω_g为电网电压的电角度；C_f为LCL滤波器的电容值。

步骤4.2根据电网侧电流有功电流参考值i_gd ^*和无功电流参考值i_gq ^*以及电容支路消耗的有功电流值i_cd和无功电流值i_cq，计算得到变换器侧电流的有功电流参考值i_id ^*和无功电流参考值i_iq ^*，具体的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{id}}^{*}={i_{gd}}^{*}-i_{cd}\\ {i_{iq}}^{*}={i_{gq}}^{*}-i_{eq}\end{array}\right.$

步骤4.3利用反派克变换公式将变换器侧的i_id ^*和无功电流参考值i_iq ^*变换到静止坐标系中得到变换器侧电流在静止坐标系中的参考值i_iα ^*和i_iβ ^*，使用的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i_{i\mathrm{\α}}}^{*}\\ {i_{i\mathrm{\β}}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& -sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{id}}^{*}\\ {i_{iq}}^{*}\end{array}\right]$

步骤五：在两相静止坐标系中，将两个交流电流的参考值和反馈值的差值输入至两个电流控制单元(10)中的两个PR调节器中得到调节器的输出，将电网电压的值减去调节器的输出值得到变换器输出电压指令值，具体包括：

步骤5.1将静止坐标系下的两个电流参考值i_iα ^*和i_iβ ^*以及反馈值i_iα和i_iβ做差，并分别送入两个PR调节器，得到电流环PR调节器输出的电压值u_oα和u_oβ，具体的计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o\mathrm{\α}}=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·({i_{i\mathrm{\α}}}^{*}-i_{i\mathrm{\α}})\\ u_{o\mathrm{\β}}=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·({i_{i\mathrm{\β}}}^{*}-i_{i\mathrm{\β}})\end{array}\right.$

式中：ω_c为PR调节器的谐振角频率，此处取电网角频率即ω_c＝ω_g；ξ为PR调节器的阻尼系数，其决定着PR调节器的带宽；k_ip和k_ii分别为电流环PI调节的比例系数和积分系数。

步骤5.2将电网电压值u_gα和u_gβ减去PR调节器输出电压值u_oα和u_oβ得到变换器输出电压控制值u_rα和u_rβ，其计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{r\mathrm{\α}}=u_{g\mathrm{\α}}-u_{o\mathrm{\α}}\\ u_{r\mathrm{\β}}=u_{g\mathrm{\β}}-u_{o\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

步骤六：将静止坐标系下的变换器侧电流输入至有源阻尼控制单元(11)的主动阻尼网络得到变换器输出电压的补偿值，用变换器输出电压控制值减去变换器输出电压补偿值得到变换器输出电压指令，具体包括：

步骤6.1将变换器侧电流i_iα和i_iβ输入至主动阻尼网络H(s)得到变换器输出电压的补偿值Δu_iα和Δu_iβ，其中补偿网络的传递函数为

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2}$

其中，k为补偿网络的增益系数；γ为补偿网络的阻尼系数；ω_d为补偿网络的谐振角频率。

补偿网络中的三个参数按照下式来选择

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{1}{3}\sqrt{\frac{(L_g+L_i)L_i}{L_g{C}_f}}\\ \mathrm{\γ}=0.1\\ {\mathrm{\ω}}_d=\sqrt{\frac{1}{L_g{C}_f}}\end{array}\right.$

则输出电压的补偿值计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\α}}=i_{i\mathrm{\α}}\·\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2}\\ {\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\β}}=i_{i\mathrm{\β}}\·\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2}\end{array}\right.$

步骤6.2将变换器输出电压控制值u_rα和u_rβ减去变换器输出电压的补偿值Δu_iα和Δu_iβ得到变换器输出电压的指令值u_iα和u_iβ，计算公式如下所示

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{i\mathrm{\α}}=u_{r\mathrm{\α}}-{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\α}}\\ u_{i\mathrm{\β}}=u_{r\mathrm{\β}}-{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

步骤七：步骤7.1将变换器输出电压指令值u_iα和u_iβ输入至空间矢量脉冲生成单元(12)得到逆变器的六路驱动脉冲控制逆变器工作。

带LCL滤波器的并网逆变器的结构包括电网电源1、LCL滤波器2、三相全控桥3、直流滤波电容4、直流负载5、电网电压检测6、电流检测以及变换7、直流电压控制单元8、电流指令生成单元9、电流控制单元10、有源阻尼控制单元11和空间矢量脉冲生成单元12。电网电源1分别与LCL滤波器2的三相输入端连接，LCL滤波器2的输出端与三相全控桥3的输入端连接，三相全控桥3的输出端连接直流滤波电容4，直流滤波电容4与直流负载5并联，电网电源1上的线电压信号被连接至电网电压检测单元6的输入端，电网电压检测单元6的输出端与电流指令生成单元9的输入端连接，直流滤波电容4上的直流电压信号被连接至直流电压控制单元8，直流电压控制单元8的输出端与电流指令生成单元9连接，电流指令生成单元9的输出端与电流控制单元10的输入端连接，三相全控桥3的两相电流信号连接至电流检测和变换单元7，电流检测和变换单元7的输出连接至电流控制单元10的输入端和有源阻尼控制单元11的输入端，电流控制单元10的输出端和有源阻尼控制单元11的输出端均与空间矢量脉冲生成单元12的输入端连接，空间矢量脉冲生成单元12的输出端与三相全控桥3的输入端连接。

由图2(a)、图2(b)可得，不引入有源阻尼控制之前的变换器输出电流与变换器输出电压的传递函数如下所示：

$G_i\left(s\right)=\frac{I_i\left(s\right)}{U_i\left(s\right)}=\frac{L_g{C}_f{s}^2+1}{L_g{L}_i{C}_f{s}^3+(L_g+L_i)s}$

引入有源阻尼网络以后可得变换器输出电流与变换器输出电压的传递函数为：

$W_i\left(s\right)=\frac{G_i\left(s\right)}{1+G_i\left(s\right)H\left(s\right)}=\frac{L_g{C}_f{s}^2+1}{L_g{L}_i{C}_f{s}^3+{\mathrm{kL}}_g{C}_f{s}^2+(L_g+L_i)s}$

比较两个传递函数，引入有源阻尼网络以后，变换器输出电流与变换器输出电压传递函数的分母项中s各次的系数均不为零，因此这种反馈方式可使得系统稳定。

图3给出了LCL滤波器引入有源阻尼网络之前和引入有源阻尼网络之后的系统传递函数的波特图，由图3可见，在未引入有源阻尼网络之前，LCL滤波器在谐振频率处有一个较大的谐振峰值，其增益高达135dB；而引入有源阻尼网络之后，LCL滤波器在谐振频率处的谐振峰值被大大降低，其增益已经降低到0dB以下。

图4(a)和图4(b)给出了引入有源阻尼网络之前和引入有源阻尼网络之后的电流内环的控制框图，可知不引入有源阻尼网络之前电流内环的开环传递函数为

$\mathrm{\φ}\left(s\right)=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·\frac{1}{T_{d}s+1}\·\frac{L_g{C}_f{s}^2+1}{L_g{L}_i{C}_f{s}^3+(L_g+L_i)s}$

而引入有源阻尼网络以后电流内环的开环传递函数为

$Z\left(s\right)=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·\frac{1}{T_{d}s+1}\·\frac{L_g{C}_f{s}^2+1}{L_g{L}_i{C}_f{s}^3+{\mathrm{kL}}_g{C}_f{s}^2+(L_g+L_i)s}$

图5(a)和图5(b)给出了未引入有源阻尼网络之前和引入有源阻尼网络之后电流内环开环传递函数的离散零极点根轨迹示意图，由图5(a)可知，未引入有源阻尼网络之前，系统有两个极点始终在单位圆以外，因此系统无法稳定；由图5(b)可知，引入有源阻尼网络以后，系统的极点已经由单位圆外移动至单位圆内，因此系统具有一定的稳定裕度，充分说明了引入有源阻尼网络对于抑制LCL谐振并稳定系统稳定运行的可行性。

如图6所示，图6(a)为投入有源阻尼网络时候，变换器侧电流的响应波形图。系统在0.1s之后由L型滤波器转为LCL滤波器运行，变换器侧电流发生较大谐振，在0.12s投入有源阻尼网络，变换器侧电流的谐振现象得到有效抑制；图6(b)为稳定情况下，电网侧电流和变换器侧电流的波形图，电流谐振现象基本被消除，LCL滤波效果比较好；图6(c)为电流内环在PR控制器控制下的跟踪效果图，交流电流跟踪良好，基本没有稳态误差和相位偏差；图6(d)为单位功率因数运行情况下，电网电压和电网侧电流的波形图，可见电网侧电流与电网侧电压相位保持一致，从而验证了本发明提出的通过变换器侧电流间接控制电网侧电流控制方法的正确性。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过电网电压检测单元(6)采样两相电网线电压，通过电网线电压到两相静止坐标系的坐标变换公式得到电网电压矢量在静止坐标系中的分量，通过直接计算得到电网电压的幅值以及电网相位角的正弦值和余弦值；

步骤二：通过电流检测以及变换单元(7)采样两相变换器侧相电流，通过坐标变换公式得到变换器侧电流矢量在两相静止坐标系中的分量；

步骤三：通过直流电压控制单元(8)采样直流电压值，将直流电压的参考值与实际值之间的误差值通过PI调节器得到电网侧有功电流的参考值送入电流指令生成单元(9)中；

步骤四：计算电容支路无功电流值，并根据步骤三中得到电网侧有功电流的参考值和无功电流参考值得到变换器侧有功电流和无功电流的参考值并坐标变换到静止坐标系下；

步骤五：在两相静止坐标系中，将两个交流电流的参考值和反馈值的差值输入至两个电流控制单元(10)中的两个PR调节器中得到变换器输出电压指令值；

步骤六：将静止坐标系下的变换器侧电流输入至有源阻尼控制单元(11)的主动阻尼网络得到变换器输出电压的补偿值，变换器输出电压控制值减去变换器输出电压补偿值得到变换器输出电压的指令值；

步骤七：将变换器输出电压的指令值输入至空间矢量脉冲生成单元(12)得到逆变器的驱动脉冲控制逆变器工作。

2.如权利要求1所述的一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤一的实现包括以下具体内容：

步骤1.1：采样两相电网线电压u_gab和u_gbc，并通过坐标变换公式变换到两相静止坐标系下得到u_gα和u_gβ，所采用的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{g\mathrm{\α}}\\ u_{g\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{3}& \frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{gab}\\ u_{gbc}\end{array}\right];$

步骤1.2：根据步骤1.1得到的电网电压在αβ坐标系中的分量u_gα和u_gβ得到电网电压的幅值u_m以及电网电压相角的正弦值cos(θ)和余弦值sin(θ)，对应的计算公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_m=\sqrt{u_{g\mathrm{\α}}^2+u_{g\mathrm{\β}}^2}\\ cos\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{u_{g\mathrm{\α}}}{u_m},\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{u_{g\mathrm{\β}}}{u_m}\end{array}\right..$

3.如权利要求1所述的一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，所述的步骤二的实现包括以下具体内容：

步骤2.1：采样变换器侧两相电流值i_ia和i_ic，并利用坐标变换公式得到变换器侧电流矢量在αβ坐标系中分量i_iα和i_iβ，使用到的坐标变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{i\mathrm{\α}}\\ i_{i\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{\sqrt{3}}{3}& -\frac{2\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{ia}\\ i_{ic}\end{array}\right].$

4.如权利要求1所述的一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤三的实现包括以下具体内容：

步骤3.1：采样直流电压值u_dc，将直流电压的参考值u_dc ^*与实际值u_dc之间的误差值送入PI调节器得到电网侧有功电流的参考值i_gd ^*，具体计算公式为：

${i_{gd}}^{*}=(k_{vp}+\frac{k_{vi}}{s})\·({u_{dc}}^{*}-u_{dc}).$

5.如权利要求1所述的一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤四的实现包括以下具体内容：

步骤4.1：根据电网电压检测单元(6)中电网电压的幅值u_m计算电容支路消耗的有功电流值i_cd和无功电流值i_cq，具体的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{cd}=0\\ i_{cq}={\mathrm{\ω}}_g{C}_f{u}_m\end{array}\right.,$

式中，ω_g为电网电压的电角度；C_f为LCL滤波器(2)的电容值；

步骤4.2：根据电网侧电流有功电流参考值i_gd ^*和无功电流参考值i_gq ^*以及电容支路消耗的有功电流值i_cd和无功电流值i_cq，计算得到变换器侧电流的有功电流参考值i_id ^*和无功电流参考值i_iq ^*，具体的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{id}}^{*}={i_{gd}}^{*}-i_{cd}\\ {i_{iq}}^{*}={i_{gq}}^{*}-i_{cq}\end{array}\right.;$

步骤4.3：利用反派克变换公式将变换器侧的i_id ^*和无功电流参考值i_iq ^*变换到静止坐标系中得到变换器侧电流在静止坐标系中的参考值i_iα ^*和i_iβ ^*，使用的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i_{i\mathrm{\α}}}^{*}\\ {i_{i\mathrm{\β}}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ sin\left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i_{id}}^{*}\\ {i_{iq}}^{*}\end{array}\right].$

6.如权利要求1所述的一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤五的实现包括以下具体内容：

步骤5.1：将静止坐标系下的两个电流参考值i_iα ^*和i_iβ ^*以及反馈值i_iα和i_iβ做差，并分别送入两个PR调节器，得到电流环PR调节器输出的电压值u_oα和u_oβ，具体的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{o\mathrm{\α}}=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·({i_{i\mathrm{\α}}}^{*}-i_{i\mathrm{\α}})\\ u_{o\mathrm{\β}}=(k_{ip}+\frac{k_{ii}\·2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{c}s+{{\mathrm{\ω}}_c}^2})\·({i_{i\mathrm{\β}}}^{*}-i_{i\mathrm{\β}})\end{array}\right.;$

式中：ω_c为PR调节器的谐振角频率，此处取电网角频率即ω_c＝ω_g；ξ为PR调节器的阻尼系数；

步骤5.2：将电网电压值u_gα和u_gβ减去PR调节器输出电压值u_oα和u_oβ得到变换器输出电压控制值u_rα和u_rβ，其计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{r\mathrm{\α}}=u_{g\mathrm{\α}}-u_{o\mathrm{\α}}\\ u_{r\mathrm{\β}}=u_{g\mathrm{\β}}-u_{o\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

7.如权利要求1所述的一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤六的实现包括以下具体内容：

步骤6.1：将变换器侧电流i_iα和i_iβ输入至主动阻尼网络H(s)得到变换器输出电压的补偿值Δu_iα和Δu_iβ，其中补偿网络的传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2};$

其中，k为补偿网络的增益系数；γ为补偿网络的阻尼系数；ω_d为补偿网络的谐振角频率；

补偿网络中的三个参数按照下式来选择：

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{1}{3}\sqrt{\frac{(L_g+L_i)L_i}{L_g{C}_f}}\\ \mathrm{\γ}=0.1\\ {\mathrm{\ω}}_d=\sqrt{\frac{1}{L_g{C}_f}}\end{array}\right.;$

则输出电压的补偿值计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\α}}=i_{i\mathrm{\α}}\·\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2}\\ {\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\β}}=i_{i\mathrm{\β}}\·\frac{{\mathrm{ks}}^2}{s^2+2{\mathrm{\γ\ω}}_{d}s+{\mathrm{\ω}}_d^2}\end{array}\right.;$

步骤6.2：将变换器输出电压控制值u_rα和u_rβ减去变换器输出电压的补偿值Δu_iα和Δu_iβ得到变换器输出电压的指令值u_iα和u_iβ，计算公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{i\mathrm{\α}}=u_{r\mathrm{\α}}-{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\α}}\\ u_{i\mathrm{\β}}=u_{r\mathrm{\β}}-{\mathrm{\Δu}}_{i\mathrm{\β}}\end{array}\right..$

8.如权利要求1所述的一种静止坐标系下LCL并网逆变器的有源阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤七的实现包括以下具体内容：

步骤7.1：将变换器输出电压指令值u_iα和u_iβ输入至空间矢量脉冲生成单元(12)得到逆变器的六路驱动脉冲控制逆变器工作。