CN107394780B - Lcl型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，具体按照以下实施：步骤1，将并网逆变器的入网电流i_ga、i_gb、i_gc通过同步坐标变换得到入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq，将i_gd和i_gq与给定的参考值相减并通过改进的控制调节器进行调节控制；步骤2，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq经过不包含微分的反馈环节处理后与改进的控制调节器的输出量相减，然后通过反向同步坐标变换得到三相调制信号，并生成PWM波来实现并网逆变器的谐振抑制控制。本发明的抑制方法中，不需要对电容电流进行采样，可以有效地节省系统成本，消除了由微分环节带来的放大系统噪声和增加控制风险的隐患。

Description

LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法。

背景技术

为了缓解传统化石能源资源有限以及燃烧带来的环境污染问题，风能和太阳能等清洁的可再生能源以分布式发电的形式得到广泛的研究和应用。这些可再生能源通过并网逆变器接入电网，为了抑制大量的开关谐波电流进入电网，并网逆变器的输出端通常经由L型或LCL型滤波器与电网连接。LCL型滤波器是J.Svensson和M.Lindgren在1995年首先提出的。并网逆变器输出的高频谐波电流经过LCL型滤波器中的电容C后会大量减少。在相同滤波效果的情况下，LCL型滤波器的总电感值小于L型滤波器。因此LCL型滤波器在有效降低入网电流谐波的同时，可以显著减小滤波器的体积，从而降低了系统的成本。

虽然LCL滤波器具有较好的滤波效果，但是作为三阶系统通常会发生谐振。目前抑制LCL型并网逆变器谐振电流的方法分为无源阻尼法和有源阻尼法。无源阻尼法是通过在LCL滤波器上并联或串联实际电阻来达到抑制谐振的目的。无源阻尼法简单易行，但是由于在电阻上有实际的额外损耗，因此会降低系统效率。有源阻尼法是通过采用适当的控制算法在控制环路上修正LCL滤波器的频率特性，从而达到抑制谐振的目的。有源阻尼法通常在实现过程中通过反馈电容电流或入网电流形成“虚拟阻抗”来实现谐振抑制的目的。但是反馈电容电流需要额外安装采样频率较高的传感器，这无疑会增加系统的成本。反馈入网电流虽然不必增加传感器，但是在反馈环节中通常包含微分环节，这会放大系统噪声，同时增加实际系统在测量存在随机误差情况下的控制风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，该方法通过反馈并网逆变器的入网电流，同时对入网电流的PI调节器进行闭环修正来完成谐振抑制的目的。

本发明所采用的技术方案是，LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将并网逆变器的入网电流i_ga、i_gb、i_gc通过同步坐标变换得到入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq，将i_gd和i_gq与给定的参考值相减并通过改进的控制调节器进行调节控制；

步骤2，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq经过不包含微分的反馈环节处理后与改进的控制调节器的输出量相减，然后通过反向同步坐标变换得到三相调制信号，并生成PWM波来实现并网逆变器的谐振抑制控制。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，将入网电流i_ga、i_gb、i_gc由三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系上，得到入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq，式(1)中同步旋转坐标系的相角θ为电网电压相角；

步骤1.2，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq与给定的参考值比较相减，然后经过改进的控制调节器进行调节控制，改进的控制调节器是在PI调节器的基础上增加输出反馈得到的，其闭环传递函数如下所示：

其中，

G_i为PI调节器，

G_ix为反馈环节，

式中G_inv为逆变器的等效变比，

H₁为比例系数，

v_dc为逆变器直流侧电压的幅值，v_tri为三角载波的幅值；L₁为LCL滤波器中连接逆变器的电感值，L₂为LCL滤波器中连接电网的电感值，C为L₁与L₂之间的电容值。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq经过反馈环节G_m反馈给控制系统，

步骤2.2，将并网电流的反馈值与改进的控制调节器的输出量相减得到在旋转坐标系下的两相调制信号d_d和d_q，通过反向同步坐标变换T^-1 _abc/dq得到三相调制信号d_a、d_b、d_c，并进一步与三角载波信号比较生成PWM波，

步骤1.2中的G_ix和步骤2.1中的G_m的计算按照以下步骤实施：

步骤a，传统反馈电容电流谐振抑制的系统开环传递函数如下：

步骤b，本发明的系统开环传递函数：

步骤c，两个方法的控制效果完全相同，则G_c1(s)＝G_g1(s),G_c2(s)＝G_g2(s),由此推导出两个反馈环节G_ix和G_m。

步骤1.2中H₁的计算按照以下步骤实施：

步骤1.2.1，在并网逆变器的滤波器电容C上并联电阻R，R的取值计算公式为：

步骤1.2.2，滤波器电容上并联电阻的逆变器采用传统控制方法，其开环传递函数如下：

步骤1.2.3，公式(8)与公式(6)相同，对应的H₁为：

步骤1.2.4，将公式(7)代入公式(9)，得到H₁取值。

本发明的有益效果是，提出了一种通过反馈LCL并网逆变器入网电流来谐振抑制的方法，且反馈环节中不包含微分环节；该方法不需要额外安装电容电流传感器，不需要对电容电流进行采样，降低了系统的成本。另外入网电流反馈环节中不包含微分环节，消除了由微分环节带来的放大系统噪声和增加控制风险的隐患。

附图说明

图1是本发明中LCL型并网逆变器无电容电流传感器的有源阻尼控制原理图；

图2是LCL型并网逆变器基于电容电流反馈的有源阻尼控制原理图；

图3是LCL型并网逆变器基于电容电流反馈的有源阻尼控制框图；

图4是图3的简化控制框图；

图5是本发明中LCL型并网逆变器无电容电流传感器的有源阻尼控制框图；

图6是图5的简化控制框图；

图7是LCL型并网逆变器电容并联电阻的无源阻尼控制原理图；

图8是LCL型并网逆变器电容并联电阻的无源阻尼控制框图；

图9是LCL型并网逆变器分别采用不抑制谐振的控制方法和本发明所提方法的开环传函幅频特性；

图10是LCL型并网逆变器采用不抑制谐振的控制方法时A相入网电流波形；

图11是LCL型并网逆变器采用不抑制谐振的控制方法时A相入网电流的放大图；

图12是LCL型并网逆变器采用不抑制谐振的控制方法时A相入网电流的FFT分析；

图13是LCL型并网逆变器采用本发明所提方法时A相逆变器的输出电流；

图14是LCL型并网逆变器采用本发明所提方法时A相逆变器的入网电流；

图15是LCL型并网逆变器采用本发明所提方法时A相入网电流和电网电压；

图16是LCL型并网逆变器采用本发明所提方法时A相入网电流的FFT分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，控制方法如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将并网逆变器的入网电流i_ga、i_gb、i_gc通过同步坐标变换得到入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq，将i_gd和i_gq与给定的参考值相减并通过改进的控制调节器进行调节控制；

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，将入网电流i_ga、i_gb、i_gc由三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系上，得到入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq，式(1)中同步旋转坐标系的相角θ为应用锁相环(PLL)检测得到的电网电压相角；

步骤1.2，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq与给定的参考值比较相减，然后经过改进的控制调节器进行调节控制，改进的控制调节器是在PI调节器的基础上增加输出反馈得到的，其闭环传递函数如下所示：

其中，

G_i为PI调节器，

G_ix为反馈环节，

式中G_inv为逆变器的等效变比，

H₁为比例系数，

v_dc为逆变器直流侧电压的幅值，v_tri为三角载波的幅值；L₁为LCL滤波器中连接逆变器的电感值，L₂为LCL滤波器中连接电网的电感值，C为L₁与L₂之间的电容值。

本发明所提方法中H₁的取值要求其抑制谐振的性能与直接在滤波器的电容C上并联电阻R达到的性能相同。步骤1.2中H₁的计算按照以下步骤实施：

步骤1.2.1，在并网逆变器的滤波器电容C上并联电阻R，R的取值计算公式为：

步骤1.2.2，滤波器电容上并联电阻的逆变器采用传统控制方法，控制原理如图7所示，控制框图如图8所示，其开环传递函数如下：

步骤1.2.3，公式(8)与公式(6)相同，对应的H₁为：

步骤1.2.4，将公式(7)代入公式(9)，得到H₁取值。

步骤2，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq经过不包含微分的反馈环节处理后与改进的控制调节器的输出量相减，然后通过反向同步坐标变换得到三相调制信号，并生成PWM波来实现并网逆变器的谐振抑制控制。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq经过反馈环节G_m反馈给控制系统，

式(3)中各参数的含义和取值与公式(2)相同。

步骤2.2，将并网电流的反馈值与改进的控制调节器的输出量相减得到在旋转坐标系下的两相调制信号d_d和d_q，通过反向同步坐标变换T^-1 _abc/dq得到三相调制信号d_a、d_b、d_c，并进一步与三角载波信号比较生成PWM波，

在本发明提出的方法要求通过设置合适的反馈环节G_ix和G_m，使其抑制谐振的性能与传统反馈电容电流的谐振抑制方法相同；传统反馈电容电流的谐振抑制方法与本发明方法的不同之处分别为，1)将G_ix反馈回路取消，控制调节器变为PI调节器；2)通过反馈环节为H₁的反馈通道将电容电流反馈，取代G_m反馈回路的值与PI调节器的输出量相减；

步骤1.2中的G_ix和步骤2.1中的G_m的计算按照以下步骤实施：

步骤a，LCL型并网逆变器的传统反馈电容电流的谐振抑制方法如图2所示，其控制框图如图3所示，经过化简得到图4所示的简化框图，由此推导出该系统的开环传递函数如下：

步骤b，本发方法的控制框图如图5所示，经过简化后得到图6所示的简化框图，由此推导出本发明方法的系统开环传递函数：

步骤c，两个方法的控制效果完全相同，则G_c1(s)＝G_g1(s),G_c2(s)＝G_g2(s)。由此推导出两个反馈环节G_ix和G_m。

图9是LCL型并网逆变器分别采用不抑制谐振的控制方法和本发明所提方法的开环传函幅频特性。从图9中可以看出系统采用本发明所提方法可以在滤波器的谐振频率ω_res处完成谐振抑制。谐振频率的计算公式如下所示：

为了验证本算法的有效性，在Matlab/Simulink中对图1所示系统进行仿真，仿真参数如表1所示。

表1仿真参数

根据式(10)可以计算出谐振频率f_res＝2343Hz，LCL型并网逆变器在47次谐波处存在谐振。图10为LCL型并网逆变器采用不抑制谐振的控制方法时A相入网电流的波形，此时系统无阻尼，存在谐振。图11是电流谐振时A相入网电流的放大图，图中标明了入网电流波形从0.2745到0.27496之间一个周期的变化，可以知道此时系统的频率为1/(0.27496-0.2745)＝2343Hz，与根据式(10)计算的谐振频率相同。图12为电流谐振时对A相入网电流的FFT分析，此时的THD为118.74％，其中47次谐波处的谐波含量为95％。图13和图14分别为LCL型并网逆变器采用本发明所提方法时，逆变器输出的A相电流和入网电流波形，入网电流的波形相比逆变器输出电流波形更加平滑，波形质量更好，说明LCL滤波器具有较好的滤波效果。图15为采用本发明所提方法时，A相入网电流和电网电压波形，入网电流与电网电压基本同相。图16为采用本发明所提方法时，A相入网电流的FFT分析，此时的THD为3.09％，在谐振频率处的谐波含量为0.1％，由此可见谐振被很好的抑制。

本发明的LCL型并网逆变器无电容电流传感器入网电流谐振抑制方法有如下优点：与滤波器电容并联电阻的无源阻尼法和反馈电容电流的有源阻尼法具有相同的谐振抑制效果；没有额外的功率损耗，系统效率较高；不需要对电容电流进行采样，降低了系统成本；反馈环节中不包含微分环节，消除了由微分环节带来的放大系统噪声和增加控制风险的隐患。

Claims (4)

1.LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将并网逆变器的入网电流i_ga、i_gb、i_gc通过同步坐标变换得到入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq，将i_gd和i_gq与给定的参考值相减并通过改进的控制调节器进行调节控制；

步骤2，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq经过不包含微分的反馈环节处理后与改进的控制调节器的输出量相减，然后通过反向同步坐标变换得到三相调制信号，并生成PWM波来实现并网逆变器的谐振抑制控制；

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，将入网电流i_ga、i_gb、i_gc由三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系上，得到入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq，式(1)中同步旋转坐标系的相角θ为电网电压相角；

步骤1.2，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq与给定的参考值比较相减，然后经过改进的控制调节器进行调节控制，改进的控制调节器是在PI调节器的基础上增加输出反馈得到的，其闭环传递函数如下所示：

其中，

G_i为PI调节器，

G_ix为反馈环节，

式中G_inv为逆变器的等效变比，

H₁为比例系数，

v_dc为逆变器直流侧电压的幅值，v_tri为三角载波的幅值；L₁为LCL滤波器中连接逆变器的电感值，L₂为LCL滤波器中连接电网的电感值，C为L₁与L₂之间的电容值。

2.根据权利要求1所述的LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，将入网电流的有功分量i_gd和无功分量i_gq经过反馈环节G_m反馈给控制系统，

步骤2.2，将并网电流的反馈值与改进的控制调节器的输出量相减得到在旋转坐标系下的两相调制信号d_d和d_q，通过反向同步坐标变换T^-1 _abc/dq得到三相调制信号d_a、d_b、d_c，并进一步与三角载波信号比较生成PWM波，

3.根据权利要求2所述的LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，其特征在于，步骤1.2中的G_ix和步骤2.1中的G_m的计算按照以下步骤实施：

步骤a，传统反馈电容电流谐振抑制的系统开环传递函数如下：

步骤b，本发明的系统开环传递函数：

步骤c，两个方法的控制效果完全相同，则G_c1(s)＝G_g1(s),G_c2(s)＝G_g2(s),由此推导出两个反馈环节G_ix和G_m。

4.根据权利要求3所述的LCL型并网逆变器无电容电流传感器的谐振电流抑制法，其特征在于，步骤1.2中H₁的计算按照以下步骤实施：

步骤1.2.1，在并网逆变器的滤波器电容C上并联电阻R，R的取值计算公式为：

步骤1.2.2，滤波器电容上并联电阻的逆变器采用传统控制方法，其开环传递函数如下：

步骤1.2.3，公式(8)与公式(6)相同，对应的H₁为：

步骤1.2.4，将公式(7)代入公式(9)，得到H₁取值。

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