CN1992501A - 一种并网发电逆变器及其输出电流的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种并网逆变器，其特征在于并网逆变器[1]由直流电源[10]、单相逆变桥[11]、交流滤波电感[12]及电流闭环控制电路[14]构成。并网逆变器输出电流的控制方法，其特征在于，在传统的电流闭环控制单元上，增加了电网电压的前馈控制，以及逆变器输出电流的超前控制。本发明使并网逆变器在并网电流控制中去除了电网对并网电流控制的影响，从理论和实践实现了输出功率因数为1，并网电流谐波减小。本发明的逆变器及其输出电流的控制方法应用于单相并网逆变器中，可提高输出电流的控制精度。

Description

一种并网发电逆变器及其输出电流的控制方法

技术领域

本发明涉及并网发电系统，特别是涉及到单相并网逆变器的并网电流控制方法。

背景技术

随着新能源的迅速发展，并网逆变器得到了广泛的应用。例如太阳光伏并网发电系统，它作为一种可再生分散供电电源在城市中缓解能源供应紧张发挥了重要的作用。作为分散供电电源，并网逆变器的最重要的性能指标就是输出电能质量，即要求并网逆变器的输出谐波含量小，功率因数为1。传统的电流闭环控制算法传统的电流闭环控制是将电流误差PI调节后作为调制波与三角载波比较产生PWM波。它的缺点在于与实际电流在理论上必须存在偏差，完全依靠电流误差产生PWM波。不能满足并网逆变器输出电流的相位和波形的精确控制。它的局限性表现为：

(1)功率因数不为1，对电网造成污染。

(2)并网电流谐波大。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的并网逆变器及其输出并网电流控制方法。通过该控制方法达到对逆变器的控制，使其保持输出功率因数为1，并网电流谐波小。通过该控制方法可简单有效地使单相并网逆变器提高输出电能质量。

本发明并网逆变器由直流电源、单相逆变桥、交流滤波电感及电流闭环控制电路构成，其中电流闭环控制电路包括交流电流采样电路、交流电压采样电路、交流电压过零检测电路、直流电压采样电路、DSP及驱动器。

本发明在传统的电流闭环控制逆变器的基础上，引入了电网电压前馈，消除了电网电压对并网逆变器输出电流的影响。通过电流超前的电流闭环控制，消除输出交流电流跟踪控制中的稳态误差。在固定开关频率控制的基础上，加入了交流侧网压U_N的计算。即电流误差信号Δi经过比例系数为K_P的比例调节后与交流侧网压U_N相加，得到的值再与三角载波进行比较。其中Δi×K_P在物理意义上相当于逆变器输出侧电感上产生的电压。Δi×K_P与交流侧网压U_N之和其物理意义上相当于逆变器输出脉冲电压。

由并网逆变器输出矢量逆变器输出电压U_S、电感压降U_L以及电网电压U_N组成的矢量三角形关系得到：

U_S(t)＝U_N(t)+U_L(t)

U_N(t)＝U_N maxsinωt

U_s(t)＝U_S maxsin(ωt+θ)

$U_L\left(t\right)=U_{L\max }\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})={\mathrm{\ωLI}}_{N\max }\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$ (1)

假设输入电流能在一个开关周期内跟踪电流指令i_N ^*，即在一个控制周期结束时有

$U_L\left(t\right)=\frac{L}{T_c}[i_N^{*}\left(t\right)-i_N\left(t\right)]---\left(2\right)$

T_C为开关周期

$i_e\left(t\right)=i_N^{*}\left(t\right)-i_N\left(t\right)$

$=\frac{T_c}{L}{U}_L\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ωLI}}_{N\max }}{K_P}\sin (\mathrm{wt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(3\right)$

$=I_{e\max }\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

因为输出电流与网压同相位，

i_N(t)＝I_N maxsinωt (4)

其中，为电流指令超前的角度。

式(5)说明即使在理想跟踪条件下，电流跟踪误差Δi也是存在的，它是构成上述矢量三角形所必须的一部分，换句话说，实际电流永远不可能完全跟踪。因此，如果要得到与网压同相位的输入电流，就必须采用超前网压相位一个角度的电流指令。

从公式(3)可知， $I_{e\max }=\frac{{\mathrm{\ωLI}}_{N\max }}{K_P},$ 所以

在基于改进周期平均模型的控制方式中有 $K_P=\frac{L}{T_c},$ 于是可得

令 $2\mathrm{\π}\frac{f}{f_c}={\mathrm{\θ}}_c,$ θ_c在这里表示的物理意义为相邻两个采样点之间的角度差。当较小时，有如下关系tan≈，于是可以推出，在开关频率足够高的情况下有，即指令电流超前实际电流一个采样周期。事实上，从矢量三角形上可以看出，在理论上超前角度可以取(0～90°)内的任意值。但是在实际应用中的选取要受到开关频率θ_c的限制，即只能取θ_c的整数倍，选择不同的将对应不同的K_P值。

附图说明

图1为本发明并网逆变器具体实施方式结构框图；

图2为逆变器输出电量矢量图；

图3为本发明的电流跟踪算法的流程图；

图4为逆变器输出电流矢量关系图；

图5为本发明并网逆变器电流闭环控制结构框图。

具体实施方案

本发明中控制算法所应用于的光伏并网逆变器的具体操作方法为：在传统的电流闭环控制算法的基础上加入了电网电压作为前馈控制。同时通过电流超前控制，实现功率因数为1。

图1为本发明并网逆变器具体实施方式的结构框图。其中，并网逆变器1是由直流电源10、单相逆变桥11、交流滤波电感12及电流闭环控制电路14构成。单相逆变桥11由电流闭环控制电路14控制其功率管的开通与关断，从而将直流侧的电能转换成交流电能输送给配电系统13。为实现逆变器输出的电流i_N与配电系统13电压u_N相位一致，即逆变器输出功率因数为1，则逆变桥11的输出电压U_S、电感12压降U_L以及配电系统13电压U_N组成的矢量三角形如图2所示，为直角三角形。

图3为本发明电流跟踪算法的流程图。其具体控制步骤为：

(1)检测配电系统电压的相位零点产生同步信号，通过DSP的捕获功能捕获同步信号；

(2)以同步信号作为基准，即将配电电网电压的相位表示为单位正弦信号sinωt，将其经过一个相位超前环节31得到电流相位信号sin(ωt+)。其中等于电流采样中两个采样点之间的角度差；

(3)将电流相位信号sin(ωt+)与幅值信号I_N ^*相乘求得输出电流指令i_N ^*；

(4)将输出电流指令i_N ^*与采样反馈电流i_N相减得到电流误差信号；

(5)将得到的电流误差信号经过P调节器32进行比例调节；

(6)将比例调节后的电流误差叠加配电电网电压采样信号u_N求得逆变器输出端电压指令u_S ^*：

(7)u_S ^*作为SPWM方式中的参考波与固定频率的三角载波通过比较器33进行比较，生成PWM信号送给驱动器34去控制逆变桥开关器件的开通和关断。

通过控制使反馈电流i_N与给定电流指令i_N ^*及电感电流i_L构成一矢量三角形如图4所示。通过以上步骤的控制达到输出电流i_N与配电系统电压u_N同相位。

本发明采用数字信号处理器DSP作为核心控制芯片，实现电流跟踪算法。图5为本发明并网逆变器的电流闭环控制电路14的结构框图。其中核心控制芯片型号为TMS320F2407的DSP55。通过交流电压过零检测电路53检测配电系统的电压过零点，作为同步信号送给DSP55的捕获口。通过交流电流采样调理电路51采样交流电流，经DSP55进行A/D转换后，作为逆变器反馈电流值。通过交流电压采样调理电路52采样交流电压，经DSP55进行A/D转换后，用于系统电网电压前馈控制。通过直流电压采样调理电路56采样直流电压，经DSP55进行A/D转换后的值代表PWM波用三角波载波的峰值，用于计算前馈控制量。若三角波峰值为h，采样直流电压为Ud，采样交流电压为Uac，则实际前馈控制量应为h*Uac/Ud。DSP 55发出的PWM信号通过驱动芯片57962L产生驱动脉冲，控制逆变桥的开关管的开通与关断。

通过应用本发明中的输出电流控制算法，使并网逆变器在并网电流控制中去除了电网对并网电流控制的影响，从理论和实践实现了输出功率因数为1，并网电流谐波减小。

Claims (2)

1、一种并网发电逆变器，其特征在于并网逆变器[1]由直流电源[10]、单相逆变桥[11]、交流滤波电感[12]及电流闭环控制电路[14]构成；其中电流闭环控制电路[14]包括交流电流采样电路[51]、交流电压采样电路[52]、交流电压过零检测电路[53]、直流电压采样电路[56]、DSP[55]及驱动器[54]；交流电压过零检测电路[53]检测配电系统的电压过零点，作为同步信号送给DSP[55]的捕获口，交流电流采样调理电路[51]采样交流电流，经DSP[55]进行A/D转换后，作为并网逆变器反馈电流，交流电压采样调理电路[52]采样交流电压，经DSP[55]进行A/D转换后，用于系统电网电压前馈控制；直流电压采样调理电路[56]采样直流电压，经DSP[55]进行A/D转换后的值代表PWM波用三角波载波的峰值，用于计算前馈控制量；DSP[55]发出的PWM信号通过驱动芯片57962L产生驱动脉冲，控制单相逆变桥[11]的开关管的开通与关断。

2、一种并网发电逆变器输出电流的控制方法，其特征在于，采用数字信号处理器DSP作为核心控制芯片，实现电流跟踪算法的各个步骤，其具体控制步骤为：

(1)检测配电系统电压的相位零点产生同步信号。通过DSP的捕获功能捕获同步信号；

(2)以同步信号作为基准，即将配电电网电压的相位表示为单位正弦信号sinωt。将其经过一个相位超前环节31得到电流相位信号sin(ωt+)。其中等于电流采样中两个采样点之间的角度差；

(3)将电流相位信号sin(ωt+)与幅值信号I_N ^*相乘求得输出电流指令i_N ^*；

(4)将输出电流指令i_N ^*与采样反馈电流i_N相减得到电流误差信号；

(5)将得到的电流误差信号经过P调节器32进行比例调节；

(6)将比例调节后的电流误差叠加配电电网电压采样信号u_N求得逆变器输出端电压指令u_S ^*；

(7)u_S ^*作为SPWM方式中的参考波与固定频率的三角载波通过比较器33进行比较，生成PWM信号送给驱动器34去控制逆变桥开关器件的开通和关断。

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