CN108964055A - 一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法，包括：S1：通过并网逆变器的数学模型进行了电容电流的估算，避免增加额外的电容电流传感器，减少了传感器的数量；S2：在并网电流闭环下，加入电容电流反馈环节；S3：根据并网逆变器的数学模型推导了电网电压前馈函数，在步骤S2的基础上加入电网电压前馈环节，以消除电网电压畸变时谐波对并网电流的影响，提高输出电流质量。

Description

一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法

技术领域

本发明涉及电网电压控制技术领域，更具体的说是涉及一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法。

背景技术

为了减少并网电流内的高频谐波分量，得到高质量的输出电流，通常选择LCL滤波器滤除谐波。然而LCL滤波器是一个高阶系统，其高阶特性会使并网电流内产生无阻尼谐振，降低系统运行稳定性。

2014年第6期的《中国电机工程学报》中《三相并网逆变器LCL滤波器的研究及新型有源阻尼控制》一文中提出了一种滤波电容并联电阻的电容电压反馈的控制方法，且并联电阻是通过控制算法得到的虚拟电阻，减少了谐波，降低了电流畸变的几率，提高了稳定性。2009年第27期的《中国电机工程学报》中《采用LCL滤波器的并网逆变器双闭环入网电流控制技术》一文中通过在并网电流闭环情况下加入电容电流闭环，增加了系统阻尼，抑制系统振荡，提高系统稳定性。

上述方法都是在理想电网情况下实现，但在实际中，一些偏远地区或者山区电网电压质量都很差，导致入网电流内产生较严重的低次谐波，输出电流质量较差。

因此，如何抑制谐波同时提高输出电流质量是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法，通过对电容电流估算的方法来减少额外的传感器，降低系统成本，提高可靠性，加入电容电流反馈后谐波有效减少，波形平滑收敛，系统运行稳定。同时，在并网电流及电容电流闭环条件下，加入电网电压前馈的控制方法，消除了因电网电压畸变时谐波对并网电流的影响，提高输出电流质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法，包括：

S1：根据并网逆变器的数学模型估算电容电流的估计值：

其中，

v_sk为：

其中，D_a，D_b，D_c是逆变器a，b，c三个桥臂上功率开关的占空比；V_dc为直流电压，i_ck为电容电流，C为电容值，v_Ck为电容电压，L₁为逆变器侧电感，i₁为逆变器侧电流，v_sα和v_sβ为逆变器侧电压v_sk在αβ坐标系下的分量，v_sk为逆变器侧电压；

S2：根据估算得到的电容电流在并网电流闭环下，加入电容电流反馈环节；从网侧阻抗输入端引入电容电流估计值加到电流调节器输出端；

并网电流闭环下，加入电容电流反馈环节，即从网侧阻抗输入端引入一个反馈量加到电流调节器输出端；这里所说的反馈量是指估算得到的电容电流的估计值；

S3：在步骤S2的基础上加入电网电压前馈环节；电网电压前馈函数为：

其中，G_ak(s)为电网电压前馈函数，G_A(s)为频域下逆变器侧和滤波器电容侧的等效阻抗，G_n(s)为PWM比例增益，G₁(s)为频域下逆变器侧阻抗，G₂(s)为频域下网侧阻抗，C为电容值，R₁为逆变器侧电感L₁的寄生电阻。

优选的，还包括：计算等效电网电压扰动量v_g′；

v_g'＝[1-G_A(s)G_ak'(s)]V_g

全前馈时，G_ak′(s)＝G_ak(s)＝1/G_A(s)，v_g′＝0，谐波被消除；

无前馈控制时，G_ak′(s)＝0，v_g′＝V_g，谐波存在；

比例前馈控制时，G_ak′(s)＝1，则v_g′为：

其中，G_ak′(s)为判别电网电压前馈控制类型的函数，V_g为三相电网电压；

由此分析出电网电压前馈控制策略。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法，通过并网逆变器的数学模型进行了电容电流的估算，减少了传感器的数量，其次推导了电网电压前馈函数，以消除谐波对并网电流的影响，提高输出电流质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的三相并网逆变器主电路图；

图2附图为LCL滤波器模型框图；

图3附图为i_C与i₂双闭环控制结构框图；

图4(a)附图为仅i₂闭环控制根轨迹的示意图；

图4(b)附图为i₂闭环和i_C前馈的根轨迹的示意图；

图5(a)和5(b)附图为了电网电压前馈控制推导过程；

图6附图为电网电压等效扰动量推导过程；

图7附图为等效电网电压扰动量对比图；

图8(a)附图为仅A相并网电流闭环的电流仿真波形；

图8(b)附图为加入电容电流反馈后的电流仿真波形；

图9(a)附图为不加前馈三相并网电流仿真波形；

图9(b)附图为电网电压前馈三相并网电流仿真波形；

图10(a)附图为仅A相并网电流闭环的电流波形；

图10(b)附图为加入电容电流反馈后的电流波形；

图11(a)附图为不加前馈三相并网电流波形；

图11(b)附图为电网电压前馈三相并网电流波形。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明实施例公开了一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法，下面结合具体技术背景对技术方案做进一步解释说明。

参见图1，图1为三相并网逆变器主电路图，其中VT₁-VT₆为六个IGBT，V_dc为直流电压，C_dc为直流电容，i_dc为直流母线电流，V_g为三相电网电压，i₁为逆变器侧电流，i₂为网侧电流，i_c为滤波器电容电流，v_sk为逆变器侧电压，R₁为逆变器侧电感L₁的寄生电阻，R₂为网侧电感L₂的寄生电阻；

在αβ坐标系下并网逆变器数学模型为:

式(1)中，i_1(α,β),i_2(α,β)，i_C(α,β)分别是αβ坐标系下的逆变器侧电流，并网电流和电容电流，v_1(α,β)，v_C(α,β)，V_g(α,β)分别是αβ坐标系下的逆变器侧电压，滤波器电容电压和电网电压，将其转换到频域为：

由式(2)可以得到LCL数学模型框图，如图2所示，其中G₁(s)＝sL₁+R₁，G₂(s)＝1/sC，G₃(s)＝sL₂+R₂，其中，G₁(s)，G₂(s)，G₃(s)分别为频域下LCL滤波器的网侧阻抗，滤波电容支路阻抗，逆变器侧阻抗。

图3为在并网电流i₂闭环下，加入电容电流i_C反馈后的控制结构框图，其开环传递函数为:

其中i^* _2k为网侧电流参考值，G_i(s)为电流调节器，G_n(s)为PWM比例增益；

由开环传递函数仿真可得到根轨迹图，如图4所示。当仅并网电流i₂闭环时，可以看出其零极点大部分都分布在复平面右半面，如图4(a)所示，则系统不稳定。但加入电容电流i_C反馈后，一部分极点分布在复平面左边，如图4(b)所示，可以看出系统具有条件稳定的特性，只要选择合适的调节器参数，即G_n的参数就可以保证零极点分布在复平面的左边，使系统具有良好的稳定性，但该方法将增加额外的传感器数量，会使系统成本增加，可靠性降低。

针对上述问题，本发明提出了一种电容电流估算的方法来减少额外的传感器，除了并网电流，逆变器侧电流以及电网电压这些必须的传感器外,电容电流传感器则可以通过估算获得。

根据图1所示逆变器数学模型，电容电压为：

电容电流为：

v_sk为:

其中，D_a，D_b，D_c是逆变器a，b，c三个桥臂上功率开关的占空比，可以由空间矢量单元得到。

由(7)-(10)可得到电容电流的估计值，组成了无电容电流传感器的网侧电流和电容电流双闭环，电网电压前馈的控制策略。

为了消除在非理想电网情况下，并网电流内产生的低次谐波，本文在并网电流及电容电流闭环条件下，加入电网电压前馈的控制方法。系统的控制框图如图5(a)和图5(b)所示：

其中G_n(s)＝K_PWM

式(12)为电网电压前馈数学表达式，可以看出其主要由比例项，二次微分项及一次微分项构成。且根据s＝j2πf可得出只有一次微分项与二次微分项受频率的影响。

由图6可以推导出等效电网电压扰动量v_g′的数学表达式为：

v_g'＝[1-G_A(s)G_ak(s)]V_g (13)

全前馈时，G_ak′(s)＝G_ak(s)＝1/G_A(s)，v_g′＝0，谐波被消除；

无前馈控制时，G_ak′(s)＝0，v_g′＝V_g，谐波存在；

比例前馈控制时，G_ak′(s)＝1，则v_g′为：

为了进行详细的对比分析，根据式(12)-(14)仿真得到了在三种情况下的对比图，如图7所示，无前馈时，扰动量恒为1，谐波一直存在，输出电流较差。比例前馈时，扰动量随着电网电压谐波频率增加而增大，并网电流内的低次谐波被消除，但增加到一定的频段时，如图7中圈中的部分，与无前馈相比，并网电流谐波被放大。全前馈时，电网电压扰动量恒为0，并网电流谐波完全被消除，效果最理想，但是全前馈中含有微分项，控制系统设计比较复杂。

由上述分析可得，在低频段时，采用比例前馈就可以消除并网电流谐波，但当频率上升到一定频段时，谐波不仅没有得到消除，反而会被放大，此时应采用电网电压全前馈控制。

下面结合仿真和具体实验来验证本发明提供的控制方法的正确性。

为了验证所提控制方法的正确性，采用matalab进行仿真。仿真参数为电网电压380V，直流电压800V，电网频率50Hz，开关频率3KHz，电流环参数K_ip＝1，K_il＝1500。仅并网电流闭环及加入电容电流反馈后的电流波形如图8(a),(b)所示，从图中可以看出仅并网电流闭环时电网电流中含有少量谐波，加入电容电流反馈后谐波减少，波形平滑收敛，系统运行稳定。

但在三相电网中注入少量低次谐波后，此时为非理想情况，可以看出并网电流波形明显发生畸变，如图9(a)所示，谐振现象较严重。加入电网电压前馈控制后，谐波被消除，波形得到明显的改善，输出电流质量较好，如图9(b)所示。

从仿真结果可以看出加入电容电流反馈后LCL滤波器的固有谐振被抑制，在非理想情况下电网电压前馈控制策略对电网内的谐波有着良好的抑制，消除效果，使系统稳定。

为了进一步验证本文所提出控制策略的正确性，以TMS320LF2407数字信号处理器为控制芯片，进行实验分析，且参数与仿真参数设置一致。图10(a)是仅并网电流闭环的并网电流波形，可以明显看出电流有较严重谐振现象，且并网电流THD＝7.82％，系统不稳定，图10(b)是加入电容电流反馈后的电流波形，此时并网电流THD＝3.11％并网电流的谐振现象被抑制，系统稳定运行。

在三相电网中加入少量谐波后，并网电流内会有较严重的低次谐波，可知并网电流THD＝10.71％，如图11(a)所示。为了消除谐波对并网电流的影响，提高输出电流质量，本文引入了电网电压前馈环节，如图11(b)所示，可以看出与图11(a)相比，波形得到明显的改善，此时并网电流THD＝4.32％，低次谐波被消除。

综上所述，本发明首先在αβ坐标系下建立了并网逆变器的数学模型，通过数学模型进行了电容电流估算，减少了传感器的数量。其次推导出了电网电压前馈函数，分析了电网电压前馈函数各项在不同谐波频段内的作用，提出了电网电压前馈控制策略。最后进行了实验和仿真验证，仿真和实验验证了相关理论分析和所提出控制策略的正确性和有效性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法，其特征在于，包括：

S1：根据并网逆变器的数学模型估算电容电流的估计值：

其中，

v_sk为：

其中，D_a，D_b，D_c是逆变器a，b，c三个桥臂上功率开关的占空比；V_dc为直流电压，i_ck为电容电流，C为电容值，v_Ck为电容电压，L₁为逆变器侧电感，i₁为逆变器侧电流，v_sα和v_sβ为逆变器侧电压v_sk在αβ坐标系下的分量，v_sk为逆变器侧电压；

S2：根据估算得到的电容电流，在并网电流闭环下，加入电容电流反馈环节；

S3：在步骤S2的基础上加入电网电压前馈环节；电网电压前馈函数为：

其中，G_ak(s)为电网电压前馈函数，G_A(s)为频域下逆变器侧和滤波器电容侧的等效阻抗，G_n(s)为PWM比例增益，G₁(s)为频域下逆变器侧阻抗，G₂(s)为频域下网侧阻抗，C为电容值，R₁为逆变器侧电感L₁的寄生电阻。

2.根据权利要求1所述的一种电容电流反馈的电网电压前馈控制方法，其特征在于，还包括：计算等效电网电压扰动量v_g′；

v_g'＝[1-G_A(s)G_ak'(s)]V_g；

全前馈时，G_ak′(s)＝G_ak(s)＝1/G_A(s)，v_g′＝0，谐波被消除；

无前馈控制时，G_ak′(s)＝0，v_g′＝V_g，谐波存在；

比例前馈控制时，G_ak′(s)＝1，则v_g′为：

其中，G_ak′(s)为判别电网电压前馈控制类型的函数，V_g为三相电网电压；

由此分析出电网电压前馈控制策略。