CN112928758A - 一种有源阻尼的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种有源阻尼的控制系统及方法，涉及由LCL型并网逆变器主控制回路以及带通滤波器+超前校正环节有源阻尼支路组成的控制系统。首先，采样得到的网侧电感电压经过带通滤波器模块、超前校正环节模块、阻尼支路系数模块，产生第一输出信号；同时，进网电流与给定参考电流通过减法器相减，得到的电流偏差信号经过电流控制器产生第二输出信号；第一输出信号与第二输出信号通过减法器相减得到调制波，调制波输入到PWM模块，产生驱动信号驱动逆变器功率器件。本发明提出的带通滤波器+超前校正环节反馈网侧电感电压有源阻尼方法相比其它微分有源阻尼方法，能够更好地抑制高频噪声和电网背景谐波对进网电流质量的影响。

Description

一种有源阻尼的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制相关技术领域，具体是一种有源阻尼的控制系统及方法。

背景技术

在实现相同滤波效果的前提下，LCL滤波器相比单L滤波器具有体积小、成本低的优势，但易发生谐振导致并网系统失稳。抑制LCL滤波器谐振常见方法可分为无源阻尼和有源阻尼两类，其中无源阻尼实现简单且不受开关频率限制，但增加了系统损耗。

通过反馈LCL滤波器状态量实现有源阻尼，具有实现简单、控制灵活、鲁棒性强的优点。已有方法中，滤波电容电流比例反馈有源阻尼因算法简单得到了广泛应用，但是由于电容电流脉动大，实际应用中存在难以精确采样的缺点。理论推导可知对网侧电感电压、滤波电容电压微分反馈能够取得相同的阻尼效果。但是，由于微分环节易放大高频噪声，对网侧电感电压、滤波电容电压直接进行微分反馈，将影响进网电流质量；已有方法提出利用非理想广义积分器、后向差分器+超前校正环节、双线性变换器+陷波器、负PI控制器等方法等效微分环节，但都过于追求等效环节在全频段等效理想微分，忽略了有源阻尼的本质，导致进网电流中含有较多高次谐波。

考虑到对滤波电容电压、网侧电感电压微分反馈实现有源阻尼，可以解决常规滤波电容电流有源阻尼需要配备高精度电流传感器以及在一些应用场合可以节省传感器个数，因此如果能够找到一种等效微分环节的方法，在反馈网侧电感电压/滤波电容电压实现有源阻尼的同时，能够较好地抑制高频噪声，提高进网电流质量，节省系统成本，将具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有源阻尼的控制系统及方法，以解决常规微分及其等效实现方法，放大高频噪声造成进网电流质量不高、影响阻尼效果的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种有源阻尼的控制系统，所述控制系统由LCL型并网逆变器主控制回路和带通滤波器+超前校正环节反馈网侧电感电压有源阻尼支路组成，控制系统包括：带通滤波器模块、超前校正环节、阻尼支路反馈系数模块、第一减法器模块、电流控制器模块和第二减法器模块。

进一步的，所述网侧电感电压连接到带通滤波器模块输入端，带通滤波器模块输出端连接到超前校正环节输入端。

进一步的，所述带通滤波器模块的传递函数为：

其中G_BP(s)为表示带通滤波器传递函数的符号，Q为带通滤波器品质因数，ω_res为谐振角频率，s为复空间微分算子。

进一步的，所述超前校正环节输出端连接到阻尼支路反馈系数模块输入端，阻尼支路系数模块输出端与第二减法器模块输入端相连。

进一步的，所述超前校正环节的传递函数为：

其中G_AC(s)为表示超前校正环节传递函数的符号，T为时间常数，α为分度系数且α<1，s为复空间微分算子。

进一步的，所述进网电流与参考电流，经过第一减法器模块的作用，得到电流偏差，电流偏差接入到电流控制器模块输入端，电流控制器模块输出端与第二减法器模块输入端相连。

进一步的，所述第二减法器模块输入端与阻尼支路反馈系数模块输出端、电流控制器模块输出端相连，输出端连接PWM模块。

一种有源阻尼方法，所述方法包括以下步骤：

S1、测量得到的网侧电感电压，首先经过带通滤波器模块进行处理；

S2、网侧电感电压经过带通滤波器模块作用后，继续经过超前校正环节进行校正；

S3、网侧电感电压经过超前校正环节作用后，再经过阻尼支路反馈系数模块进行调整，变为第一输出信号；

S4、参考电流与进网电流经过第一减法器模块作用后，再经过电流控制器模块进行处理；

S5、参考电流与进网电流经过电流控制器模块处理后，变为第二输出信号；

S6、第一输出信号与第二输出信号经过第二减法器模块作用后得到调制波，经过PWM模块，产生驱动信号。

本发明的有益效果：

本发明在有效抑制LCL滤波器谐振的基础上，相比已有的反馈网侧电感电压有源阻尼方法，能够解决放大高次谐波、影响进网电流质量的问题；带通滤波器+超前校正环节在进行参数设计时，依据功能分开设计，其中超前校正环节基于超前的角度、LCL滤波器谐振频率可确定分度系数以及时间常数，在此基础上，根据关于反馈系数含有品质因数的系统特征方程，绘制不同品质因数关于反馈系数的根轨迹，在系统取得最优阻尼时，确定此时品质因数取值以及阻尼支路反馈系数，确保系统具有较好的动态特性、谐振抑制效果；电流控制器采用准PR控制器，确保系统具有较高的控制精度以及适应电网频率偏移的能力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明LCL型并网逆变器功率电路以及控制回路连接示意图；

图2是本发明系统取得最佳阻尼比实现最优控制示意图；

图3是本发明抑制谐振尖峰效果示意图；

图4是本发明系统的幅频特性示意图；

图5是本发明网侧电感发生变化后，系统稳定裕度变化示意图；

图6是本发明与常规微分对比示意图；

图7是本发明抑制谐振有效性示意图；

图8是本发明系统动态特性示意图；

图9是本发明常规微分实现反馈网侧电感电压方法对电网背景谐波的抑制效果图；

图10是本发明反馈网侧电感电压有源阻尼方法对电网背景谐波的抑制效果图；

图11是本发明采用常规微分、本发明反馈滤波电容电压有源阻尼方法对电网背景谐波抑制的效果对比图；

图12是本发明为滤波电容从60％变化到150％时系统伯德图；

图13是本发明反馈滤波电容电压有源阻尼有效性验证示意图；

图14是本发明时动态特性验证示意图；

图15是本发明采用常规微分对应的进网电流波形图；

图16是本发明提出的有源阻尼方法对应的进网电流波形图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

以图1所示单相LCL型并网逆变器为例，一种有源阻尼的控制系统，涉及由LCL型逆变器电流主控制回路以及带通滤波器+超前校正环节反馈网侧电感电压有源阻尼支路组成的控制系统，包括带通滤波器模块1、超前校正环节2、阻尼支路反馈系数模块3、第一减法器模块4、电流控制器模块5和第二减法器模块6。

基于上述的一种有源阻尼方法，所述方法包括以下步骤：

S1：测量得到的网侧电感电压，首先经过带通滤波器模块1进行处理；

S2：网侧电感电压经过带通滤波器模块1作用后，继续经过超前校正环节2进行校正；

S3：网侧电感电压经过超前校正环节2作用后，再经过阻尼支路反馈系数模块3进行调整，变为第一输出信号；

S4：参考电流与进网电流经过第一减法器模块4作用后，再经过电流控制器模块5进行处理；

S5：参考电流与进网电流经过电流控制器模块5处理后，变为第二输出信号；

S6：第一输出信号与第二输出信号经过第二减法器模块6作用后得到调制波，经过PWM模块，产生驱动信号。

结合图1，给出带通滤波器+超前校正环节2反馈网侧电感电压有源阻尼设计实例。系统未添加有源阻尼时，逆变电压到进网电流的传递函数为：

式(1)中

为表示逆变电压到进网电流传递函数的符号，L₁为逆变器侧滤波电感，L₂为网侧滤波电感，C为滤波电容，s为复空间微分算子。

带通滤波器模块1的传递函数为：

式(2)中G_BP(s)为表示带通滤波器传递函数的符号，Q为带通滤波器品质因数，ω_res为谐振角频率。

超前校正环节2的传递函数为：

式(3)中G_AC(s)为表示超前校正环节2的符号，T为时间常数，α为分度系数且α<1。

加入带通滤波器模块1、超前校正环节2阻尼支路后，反馈网侧电感电压，求出的逆变电压到进网电流的闭环传递函数，如式(4)所示：

式中

为表示逆变电压到进网电流闭环传递函数的符号，k_AD为阻尼支路反馈系数。

本发明中，为实现带通滤波器+超前校正环节反馈型有源阻尼，需要将带通滤波器模块1的带通中心设为谐振频率，以实现对其余频带抑制作用；超前校正环节2超前最大角度对应的频率点设为谐振频率，满足微分反馈网侧电感电压实现有源阻尼的相位增益条件。

根据式(4)，得到系统的特征方程：

式中D(s)为表示系统特征方程的符号。可以看出系统为6阶系统，含有4个变量，直接采用极点配置设计较为繁琐，而将带通滤波器模块1与超前校正环节2分开设计更为方便。

假设超前校正环节2相频特性曲线几何中心超前的角度为

则关于

的表达式为：

结合超前角度，由式(6)可确定分度系数α。选定谐振频率ω_res作为超前校正环节2相频特性曲线几何中心，依据式(7)可以确定参数时间常数T：

对于带通滤波器模块1的品质因数Q以及阻尼支路反馈系数k_AD，将确定的α、T代入式(5)，得到含有Q关于k_AD的系统特征方程，考虑到Q过大会导致系统失稳，Q过小导致带通滤波器+超前校正环节2退化为超前校正环节2影响进网电流质量，最简单的做法是改变Q值，将Q由大变小变化，绘制关于k_AD的系统根轨迹，在能取得最佳阻尼比时，确定Q与k_AD值，这样一方面能够确保系统取得较好阻尼效果，另一方面可以最大程度发挥带通滤波器对高频谐波的抑制能力。图2给出按照上述方法，同时考虑数字控制延迟，确定Q以及k_AD值时系统根轨迹，可以看出随着Q减小，能够得到最优反馈系数k_AD，确保系统取得最优阻尼。

图3给出有无带通滤波器+超前校正环节2阻尼支路时，逆变电压到进网电流传递函数的幅频特性曲线，可以看出本发明很好地抑制了谐振尖峰。

图4为按照本发明给出的方法设计带通滤波器+超前校正环节2以及阻尼支路反馈系数后系统的幅频特性，可以看出设计好的系统具有较好的稳定裕度、较大的截止频率。

实际运行时，受寄生参数、环境温度、工作条件等影响，LCL滤波器参数会发生较大变化，图5给出了网侧电感从60％变化到150％时系统伯德图，可以看出系统依然能够维持较理想的幅值和相位稳定裕度，说明本发明所提方法具有较好的鲁棒性。

图6给出按照上述方法设计参数后，带通滤波器+超前校正环节2与微分环节幅频特性对比，可以看出本发明对高次谐波具有较好的抑制能力；

图7为本发明有效性验证，可以看出，本发明投切后，电流谐振被有效抑制。

图8为系统含有本发明时动态特性验证，可以看出，采用本发明设计方法，系统具有较好的动态特性。

图9-10为本发明与常规微分反馈网侧电感电压实现有源阻尼时，对电网背景谐波抑制能力对比。其中图9为采用常规微分对应的进网电流波形，图10为本发明提出的有源阻尼方法对应的进网电流波形。从图9-10可以看出，采用本发明时，进网电流质量明显更优，说明本发明对电网背景谐波具有较好的抑制能力。

实施例2：

本发明能够应用于微分反馈滤波电容电压有源阻尼，同样涉及由LCL型逆变器电流主控制回路以及带通滤波器+超前校正环节2反馈电容电压有源阻尼支路组成的控制系统，包括带通滤波器模块1、超前校正环节2、阻尼支路反馈系数模块3、第一减法器模块4、电流控制器模块5和第二减法器模块6。

具体步骤为：

基于上述的一种有源阻尼方法，应用于滤波电容电压反馈有源阻尼步骤为：

S1：测量得到的滤波电容电压，首先经过带通滤波器模块1进行处理；

S2：滤波电容电压经过带通滤波器模块1作用后，继续经过超前校正环节2进行校正；

S3：滤波电容电压经过超前校正环节2作用后，再经过阻尼支路反馈系数模块3进行调整，变为第一输出信号；

S4：参考电流与进网电流经过第一减法器模块4作用后，再经过电流控制器模块5进行处理；

S5：参考电流与进网电流经过电流控制器模块5处理后，变为第二输出信号；

S6：第一输出信号与第二输出信号经过第二减法器模块6作用后得到调制波，经过PWM模块，产生驱动信号。

结合图11，给出带通滤波器+超前校正环节2反馈电容电压有源阻尼设计实例。本发明应用于电容电压微分反馈有源阻尼，系统传递函数与网侧电感电压反馈有源阻尼相同，因此采用本发明对滤波电容电压微分反馈，参数设计结果与实施例1相同，阻尼效果同样如图3所示，包含阻尼支路后系统幅频特性同样如图4所示。

图12为滤波电容从60％变化到150％时系统伯德图，可以看出系统依然能够维持较理想的幅值和相位稳定裕度，说明本发明所提方法具有较好的鲁棒性。

图13为本发明反馈滤波电容电压有源阻尼有效性验证，本发明投切后，电流谐振被有效抑制。

图14为系统含有本发明时动态特性验证，可以看出，采用本发明设计方法，系统具有较好的动态特性。

图15-16为本发明与常规微分反馈电容电压实现有源阻尼时，对电网背景谐波抑制能力对比。其中图15为采用常规微分对应的进网电流波形，图16为本发明提出的有源阻尼方法对应的进网电流波形。可以看出，采用本发明反馈滤波电容电压，同样能够对电网背景谐波具有较好的抑制能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种有源阻尼的控制系统，其特征在于，所述控制系统由LCL型并网逆变器主控制回路和带通滤波器+超前校正环节反馈网侧电感电压有源阻尼支路组成，控制系统包括：带通滤波器模块(1)、超前校正环节(2)、阻尼支路反馈系数模块(3)、第一减法器模块(4)、电流控制器模块(5)和第二减法器模块(6)。

2.根据权利要求1所述一种有源阻尼的控制系统，其特征在于，所述网侧电感电压连接到带通滤波器模块(1)输入端，带通滤波器模块(1)输出端连接到超前校正环节(2)输入端。

3.根据权利要求1所述一种有源阻尼的控制系统，其特征在于，所述带通滤波器模块(1)的传递函数为：

其中G_BP(s)为表示带通滤波器传递函数的符号，Q为带通滤波器品质因数，ω_res为谐振角频率，s为复空间微分算子。

4.根据权利要求1所述一种有源阻尼的控制系统，其特征在于，所述超前校正环节(2)输出端连接到阻尼支路反馈系数模块(3)输入端，阻尼支路系数模块输出端与第二减法器模块(6)输入端相连。

5.根据权利要求1所述一种有源阻尼的控制系统，其特征在于，所述超前校正环节(2)的传递函数为：

其中G_AC(s)为表示超前校正环节(2)传递函数的符号，T为时间常数，α为分度系数且α<1，s为复空间微分算子。

6.根据权利要求1所述一种有源阻尼的控制系统，其特征在于，所述进网电流与参考电流，经过第一减法器模块(4)的作用，得到电流偏差，电流偏差接入到电流控制器模块(5)输入端，电流控制器模块(5)输出端与第二减法器模块(6)输入端相连。

7.根据权利要求1所述一种有源阻尼的控制系统，其特征在于，所述第二减法器模块(6)输入端与阻尼支路反馈系数模块(3)输出端、电流控制器模块(5)输出端相连，输出端连接PWM模块。

8.基于权利要求1-7任意一项所述控制系统的有源阻尼方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、测量得到的网侧电感电压，首先经过带通滤波器模块(1)进行处理；

S2、网侧电感电压经过带通滤波器模块(1)作用后，继续经过超前校正环节(2)进行校正；

S3、网侧电感电压经过超前校正环节(2)作用后，再经过阻尼支路反馈系数模块(3)进行调整，变为第一输出信号；

S4、参考电流与进网电流经过第一减法器模块(4)作用后，再经过电流控制器模块(5)进行处理；

S5、参考电流与进网电流经过电流控制器模块(5)处理后，变为第二输出信号；

S6、第一输出信号与第二输出信号经过第二减法器模块(6)作用后得到调制波，经过PWM模块，产生驱动信号。

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