CN202084951U - 光伏并网逆变器输出电流控制系统 - Google Patents

光伏并网逆变器输出电流控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种光伏并网逆变器输出电流控制系统，包括光伏电池，所述光伏电池经阳光照射后产生直流电，所述的直流电经过受电流闭环控制器控制的桥式逆变器后产生交流电，所述的交流电经过输出滤波器滤波和隔离变压器放大后传输到电网，所述的电流闭环控制器采用双电流闭环控制结构：由滤波电感电流反馈构成的电流内环控制；由所述变压器输出电流反馈构成的电流外环控制。由于本实用新型采用双电流闭环控制结构，输出电流对电流给定值具有良好的跟踪能力，对电网电压及其谐波、逆变器死区效应等干扰具有良好的抑制能力。本实用新型作为一种创新意义的控制系统可以广泛应用于光伏并网发电行业中。

Description

光伏并网逆变器输出电流控制系统
技术领域
本实用新型涉及一种电流控制系统，特别是一种光伏并网逆变器输出电流控制系统。
背景技术
光伏并网发电是太阳能发电的一种形式，它的实现过程是：阳光照射到光伏电池上产生直流电能，通过某种转换装置，将光伏电池产生的直流电转换成交流电并输送到电网中，这种转换装置就是光伏并网逆变器。
为了能将输出的电流输送到电网中，光伏并网逆变器输出的正弦波电流必须和电网电压同频同相，且输出电流的谐波含量必须小于规定的数值。因此，光伏并网逆变器的技术核心之一就是输出电流的控制技术，一般需要通过闭环控制来实现。现阶段光伏并网逆变器输出电流有多种控制方案，包括PI控制、单周期控制、重复控制、滞环电流控制等。
PI控制即比例积分控制，通过比例控制克服外界干扰对输出电流的影响，通过积分控制消除给定信号与反馈信号的误差。但光伏并网逆变器输出的是正弦波电流，积分控制仅能对阶跃信号能消除误差，对正弦信号则无法消除误差，对电网电压谐波、逆变器死区等周期性扰动无法有效克服。为了消除误差，必须得通过增大比例系数实现，但增大比例系数将导致系统失稳，且积分控制对正弦信号存在滞后作用，需要设置相位补偿才能达到相位跟踪的目的，实现起来你、比较复杂。
单周期控制是一种PWM（脉冲宽度调制）控制方法，理论上可以通过控制PWM的占空比，使控制量的平均值严格正比于参考量，从而达到控制并网逆变器输出电流的目的，但该控制方法依赖于并网逆变器的精确数学模型和器件的精确参数。实际上，由于并网逆变器数学模型的近似性、参数检测的误差和漂移，使得单周期控制很难得到理想的控制效果。
重复控制是根据内模控制原理，在控制器上设置重复信号发生器内模，在重复控制器作用下，控制器对给定值与反馈值的误差进行逐周期积分，抑制周期性干扰，从而达到输出电流跟踪电流给定值的作用，对电网电压谐波干扰、逆变器死区效应等周期性干扰具有良好的克服能力。但周期控制对瞬时干扰缺乏克服能力，一般需要与其他控制方法配合使用。
滞环电流控制是在电流给定值与反馈值之间设置一固定的误差带，通过计算求取电流给定值与反馈值之差，即偏差，当偏差超过误差带时，功率器件产生开关动作，使偏差返回到误差带之内，使输出电流的平均值跟随给定值，从而达到输出电流控制的目的。但采用该方法时，功率开关器件的开关动作是根据给定值与反馈值的误差大小来确定的，因而开关频率不固定，影响了并网逆变器输出滤波电路的优化设计，当开关频率过高时，也有可能导致功率损耗过大。
总之，现有的光伏并网逆变器输出电流控制技术方案存在跟踪误差大、抗干扰能力不强、输出电流谐波含量大的缺点。
实用新型内容
为了解决上述光伏并网逆变器输出电流控制方案存在的问题，本实用新型的目的是提供一种简单、实用的光伏并网逆变器输出电流控制系统，该控制系统采用双电流闭环控制结构，输出电流对电流给定值具有良好的跟踪能力，可以很好抑制干扰。
本实用新型采用的技术方案是：
一种光伏并网逆变器输出电流控制系统，包括光伏电池、桥式逆变器、电流闭环控制器、输出滤波器和隔离变压器，所述光伏电池经阳光照射后产生直流电，所述的直流电经过受电流闭环控制器控制的桥式逆变器后产生交流电，所述的交流电经过输出滤波器滤波和隔离变压器放大后传输到电网，所述的电流闭环控制器采用双电流闭环控制结构。
进一步作为优选的实施方式，所述的双电流闭环控制结构具体为：由经过所述输出滤波器中的滤波电感产生的滤波电感电流反馈构成的电流内环控制；由所述变压器输出电流反馈构成的电流外环控制。
进一步作为优选的实施方式，所述的电流内环控制采用比例控制结构，所述的电流外环控制采用比例控制加重复控制的复合控制结构。
进一步作为优选的实施方式，所述的电流外环控制的实现过程如下：
（1）交流输出电流给定值i ACf与变压器输出电流反馈信号i outf比较，求取偏差值e 1；
（2）偏差e 1经比例控制器放大形成控制量u p1，偏差e 1经重复控制器处理后形成控制量u rp，控制量u p1和u rp相加，产生外环控制信号u c1；
所述的电流内环控制的实现过程如下：
（1）将上述得到的外环控制信号u c1与电感电流反馈值i Lf比较，求取偏差e 2；
（2）偏差e 2经比例控制器放大，形成内环控制信号u c2；
（3）u c2与电网电压前馈信号u ACf叠加产生总控制信号u c3；
（4）总控制信号u c3经过正弦脉冲宽度调制（SPWM）驱动单元处理后，产生SPWM驱动信号，该驱动信号驱动桥式逆变器产生与电网电压同频同相的正弦桥式逆变电流。
进一步作为优选的实施方式，所述的偏差e 2经比例控制器放大后形成内环控制信号u c2之前，还可以经过改善系统稳定性的低通滤波器和消除并网逆变器频率特性中的谐振峰值的校正器。
进一步作为优选的实施方式，所述的电流内环控制和电流外环控制方案可以在DSP中实现，所述的DSP构成采样控制系统，在交流输出电流给定信号i ACf、电网电压前馈信号u ACf、电感电流反馈信号i Lf0、变压器输出电流反馈信号i outf0处进行抽样。
进一步作为优选的实施方式，所述的低通滤波器是数字低通滤波器，可以是二阶低通滤波器，也可以是其他低通滤波器。
进一步作为优选的实施方式，所述的输出滤波器采用LC型滤波电路或LCL型滤波电路；若考虑所述光伏电池接地和漏电流问题时，所述的隔离变压器也可以改成无隔离变压器。
进一步作为优选的实施方式，系统电路中的功率器件是绝缘栅场效应晶体管，实际应用时也可以采用金属氧化层半导体场效晶体管和功率三级管及相应的功率模块。
本实用新型的有益效果是：由于本实用新型采用了双电流闭环控制结构，电网电压、桥式逆变电路直流电压和桥式逆变电路死区时间等干扰源被包含在电流内环中，电流内环的比例控制器可以预先克服一部分干扰，电流外环的比例控制器和重复控制器可以进一步克服干扰。因此，本实用新型具有良好的干扰能力，可以控制并网逆变器输出高质量的正弦波电流。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的一个实施方式的结构框图；
图2是通用控制电流输出的闭环控制的过程框图；
图3是本实用新型的第二实施方式的原理图；
图4是在DSP中实现第二实施方式的实施方案图。
具体实施方式
参照图1，一种光伏并网逆变器输出电流控制系统，包括光伏电池、桥式逆变器、电流闭环控制器、输出滤波器和隔离变压器，所述光伏电池经阳光照射后产生直流电，所述的直流电经过受电流闭环控制器控制的桥式逆变器后产生交流电，所述的交流电经过输出滤波器滤波和隔离变压器放大后传输到电网，所述的电流闭环控制器采用双电流闭环控制结构。
进一步作为优选的实施方式，所述的输出滤波器可采用LC型滤波电路或LCL型滤波电路；若考虑所述光伏电池接地和漏电流问题时，所述的隔离变压器也可以改成无隔离变压器。
进一步作为优选的实施方式，所述的双电流闭环控制结构具体为：由所述桥式逆变器输出的滤波电感电流反馈构成的电流内环控制；由所述变压器输出电流反馈构成的电流外环控制。
并网逆变器的输出电流一般需要通过闭环控制来实现，其控制过程可通过图2所示的控制框图来表示。
图中，G INV(s)为表征光伏并网逆变器主电路并网逆变过程的传递函数，G c(s)为输出电流控制算法的传递函数。I g(s)、I m(s)和I AC(s)分别为正弦电流给定值、输出电流反馈值和输出电流实际值的拉氏变换。D(s)为表征电网电压、逆变器死区等造成的干扰信号拉氏变换。α为输出电流反馈系数。输出电流闭环控制的根本目的在于使输出电流反馈值跟随给定值，即I g(s)≈I m(s)，如果实现跟随控制，则当电流给定值I g(s)为正弦信号时，输出电流反馈信号也为正弦信号，而输出电流I AC(s)与反馈信号I m(s)为比例关系，则输出电流I AC(s)也为正弦波。通过锁相环节，电流给定值I g(s)与电网电压U AC(s)同频同相，则输出电流信号I AC(s)也与电网电压U AC(s)同频同相,从而实现并网输出。
参照图3，这是实现本实用新型的第二实施例，电流内环控制采用比例控制结构，所述的电流外环控制采用比例控制加重复控制的复合控制结构。
进一步作为优选的实施方式，所述的电流外环控制的实现过程如下：
（1）交流输出电流给定值i ACf与变压器输出电流反馈信号i outf比较，求取偏差值e 1；
（2）偏差e 1经比例控制器放大形成控制量u p1，偏差e 1经重复控制器处理后形成控制量u rp，控制量u p1和u rp相加，产生外环控制信号u c1；
所述的电流内环控制的实现过程如下：
（1）将上述得到的外环控制信号u c1与电感电流反馈值i Lf比较，求取偏差e 2；
（2）偏差e 2经比例控制器放大，形成内环控制信号u c2；
（3）u c2与电网电压前馈信号u ACf叠加产生总控制信号u c3；
（4）总控制信号u c3经过SPWM驱动单元处理后，产生SPWM驱动信号，该驱动信号驱动桥式逆变器产生与电网电压同频同相的正弦桥式逆变电流。
进一步作为优选的实施方式，所述的偏差e 2经比例控制器放大后形成内环控制信号u c2之前，还经过改善系统稳定性的低通滤波器和消除并网逆变器频率特性中的谐振峰值的校正器。
参照图4，电流内环控制和电流外环控制方案可以在DSP中实现，所述的DSP构成采样控制系统，在交流输出电流给定信号i ACf、电网电压前馈信号u ACf、电感电流反馈信号i Lf0、变压器输出电流反馈信号i outf0处进行抽样。
图中，K p1、K p2分别为内环、外环比例控制系数；K r为重复控制的增益系数；Q为略小于1的常数；z为采样控制系统z变换算符；N为载波比，即功率器件在一个正弦波周期内的开关次数；k为超前节拍数，用于补偿系统的相位滞后；传递函数                                               
Figure 2011201722365100002DEST_PATH_IMAGE002
为二阶低通滤波器的z变换传递函数，b 0、b 1、b 2、a 1和a 2为系数，其中，二阶低通滤波器仅是低通滤波器的一种实施方式，实际应用时不限于二阶低通滤波器，也可采用其它形式的低通滤波器；校正函数C(z)需根据并网逆变器的具体电路结构设计，此处取C(z)=1； T为采样周期。
进一步作为优选的实施方式，系统电路中的功率器件是绝缘栅场效应晶体管，实际应用时也可以采用金属氧化层半导体场效晶体管和功率三级管及相应的功率模块。
以上是对本实用新型较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.光伏并网逆变器输出电流控制系统，包括光伏电池、桥式逆变器、电流闭环控制器、输出滤波器和隔离变压器，所述光伏电池经阳光照射后产生直流电，所述的直流电经过受电流闭环控制器控制的桥式逆变器后产生交流电，所述的交流电经过输出滤波器滤波和隔离变压器放大后传输到电网，其特征在于：所述的电流闭环控制器采用双电流闭环控制结构。
2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器输出电流控制系统，其特征在于：所述的双电流闭环控制器结构具体为：
由经过所述输出滤波器中的滤波电感产生的滤波电感电流反馈构成的电流内环控制；
由所述的隔离变压器输出的电流反馈构成的电流外环控制。
3.根据权利要求2所述的光伏并网逆变器输出电流控制系统，其特征在于：所述的电流内环控制采用比例控制结构，所述的电流外环控制采用比例控制加重复控制的复合控制结构。
4.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器输出电流控制系统，其特征在于：所述的输出滤波器采用LC型滤波电路或LCL型滤波电路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102185509A (zh) * 2011-05-26 2011-09-14 广东金华达电子有限公司 光伏并网逆变器输出电流控制系统
CN103117557A (zh) * 2013-03-06 2013-05-22 东南大学 一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法
CN103532127A (zh) * 2013-10-29 2014-01-22 哈尔滨工业大学 面向直流微电网的直流有源滤波器的控制方法
CN105978018A (zh) * 2015-12-16 2016-09-28 许昌学院 一种lc型并网逆变器控制方法

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