CN106786738A

CN106786738A - 基于svpwm和模糊pi的z源逆变器并网控制方法

Info

Publication number: CN106786738A
Application number: CN201611205621.9A
Authority: CN
Inventors: 杨旭红; 杨峰峰; 张苏捷
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明涉及一种基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，通过选取同一扇区中相邻的两个有效矢量和适当的传统零矢量以及直通零矢量来合成一个等效的空间旋转电压矢量，并且有效矢量作用时间和传统电压型逆变器相同，只是将传统零矢量的部分或全部作用时间由直通零矢量来代替。基于空间矢量脉冲宽度调制的并网逆变器由于具有直流电压利用率高、电网电流谐波畸变率低、无静差调节、直轴交轴电流可实现解耦控制。将Z源逆变器输出电压范围大、SVPWM调制并网电流谐波畸变率低、模糊PI控制器可针对误差大小实时在线调整PI参数的优点进行整合，使得系统具有控制精度高，动静态性能好，并网功率因数高以及可靠性强等优点。

Description

基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法

技术领域

本发明涉及一种电源并网控制技术，特别涉及一种基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法。

背景技术

随着能源危机的日益严重，开发利用新能源技术已经成为当今世界科技发展的热点。在新能源的利用中，并网逆变器是十分重要的。传统电压型逆变器实则为降压型逆变器，在需要输出电压大于输入电压以及电压变化较大的场合，通常需要在逆变器前段增加DC-DC升压电路，从而使得系统体积，成本增加，但效率降低。另外传统电压型逆变器同一桥臂上下开关管不能同时导通，否则会形成短路，烧毁器件，因此必须加入相应的死区时间，但死区时间的加入会导致输出波形畸变进而影响并网运行的稳定性。

Z源逆变器由于其特殊的工作模式，能够有效的克服传统逆变器以上不足。一方面，Z源逆变器利用统一桥臂上下开关管的直通实现升压功能，因此Z源逆变器是一种升降压型逆变器。另一方面，由于直通状态成为一种工作模式，所以Z源逆变器不用再加入死区时间，就减少了输出波形发生畸变的可能。

模糊控制器在非线性控制和非最小相位系统中取得了显著地效果。是一种非线性控制器，不需要系统的数学模型且能够根据误差大小对PI参数进行实时在线调整、设计过程简单、鲁棒性强。

发明内容

本发明是针对传统电压型逆变器控制存在的问题，提出了一种基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，将SVPWM调制方法和模糊PI控制应用于Z源逆变器，一方面增加了直流电压利用率，降低总谐波畸变率(THD)提高控制精度。另一方面实时调节PI参数增强熊鲁棒性，提高系统动态性能，加快响应速度。

本发明的技术方案为：一种基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，Z源逆变器并网控制系统依次包括直流电压源V_dc，二极管D，电感和电容组成X型的Z源阻抗网络，三相电压源逆变器，线路电阻R，滤波电感L_a、L_b、L_c，电流环控制和电压环控制，电流环包括：网侧三相电流检测变送器，网侧三相电压锁相环，将三相静止坐标系下的并网电流转换成两相旋转坐标系下电流的第一模块，将三相静止坐标系下的并网电压转换成两相旋转坐标系下电压的第二模块，两个模糊PI控制器应用于解耦环节，将两相旋转坐标系下电压转换成三相静止坐标系下电压的第三模块，用于产生逆变器门极触发信号的SVPWM调制模块；电压环包括：电容电压检测变送器，PI控制器；

电流环和电压环控制具体步骤如下：

1)由电压检测变送器采集三相并网电压U_a、U_b、U_c，一路将此三相电压送给三相电压锁相环PLL采集三相并网电压的并网角度ωt，另一路将三相电压和并网角度ωt送到第二模块，第二模块将三相静止坐标系下的电压转换成两相旋转坐标系下的电压u_d、u_q；

2)三相电流检测变送器获得三相并网电流i_a、i_b、i_c，将电流检测变送器得到的三相静止坐标系下的电流和三相锁相环得到的并网角度ωt送到第一模块，第一模块将三相静止坐标系下的电流转换成两相旋转坐标系下的电流i_Ld、i_Lq；

3)将得到的两相旋转坐标系下的电流i_Ld、i_Lq，电压u_d、u_q送到解耦环节进行解耦，解耦后的两相旋转坐标系下的电压以及三相电压锁相环得到的并网电压角度ωt送到第三模块；

4)第三模块3将两相旋转坐标系下的电压转换成三相静止坐标系下的电压，将此电压信号送到SVPWM调制模块，得到三相电压逆变器所需的开关矢量；

5)电容电压检测变送器采集Z源阻抗网络电容的电压U_cZ与参考值U_czref比较后送到PI控制器，经PI控制器调节后产生Z源逆变器所需的直通矢量；

6)将开关矢量和直通矢量叠加后得到三相电压源逆变器总的开关信号，该信号经过驱动电路后控制三相电压源逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。

所述步骤3)中解耦的具体步骤为：

A、将两相旋转坐标系下的电流i_Ld、i_Lq分别与参考直交轴电流比较；

B、将步骤1)中的结果分别送到两个模糊PI控制器；

C、将第一模块的输出i_Ld、i_Lq分别乘以ωL，其结果交叉输出与两个模糊PI控制器的输出以及第二模块的输出u_d、u_q分别进行比较；

D、最终得到解耦后的两相旋转坐标系下的电压u_2d、u_2q，将u_2d、u_2q以及三相电压锁相环得到的并网电压角度ωt送到第三模块。

所述两个模糊PI控制器为的控制参数模糊自整定，在每个周期对电网电流进行实时检测，将检测到的电网电流i_grid通过反馈电路与电网电流的给定值i_ref相比较，得到的误差e,误差e分别送给模糊控制器和PI控制器，模糊控制器根据输入的误差e及误差的变化率ec，通过模糊规则输出PI参数的变量△K_p和△K_i，然后将此该变量送给PI控制器，与PI控制器预先设定好的K_p0，K_i0分别进行计算，达到实时参数调整。

本发明的有益效果在于：本发明基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，(1)与电压源逆变器相比，本发明的Z源逆变器具有升降压功能，无需加入前级直流-直流变换电路，降低了电路体积与成本；Z源逆变器独有的直通矢量允许同一桥臂的上下功率管同时导通，一方面提高了电路的安全性，另一方面降低了并网电流的畸变率；(2)基于SVPWM调制的并网逆变器将传统零矢量的部分或全部作用时间由直通零矢量来代替，因此具有直流电压利用率高、电网电流谐波畸变率(THD)低、无静差调节、直轴交轴电流可实现解耦控制等优点在中、大功率场合可得到广泛的应用；(3)本发明所采用的模糊控制器是一种非线性控制器，不需要系统的数学模型且能够根据误差大小对PI参数进行实时在线调整、设计过程简单、鲁棒性强；(4)本发明基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，将Z源逆变器输出电压范围大、SVPWM调制并网电流谐波畸变率低、模糊PI控制器可针对误差大小实时在线调整PI参数的优点进行整合，最后使得系统具有控制精度高，动静态性能好，并网功率因数高以及可靠性强等优点。并且可以将其推广到其它逆变并网系统中去。

附图说明

图1为本发明Z源逆变器并网控制系统结构图；

图2为本发明dq轴解耦控制示意图；

图3为本发明三相电压型SVPWM控制图；

图4为本发明三相Z源逆变器简单SVPWM图；

图5为本发明PI控制参数模糊自整定框图；

图6为本发明输出变量ΔK_p的模糊规则图；

图7为本发明输出变量ΔK_i的模糊规则图；

图8为本发明A相并网电压和并网电流图；

图9为本发明模糊PI控制下并网电流频谱分析图；

图10为本发明并网电流突变时仿真波形图。

具体实施方式

如图1所示Z源逆变器并网控制系统结构图，包括直流电压源V_dc，二极管D，X型的Z源阻抗网络(两个电感L₁/L₂，两个电容C₁/C₂)，三相电压源逆变器，线路电阻R，滤波电感L_a、L_b、L_c，电流环：网侧三相电流检测变送器，网侧三相电压锁相环，将三相静止坐标系下的并网电流转换成两相旋转坐标系下电流的模块1，将三相静止坐标系下的并网电压转换成两相旋转坐标系下电压的模块2，两个模糊PI控制器应用于解耦环节，将两相旋转坐标系下电压转换成三相静止坐标系下电压的模块3，用于产生逆变器门极触发信号的SVPWM调制模块。电压环：电容电压检测变送器，传统PI控制器。其具体实施步骤为：

1、由电压检测变送器采集三相并网电压U_a、U_b、U_c，一方面将此三相电压送给三相电压锁相环PLL采集三相并网电压的并网角度ωt，另一方面将三相电压和并网角度ωt送到模块2，模块2会将三相静止坐标系下的电压转换成两相旋转坐标系下的电压u_d、u_q。

2、利用三相电流检测变送器获得三相并网电流i_a、i_b、i_c，将电流检测变送器得到的三相静止坐标系下的电流和三相锁相环得到的并网角度ωt送到模块1，模块1将三相静止坐标系下的电流转换成两相旋转坐标系下的电流i_Ld、i_Lq。

3、图2给出了dq轴解耦的框图，将得到的两相旋转坐标系下的电流i_Ld、i_Lq，电压u_d、u_q送到解耦环节进行解耦，其解耦的具体步骤为：

1)、将两相旋转坐标系下的电流i_Ld、i_Lq分别与参考直交轴电流比较；

2)、将上一步骤中的结果分别送到两个模糊PI控制器；

3)、将模块1的输出i_Ld、i_Lq分别乘以ωL(L为滤波电感，其中有L＝L_a＝L_b＝L_c)，其结果交叉输出与两个模糊PI控制器的输出以及模块2的输出u_d、u_q分别进行比较；

4)、最终得到解耦后的两相旋转坐标系下的电压u_2d/u_2q。将u_2d/u_2q以及三相电压锁相环得到的并网电压角度ωt送到模块3。

4、模块3会将两相旋转坐标系下的电压转换成三相静止坐标系下的电压，将此电压信号送到SVPWM调制模块，得到三相电压逆变器所需的开关矢量如附图3所示。

5、利用电容电压检测变送器采集Z源阻抗网络电容的电压U_cZ与参考值U_czref比较后送到传统PI控制器，经PI控制器调节后产生Z源逆变器所需的特殊的直通矢量。

6、将开关矢量和直通矢量叠加后得到三相电压源逆变器总的开关信号，该信号经过驱动电路后控制三相电压源逆变器开关管的接通与关断如附图4，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位以及并网电流质量。

为了验证上述理论分析的正确性，对本控制方法进行了仿真研究。

主要电路参数：输入直流电压V_dc＝600V，Z源网络电容C₁＝C₂＝1000μF，Z源网络电感L₁＝L₂＝700μH，滤波电感L＝L_a＝L_b＝L_c＝2mH，线路电阻R＝0.5Ω，开关频率10kHz，电容电压参考值U_czref＝675V，交流侧电压220V，电流给定值i_Lq ^*＝0，i_Ld ^*＝11.8，电压外环K_p＝20，K_i＝3200，电流内环模糊PI控制器初始参数K_p＝4.5，K_i＝20.5。

为了实现根据误差大小在线调整PI控制参数，引入了模糊PI控制器，附图5为PI控制参数模糊自整定框图，其具体工作过程如下：在每个周期对电网电流进行实时检测，将检测到的电网电流i_grid通过反馈电路与电网电流的给定值i_ref相比较，得到的误差e,将此误差e分别送给模糊控制器和PI控制器。模糊控制器会根据输入的误差及误差的变化率，通过一定的模糊规则输出PI参数的变量△K_p和△K_i，然后将此该变量送给PI控制器，与PI控制器预先设定好的K_p0，K_i0分别进行计算从而达到实时调整的效果。根据误差e和误差变换率ec建立的△K_p和△K_i模糊规则表如表1所示

表1

误差e和误差的变化率de/dt的论域分别是[-150,150]、[-3.5,0.5]，输出的模糊规则图形如图6和图7所示。

并网电流、电压的仿真结果如图8所示，通过仿真图形可以得出在此控制下，并网电压和并网电流基本能达到同相位(即以单位功率因数并网)

由频谱分析图9可以看出，谐波畸变率比较低，另外THD＝1.75％，满足国家标准(GB/T14549—1993)，并网总谐波畸变率应≤5％的标准。

为了验证电流环的动态特性和跟踪速度，对并网电流值突变情况下Z源并网逆变器的并网电流进行了仿真分析，在0.04s时并网电流d轴分量参考指令值i_Ld ^*由11.8A突变到16.8A，从附图10可以看出并网电流可以快速跟踪指令值的变化，且输出波形良好。

Claims

1.一种基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，其特征在于，Z源逆变器并网控制系统依次包括直流电压源V_dc，二极管D，电感和电容组成X型的Z源阻抗网络，三相电压源逆变器，线路电阻R，滤波电感L_a、L_b、L_c，电流环控制和电压环控制，电流环包括：网侧三相电流检测变送器，网侧三相电压锁相环，将三相静止坐标系下的并网电流转换成两相旋转坐标系下电流的第一模块，将三相静止坐标系下的并网电压转换成两相旋转坐标系下电压的第二模块，两个模糊PI控制器应用于解耦环节，将两相旋转坐标系下电压转换成三相静止坐标系下电压的第三模块，用于产生逆变器门极触发信号的SVPWM调制模块；

电压环包括：电容电压检测变送器，PI控制器；

电流环和电压环控制具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，其特征在于，所述步骤3)中解耦的具体步骤为：

B、将步骤1)中的结果分别送到两个模糊PI控制器；

3.根据权利要求1所述基于SVPWM和模糊PI的Z源逆变器并网控制方法，其特征在于，所述两个模糊PI控制器为的控制参数模糊自整定，在每个周期对电网电流进行实时检测，将检测到的电网电流i_grid通过反馈电路与电网电流的给定值i_ref相比较，得到的误差e,误差e分别送给模糊控制器和PI控制器，模糊控制器根据输入的误差e及误差的变化率ec，通过模糊规则输出PI参数的变量△K_p和△K_i，然后将此该变量送给PI控制器，与PI控制器预先设定好的K_p0，K_i0分别进行计算，达到实时参数调整。