CN110661263A - 自适应延时滤波器、含有该滤波器的锁频环及基于该锁频环的并网逆变器控制方法 - Google Patents

自适应延时滤波器、含有该滤波器的锁频环及基于该锁频环的并网逆变器控制方法 Download PDF

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Abstract

自适应延时滤波器、含有该滤波器的锁频环及基于该锁频环的并网逆变器控制方法，涉及并网系统控制领域。本发明是为了解决现有基于非选择频率谐波抑制的并网逆变器控制方法中，难以精确抑制谐波的问题。本发明通过自适应延时滤波器对电网电压d轴或q轴的基波分量进行提取，通过锁频环精确地提取电网电压相位，并将电网谐波电压注入到下垂控制输出的电压参考电压中，最终达到对并网电流谐波抑制的目的。

Description

自适应延时滤波器、含有该滤波器的锁频环及基于该锁频环 的并网逆变器控制方法
技术领域
本发明属于并网系统控制领域，尤其涉及并网逆变器中的谐波抑制。
背景技术
对于包括光伏在内的所有并网系统而言，电流的畸变程度是衡量电能质量优劣的一个重要因素。例如，在IEC 61727和IEEE 1547-2003中均对并网电流的总谐波畸变率做了严格的要求，需要将其限制在5％以下以避免对连接在电网上的其它设备产生不利的影响。在光伏并网逆变系统中，由于各种电力电子设备的使用，以及高频开关和死区等会使系统内部产生大量的谐波。甚至，由于各种分布式、不稳定电源的接入，都会使谐波问题更加严重。当大电网存在背景谐波情况下，光伏并网逆变系统在并网运行过程中会受到影响，并网电流发生畸变，降低整个系统的供电质量及供电容量，对控制系统产生一定的干扰，严重时可能会造成整个系统瘫痪，影响系统的安全稳定运行，甚至摧毁整个电力网络。
并网电流谐波主要由并网逆变器自身输出谐波与电网谐波共同作用决定，并网电流谐波抑制方法，总体上可以分为两类：(1)非选择频率谐波抑制、(2)选择频率谐波抑制。非选择频率谐波抑制的几种典型方法是传统重复控制、滑动离散傅里叶变换控制及基于卡尔曼滤波的控制方法。这几种方法都能有效抑制并网电流谐波，但算法计算量大，增大了系统负担。对于基于选择频率和最优选择频率谐波抑制方法，仍会给系统引入大量的并行运算，对系统有较高要求。
非选择谐波抑制基于谐波提取，通过滤波器将电网电压中的谐波总体或个体提取出来，经过调节后与基波控制器输出进行叠加，使逆变器并网输出与电网谐波幅值相同、相位相等的谐波电压以抵消电网谐波电压，达到对谐波抑制的效果。该方法不需要对每一次谐波都进行控制器设计，因而可以减小控制系统的计算量，控制结构简单。但需要对谐波总体或各次谐波进行提取，滤波器的设计直接影响到谐波的提取精度和相位延时，这会对谐波抑制效果产生严重影响。因此，如何设计谐波提取精度高、相位延时小的滤波器，是非选择频率谐波抑制的重点和难点。
发明内容
本发明是为了解决现有基于非选择频率谐波抑制的并网逆变器控制方法中，难以精确抑制谐波的问题，现提供自适应延时滤波器、含有该滤波器的锁频环及基于该锁频环的并网逆变器控制方法。
自适应延时滤波器，包括依次连接的N阶延时模块和系数补偿模块，N为谐波阶次，
将第n-1阶延时模块的输出信号作为第n阶延时模块的输入信号，第n阶延时模块用于对输入信号延时
Figure BDA0002271657640000024
时间获得延时结果，将该延时结果与第n-1阶延时模块的输出信号之和作为第n阶延时模块的输出信号，
其中，n＝1,2,3,...,N，
Figure BDA0002271657640000021
T为电网周期，
第1阶延时模块的输入信号为电网电压d轴或q轴分量，
系数补偿模块用于对第N阶延时模块的输出信号进行系数补偿，获得电网电压d轴或q轴的基波分量。
含有上述自适应延时滤波器的锁频环，包括：二阶广义积分器、Park变换模块、自适应延时滤波器、幅值归一化模块、反Park变换模块、频率计算模块、低通滤波器、积分模块、相位补偿模块和电网相位获得模块，
电网电压vg通过二阶广义积分器生成电网电压正交分量vgα和vgβ，Park变换模块对vgα和vgβ进行Park变换获得电网电压d、q轴分量vgd和vgq，自适应延时滤波器分别对vgd和vgq进行滤波获得电网电压d、q轴基波分量vgd_filter和vgq_filter，幅值归一化模块分别对vgd_filter和vgq_filter进行幅值归一化处理分别获得电网电压归一化后的基波分量vdf和vqf，反Park变换模块对vdf和vqf进行反Park变换获得电网电压基波正交分量vgfα和vgfβ，vgfα和vgfβ通过频率计算模块和低通滤波器获得电网电压角频率ωg，
积分模块对ωg进行积分获得电网电压参考相位θref，相位补偿模块对vdf和vqf进行相位补偿获得相位补偿量θd，电网相位获得模块将θref与θd叠加获得电网电压相位θg，
θref同时作为反Park变换模块和Park变换模块的补偿量，ωg作为二阶广义积分器和自适应延时滤波器的补偿量。
进一步的，vgfα和vgfβ通过频率计算模块和低通滤波器获得电网电压角频率ωg具体为：
Figure BDA0002271657640000022
进一步的，通过下式对vdf和vqf进行相位补偿：
Figure BDA0002271657640000023
进一步的，利用ωg对自适应延时滤波器进行补偿时，具体的通过对电网周期进行补偿：
T＝2π/ωg。
基于上述锁频环的并网逆变器控制方法，将电网电压vg输入至锁频环中，对锁相环中获得的电网电压d、q轴基波分量vgd_filter和vgq_filter进行反Park变换获得电网电压基波正交分量vgα_filter，对vgα_filter与vg做差，获得电网谐波电压
Figure BDA0002271657640000031
将
Figure BDA0002271657640000032
叠加到逆变器输出的参考电压vref中，实现对并网逆变器的控制。
本发明通过自适应延时滤波器对电网电压d轴或q轴的基波分量进行提取，通过锁频环精确地提取电网电压相位，并将电网谐波电压注入到下垂控制输出的电压参考电压中，最终达到对并网电流谐波抑制的目的。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的自适应延时滤波器的结构框图；
图2为具体实施方式二所述的含有自适应延时滤波器的锁频环的结构框图；
图3为基于图2中锁频环的并网逆变器控制方法原理图，图中Vpv为输入侧电压源电压、Cpv为输入侧母线电容、Lac为滤波电感、Cac为滤波电容、Rline为逆变器与电网之间的线路阻抗、Rload为本地负载、ig为并网电流；
图4为逆变器并网实验波形图，其中(a)表示未采用谐波补偿的电网电压和并网电流，(b)表示采用谐波补偿的电网电压和并网电流。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的自适应延时滤波器，其特征在于，包括依次连接的N阶延时模块和系数补偿模块，N为谐波阶次，
将第n-1阶延时模块的输出信号作为第n阶延时模块的输入信号，第n阶延时模块用于对输入信号延时
Figure BDA0002271657640000033
时间获得延时结果，将该延时结果与第n-1阶延时模块的输出信号之和作为第n阶延时模块的输出信号，
第1阶延时模块的输入信号为电网电压d轴或q轴分量，
其中，n＝1,2,3,...,N，
Figure BDA0002271657640000034
T为电网周期，
系数补偿模块用于对第N阶延时模块的输出信号进行系数补偿，获得电网电压d轴或q轴的基波分量。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是含有具体实施方式一所述的自适应延时滤波器的锁频环，包括：二阶广义积分器(SOGI)、Park变换模块、自适应延时滤波器、幅值归一化模块、反Park变换模块、频率计算模块、低通滤波器、积分模块、相位补偿模块和电网相位获得模块，
电网电压vg通过二阶广义积分器生成电网电压正交分量vgα和vgβ，Park变换模块对vgα和vgβ进行Park变换获得电网电压d、q轴分量vgd和vgq，自适应延时滤波器分别对vgd和vgq进行滤波获得电网电压d、q轴基波分量vgd_filter和vgq_filter，幅值归一化模块分别对vgd_filter和vgq_filter进行幅值归一化处理分别获得电网电压归一化后的基波分量vdf和vqf，反Park变换模块对vdf和vqf进行反Park变换获得电网电压基波正交分量vgfα和vgfβ，
vgfα和vgfβ通过频率计算模块和低通滤波器获得电网电压角频率ωg，具体为：
Figure BDA0002271657640000041
积分模块对ωg进行积分获得电网电压参考相位θref，
相位补偿模块对vdf和vqf进行相位补偿获得相位补偿量θd，具体的：
Figure BDA0002271657640000042
电网相位获得模块将θref与θd叠加获得电网电压相位θg，
θref同时作为反Park变换模块和Park变换模块的补偿量，
ωg作为二阶广义积分器和自适应延时滤波器的补偿量，其中，利用ωg对自适应延时滤波器进行补偿时，具体的通过对电网周期进行补偿：
T＝2π/ωg。
本实施方式同时具备电网电压谐波提取和锁相功能。
具体实施方式三：在现有对并网逆变器进行控制时，通常先采集逆变器的输出电压vac和输出电流iac，分别对vac和iac进行功率计算获得逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，分别对P和Q进行下垂控制获得逆变器输出电压参考幅值V和电压参考频率f，利用V和f生成参考电压vref，然后利用vref、vac和逆变器中的滤波电感电流iL通过双环控制和脉宽调制实现对逆变器的控制。
本实施方式是基于具体实施方式二所述的锁频环的并网逆变器控制方法，参照图3所示，加入了谐波检测单元，在谐波检测单元中引用了具体实施方式二所述的锁频环，即：将电网电压vg输入至锁频环中，对锁相环中获得的电网电压d、q轴基波分量vgd_filter和vgq_filter进行反Park变换获得电网电压基波正交分量vgα_filter，对vgα_filter与vg做差，获得电网谐波电压将
Figure BDA0002271657640000052
叠加到逆变器输出的参考电压vref中，最终实现对并网逆变器的控制。
本实施方式既可以快速提取电网电压中的谐波分量，又可以在电网电压存在扰动情况下准确提取基波相位信息，简化了并网电流谐波抑制算法。
为了验证本实施方式的实用性，采用单级式逆变器拓扑结构，设计了一台额定功率1kW的实验样机。直流电源输入电压400V，逆变器输出额定电压为220V AC、50Hz，开关频率为10kHz。
当电网电压存在背景谐波时，未进行谐波补偿的实验波形如图4(a)所示，并网电流存在明显畸变，其THD(总谐波失真)值为7.86％，不符合并网指标。图4(b)为使用所提控制算法的并网波形，所提出的改进自适应延时滤波的锁频环可以准确提取电网电压谐波，对并网电流进行谐波补偿，改善并网电流质量，其THD值为3.04％，满足并网要求。

Claims (7)

1.自适应延时滤波器，其特征在于，包括依次连接的N阶延时模块和系数补偿模块，N为谐波阶次，
将第n-1阶延时模块的输出信号作为第n阶延时模块的输入信号，第n阶延时模块用于对输入信号延时
Figure FDA0002271657630000011
时间获得延时结果，将该延时结果与第n-1阶延时模块的输出信号之和作为第n阶延时模块的输出信号，
其中，n＝1,2,3,...,N，第1阶延时模块的输入信号为电网电压d轴或q轴分量，
系数补偿模块用于对第N阶延时模块的输出信号进行系数补偿，获得电网电压d轴或q轴的基波分量。
2.根据权利要求1所述的自适应延时滤波器，其特征在于，
Figure FDA0002271657630000012
其中，T为电网周期。
3.含有权利要求1或2所述的自适应延时滤波器的锁频环，其特征在于，包括：二阶广义积分器、Park变换模块、自适应延时滤波器、幅值归一化模块、反Park变换模块、频率计算模块、低通滤波器、积分模块、相位补偿模块和电网相位获得模块，
电网电压vg通过二阶广义积分器生成电网电压正交分量vgα和vgβ，Park变换模块对vgα和vgβ进行Park变换获得电网电压d、q轴分量vgd和vgq，自适应延时滤波器分别对vgd和vgq进行滤波获得电网电压d、q轴基波分量vgd_filter和vgq_filter，幅值归一化模块分别对vgd_filter和vgq_filter进行幅值归一化处理分别获得电网电压归一化后的基波分量vdf和vqf，反Park变换模块对vdf和vqf进行反Park变换获得电网电压基波正交分量vgfα和vgfβ，vgfα和vgfβ通过频率计算模块和低通滤波器获得电网电压角频率ωg，
积分模块对ωg进行积分获得电网电压参考相位θref，相位补偿模块对vdf和vqf进行相位补偿获得相位补偿量θd，电网相位获得模块将θref与θd叠加获得电网电压相位θg，
θref同时作为反Park变换模块和Park变换模块的补偿量，ωg作为二阶广义积分器和自适应延时滤波器的补偿量。
4.根据权利要求3所述的锁频环，其特征在于，vgfα和vgfβ通过频率计算模块和低通滤波器获得电网电压角频率ωg具体为：
Figure FDA0002271657630000021
5.根据权利要求3所述的锁频环，其特征在于，通过下式对vdf和vqf进行相位补偿：
Figure FDA0002271657630000022
6.根据权利要求3所述的锁频环，其特征在于，利用ωg对自适应延时滤波器进行补偿时，具体的通过对电网周期进行补偿：
T＝2π/ωg。
7.基于权利要求3所述的锁频环的并网逆变器控制方法，其特征在于，将电网电压vg输入至锁频环中，对锁相环中获得的电网电压d、q轴基波分量vgd_filter和vgq_filter进行反Park变换获得电网电压基波正交分量vgα_filter，对vgα_filter与vg做差，获得电网谐波电压将
Figure FDA0002271657630000024
叠加到逆变器输出的参考电压vref中，实现对并网逆变器的控制。
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