CN108448630A - 基于单周期和双电流环控制的z源逆变器并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法，采用LCL进行并网电流的滤波处理，采用的并网电流环和电容电流环双环控制，有效的抑制了LCL型滤波器谐振峰值，减小了谐振峰值对Z源逆变器并网系统的不利影响。并网电流外环环采用了PI控制器，电容电流内环采用P控制器，增加了系统的稳定性，提高了系统的控制精度；采用单周期控制代替了传统PWM控制进行Z源逆变器开关的控制，能够有效的抑制高次谐波；提出的单周期控制和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方案，有效的抑制LCL型滤波器谐振峰值对于系统稳定性的影响，提高了系统的稳定性，并且有效的降低了并网电流的谐波畸变率，大大提高了并网电能的质量。

Description

基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器控制技术，特别涉及一种基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法。

背景技术

随着工业的发展，能源危机越发凸显，传统的化石能源造成的污染以及其自身的枯竭问题已经不可避免，人类把更多的目光放在风能和太阳能等清洁并且可再生的新能源上。为了提高电能的转换效率，逆变器控制技术，则是新能源接入电网过程中极其重要的技术之一。

传统电压型逆变器的本身特性限制其只能降压，不能升压，要实现升降压的转换必须增加额外的电路，增加成本的同时也会降低电能转换效率。而Z源逆变器由于直通信号的加入成为升降压型逆变器，取消了死区时间的加入，提高了电能转换效率。由于逆变器采用的是高频脉冲信号进行开关的控制，这无疑会使并网电流产生较多的高次谐波。为了降低谐波畸变率，提高输出电能的质量，必须进行滤波处理。如今常用的滤波器为L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。L型滤波器结构简单，应用较为广泛，但是高次谐波的滤波效果不太理想；LC型滤波器适用于双模式下的逆变器，独立运行时能够较好的滤除高次谐波，但并网工作情况下滤波电容C相当于本地负载，不起滤波作用；LCL型滤波器能够较好地滤除高次谐波，但是LCL型滤波器存在谐振峰，该谐振峰值容易引起系统的不稳定。带LCL滤波器的三相并网逆变器一般有两种控制方式，以抑制谐振峰，分别为有源阻尼控制和无源阻尼控制。无源阻尼控制一般在滤波电容C上串联或并联电阻，但随着阻尼电阻的增大滤波性能随之降低，并且会带来额外功耗等问题。有源阻尼控制方式，一般采用并网电流环和滤波电容电流环双环控制，不仅大大提高了系统的稳定性，又不增加额外消耗。三相并网逆变器传统的控制方式为SPWM或者SVPWM，其高频脉冲信号的控制方式会产生高次谐波，多输入多输出和时变的强耦合性，加大了系统的控制成本，也加大了系统的控制难度。单周期控制是一种非线性控制，其基本思想是在每个周期内控制输出的平均值等于参考输入。所以，单周期控制的误差只存在于当前开关周期内，这使得它对输入信号的抗干扰能力较好。因此。单周期控制和双电流环控制的Z源逆变器并网研究具有实际应用意义。

发明内容

本发明是针对传统电压/电流型逆变器纯在的只能降压/升压、输出电能质量差等问题，提出了一种基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法，采用了Z源逆变器进行直流到交流的变换，由于Z源逆变器允许直通信号的加入，取消了死区时间的加入，使得逆变器能够实现升降压的变换，提高了电能的转换质量。

本发明的技术方案为：一种基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法，Z源逆变器将直流输入逆变为交流输出，逆变器输出信号通过LCL滤波器滤波后并入电网；控制部分包括：用于检测并网电流和滤波电容电流的检测变送器、用于检测Z源电容电压的检测变送器、电网电压三相锁相环模块、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两相电流的两个坐标变换单元、将两相旋转坐标系下电流内环输出转换成三相静止坐标系的第三变换单元、2个对并网电流信号误差信号进行控制的PI控制器和2个对电流内环误差信号进行控制的P控制器、1个对电容电压误差信号进行控制的PI控制器和单周期控制模块；

首先将三相静止坐标系下的并网电流检测信号i_4a、i_4b、i_4c变换成两相坐标系下的电流信号i_4d、i_4q，将三相静止坐标系下的滤波电容电流检测信号i_ca、i_cb、i_cc变换成两相旋转坐标系下的电流i_cd、i_cq；将并网电流外环两个参考信号i_4d ^*和i_4q ^*与两相坐标系下的电流信号i_4d、i_4q分别进行作差，将两个误差信号分别经过两个PI控制器进行调节后的输出信号作为电容电流内环的两个参考信号i_cd ^*、i_cq ^*，将电容电流内环两个参考信号i_cd ^*、i_cq ^*与两相旋转坐标系下的电流i_cd、i_cq作差，将其差值分别经过两个内环P控制器调节后的输出信号经过两相旋转坐标系变换到三相静止坐标系，变换后的三相输出信号作为单周期控制器的输入三相电流参考信号；检测Z源逆变器的Z源电容电压V_C，将Z源电容电压的参考值V_Cref与实际测量值V_C进行作差，将差值信号经过PI控制器得到直通控制信号与单周期控制器输出的六路脉冲控制信号进行合成得到最终的Z源逆变器开关的六路驱动信号，该驱动信号经过驱动电路后控制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，系统坐标变换所需的相位信号由电网电压经过锁相环得到。

所述单周期控制器的单周期控制方程为：

式中，i_Ca、i_Cb、i_Cc为单周期控制器的输入三相电流参考信号，v_i为Z源逆变器输出电压，K₀为三相LCL滤波器的电容电流和电容电压的比例系数，k为通解系数，单周期控制器输入与输出之间的传递函数为GOCC(s)＝K，这是一个固定不变的常数；

单周期控制方程中的占空比d_m，m＝a，b，c，的取值范围是[0，1]，得到k和K的选取限制关系为：

0≤d_m＝k+K≤1。

本发明的有益效果在于：本发明基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法，采用LCL进行并网电流的滤波处理，能够较好的抑制高次谐波的影响，解决了L型滤波器滤波效果较差和LC型滤波器并网运行滤波效果较差的问题，提高了并网电能的质量；采用的并网电流环和电容电流环双环控制，有效的抑制了LCL型滤波器谐振峰值，减小了谐振峰值对Z源逆变器并网系统的不利影响。并网电流外环环采用了PI控制器，电容电流内环采用P控制器，增加了系统的稳定性，提高了系统的控制精度；采用单周期控制代替了传统PWM控制进行Z源逆变器开关的控制，能够有效的抑制高次谐波；提出的单周期控制和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方案，有效的抑制LCL型滤波器谐振峰值对于系统稳定性的影响，提高了系统的稳定性，并且有效的降低了并网电流的谐波畸变率，大大提高了并网电能的质量。

附图说明

图1为带LCL滤波器的Z源逆变器并网系统示意图；

图2为本发明基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法的整体结构框图；

图3为本发明LCL型滤波器的数学模型结构图；

图4为本发明系统的传递函数图；

图5为本发明LCL滤波的三相桥式逆变器的平均电路模型图；

图6为本发明显示了A相并网电压和并网电流是同相位的，即实现了单功率因数并网图；

图7为传统PWM控制下并网电流的谐波畸变率图；

图8为本发明单周期控制下的并网电流的谐波畸变率图；

图9为本发明系统的并网电流和电网电压响应曲线图。

具体实施方式

如图1所示带LCL滤波器的Z源逆变器并网系统示意图及图2所示基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法的整体结构框图，Z源逆变器将直流输入逆变为交流输出，逆变器输出信号通过LCL滤波器滤波后并入电网。控制部分包括：用于检测并网电流和滤波电容电流的检测变送器、用于检测Z源电容电压的检测变送器、电网电压三相锁相环模块、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两相电流的坐标变换单元1和坐标变换单元2、将两相旋转坐标系下电流内环输出转换成三相静止坐标系的变换单元3、2个对并网电流信号误差信号进行控制的PI控制器和2个对电流内环误差信号进行控制的P控制器、1个对电容电压误差信号进行控制的PI控制器和单周期控制模块。主要控制过程为：首先将三相静止坐标系下的并网电流检测信号i_4a，4b，4c变换成两相坐标系下的电流信号i_4d、i_4q，将三相静止坐标系下的滤波电容电流检测信号i_ca、i_cb、i_cc变换成两相旋转坐标系下的电流i_cd、i_cq。将并网电流外环两个参考信号i_4d ^*和i_4q ^*与两相坐标系下的电流信号i_4d、i_4q分别进行作差，将两个误差信号分别经过两个PI控制器进行调节后的输出信号作为电容电流内环的两个参考信号i_cd ^*、i_cq ^*。将电容电流内环两个参考信号i_cd ^*、i_cq ^*与两相旋转坐标系下的电流i_cd、i_cq作差，将其差值分别经过两个内环P控制器调节后的输出信号经过两相旋转坐标系变换到三相静止坐标系，变换后的三相输出信号作为单周期控制器的输入三相电流参考信号。检测Z源逆变器的Z源电容电压V_C，将Z源电容电压的参考值V_Cref与实际测量值V_C进行作差，将差值信号经过PI控制器得到直通控制信号与单周期控制器输出的六路脉冲控制信号进行合成得到最终的Z源逆变器开关的六路驱动信号。该驱动信号经过驱动电路后控制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。系统坐标变换所需的相位信号由电网电压经过锁相环得到。

为说明本发明的正确性和可行性，对一台单周期控制和双电流环控制的Z源逆变器系统进行仿真验证。仿真参数为：输入直流电源V₀＝560V，Z源网络电感L₁＝L₂＝L＝0.7mH，电容C₁＝C₂＝C＝1000mF。交流侧滤波电感分别为L₃＝32mH，L₄＝3mH；滤波电容为C＝12μF。Z源电容的参考电压为V_Cref＝630V，电网电压的幅值为311V，开关频率为10kHz。并网电流环PI控制器的控制参数为：k_p＝0.61，k_i＝0.08，电容电流环P控制器的参数为：k₁＝2.1。

图3显示了LCL型滤波器的数学模型结构，数学模型为：

由图4可得系统的传递函数为：

式中，ξ为系统阻尼比，K为单周期控制器控制参数。

根据劳斯-赫尔维茨判据可知，系统的稳定的条件为：

对系统进行极点配置下的方程为：

式中，ξ₁，ω₁和ξ₂，ω₂分别为非主导极点和主导极点的阻尼比和谐振频率。

为了获得较高的响应速度，取ξ₂＝1。对系统进行极点配置可得：

随着主导极点的的阻尼比ξ₁增大，获得稳定裕度增大的同时系统响应速度却变慢，应综合考虑两方面因素的影响。

图5是LCL滤波的三相桥式逆变器的平均电路模型，根据该模型可以得到单周期控制的控制方程，图5中各量的物理意义：v_i为Z源逆变器输出电压，L_a、L_b、L_c为滤波电感(图2中滤波电感L₃)，i_La、i_Lb、i_Lc为三相滤波电感电流(图2中滤波电感L₃上的电流)，v_Ca、v_Cb、v_Cc为三相电容电压，d_a、d_b、d_c为逆变器开关1、3、5的直通占空比，i_Ca、i_Cb、i_Cc为单周期控制器的输入三相电流参考信号，单周期控制方程为：

式中，K₀为三相LCL滤波器的电容电流和电容电压的比例系数，k为通解系数，单周期控制器输入与输出之间的传递函数为GOCC(s)＝K，这是一个固定不变的常数。因此，单周期控制对输入电流信号的抗干扰能力较强的原因。

占空比d_m(m＝a，b，c)的取值范围是[0，1]，于是可以得到k和K的选取限制关系为：

0≤d_m＝k+K≤1

这个占空比是单周期控制方程中的占空比，并非单周期控制器的输出，单周期控制器的输出为六路脉冲，该六路脉冲信号与直通控制信号合成为逆变器开关驱动信号，为了简化原理介绍，图2中Z源电容电流控制环的输出用直通占空比代替，但实际的输出为直通脉冲控制信号。

如图6显示了A相并网电压和并网电流是同相位的，即实现了单功率因数并网。如图7显示传统PWM控制下并网电流的谐波畸变率。如图8单周期控制下的并网电流的谐波畸变率。可以看出单周期控制的并网电流的谐波畸变率仅有1.53％，相较传统PWM来说控制效果提升明显。为了验证系统的反应速度和抗干扰能力，在0.04s是将i_4d*的值由11.8A提升到30.8A，系统的并网电流和电网电压响应曲线如图9所示，可以看出加入扰动之后，并网电流能够很快的稳定，并且依旧与电网电压保持同相。以上结果表明，基于单周期控制和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法，并网电流谐波畸变率较低，能够较好的实现单功率并网的要求，并且在并网电流突变的情况下能够实现较快的跟随，达到了预期的控制效果。

Z源逆变器大都采用SPWM或者SVPWM进行逆变器开关的控制，但是会引入较多的高次谐波，系统的控制成本较高，控制难度也较大；单周期控制是一种非线性控制，其基本思想是在每个周期内控制输出的平均值等于参考输入；所以，单周期控制的误差只存在于当前开关周期内，这使得它对输入信号的抗干扰能力较好，能够有效的抑制高次谐波；提出的单周期控制和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方案，有效的抑制LCL型滤波器谐振峰值对于系统稳定性的影响，提高了系统的稳定性，并且有效的降低了并网电流的谐波畸变率，大大提高了并网电能的质量。

Claims (2)

1.一种基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法，Z源逆变器将直流输入逆变为交流输出，逆变器输出信号通过LCL滤波器滤波后并入电网；控制部分包括：用于检测并网电流和滤波电容电流的检测变送器、用于检测Z源电容电压的检测变送器、电网电压三相锁相环模块、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两相电流的两个坐标变换单元、将两相旋转坐标系下电流内环输出转换成三相静止坐标系的第三变换单元、2个对并网电流信号误差信号进行控制的PI控制器和2个对电流内环误差信号进行控制的P控制器、1个对电容电压误差信号进行控制的PI控制器和单周期控制模块；其特征在于，

首先将三相静止坐标系下的并网电流检测信号i_4a、i_4b、i_4c变换成两相坐旋转标系下的电流信号i_4d、i_4q，将三相静止坐标系下的滤波电容电流检测信号i_ca、i_cb、i_cc变换成两相旋转坐标系下的电流i_cd、i_cq；将并网电流外环两个参考信号i_4d ^*和i_4q ^*与两相坐标系下的电流信号i_4d、i_4q分别进行作差，将两个误差信号分别经过两个PI控制器进行调节后的输出信号作为电容电流内环的两个参考信号i_cd ^*、i_cq ^*，将电容电流内环两个参考信号i_cd ^*、i_cq ^*与两相旋转坐标系下的电流i_cd、i_cq作差，将其差值分别经过两个内环P控制器调节后的输出信号经过两相旋转坐标系变换到三相静止坐标系，变换后的三相输出信号作为单周期控制器的输入三相电流参考信号；

检测Z源逆变器的Z源电容电压V_C，将Z源电容电压的参考值V_Cref与实际测量值V_C进行作差，将差值信号经过PI控制器得到直通控制信号与单周期控制器输出的六路脉冲控制信号进行合成得到最终的Z源逆变器开关的六路驱动信号，该驱动信号经过驱动电路后控制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，系统坐标变换所需的相位信号由电网电压经过锁相环得到。

2.根据权利要求1所述基于单周期和双电流环控制的Z源逆变器并网控制方法，其特征在于，所述单周期控制器的单周期控制方程为：

式中，i_Ca、i_Cb、i_Cc为单周期控制器的输入三相电流参考信号，v_i为Z源逆变器输出电压，K₀为三相LCL滤波器的电容电流和电容电压的比例系数，k为通解系数，单周期控制器输入与输出之间的传递函数为GOCC(s)＝K，这是一个固定不变的常数；

单周期控制方程中的占空比d_m，m＝a，b，c，的取值范围是[0，1]，得到k和K的选取限制关系为：

0≤d_m＝k+K≤1。