CN113037119B - 一种无电网电压传感器的逆变器控制方法 - Google Patents

一种无电网电压传感器的逆变器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无电网电压传感器的逆变器控制方法，该逆变器控制方法包括模拟负电阻控制和基于模拟负电感的稳定化控制两部分。模拟负电阻控制用于实现逆变器功率传输至电网，同时保证逆变器输出电流维持正弦。基于模拟负电感的稳定化控制用于弥补模拟负电阻控制造成的不稳定极点，实现逆变器的安全稳定运行。此外，该方法仅采样逆变器的输出电流，提高了系统的可靠性并降低了传感器成本。同时该方法控制简单，具有较小的计算量，因此适合于实际应用。

Description

一种无电网电压传感器的逆变器控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子控制技术领域，更具体地，涉及一种逆变器的新型无电网电压传感器的控制方法。
背景技术
随着功率半导体器件和微控制器技术的快速发展，利用电力电子装置实现对电能的高效利用成为电工技术领域的前沿方向和研究热点。随着国民经济、科学技术的发展需要，电能需求日益增加。逆变器作为光伏发电产业中关键功率变换器之一，研究其高性能高可靠性控制至关重要。
通常，在采样电网电压以及电网电流条件下，很多控制器都能实现逆变器的高电能质量运行。与控制系统的总成本相比，电压传感器和电流传感器相对昂贵。因此，减少电压传感器的数量可以节省成本。此外，无传感器控制方案确保在传感器故障情况下不间断运行。因此，各种无电压传感器应运而生。但是由于常用于控制电机的基于模拟电阻控制的方法存在不稳定极点，会导致现有的逆变器系统不能稳定且正常工作；故在逆变器控制场合，暂无一种简单有效的无传感器控制方式。
基于此，亟需设计一种针对逆变器的新型无电网电压传感器的控制方法，在无需无电压传感器的情况下，以保证逆变器的安全稳定运行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了实现逆变器的稳定工作，和保证正弦的输出电流，本发明提供一种新型的无电网电压传感器的逆变器控制方法，在保证逆变器输出正弦电流的同时，模拟负电感的稳定化控制解决模拟负电阻控制造成的不稳定，实现逆变器的安全稳定运行。此外，该方法仅采样逆变器的输出电流，提高了系统的稳定性和可靠性并降低了传感器成本。同时该方法控制简单，具有较小的计算量，因此适合于实际应用。
(二)技术方案
本发明公开了一种无电网电压传感器的逆变器控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：给定逆变器输出端口所需模拟的负电阻阻值-Re；
步骤2：根据模拟负电阻控制方法获得逆变器模拟负电阻所需输出的电压uR；
步骤3：根据模拟负电感的稳定化控制方法获得补偿模拟负电阻造成不稳定极点的稳定化电压uL；
所述步骤3具体包括：
根据采样的逆变器输出电流is，经过微分器获得逆变器输出电流的微分电流信号isx，该微分器的传递函数为：
Figure BDA0002965734370000021
其中τ为一阶滤波器的时间常数；然后根据微分电流信号isx乘以所需模拟的负电感感值-Lx获得逆变器所需的稳定化电压uL；所述一阶滤波器的时间常数τ和所需模拟负电感感值-Lx需要如下约束条件：
Figure BDA0002965734370000031
其中L为逆变器的输出滤波电感的电感值。
步骤4：根据步骤2计算得到的电压uR和步骤3计算得到的稳定化电压uL相加来获得逆变器端电压输出的参考值uab *。
进一步的，所述的步骤2中，根据模拟负电阻控制方法获得所需输出的电压，具体如下：
根据步骤1中给定逆变器输出端口所需模拟的负电阻阻值-Re与采样逆变器输出电流is相乘获得所需的电压uR，该电压uR为逆变器端特性模拟成负电阻特性时，逆变器所需的输出的电压。
进一步的，所述的步骤4中，根据模拟负电阻和模拟负电感所需的电压相加来获得逆变器端电压输出的参考值uab *，具体如下：
uab *＝-isRe-LxGhp(s)is
其中is为采样的逆变器输出电流，Re为所需模拟负电阻的阻值的绝对值，Lx为所需模拟负电感的电感值的绝对值，Ghp(s)为微分器,由纯微分与一阶低通滤波器组成。
进一步的，所述逆变器具体为单相逆变器或者三相逆变器。
在另外一方面，本发明还公开了一种无电网电压传感器的逆变器控制系统，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的无电网电压传感器的逆变器控制方法。
在另外一方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的无电网电压传感器的逆变器控制方法。
(三)有益效果
相对于现有技术，本发明提出的一种无电网电压传感器的逆变器控制方法，可以在不需要电网电压传感器的条件下实现逆变器高电能质量并网。该方法的核心在于模拟负电阻和合适的负电感。其中负电阻保证了功率由逆变器流向电网，同时实现逆变器输出电流维持正弦。模拟负电感的稳定化方法来处理模拟负电阻造成的不稳定极点，以保证逆变器的安全可靠运行。同时该方法不需要锁相环，控制简单，降低了计算量，节省了成本并提高了可靠性，适合于实际应用。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例变换器的结构框图；
图2为本发明实施例控制系统的控制算法框图；
图3为本发明实施例的控制算法流程图；
图4为本发明实施例的等效原理图；
图5本发明实施例的仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
作为本发明实施例的一个实施例，本实施例以单相逆变器的样机系统为例进行说明。如图1所示，一种单相逆变器，包括输入交流电压源1、逆变器的输出滤波电感2、H桥电路3、直流侧电源4；输入交流电压源1和逆变器的输出滤波电感2串联后接入H桥电路3的交流侧，H桥电路3的直流侧接直流侧电源4，H桥电路由4个IGBT组合而成。
图2为本发明的控制系统的控制算法框图，本发明中变换器的控制采用模拟负电阻控制和模拟负电感稳定化控制，具体控制方法参见以下图3的说明。
图3为本发明控制算法的实现框图，具体步骤如下：
步骤1，给定逆变器输出端口所需模拟的负电阻阻值-Re；
步骤2，根据模拟负电阻控制方法获得逆变器模拟负电阻所需输出的电压uR；
步骤3，根据模拟负电感的稳定化控制方法获得补偿模拟负电阻造成不稳定极点的稳定化电压uL。
步骤4，根据步骤2模拟负电阻控制方法和步骤3模拟负电感的稳定化控制方法所需的电压相加来获得逆变器端电压输出的参考值。
作为本发明进一步改进，步骤2中根据模拟负电阻控制方法获得所需输出的电压uR，具体如下：
根据步骤1中给定逆变器输出端口所需模拟的负电阻阻值-Re与采样逆变器输出电流is相乘获得所需的电压uR，该电压为逆变器端特性模拟成负电阻特性时，逆变器所需的输出的电压。
作为本发明进一步改进，步骤3中根据模拟负电感的稳定化控制方法获得稳定化电压uL，具体如下：
根据采样的逆变器输出电流is，经过微分器Ghp(s)获得逆变器输出电流的微分电流信号isx，其中微分器Ghp(s)采用纯微分环节级联一阶低通滤波器实现，该微分器Ghp(s)的传递函数为：
Figure BDA0002965734370000061
其中τ为一阶滤波器的时间常数；
然后根据微分电流信号isx乘以所需模拟的负电感感值-Lx获得逆变器所需的稳定化电压uL。
作为本发明进一步改进，且为保证系统的稳定，一阶滤波器的时间常数τ和所需模拟负电感感值-Lx需要满足一定条件，具体约束如下：
Figure BDA0002965734370000062
其中L为逆变器的输出滤波电感的电感值。
作为本发明进一步改进，发明的步骤4，根据模拟负电阻和模拟负电感所需的电压相加来获得逆变器端电压输出的参考值uab *，具体如下。
uab *＝uR+uL
＝-isRe-LxGhp(s)is
其中is为采样的逆变器输出电流，Re为所需模拟负电阻的阻值的绝对值，Lx为所需模拟负电感的电感值的绝对值，Ghp(s)为微分器,由纯微分与一阶低通滤波器组成。
需要说明的是，本发明的方法也可以拓展应用到三相逆变器中。
图4为本发明实施例的等效原理图,采用本发明的一种无电网电压传感的逆变器控制方法，逆变器能等效为负电阻和负电感串联，只需采集逆变器输出电流is，其微分器和负电感-Lx能够很好地处理模拟负电阻造成的不稳定极点，该等效电路结构和控制方式虽然简单，但是有效。
图5分别为单相逆变器在所提控制方法下的启动过程的运行仿真波形，其中上图为电压仿真波形图，下图为电流仿真波形图。
在启动过程中，逆变器输出电流呈现正弦波形，同时功率方向由逆变器侧到电网方向。可以观察到，逆变器输出电流不会发散，说明所提的模拟负电感稳定化控制能有效地解决模拟负电阻造成的不稳定极点问题，保证了系统可靠安全运行。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的控制方法和系统，可以通过其它的软件类方式实现。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (5)

1.一种无电网电压传感器的逆变器控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：给定逆变器输出端口所需模拟的负电阻阻值-Re；
步骤2：根据模拟负电阻控制方法获得逆变器模拟负电阻所需输出的电压uR；
步骤3：根据模拟负电感的稳定化控制方法获得补偿模拟负电阻造成不稳定极点的稳定化电压uL；
所述步骤3具体包括：
根据采样的逆变器输出电流is，经过微分器获得逆变器输出电流的微分电流信号isx，该微分器的传递函数为：
Figure FDA0003426929360000011
其中τ为一阶滤波器的时间常数；然后根据微分电流信号isx乘以所需模拟的负电感感值-Lx获得逆变器所需的稳定化电压uL；所述一阶滤波器的时间常数τ和所需模拟负电感感值-Lx需要如下约束条件：
Figure FDA0003426929360000012
其中L为逆变器的输出滤波电感的电感值；
步骤4：根据步骤2计算得到的电压uR和步骤3计算得到的稳定化电压uL相加来获得逆变器端电压输出的参考值uab*；其中，所述的步骤2中，根据模拟负电阻控制方法获得所需输出的电压，具体如下：根据步骤1中给定逆变器输出端口所需模拟的负电阻阻值-Re与采样逆变器输出电流is相乘获得所需的电压uR，该电压uR为逆变器端特性模拟成负电阻特性时，逆变器所需的输出的电压。
2.根据权利要求1所述的无电网电压传感器的逆变器控制方法，其特征在于，所述的步骤4中，根据模拟负电阻和模拟负电感所需的电压相加来获得逆变器端电压输出的参考值uab *，具体如下：
Figure FDA0003426929360000021
其中is为采样的逆变器输出电流，Re为所需模拟负电阻的阻值的绝对值，Lx为所需模拟负电感的电感值的绝对值，Ghp(s)为微分器,由纯微分与一阶低通滤波器组成。
3.根据权利要求1所述的无电网电压传感器的逆变器控制方法，其特征在于，所述逆变器具体为单相逆变器或者三相逆变器。
4.一种无电网电压传感器的逆变器控制系统，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至3任一项所述的无电网电压传感器的逆变器控制方法。
5.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至3任一项所述的无电网电压传感器的逆变器控制方法。
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