CN108336921B - 一种单相逆变器的谐波电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单相逆变器的谐波电流抑制方法，在分析单相逆变器基本矢量控制的基础上，分析死区造成的影响，采用改进的重复控制器算法，对于死区或者电网谐波造成的谐波电流进行有效的抑制，使得单相逆变器具有很高的输出电流质量，满足并网要求。

Description

一种单相逆变器的谐波电流抑制方法

技术领域

本发明涉及变流器控制技术领域，具体涉及一种单相逆变器的谐波电流抑制方法。

背景技术

随着新能源的开发和利用，分布式发电系统受到广泛关注和研究。在分布式发电系统中光伏发电占有很高的比例，而并网逆变器作为光伏发电系统中的核心设备，其性能直接影响光伏发电系统输出电能的质量。为了提高光伏发电系统的输出电能质量，必须对逆变器电流进行快速有效的控制。

目前已有的关于单相逆变器的电流控制方法，主要是静止坐标系中的比例谐振控制和旋转坐标系中的比例积分控制。两种控制方法都可以实现对基波电流精准的无误差控制，具有很好的稳态性能。但是这两种方法仅仅针对基波电流的控制，实际的单相逆变器由于开关管脉冲信号中加入的死区，造成大量的低次谐波电流，这些谐波电流严重地降低并网电流质量，必须采用一定额外的策略进行抑制。如果采用一组谐波频率的谐振器进行控制，需要太多的谐振器，大大地增加了算法的复杂度。重复控制器由于可以分解为一组谐振器，对一组谐波电流可以进行有效的控制，所以目前针对死区的谐波电流抑制方法，重复控制因其较高的控制精度成为研究热点。

当基波电流为50Hz时，死区造成的谐波电流的频率为150Hz，250Hz，350Hz，…。在静止坐标系中加入重复控制器时，重复控制器的基波需要设置为50Hz，延时时间为0.02s，延时时间较长，动态响应速度太慢。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的缺陷，提供一种单相并网逆变器的谐波电流抑制方法，该方法可以抑制由于死区造成的所有谐波电流，不用谐振器，减小算法复杂程度，容易实现，具有很好的稳态性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种单相逆变器的谐波电流抑制方法，包括如下步骤：

1)采集单相逆变器并网端的电网电压U_g和并网电流I_g，其中电网电压U_g经过正交信号发生器计算得到一组正交电压信号U_gα和U_gβ，并网电流I_g经过正交信号发生器得到一组正交电流信号I_gα和I_gβ；

2)正交电压信号U_gα和U_gβ通过锁相环得到定子电压的相位角θ_g和角频率ω_g；

3)正交电流信号I_gα和I_gβ通过相位角θ_g进行Park变换得到同步旋转坐标系中的有功电流I_gd和无功电流I_gq；

4)分别对有功电流I_gd和无功电流I_gq进行PI误差调节，得到有功参考电压平均分量V_{gd_PI}和无功参考电压平均分量V_{gq_PI}；

5)有功参考电压平均分量V_{gd_PI}和无功参考电压平均分量V_{gq_PI}经过反park变换得到电压分量V_{gα_PI}和V_{gβ_PI}；

6)并网电流dq轴参考电流经过反Park变换得到并网参考电流I_gref，并网参考电流I_gref与实际电流I_g的误差经过重复控制器计算得到电压参考信号U_{gα_RC}；

7)将电压分量V_{gα_PI}和电压参考信号U_{gα_RC}通过叠加得到调制电压指令Vi，调制电压指令Vi通过SPWM调制得到脉冲信号；

8)将得到的脉冲信号驱动逆变器的开关器件，实现单相逆变器的谐波电流抑制。

由以上技术方案可知，本发明具有以下优点：

1、本发明控制方法在分析单相逆变器基本矢量控制的基础上，分析死区造成的影响，采用改进的重复控制器算法，对于死区或者电网谐波造成的谐波电流进行有效的抑制，使得单相逆变器具有很高的输出电流质量，满足并网要求；

2、本发明中电压分量的计算是在旋转坐标系中进行的，可以有效的实现解耦控制；

3、本发明采用改进的重复控制器的结构，可以降低内存，提高动态响应速度，具有很高的稳定裕度；

4、本发明中的重复控制器的输出采用直接重复控制技术，没有将重复控制器嵌入电流环，而是将重复控制器的输出直接加到逆变器电压指令中，提高系统动态响应特性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中单相并网逆变器的拓扑结构图；

图2为本发明谐波电流抑制方法的原理框图；

图3为本发明重复控制器的波特图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

本发明具体实施方式中采用的单相并网逆变器的拓扑结构如图1所示，该拓扑结构包括一个稳定的直流电源，一个两相四桥臂的单相逆变器、滤波电感和单相交流电网，其中逆变器为两相四桥臂，具有4个IGBT元件，需要4路PWM脉冲驱动信号。交流电网侧的电压传感器用于测量单相交流电网的电压，电流传感器用于测量并网电流。直流电源通过对逆变器的开关管合理的开通关断实现直流电能到交流电能的转换。

本发明提出一种新的重复控制器算法，可以将基波设置为100Hz，延时时间为0.01s，在保证同样的稳态精度时，大大的提高系统的动态性能，如图3所示。

由于谐波电流是3、5、7…这样的奇数次谐波，如果采用常规的重复控制器，那么延时时间过长或者面临分数次延时的问题。本发明方法通过重复控制器巧妙的极点配置，避免了分数次延时，而且可以降低延时拍数，在实现精准的稳态精度情况下提升动态性能，体现了该方法的优势。而且采用直接重复控制的结构，不用额外地配置直流电流指令，精简算法结构，在实际系统应用中具有很大的优势。

采用的谐波电流抑制方法原理框图如图2所示，可以分为三个模块，其中模块一为电压正交信号发生器QSG(Quadrature Signal Generator)以及电网电压频率和相位获取模块PLL(Phase-Locked Loop)，模块二为电流正交信号发生器QSG及αβ/dq变换模块，模块三为旋转坐标系下的PI(Proportion Integration)控制和直接RC(Repetitive Control)控制模块。

如图2所示，本发明单相逆变器并网电流谐波抑制方法，包括以下步骤：

S1、利用电压霍尔传感器采集电网电压U_g；利用电流霍尔传感器采集并网电流信号I_g；

S2、将采集得到的电网电压U_g经过正交信号发生器得到一组正交电压信号U_gα和U_gβ；正交电压信号U_gα和U_gβ通过锁相环PLL得到定子电压的相位角θ_g和角频率ω_g，正交信号的表达式如下所示：

S3、将采集得到的并网电流信号I_g通过正交信号发生器得到一组正交电流信号I_gα和I_gβ；正交电流信号I_gα和I_gβ通过Park变换得到同步旋转坐标系中有功电流 I_gd和无功电流I_gq。模块二中采用的正交信号发生器QSG和Park变换的表达式如下所示：

其中，ω_g为电网角频率，T_d为四分之一个电网周期，s为拉普拉斯算子。

S4、在得到并网电流在同步旋转坐标系中的有功电流和无功电流分量后，根据给定的有功电流和无功电流的参考指令，通过PI控制进行器进行误差调节，PI控制器的输出为逆变器的有功电压分量V_{gd_PI}和无功电压分量V_{gq_PI}：

S5、由于最后调制时需要静止坐标系中的逆变器指令，所以需要将旋转坐标系中的逆变器电压有功分量和无功分量变换到静止坐标系中。通过以下算式将旋转坐标系中的V_{gd_PI}和V_{gq_PI}变换到静止坐标系中的V_{gα_PI}和V_{gβ_PI}：

S6、步骤S5中实现了对并网电流中的基波分量进行控制，但是谐波分量需要通过改进的重复控制器进行抑制。首先需要同dq轴给定电流求解静止坐标系中的并网给定电流，并网给定电流和实际并网电流输入到改进的重复控制器，输出为抑制谐波电流的逆变器电压分量U_{gα_RC}，重复控制器的结构为：其中z表示离散变量；k_rc表示增益常量； N表示系统采样频率fsample与电网电压基波频率f的比值，即N＝f_sample/f；m表示需要超前控制的采样周期数，用于补偿控制系统的延时；Q(z)为低通滤波器，用来保证系统的稳定性；所述电压参考信号U_{gα_RC}＝G_RC(z)*(I_gref-I_g)，其中 I_gref＝I_gdref cosθ_g-I_gqref sinθ_g。

S7、将电压分量V_{gα_PI}和电压参考信号U_{gα_RC}通过叠加得到调制电压指令Vi，调制电压指令Vi通过SPWM(Sinusoidal PWM)调制得到四路脉冲开关信号。

S8、将得到的四路脉冲开关信号分别经过驱动模块驱动逆变器的开关器件G1、G2、G3和G4，实现单相逆变器的谐波电流抑制。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种单相逆变器的谐波电流抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采集单相逆变器并网端的电网电压U_g和并网电流I_g，其中电网电压U_g经过正交信号发生器计算得到一组正交电压信号U_gα和U_gβ，并网电流I_g经过正交信号发生器得到一组正交电流信号I_gα和I_gβ；

2)正交电压信号U_gα和U_gβ通过锁相环得到定子电压的相位角θ_g和角频率ω_g；

3)正交电流信号I_gα和I_gβ通过相位角θ_g进行Park变换得到同步旋转坐标系中的有功电流I_gd和无功电流I_gq；

4)分别对有功电流I_gd和无功电流I_gq进行PI误差调节，得到有功参考电压平均分量V_{gd_PI}和无功参考电压平均分量V_{gq_PI}；

5)有功参考电压平均分量V_{gd_PI}和无功参考电压平均分量V_{gq_PI}经过反park变换得到电压分量V_{gα_PI}和V_{gβ_PI}；

6)并网电流dq轴参考电流经过反Park变换得到并网参考电流I_gref，并网参考电流I_gref与实际电流I_g的误差经过重复控制器计算得到电压参考信号U_{gα_RC}；

7)将电压分量V_{gα_PI}和电压参考信号U_{gα_RC}通过叠加得到调制电压指令Vi，调制电压指令Vi通过SPWM调制得到脉冲信号；

8)将得到的脉冲信号驱动逆变器的开关器件，实现单相逆变器的谐波电流抑制。

2.根据权利要求1所述的谐波电流抑制方法，其特征在于，所述步骤1)中，分别使用正交信号发生器通过如下算式计算得到正交电压信号U_gα和U_gβ，以及正交电流信号I_gα和I_gβ：

其中，ω_g为定子电压的角频率，T_d为四分之一个电网周期，s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的谐波电流抑制方法，其特征在于，所述步骤3)中，同步旋转坐标系中的有功电流I_gd和无功电流I_gq通过如下算式得到：

其中，θ_g为定子电压的相位角。

4.根据权利要求1所述的谐波电流抑制方法，其特征在于，所述步骤4)中，通过以下算式进行PI误差调节，得到有功参考电压平均分量V_{gd_PI}和无功参考电压平均分量V_{gq_PI}：

其中，I_gdref和I_gqref分别为给定的有功电流参考量和无功电流参考量，K_p和K_i分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

5.根据权利要求1所述的谐波电流抑制方法，其特征在于，所述步骤5)中，通过以下算式将旋转坐标系中的V_{gd_PI}和V_{gq_PI}变换到静止坐标系中的V_{gα_PI}和V_{gβ_PI}：

6.根据权利要求1所述的谐波电流抑制方法，其特征在于，所述步骤6)中，重复控制器算法为：

其中k_rc表示增益常量；z表示离散变量；N表示系统采样频率fsample与电网电压基波频率f的比值，即N＝f_sample/f；m表示需要超前控制的采样周期数，用于补偿控制系统的延时；Q(z)为低通滤波器，用来保证系统的稳定性；

所述电压参考信号U_{gα_RC}＝G_RC(z)*(I_gref-I_g)，其中I_gref＝I_gdrefcosθ_g-I_gqrefsinθ_g。