CN113629711A - 并网逆变器的电网电压前馈控制方法和系统 - Google Patents

并网逆变器的电网电压前馈控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法和系统。电网电压前馈控制方法包括：步骤1：采集并处理三相电网电压信号获得电网电压前馈控制指令值；步骤2：基于电网电压前馈控制指令值输出电网电压前馈控制信号；步骤1为：采集三相电网电压信号并转换为dq旋转坐标系下的两相电网电压信号后存储；在当前开关周期的当前电网电压时刻，提取上一开关周期中对应的电网电压时刻的两相电网电压信号并做零相移低通滤波得到低通滤波值，将其作为电网电压前馈控制指令值。电网电压前馈控制系统包括信号采集处理器、控制器，信号采集处理器包括依次连接的坐标变换模块、数据存储模块、零相移低通滤波模块。本发明可以降低逆变器输出电流的谐波含量。

Description

并网逆变器的电网电压前馈控制方法和系统
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种并网逆变器的电流跟踪控制中的电网电压前馈控制方法和系统。
背景技术
目前光伏并网逆变器的电流控制中，一般加入电网电压前馈控制，一方面用于消除电流基波的幅值和相位误差，另一方面用于抑制并网逆变器公共耦合点(point ofcommon coupling,PCC)的背景谐波。
电网电压前馈控制指令的获取方式为：采集三相电网电压信号，通过Park变换将三相信号转换为两相dq旋转坐标系下的信号，将该信号作为前馈控制的指令值。但是由于PCC点的高频谐波和信号采样过程中不可避免混入的高频噪声，电网电压信号中存在大量的高频分量，若不对该分量进行处理直接引入电流控制器中，很可能会导致逆变器失稳脱网。为了滤除当前电网电压信号中的高频分量，一般采用低通滤波器进行滤波，将滤波后的电网电压信号低频分量作为前馈值。
将当前电网电压信号做低通滤波后，信号中低次谐波的相位会有较大滞后，其抑制电网电压畸变的能力大幅下降，导致逆变器输出电流的谐波含量增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够降低逆变器输出电流谐波的并网逆变器的电网电压前馈控制方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法，包括：步骤1：采集并处理三相电网电压信号获得电网电压前馈控制指令值；步骤2：基于所述电网电压前馈控制指令值输出电网电压前馈控制信号；所述步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：采集每个开关周期中各个电网电压时刻的所述三相电网电压信号，将所述三相电网电压信号对应转换为两相dq旋转坐标系下的两相电网电压信号；
步骤1-2：存储每个开关周期中各个电网电压时刻的所述两相电网电压信号；
步骤1-3：在当前开关周期的当前电网电压时刻，提取上一开关周期中与当前电网电压时刻对应的电网电压时刻的所述两相电网电压信号，对提取到的所述两相电网电压信号做零相移低通滤波得到低通滤波值，将所述低通滤波值作为所述电网电压前馈控制指令值。
所述步骤1还包括以下步骤：
步骤1-4：在当前开关周期的当前电网电压时刻，更新所存储的所述两相电网电压信号。
所述步骤1-1中，对所述三相电网电压信号依次做Clark变换和Park变换，将所述三相电网电压信号从三相abc坐标系转换到两相dq旋转坐标系，得到所述两相电网电压信号。
所述步骤1-3中，零相移低通滤波的滤波表达式为：
Figure BDA0003181210780000021
其中，a0、ai为系数，且ai＞0，m为所述零相移低通滤波模块的阶数，且m≤(N-1)2，N＝Tv*fs，Tv为电网电压周期，fs为开关频率，z为所述两相电网电压信号。
所述步骤1-3中，通过所述零相移低通滤波滤除所述两相电网电压信号中的高频分量，并使得到的所述低通滤波值在第一个频率尖峰点前相移为0。
本发明还提供一种能够降低逆变器输出电流谐波的并网逆变器的电网电压前馈控制系统，其方案是：
一种并网逆变器的电网电压前馈控制系统，包括用于采集并处理三相电网电压信号获得电网电压前馈控制指令值的信号采集处理器、用于基于所述电网电压前馈控制指令值输出电网电压前馈控制信号的控制器，所述信号采集处理器包括：
坐标变换模块，所述坐标变换模块用于采集每个开关周期中各个电网电压时刻的所述三相电网电压信号，将所述三相电网电压信号对应转换为两相dq旋转坐标系下的两相电网电压信号；
数据存储模块，所述数据存储模块用于存储每个开关周期中各个电网电压时刻的所述两相电网电压信号；
零相移低通滤波模块，所述零相移低通滤波模块用于在当前开关周期的当前电网电压时刻，从所述数据存储模块中提取上一开关周期中与当前电网电压时刻对应的电网电压时刻的所述两相电网电压信号，对提取到的所述两相电网电压信号做零相移低通滤波得到低通滤波值，将所述低通滤波值作为所述电网电压前馈控制指令值输出给所述控制器；
所述坐标变换模块、所述数据存储模块、所述零相移低通滤波模块依次连接，所述零相移低通滤波与所述控制器相连接。
所述坐标变换模块中，对所述三相电网电压信号依次做Clark变换和Park变换，将所述三相电网电压信号从三相abc坐标系转换到两相dq旋转坐标系，得到所述两相电网电压信号。
所述数据存储模块中包括分别用于存储所述两相电网电压信号中的d轴电网电压信号和q轴电网电压信号的两个数组，每个所述数组的长度为N，N＝Tv*fs，Tv为电网电压周期，fs为开关频率。
所述零相移低通滤波模块的滤波表达式为：
Figure BDA0003181210780000031
其中，a0、ai为系数，且ai＞0，m为所述零相移低通滤波模块的阶数，且m≤(N-1)2，N＝Tv*fs，Tv为电网电压周期，fs为开关频率，z为所述两相电网电压信号。
所述零相移低通滤波模块中，通过所述零相移低通滤波滤除所述两相电网电压信号中的高频分量，并使得到的所述低通滤波值在第一个频率尖峰点前相移为0。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明通过对上一开关周期中的两相电网电压信号做零相移低通滤波得到电网电压前馈控制指令值，可以避免信号的香味滞后，进而降低逆变器输出电流的谐波含量。
附图说明
附图1为本发明的并网逆变器的电网电压前馈控制系统的框图。
附图2为本发明的并网逆变器的电网电压前馈控制系统中零相移低通滤波模块的波特图。
附图3为本发明的并网逆变器的电网电压前馈控制系统中零相移低通滤波模块与相同截止频率的一阶低通滤波器的波特图对比图。
附图4为采用一阶低通滤波器和采用本发明的并网逆变器的电网电压前馈控制系统中的零相移低通滤波模块的电网电压波形图对比图。
附图5为采用现有技术和本发明的逆变器并网电流波形图对比图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种用于解决现有技术中前馈控制指令信号低次谐波量相位滞后、逆变器输出电流谐波含量增大问题的并网逆变器的电网电压前馈控制系统，包括信号采集处理器和控制器，控制器与信号采集处理器相连接。
如附图1所示，信号采集处理器用于采集并处理三相电网电压信号获得电网电压前馈控制指令值，其包括依次连接的坐标变换模块、数据存储模块、零相移低通滤波模块，零相移低通滤波与控制器相连接。
坐标变换模块用于采集每个开关周期中各个电网电压时刻的三相电网电压信号，将三相电网电压信号对应转换为两相dq旋转坐标系下的两相电网电压信号。据存储模块用于存储每个开关周期中各个电网电压时刻的两相电网电压信号。零相移低通滤波模块用于在当前开关周期的当前电网电压时刻，从数据存储模块中提取上一开关周期中与当前电网电压时刻对应的电网电压时刻的两相电网电压信号，对提取到的两相电网电压信号做零相移低通滤波得到低通滤波值，将低通滤波值作为电网电压前馈控制指令值输出给控制器。
控制器用于基于电网电压前馈控制指令值输出电网电压前馈控制信号。
基于上述并网逆变器的电网电压前馈控制系统，实现的一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法包括以下步骤：
步骤1：采集并处理三相电网电压信号获得电网电压前馈控制指令值。该步骤1由信号采集处理器实施；
步骤2：基于电网电压前馈控制指令值输出电网电压前馈控制信号。该步骤2由控制器实施。
上述步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：采集每个开关周期中各个电网电压时刻的三相电网电压信号Uabc，将三相电网电压信号Uabc对应转换为两相dq旋转坐标系下的两相电网电压信号Udq。具体的，对三相电网电压信号Uabc依次做Clark变换和Park变换，将三相电网电压信号Uabc从三相abc坐标系转换到两相dq旋转坐标系，得到两相电网电压信号Udq。该步骤1-1由坐标变换模块实施，即在坐标变换模块中，对三相电网电压信号Uabc依次做Clark变换和Park变换，将三相电网电压信号Uabc从三相abc坐标系转换到两相dq旋转坐标系，得到两相电网电压信号Udq。
步骤1-2：存储每个开关周期中各个电网电压时刻的两相电网电压信号Udq。该步骤1-2由数据存储模块实施，数据存储模块中包括分别用于存储两相电网电压信号Udq中的d轴电网电压信号和q轴电网电压信号的两个数组，每个数组的长度为N，N＝Tv*fs，Tv为电网电压周期，fs为开关频率。从而可以将一个电压基波周期的d轴电网电压信号和q轴电网电压信号依次存储到两个数组内。
步骤1-3：在当前开关周期的当前电网电压时刻，提取上一开关周期中与当前电网电压时刻对应的电网电压时刻的两相电网电压信号，对提取到的两相电网电压信号做零相移低通滤波得到低通滤波值，将低通滤波值作为电网电压前馈控制指令值。该步骤1-3由零相移低通滤波模块实施，零相移低通滤波模块的滤波表达式为：
Figure BDA0003181210780000041
其中，a0、ai为系数，且ai＞0，a0不变的情况下，ai越大，则零相移低通滤波的截止频率越低；m为零相移低通滤波模块的阶数，且m≤(N-1)2，m代表零相移低通滤波模块的陷波峰数量，为降低高频段增益，m取2以上；z为两相电网电压信号。零相移低通滤波模块中，通过零相移低通滤波滤除两相电网电压信号中的高频分量，并使得到的低通滤波值在第一个频率尖峰点前相移为0。通过设计比较，选择m＝2；一般需抑制电网电压的谐波频率为1000Hz以下，设计零相移低通滤波模块的截止频率为1400Hz，则a0＝a1＝a2＝1，该零相移低通滤波模块的波特图如附图2所示，可以看到零相移低通滤波模块可以有效地滤除高频分量，并保证在小于第一个频率尖峰点前，相移为0。
与如附图3所示，与相同截止频率的一阶低通滤波器相比，采用零相移低通滤波模块，一方面高频衰减程度相比一阶低通滤波器更大，对高频分量的滤除效果更好；另一方面，一阶低通滤波器的相位滞后角度随着频率的增大而增大，而零相移低通滤波器在第一个频率尖峰点前无相移。
步骤1-4：在当前开关周期的当前电网电压时刻，更新所存储的两相电网电压信号，即采集当前开关周期的当前电网电压时刻的三相电网电压信号Uabc，并对应转换为两相dq旋转坐标系下的两相电网电压信号Udq后存储。该步骤1-4由坐标变换模块和数据存储模块实施。
一般来说，PCC点的背景谐波在较大的时间尺度内是基本稳定的，即在多个电压周期内，电网电压谐波基本保持不变，在该前提下，本方法与现有方法相比，可有效的提高逆变器输出电流的质量。采用本申请的前馈控制方法，既可以滤除电网电压信号中的高频分量，又克服了现有技术中采用一阶低通滤波器导致的相位滞后的问题。如图4所示，图4(a)为采用一阶低通滤波器前后的电网电压波形，可以看到采用低通滤波值和实际值之前存在较明显的相位滞后；图4(b)为采用本申请所提方法前后的电网电压波形，滤波值与实际值无相位差。
图5为仿真下逆变器输出电流波形，图5(a)为采用现有技术下的逆变器并网电流波形，总谐波含量(THD)为7.87％，图5(b)为采用本申请所提技术下的逆变器并网电流波形，可以看到波形的畸变程度明显降低，THD为4.15％。仿真结果证明，本申请的技术方案可以降低逆变器输出电流的谐波含量。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法，包括：步骤1：采集并处理三相电网电压信号获得电网电压前馈控制指令值；步骤2：基于所述电网电压前馈控制指令值输出电网电压前馈控制信号；其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：采集每个开关周期中各个电网电压时刻的所述三相电网电压信号，将所述三相电网电压信号对应转换为两相dq旋转坐标系下的两相电网电压信号；
步骤1-2：存储每个开关周期中各个电网电压时刻的所述两相电网电压信号；
步骤1-3：在当前开关周期的当前电网电压时刻，提取上一开关周期中与当前电网电压时刻对应的电网电压时刻的所述两相电网电压信号，对提取到的所述两相电网电压信号做零相移低通滤波得到低通滤波值，将所述低通滤波值作为所述电网电压前馈控制指令值。
2.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法，其特征在于：所述步骤1还包括以下步骤：
步骤1-4：在当前开关周期的当前电网电压时刻，更新所存储的所述两相电网电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法，其特征在于：所述步骤1-1中，对所述三相电网电压信号依次做Clark变换和Park变换，将所述三相电网电压信号从三相abc坐标系转换到两相dq旋转坐标系，得到所述两相电网电压信号。
4.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法，其特征在于：所述步骤1-3中，零相移低通滤波的滤波表达式为：
Figure FDA0003181210770000011
其中，a0、ai为系数，且ai＞0，m为所述零相移低通滤波模块的阶数，且m≤(N-1)/2，N＝Tv*fs，Tv为电网电压周期，fs为开关频率，z为所述两相电网电压信号。
5.根据权利要求1或2所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制方法，其特征在于：所述步骤1-3中，通过所述零相移低通滤波滤除所述两相电网电压信号中的高频分量，并使得到的所述低通滤波值在第一个频率尖峰点前相移为0。
6.一种并网逆变器的电网电压前馈控制系统，包括用于采集并处理三相电网电压信号获得电网电压前馈控制指令值的信号采集处理器、用于基于所述电网电压前馈控制指令值输出电网电压前馈控制信号的控制器，其特征在于：所述信号采集处理器包括：
坐标变换模块，所述坐标变换模块用于采集每个开关周期中各个电网电压时刻的所述三相电网电压信号，将所述三相电网电压信号对应转换为两相dq旋转坐标系下的两相电网电压信号；
数据存储模块，所述数据存储模块用于存储每个开关周期中各个电网电压时刻的所述两相电网电压信号；
零相移低通滤波模块，所述零相移低通滤波模块用于在当前开关周期的当前电网电压时刻，从所述数据存储模块中提取上一开关周期中与当前电网电压时刻对应的电网电压时刻的所述两相电网电压信号，对提取到的所述两相电网电压信号做零相移低通滤波得到低通滤波值，将所述低通滤波值作为所述电网电压前馈控制指令值输出给所述控制器；
所述坐标变换模块、所述数据存储模块、所述零相移低通滤波模块依次连接，所述零相移低通滤波与所述控制器相连接。
7.根据权利要求6所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制系统，其特征在于：所述坐标变换模块中，对所述三相电网电压信号依次做Clark变换和Park变换，将所述三相电网电压信号从三相abc坐标系转换到两相dq旋转坐标系，得到所述两相电网电压信号。
8.根据权利要求6所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制系统，其特征在于：所述数据存储模块中包括分别用于存储所述两相电网电压信号中的d轴电网电压信号和q轴电网电压信号的两个数组，每个所述数组的长度为N，N＝Tv*fs，Tv为电网电压周期，fs为开关频率。
9.根据权利要求6所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制系统，其特征在于：所述零相移低通滤波模块的滤波表达式为：
Figure FDA0003181210770000021
其中，a0、ai为系数，且ai＞0，m为所述零相移低通滤波模块的阶数，且m≤(N-1)/2，N＝Tv*fs，Tv为电网电压周期，fs为开关频率，z为所述两相电网电压信号。
10.根据权利要求6所述的一种并网逆变器的电网电压前馈控制系统，其特征在于：所述零相移低通滤波模块中，通过所述零相移低通滤波滤除所述两相电网电压信号中的高频分量，并使得到的所述低通滤波值在第一个频率尖峰点前相移为0。
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