CN108847685A - 并网逆变器的控制系统及控制方法 - Google Patents

并网逆变器的控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并网逆变器的控制系统及控制方法，所述的控制系统包括：检测单元、锁相单元、计算单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器以及选择开关，选择开关对RS触发器的信号经过选择后得到逆变系统中开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)，其中，选择的依据由电网电压ug提供，通过在每个开关周期保持输入电路的能量与输出能量和电路中消耗及储存的能量相等来实现并网逆变器的控制。本发明实现了对可再生能源等直流源不稳定，且电网存在波动情况的并网系统的控制，能够抑制直流侧电源不稳定对并网电流的影响，且提高了并网电流对于电网波动的动态响应速度。

Description

并网逆变器的控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子、非线性控制技术领域，具体涉及一种并网逆变器的控制系统及控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境问题的日益加剧，可再生能源如太阳能、风能等作为一种新型能源越来越受到各国的关注。作为新能源发电的核心技术，并网逆变技术也备受关注，积极进行并网逆变器的研究和开发将新能源变成可以并入国家电网的髙质量电能才能真正的解决能源危机问题。
并网逆变器控制技术是并网发电系统中的重要组成部分，目前对于并网逆变器控制有直接控制和间接控制方式。直接控制是以电流为控制对象，通过电流反馈闭环直接对并网电流的相位和幅值进行控制。间接控制是将逆变器控制成为电压源，根据逆变器的电压与电流之间的关系，调节逆变器的输出电压，达到逆变器输出电流与并网电压同频同相的目的。逆变器的控制方式主要有双闭环控制、重复控制、滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制等，在理想恒定直流电源应用条件下，这些控制方法都可以输出良好的波形质量，满足并网的要求。然而可再生能源提供的直流电源不再是传统的恒定直流电源，而是叠加有一定随机脉动成分的直流电源，并且由于各种复杂的因素使其中参杂了一定的干扰噪声。因此，在可再生能源并网的应用中，传统的控制方法已不能满足这种应用场合下的并网要求，将会给电网造成谐波污染。同时，电网的波动也需要寻求动态响应能力更快的控制方法。
发明内容
本发明的首要目的在于解决并网逆变系统中直流源不稳定，电网波动对并网电流带来的影响(谐波增加，动态响应慢等)，提供一种并网逆变器的控制系统。
本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种更适合于可再生能源等不稳定电源的并网逆变器的控制方法。
根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种并网逆变器的控制系统，所述的控制系统包括：检测单元、锁相单元、计算单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器以及选择开关。检测单元与逆变系统直接相连，检测得到逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，所检测到的信号发送给计算单元以及经过乘法器后送入复位积分器；其中，锁相单元对所检测的并网电压的相位和频率进行锁定，用以确定给定并网电流的相位和频率；计算单元和复位积分器的输出端分别连接比较器的两个输入端口。计算单元和复位积分器对所接收到的信号进行处理，而后将所得到的信号送入比较器，比较器的输出端连接RS触发器的R端，R端为RS触发器的复位端；RS触发器的S端连接时钟信号，当时钟信号为高电平时，RS触发器的Q端输出高电平，端输出低电平。其复位端R端由比较器的输出信号决定，当比较器输出端为高电平时，RS触发器复位，此时Q端输出低电平，端输出高电平；RS触发器的输出Q端和端与选择开关相连。选择开关对RS触发器的信号经过选择后得到逆变系统中开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)，其中，选择的依据由并网电压ug提供，通过在每个开关周期保持输入电路的能量与输出能量和电路中消耗及储存的能量相等来实现并网逆变器的控制。
进一步地，所述的锁相单元用于检测所得到并网电压ug的相位和频率，从而与给定的电压幅值经过在计算单元中处理得到给定的并网电流值。
进一步地，所述的选择开关，通过判断并网电压ug的正负对RS触发器的输出信号进行选择，得到逆变器的开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)。
根据公开的实施例，本发明第二方面公开了一种并网逆变器的控制方法，将单相逆变器当做是两个Buck电路A、B交替工作，通过在每个开关周期保持输入电路的能量与输出能量和电路中消耗及储存的能量相等来实现变换器的控制，控制原理如下式所示：
所述的控制方法包括下列步骤：
选择开关通过判定并网电压的正负决定开关S1和S2的状态，在并网电压的正半周，开关S1导通，开关S2关断，电路buck A工作，如图1所示。当时钟信号为高电平时，一个周期开始，检测单元检测并网逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，并将检测得到的信号送入计算单元和复位积分器，此时，复位积分器的积分值小于计算单元计算得到的输出能量和电路中消耗及储存的能量之和，因此，RS触发器Q端输出高电平，端输出低电平。Q端和端的信号通过选择开关后，得到开关S4导通，开关S3关断，此时直流源向电路中输入能量；
直流源向电路中输入能量，积分值随着时间不断增加，当积分值达到计算单元的计算值时，比较器输出高电平，通过控制RS触发器的复位端使得RS触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，于是，开关S3导通，开关S4关断，此时直流源停止向电路中输入能量；
保持开关S3导通，开关S4关断，直流源停止向电路中输入能量的状态直到下一个开关周期开始(即下一个时钟信号高电平)，重复开始以上的步骤；
在并网电压的负半周，开关S1关断，开关S2导通，电路buck B工作，如图2所示。当时钟信号为高电平时，一个周期开始，检测单元检测并网逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，并将检测得到的信号送入计算单元和复位积分器，此时，复位积分器的积分值小于计算单元计算得到的输出能量和电路中消耗及储存的能量之和，因此，RS触发器Q端输出高电平，端输出低电平。Q端和端的信号通过选择开关后，得到开关S3导通，开关S4关断，此时直流源向电路中输入能量；
直流源向电路中输入能量，积分值随着时间不断增加，当积分值达到计算单元的计算值时，比较器输出高电平，通过控制RS触发器的复位端使得RS触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，于是，开关S4导通，开关S3关断，此时直流源停止向电路中输入能量；
保持开关S4导通，开关S3关断，直流源停止向电路中输入能量的状态直到下一个开关周期开始(即下一个时钟信号高电平)，重复开始以上的步骤。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明公开的并网逆变器的控制系统结构简单、原理清晰、易于实现,在理想情况下能够得到优质的并网电流，满足并网要求。
(2)本发明公开的并网逆变器的控制方法，在输入电压不平衡、输入电压发生小幅度范围内低频脉动等不稳定情况时依然能够得到优质的并网电流，满足并网要求，因此，对比传统的控制方式如双闭环控制方法，更适合于可再生能源等不稳定电源的并网系统的控制。
附图说明
图1是本发明公开的一种并网逆变器的控制系统结构图；
图2(a)及图2(b)分别是本发明中Buck A和Buck B的电路工作结构图；
图3是本发明公开的一种并网逆变器的控制方法的流程步骤图；
图4所示为本发明实施例在理想恒定直流电源应用条件下，基于并网能量平衡控制的逆变器的并网电压和电流波形图；
图5(a)及图5(b)分别是在直流源含有低频脉动时采用并网能量平衡控制和电网电流和电容电流双闭环控制的电流波形图；
图6(a)及图6(b)分别是并网电压幅值波动时采用并网能量平衡控制和电网电流和电容电流双闭环控制的电流波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例公开了一种并网逆变器的控制系统，如图1所示是本实施所采用的逆变系统及本发明公开的一种并网逆变器的控制系统结构图。逆变系统由直流源、单相全桥逆变器、LCL滤波单元和电网构成。本发明将逆变系统当作两个Buck电路交替运行，如图2(a)和图2(b)所示，即正半周时Buck电路A工作，负半周时Buck电路B工作。控制系统包括：检测单元、锁相单元、计算单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器以及选择开关。检测单元与逆变系统直接相连，检测得到逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，所检测到的信号发送给计算单元以及经过乘法器后送入复位积分器；其中，锁相单元对所检测的并网电压的相位和频率进行锁定，用以确定给定并网电流的相位和频率；计算单元和复位积分器的输出端分别连接比较器的两个输入端口。计算单元和复位积分器对所接收到的信号进行处理，而后将所得到的信号送入比较器，比较器的输出端连接RS触发器的R端，R端为RS触发器的复位端；RS触发器的S端连接时钟信号，当时钟信号为高电平时，RS触发器的Q端输出高电平，端输出低电平。其复位端R端由比较器的输出信号决定，当比较器输出端为高电平时，RS触发器复位，此时Q端输出低电平，端输出高电平；RS触发器的输出Q端和端与选择开关相连。选择开关对RS触发器的信号经过选择后得到逆变系统中开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)，其中，选择的依据由并网电压ug提供。所述方法是通过在每个开关周期保持输入电路的能量与输出能量和电路中消耗及储存的能量相等来实现并网逆变器的控制。
所述计算单元和复位积分器用于计算及处理检测到的信号，其输出端分别连接比较器的两个输入端；
所述比较器的输出端与触发器的R端连接，用于提供RS触发器的复位信号；
所述选择开关与RS触发器的输出端相连，通过对并网电压正负的判断选择RS触发器的输出信号，得到逆变系统的开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)。
如图3所示，本实施例公开了一种并网逆变器的控制方法，该方法基于上述用于并网逆变器的控制系统进行实施，主要用于可再生能源并网逆变器系统控制，具体工作流程如下：开关S1，S2是通过判定并网电压信号的正负来获得开通、关断信号。通过开关的交替导通实现了buck电路A、Buck电路B的交替工作。以电压正半周为例，在一个周期开始时，如第k个开关周期,首先由计算单元接收检测单元以及锁相环单元的信息计算出参考|uoiref|Ts+|ulil|Ts的值,此时复位积分器的输出为零。当时钟信号为高电平时，触发RS触发器，通过其Q端控制开关S4开通，此时，直流电源将能量输入电路，复位积分器对|uABil|进行积分，其输出值由初始值开始单调增长。当复位积分器的输出值大于参考值|uoiref|Ts+|ulil|Ts时,比较器的输出端会产生复位脉冲信号,使复位积分器复位，通过复位积分器Q端控制开关S4关断，S3开通。此时能量停止输入到电路,则复位积分器的输出保持为零直到下一个时钟脉冲的到来。
如图4所示为本实施例在理想恒定直流电源应用条件下，基于并网能量平衡控制的逆变器的并网电压和电流波形图，由图可以看到，并网电流与并网电压同相同频，波形质量优越，满足并网要求。
图5(a)是在直流电源存在低频脉动(存在150Hz的低次谐波)时，采用本发明的并网能量平衡控制的并网电流波形。为了体现所提出的控制方法的优点，选取传统的电网电流和电容电流双闭环的控制方法作为对比，结果如图5(b)。从结果可以看到，并网能量平衡控制对于直流源的干扰具有强抑制能力，依然能够输出良好的正弦电流波形，而传统的电网电流和电容电流双闭环控制方法的并网电流会由于低次谐波的增加导致波形的畸变。
如图6(a)和图6(b)所示为在并网电压幅值波动时并网电流的波形，由结果可以看到，基于并网能量平衡控制的逆变器与基于传统电网电流和电容电流双闭环的控制方法相比，并网电流的超调减小，且达到新的稳定状态所需的调整时间大大的缩短。
实施例的结果显示，在理想直流电源条件下，并网能量平衡控制和传统的电网电流和电容电流双闭环控制方法都可以波形质量良好的并网电流，满足并网要求。然而在直流电源存在非理想情况时，传统的电网电流和电容电流双闭环控制方法的并网电流波形会不稳定甚至畸变，且对于直流源电压的跳变及并网电压的波动的动态响应能力差，不再能够满足正常的工作需要。而本发明所提出的并网能量平衡控制除精确控制外，直流电源存在非理想情况以及并网电压波动的情况时，能够有效的解决传统调制中存在的波形畸变问题，同时，改善其动态性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种并网逆变器的控制系统，其特征在于，所述的控制系统包括：检测单元、锁相单元、计算单元、乘法器、复位积分器、比较器、RS触发器以及选择开关，其中，
所述的检测单元和选择开关与逆变系统相连，所述的检测单元检测得到逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，所检测到的信号发送给计算单元以及经过乘法器后送入复位积分器；
所述的锁相单元与所述的检测单元相连，用于对所检测的并网电压的相位和频率进行锁定，用以确定给定并网电流的相位和频率；所述的计算单元、乘法器和复位积分器用于计算及处理所述的检测单元和锁相单元所得到的信号，所述的计算单元和所述的复位积分器的输出端分别与所述的比较器的两个输入端相连；
所述的比较器用于对所述的计算单元和复位积分器处理得到的信号进行对比，用于提供所述的RS触发器的R端信号，R端为RS触发器的复位端；RS触发器的S端连接时钟信号，RS触发器的输出Q端和端与所述的选择开关相连，所述的选择开关对RS触发器的信号经过选择后得到逆变系统中开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制系统，其特征在于，当时钟信号为高电平时，所述的RS触发器的Q端输出高电平，端输出低电平，其作为复位端的R端由比较器的输出信号决定，当比较器输出端为高电平时，RS触发器复位，此时Q端输出低电平，端输出高电平。
3.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制系统，其特征在于，所述的锁相单元用于检测所得到并网电压ug的相位和频率，从而与给定的电压幅值经过在计算单元中处理得到给定的并网电流值。
4.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制系统，其特征在于，所述的选择开关通过判断并网电压ug的正负对RS触发器的输出信号进行选择，得到逆变器的开关S1、S2、S3、S4的驱动信号g(S1)、g(S2)、g(S3)、g(S4)。
5.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制系统，其特征在于，所述的选择开关的选择依据由并网电压ug提供，通过在每个开关周期保持输入电路的能量与输出能量和电路中消耗及储存的能量相等来实现并网逆变器的控制。
6.一种并网逆变器的控制方法，将单相逆变器当做Buck电路A和Buck电路B交替工作，通过在每个开关周期保持输入电路的能量与输出能量和电路中消耗及储存的能量相等来实现变换器的控制，其特征在于，所述的控制方法包括下列步骤：
选择开关通过判定并网电压的正负决定开关S1和S2的状态，在并网电压的正半周，开关S1导通，开关S2关断，电路buck A工作，当时钟信号为高电平时，一个周期开始，检测单元检测并网逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，并将检测得到的信号送入计算单元和复位积分器，RS触发器Q端输出高电平，端输出低电平。Q端和端的信号通过选择开关后，得到开关S4导通，开关S3关断，此时直流源向电路中输入能量；
直流源向电路中输入能量，积分值随着时间不断增加，当积分值达到计算单元的计算值时，比较器输出高电平，通过控制RS触发器的复位端使得RS触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，于是，开关S3导通，开关S4关断，此时直流源停止向电路中输入能量；
保持开关S3导通，开关S4关断，直流源停止向电路中输入能量的状态直到下一个开关周期开始，即下一个时钟信号高电平，重复开始以上的步骤；
在并网电压的负半周，开关S1关断，开关S2导通，电路buck B工作，当时钟信号为高电平时，一个周期开始，检测单元检测并网逆变系统的并网电压ug、逆变器输出侧A、B点之间的电压uAB和电感电流il，并将检测得到的信号送入计算单元和复位积分器，RS触发器Q端输出高电平，端输出低电平，Q端和端的信号通过选择开关后，得到开关S3导通，开关S4关断，此时直流源向电路中输入能量；
直流源向电路中输入能量，积分值随着时间不断增加，当积分值达到计算单元的计算值时，比较器输出高电平，通过控制RS触发器的复位端使得RS触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，于是，开关S4导通，开关S3关断，此时直流源停止向电路中输入能量；
保持开关S4导通，开关S3关断，直流源停止向电路中输入能量的状态直到下一个开关周期开始，即下一个时钟信号高电平，重复开始以上的步骤。
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