CN110429842B - 一种结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，通过单一的无源电压互感器对系统状态量进行采集，获得带有各自权重的电感电压和电容电压之差，并估计电容电压和电感电流，将其应用于控制器中；再采用双闭环控制，给系统增加有源阻尼，提高系统的稳定性和鲁棒性。该方法可以实现降低逆变器的测量硬件电路复杂度并减少设备成本，在只有单传感器的条件下，使逆变器具有优异的输出电压性能，并抑制电流谐波。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器控制领域，具体涉及一种结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，通过采用单无源电压互感器以实现逆变器的控制并抑制电流谐波。
背景技术
逆变技术广泛应用于航天、分布式发电、交通运输、工业控制等领域。随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，风能、太阳能等新能源的开发和利用受到广泛重视。利用新能源的孤岛逆变技术将新能源转化的直流电能变换成交流电能，给本地负载供电。
逆变器需要具有高可靠性、高稳定性，以及电压调整能力和强鲁棒性。现有的单传感器控制方式在稳定性上性能较差。如果要提高系统稳定性，逆变器需要应用多个传感器测量系统状态量，如分别应用电压传感器和电流传感器测量电容电压和电感电流，以实现逆变器的高稳定性和高鲁棒性。多传感器测量方式中，传感器成本在总成本中占有较大比例。对于中小功率的逆变器，成本的降低有利于实际应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，利用单一无源电压互感器取代多个传感器，测量组合了电感电压和电容电压的状态量，用一个状态量估计电容电压和电感电流，以保证逆变器的电压输出性能，并抑制电流谐波。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，包括以下步骤：
(1)单相逆变器只使用一个无源的电压互感器进行反馈量采集，获得组合了电感电压和电容电压的状态量，并将组合的电压经过高通滤波器，由此实现对逆变器的控制；
(2)电压互感器采集结合了电感电压和电容电压的组合电压状态量，选择满足测量要求以及电压跟踪增益要求的权重，分别估计出电容电压和电感电流；
(3)逆变器控制系统采用电压电流双闭环控制方案，估计的电容电压和电感电流作为双闭环控制的反馈量，以增强电压输出能力、输出电压稳态性能及谐波抑制能力。
进一步的，步骤(1)包括以下步骤：
a)无源的电压互感器采集各自权重下的电容电压和电感电压之差，其数学模型表示为：
Vm＝αVC-βVL (1-1)
其中，Vm为组合的电压，VC和VL分别为电容电压和电感电压，α和β分别为VC和VL的权重，R1和R2为电压互感器两个原边端口的限流电阻，Rm为互感器副边端口的负载电阻，N1,N2和Nm分别为电压互感器三个线圈的匝数；通过设定不同的R1，R2，Rm，N1，N2和Nm可以改变α和β的数值；将Vm应用于控制器中，以实现逆变器的控制；
b)无源的电压互感器只能传输交流量，为防止采集信号中引入无关的直流量而使逆变器系统崩溃，组合的电压预先经过高通滤波器，滤除直流量。
进一步的，步骤(2)包括如下步骤：
a)逆变器端口输出电压Vout等于电容电压和电感电压之和，Vout不易被测量；
是PWM产生器的输入信号，用
来代替Vout；
作为Vout经过有限带宽控制后的变量，表达式如下所示：
其中，VC和VL分别为电容电压和电感电压，1/τout为带宽，s为微分算子；
b)利用测量得到的组合的电压Vm，估计电容电压和电感电流以实现控制，计算如下：
其中，
和
分别为电容电压和电感电压的估计；Vm为组合的电压；α和β分别为VC和VL的权重；
为PWM产生器的输入信号，
可直接从控制环节中获得，无需添加额外的测量单元，以降低测量复杂度；由于电感电压在复频域满足VL＝IL(Lfs+Rf)，IL为电感电流，Lf和Rf分别为电感的感量和电感的杂散电阻实际值，因此估计的
被表示为：
其中，
为电感电流的估计值；
和
分别为电感的感量和电感的杂散电阻的估计值。
进一步的，步骤(3)中控制策略如下：将步骤(2)中估计的电容电压应用于外环电压PR控制器，用于控制输出电压，外环电压PR控制器的输出作为逆变器控制的电感电流参考；将步骤(2)中估计的电感电流用于内环比例控制器，为逆变器系统增加有源阻尼，以提高逆变器系统的稳定性，实现结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明将估计的电容电压应用于外环电压比例谐振控制器，用于控制输出电压，外环电压控制器的输出作为逆变器内环控制的电感电流参考；估计的电感电流用于内环比例控制器，增加逆变器系统的有源阻尼，提高系统的稳定性。
2.本发明用一个无源电压互感器采集结合了电感电压和电容电压的组合状态量，减少了传感器的使用，降低逆变器的设备成本。
3.与传统单传感器控制方式相比，本发明尽管只采用单一电压互感器，但逆变器系统仍具有高稳定性和高鲁棒性。
4.与传统多传感器电压电流闭环控制方式相比，本发明在减少测量装置的情况下，保持符合逆变器功能要求的电压输出特性和谐波电流抑制能力，给逆变器系统提供了一种降低硬件设计复杂度和成本的有效方案，实现结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制。
附图说明
图1本发明实施例中逆变器拓扑结构、电压互感器测量方式与控制方法示意图。
图2(a)、图2(b)分别为本发明实施例中负载跳变时的输出电压和负载电流仿真波形图。
图3为带有非线性负载时输出电压的总谐波畸变率(THD)。
图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为采用传统单传感器方法、多传感器方法和本发明方法的输出电压波形。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明具体实施方式的电路图和控制方法示意图。如图1所示，单相逆变器采用一个无源电压互感器作为状态量采集装置，获得结合了相应权重下电感电压和电容电压的状态量。
本发明结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法基本步骤如下：
步骤1：采用不同的权重，将电感电压和电容电压进行线性的结合，即线性相减，从而获得组合的电压，其数学模型如下：
Vm＝αVC-βVL (1)
其中，Vm为组合的电压，VC和VL分别为电容电压和电感电压，α和β分别为VC和VL的权重，R1和R2为互感器两个原边端口的限流电阻，Rm为互感器副边端口的负载电阻，N1,N2和Nm分别为互感器三个线圈的匝数。设定不同的R1，R2，Rm，N1，N2和Nm可以改变α和β的数值。
考虑到传感器的特性，组合的电压Vm实际上被一个有限带宽的时间常数控制，表示如下：
在这里，1/τm代表被提出的传感器的带宽，s为微分算子，传感器带宽被选择的足够大，去保证好的Vm跟踪特性。由于传感器的有限带宽，VC和VL中的高次谐波已经被滤除，Vm中的高次谐波也将不存在，这可以避免不必要的干扰。
由于电压互感器具有电磁感应特性，电压互感器无法传输直流量，因此控制器无法对直流量进行控制。当输入信号中存在未预料的直流量时，直流量将会在控制器中逐渐累积，最终使逆变器系统崩溃。因此输入信号Vm需要经过一个高通滤波器，将直流量滤除，防止其对逆变器系统运行产生影响。
步骤2：估计电容电压和电感电流用于控制。
逆变器端口输出电压Vout等于电容电压和电感电压之和，但是Vout不易被测量，
是PWM产生器的输入信号，
可以作为替代的控制量。Vout和
在基波和低次频率上的特性基本相同，而高次谐波上特性有差异，对于逆变器系统，控制器在谐波上的控制目标为0，Vout和
二者的谐波特性差异不会过大影响最终的控制效果，因此可以用
来代替Vout。
相当于是Vout经过有限带宽控制后的变量，表达式如下所示。
在这里，1/τout为带宽，s为微分算子，
是PWM产生器的输入信号，Vout是逆变器端口输出电压，VC和VL分别为电容电压和电感电压。
在本发明中，Vm可以用来估计电容电压和电感电流，从而进行控制，跟随的规则可以被描述为：
其中，
和
分别为电容电压和电感电压的估计，Vm为组合的电压信号。
为PWM产生器的输入信号，可以直接从控制环节中获得，无需添加额外的测量单元，测量复杂度降低。由于电感电压VL在复频域满足VL＝IL(Lfs+Rf)，IL为电感电流，Lf和Rf分别为电感的感量和电感的杂散电阻实际值，因此估计的
可以被表示为：
其中，
为电感电流的估计值；
和
分别为电感的感量和电感的杂散电阻的估计值。
步骤3：将估计的电容电压和电感电流引入控制器，采用双闭环控制。电压外环采用PR控制器，用于控制输出电压，其输出作为逆变器控制的电感电流参考；电流内环采用比例控制，为逆变器系统增加有源阻尼，提高逆变器系统的稳定性，以实现好的输出电压稳态性能及谐波抑制能力。
步骤4：讨论选择不同权重对逆变器系统的电压跟踪特性和输出阻抗特性的影响。
权重α和β值的改变会影响
和
对于实际的电感电流IL来说，IL＝VL/(Lfs+Rf)，在这里VL为电感电压。根据(4)和(5)，
可以被表示为：
对
进行相似的分析，可以获得：
Hi2(s)表示IL与
的传递函数，Hv1(s)表示VC与
的传递函数。Hi2(s)和Hv1(s)的幅值特性呈现低通滤波的特性，β/α值不会显著影响Hi2(s)和Hv1(s)。因此，在低频范围内，IL和VC的特性分别被很好的保留。Hi1(s)表示VC与
的传递函数，Hv2(s)表示VL与
的传递函数。β/α值增大，Hi1(s)的增益会减小，Hv2(s)的增益将增大。即一个大的β/α值，
中会包含较小的VC分量，
中会包含较大的VL分量。这两个分量都会使估计值和实际值间产生偏差，因此参数α和β的值应该被仔细选择去在
和
的偏差之间建立一个权衡。在本实例中选择α＝0.01，β＝0.03。
步骤5：用Matlab/Simulink搭建如图1所示的仿真模型，对本发明提出的逆变器控制方法进行验证。
图2(a)为采用本发明方案下负载跳变时的输出电压，图2(b)为负载跳变时负载电流仿真波形图，所带负载为非线性负载，0.1s时负载连接到输出端，可以看出输出电压的暂态特性较好，电压波形为正弦，且谐波较小。图3为带有非线性负载时输出电压的总谐波畸变率(THD)，此时THD为2.63％。图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为采用传统单传感器方法、多传感器方法和本发明方法的输出电压对比，在相同参数下，单传感器方法的输出电压已经失去稳定，而多传感器方法和本发明方法仍可以使逆变器系统保持稳定，且本发明方法测量电路简洁，成本低。
综上，本发明方法可以减少传感器的使用，并保持逆变器电压输出性能，抑制电流谐波。本发明所提出的控制策略，可以在只有一个电压互感器的条件下使逆变器具有高稳定性和鲁棒性，是一种值得推广的逆变器反馈量测量策略。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)单相逆变器只使用一个无源的电压传感器进行反馈量采集，获得组合了电感电压和电容电压的组合电压状态量，并将组合的电压经过高通滤波器，由此实现对逆变器的控制；
(2)电压传感器采集结合了电感电压和电容电压的组合电压状态量，选择满足测量要求以及电压跟踪增益要求的权重，利用组合的电压状态量和权重分别估计出电容电压和电感电流；
(3)逆变器控制系统采用电压电流双闭环控制方案，估计的电容电压和电感电流作为双闭环控制的反馈量，以增强电压输出能力、输出电压稳态性能及谐波抑制能力。
2.根据权利要求1所述结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，其特征在于，步骤(1)包括以下步骤：
a)无源的电压传感器采集各自权重下的电容电压和电感电压之差，其数学模型表示为：
Vm＝αVC-βVL (1-1)
其中，Vm为组合的电压，VC和VL分别为电容电压和电感电压，α和β分别为VC和VL的权重，R1和R2为电压传感器两个原边端口的限流电阻，Rm为电压传感器副边端口的负载电阻，N1，N2和Nm分别为电压传感器三个线圈的匝数；通过设定不同的R1，R2，Rm，N1，N2和Nm可以改变α和β的数值；将Vm应用于控制器中，以实现逆变器的控制；
b)无源的电压传感器只能传输交流量，为防止采集信号中引入无关的直流量而使逆变器系统崩溃，组合的电压预先经过高通滤波器，滤除直流量。
3.根据权利要求1所述结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤：
a)逆变器端口输出电压Vout等于电容电压和电感电压之和，Vout不易被测量；
是PWM产生器的输入信号，用
来代替Vout；
作为Vout经过有限带宽控制后的变量，表达式如下所示：
其中，VC和VL分别为电容电压和电感电压，1/τout为带宽，s为微分算子；
b)利用测量得到的组合的电压Vm，估计电容电压和电感电流以实现控制，计算如下：
其中，
和
分别为电容电压和电感电压的估计；Vm为组合的电压；α和β分别为VC和VL的权重；
为PWM产生器的输入信号，
可直接从控制环节中获得，无需添加额外的测量单元，以降低测量复杂度；由于电感电压VL在复频域满足VL＝IL(Lfs+Rf)，在这里IL为电感电流，Lf和Rf分别为电感的感量和电感的杂散电阻实际值，因此估计的
被表示为：
其中，
为电感电流的估计值；
和
分别为电感的感量和电感的杂散电阻的估计值。
4.根据权利要求1所述结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制方法，其特征在于，步骤(3)中控制策略如下：将步骤(2)中估计的电容电压应用于外环电压PR控制器，用于控制输出电压，外环电压PR控制器的输出作为逆变器控制的电感电流参考；将步骤(2)中估计的电感电流用于内环比例控制器，为逆变器系统增加有源阻尼，以提高逆变器系统的稳定性，实现结合电感电压和电容电压的单传感器逆变器控制。
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