CN107359647A - Lcl型单相并网逆变器控制方法 - Google Patents

Lcl型单相并网逆变器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种LCL型单相并网逆变器控制方法，在分析原先控制策略的基础上探求一种优化控制方法。相比于其它控制方式，本发明只需要应用一组网侧电流传感器来采样单相并网电流。首先获取单相实际并网电流I2同时与对应参考电流做差，得到单相交流误差信号eax，之后交流误差信号经PCI与PI并联组成的新型复合控制器，获取PWM触发调制信号；最后触发调制信号驱动PWM模块输出开关驱动信号，该信号经驱动电路后控制并网逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变系统并网电流的幅值和相位，同时确保并网电流的质量。本发明简单且易操作、控制精度高、实用性和经济性好。

Description

LCL型单相并网逆变器控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种基于PCI和PI并联复合控制的LCL型单相并网逆变器控制方法。
背景技术
近年来，石油、煤炭以及天然气等不可再生能源的供应日趋紧张，开发利用风能和太阳能等新能源越来越被人们所重视。然而在对新能源开发与利用的过程中，合理设计并网逆变控制系统十分重要。一般情况下，对于并网逆变器的控制而言，主要有两个指标，一是被控输出电流与电网电压同频同相，二是被控输出电流的谐波畸变率(THD)满足相关并网标准。
并网逆变器被控输出电流必须经过滤波器才能滤除高次谐波，目前较为常用的滤波器主要有L型、LC型以及LCL型三种。其中对于L型滤波器而言，其结构最简单，但滤波效果较差；对于LC型滤波器而言，其主要适用于双模式下，且在并网时滤波电容C相当于本地负载，并无滤波作用；对于LCL型滤波器而言，滤波电容C起到高次谐波通道的作用，能一定程度的消除高次谐波，滤波效果最优。本发明采用电流源型逆变器时，信号由脉冲宽度调制(PWM)信号触发调制，同时电路输出电压在开关频率处会产生较多谐波，必须合理选取滤波器以消除谐波。相较于LC型滤波器控制策略复杂，LCL型滤波器控制简单，有利于并网逆变器的独立运行，常用于工程实践之中。
现阶段对于并网逆变器控制策略的研究主要集中于电流控制型和电压控制型两种。对于电流控制型而言，控制方式主要有于比例积分控制(PI)、比例谐振控制(PR)以及模糊控制等多种类型，每种控制方法各有优缺点；对于电压控制型而言，控制方式主要有恒功率(PQ)控制、恒压/恒频(V/F)控制以及下垂(Droop)控制三种。综合以上两方面的分析，研究LCL型滤波并网逆变控制方法具有十分重要的理论意义和实际意义。
发明内容
本发明是针对LCL型滤波电流源型逆变器并网控制的问题，提出了一种LCL型单相并网逆变器控制方法，是一种能够直接有效控制交流量的方法，同时结合LCL型滤波器进行滤波，使得逆变电流满足并网要求，谐波畸变率符合相关标准。该方法为双环控制，节约整个系统成本，提高并网电流波形质量、跟踪精度，同时能够确保整个控制系统的安全稳定运行。
本发明的技术方案为：一种LCL型单相并网逆变器控制方法，直流输入电压源Udc依次经过基于脉冲宽度调制控制的单相逆变器及LCL滤波器接电网，控制部分包括PWM模块、用于对电流误差信号进行调节的PCI控制器和PI控制器，LCL滤波器包括连接逆变桥侧的电感L1，滤波电容C和网侧滤波电感L2；
控制方法：首先在获取实际并网电流i2并将该值与对应的指令电流I*比较做差，得到对应误差信号eax；然后误差信号流向PCI与PI控制并联复合组成的控制器，一方面经PI控制器进行控制获取输出信号，另一方面经PCI控制器进行控制获取输出信号，两输出信号相加获取复合控制策略下总的输出信号，总的信号流向PWM模块，并触发调制信号；最后经PWM模块输出开关驱动信号，该开关驱动信号经驱动电路控制单相逆变器开关管的接通与关断。
所述PCI控制器的数学模型为：
式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数。其中w0为并网电流的角频率；
PI控制器的数学模型为
逆变器输出的电压u0到并网电流i2的传递函数为：
式中w为LCL滤波器的谐振角频率，其表达式为:
本发明的有益效果在于：本发明LCL型单相并网逆变器控制方法，能够直接有效控制交流信号，减少控制系统的元器件，节约控制系统成本且实用性更强；该方法控制策略下的并网电流与电网电压几乎同相位，达到并网要求，同时并网电流谐波畸变率(THD)明显减小，控制稳态波形质量更优，且能够减少并网逆变器稳态运行时对电网产生的谐波污染；实现了对交流信号的优化控制，同时控制精度更高，跟踪效果更好以及系统可靠性更强，适合于诸如光伏发电和风力发电等的新能源并网系统，同时该控制方法应用范围较广，可以推广至其它三相逆变器控制方法之中。
附图说明
图1为本发明基于PCI和PI并联复合控制的LCL型单相并网逆变器控制方法实现的整体结构框图；
图2为本发明应用的PCI控制器和PI控制器结构框图；
图3为本发明显示了并网电流图。
具体实施方式
如图1所示基于PCI和PI并联复合控制的LCL型单相并网逆变器控制方法实现的整体结构框图，直流输入电压源Udc依次经过基于脉冲宽度调制控制的单相逆变器及LCL滤波器接电网，控制部分包括PWM模块、用于对电流误差信号进行调节的PCI控制器和PI控制器，LCL滤波器包括连接逆变桥侧的电感L1，滤波电容C和网侧滤波电感L2。主要控制过程为：首先在获取实际并网电流i2并将该值与对应的指令电流I*比较做差，得到对应误差信号eax；然后误差信号流向PCI与PI控制并联复合组成的控制器，一方面经PI控制器进行控制获取输出信号，另一方面经PCI控制器进行控制获取输出信号，两者相加获取复合控制策略下总的输出信号，同时该总的信号流向PWM模块，并触发调制信号；最后经PWM模块输出开关驱动信号，该信号经驱动电路后控制单相逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变系统输出电流的幅值、相位以及电流质量。L1、L2和C分别是逆变侧滤波电感、网侧滤波电感和滤波电容，与之相应的i1、i2和ic分别为逆变侧的电感电流、并网(网侧)电流和电容电流，它们构成LCL滤波器。PLL是指锁相环。网侧电压Vg的相位由锁相环(PLL)获得。Hi1为ic的反馈系数，Hi2为i2的采样系数。
在此发明提出的整个过程中，主要是对一台LCL型单相并网逆变系统进行实际的仿真验证，以此来说明本发明的正确性和可行性。其中具体的仿真参数为：直流电压源电压500V，电网电压有效值311V，电网电压频率50Hz，PWM开关频率10KHz，滤波电感L13mH，滤波电容10μF，滤波电感L21mH。
附图2为本发明应用的PCI控制器和PI控制器结构框图，其中PCI控制器能够直接控制交流信号，且PCI控制器参数kp＝3，ki＝0.1。PI控制器实现输出电流对给定指令的快速准确跟踪，其中Kp＝4，Ki＝3000。Z1，Z2，Z3分别为电感L1，电容C和电感L2的阻抗。
其表达式为
Z1(s)＝sL1
Z3(s)＝sL2
PCI控制器(比例复数积分控制)的数学模型为
式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数。其中w0为并网电流的角频率。
PI控制系统的数学模型为
逆变器输出的电压u0到并网电流i2的传递函数为：
式中w为LCL滤波器的谐振角频率。其表达式为:
而谐振频率
附图3显示了并网电流情况，可见经PCI和重复并联复合组成的新型控制器后，并网电流与其各自对应电网电压几乎同相，能够实现并网要求，进而表明本发明提出的新型控制策略有较好的跟随性。
表1显示三种不同策略控制下并网电流谐波畸变率(THD)的情况，其中传统PI控制对应的THD值最大，为4.95％；改进PCI控制对应的THD值相比传统PI控制有所减小，为2.58％，本发明提出的新型复合控制器PCI+PI控制效果最优，THD值最小，达到1.70％。
表1

Claims (2)

1.一种LCL型单相并网逆变器控制方法，其特征在于，直流输入电压源Udc依次经过基于脉冲宽度调制控制的单相逆变器及LCL滤波器接电网，控制部分包括PWM模块、用于对电流误差信号进行调节的PCI控制器和PI控制器，LCL滤波器包括连接逆变桥侧的电感L1，滤波电容C和网侧滤波电感L2；
控制方法：首先在获取实际并网电流i2并将该值与对应的指令电流I*比较做差，得到对应误差信号eax；然后误差信号流向PCI与PI控制并联复合组成的控制器，一方面经PI控制器进行控制获取输出信号，另一方面经PCI控制器进行控制获取输出信号，两输出信号相加获取复合控制策略下总的输出信号，总的信号流向PWM模块，并触发调制信号；最后经PWM模块输出开关驱动信号，该开关驱动信号经驱动电路控制单相逆变器开关管的接通与关断。
2.根据权利要求1所述LCL型单相并网逆变器控制方法，其特征在于，所述PCI控制器的数学模型为：
<mrow> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>C</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mi>s</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>j&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数。其中w0为并网电流的角频率；
PI控制器的数学模型为
<mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>s</mi> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
逆变器输出的电压u0到并网电流i2的传递函数为：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>c</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>3</mn> </msup> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>sL</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>w</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
式中w为LCL滤波器的谐振角频率，其表达式为:
<mrow> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>.</mo> </mrow> 1
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