基于有源电力滤波器的Z源逆变器并网控制方法与流程

本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种基于有源电力滤波器的z源逆变器并网控制方法。

背景技术：

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严峻，可再生能源(风能、太阳能等)的分布式发电系统在电网中所占的容量持续增大。大多数分布式能源都需要通过逆变器接入电网，因此，逆变器控制技术变得尤为重要。同时，新能源的广泛接入以及工业化进程的加快，大量非线性、冲击性负载不断涌现，由这些负载产生的谐波电流使电能质量日益恶化。

传统的电压型逆变器是降压型逆变器，在输入电压较低或波动范围较大时，需在前级加入升压电路，这会使得系统的结构变得复杂、逆变效率大为降低。另外，传统逆变器同一桥臂的上下两个功率管不能同时导通，否则会引起短路，烧毁元器件。z源逆变器由于引入了x型阻抗网络，能够有效克服传统逆变器的不足。一方面z源逆变器利用同一桥臂上下功率管的直通实现升压功能，因此是一种升降压逆变器。另一方面，由于直通成为了一种特殊的工作模式，由电磁干扰等造成的直通状态不会损坏逆变器，并且可避免由死区时间引起的输出波形畸变。

非线性负载的大量接入会导致大量的高次谐波注入电网之中，另外，对z源逆变器采用的高频脉宽调制下的电流控制也会产生大量的高次谐波，传统无源滤波器早已无法保证较好的入网电流质量。

技术实现要素：

本发明是针对非线性负载的大量接入会导致大量的高次谐波注入电网的问题，提出了一种基于有源电力滤波器的z源逆变器并网控制方法，通过引入z源逆变器来弥补传统逆变器不能直通、升压的缺陷，利用有源电力滤波器对并网电流的谐波进行滤除同时还可以对系统进行无功补偿。该控制方法在保证系统稳定的前提下，能够有效提高并网电流的质量和功率因数。系统的快速性也得到了提升，鲁棒性增强。

本发明的技术方案为：一种基于有源电力滤波器的z源逆变器并网控制方法，直流电压源vdc并联在z源逆变器上，z源逆变器输出经过线路电感li接电网和负载，线路电感li与电网之间有并联型有源电力滤波器apf，并网控制部分包括z源电容电压检测变送器、网侧电流检测变送器、网侧三相电压检测变送器、三相电网电压锁相环、单相电网电压锁相环、低通滤波器，将网侧电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的第一模块，将网侧电流由三相静止坐标系转换到两相旋转的第二模块，将电压由两相旋转坐标系反变换到三相静止坐标系的第三模块，将电流由两相旋转坐标系反变换到三相静止坐标系的第四模块，pi控制器及两个用于产生调制驱动信号的spwm模块；

z源逆变器控制方法：

1)电压检测变送器采集三相并网电压ua、ub、uc，将此三相电压一方面送到三相电压锁相环采集三相并网电压的并网角度ωt，另一方面将三相电压和并网角度ωt送到第一模块，将三相静止坐标系下的电压转换成两相旋转坐标系下的电压ud、uq；

2)利用三相电流检测变送器检测三相并网电流ia、ib、ic，将此三相电流和并网角度ωt送到第二模块，将三相静止坐标系下的电流转换成两相旋转坐标系下的电流id、iq；

3)将得到的两相旋转坐标系下的电压/电流进行解耦，最终得到解耦后的两相旋转坐标系下的电压u1d、u1q；

4)将解耦后得到的两相旋转坐标系下的电压送到第三模块，将两相旋转坐标系下的电压转换成三相静止坐标系下的电压，将此电压信号送到spwm调制模块，得到传统电压型逆变器所需的开关信号；

5)利用电容电压检测变送器采集z源阻抗网络电容的电压与参考值比较后送到传统pi控制器，经pi控制器调节后产生z源逆变器所需的直通矢量；将传统开关矢量和直通矢量叠加后得到逆变器总的开关信号，该信号经过驱动电路后控制z源逆变器中三相逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位；

apf控制方法：

(1)利用单相电网电压检测变送器检测到单相电压ua，经过单相电网电压锁相环得到a相电压的并网角度ω1t；

(2)利用三相电网电流检测变送器，检测网侧三相并网电流ia、ib、ic，将此三相电流和单相并网角度ω1t，送到第二模块，此模块会将三相静止坐标系下的电流转换成两相旋转坐标系下的电流ipf、iqf；

(3)将步骤(2)中的两相旋转坐标系下的电流分别通过低通滤波器lpf，变成电流将电流以及单相并网角度ω1t，送到第四模块，将两相旋转坐标系下的电流反变换成三相静止坐标系下的电流iaf、ibf、icf；

(4)将步骤(3)中的三相电流iaf、ibf、icf与三相并网电流ia、ib、ic分别做差得到三相电流中所含的高次谐波电流iah、ibh、ich；

(5)将步骤(4)中的高次谐波电流取反后得到有源电力滤波器的调制信号，将此信号送到spwm调制模块进行调制，得到apf中逆变器的开关信号，apf产生与电流高次谐波相反的谐波电流对系统进行补偿，从而达到滤除谐波的作用。

本发明的有益效果在于：本发明基于有源电力滤波器的z源逆变器并网控制方法，与传统电压型逆变器相比，本发明所采用的z源逆变器具有升降压功能，不需要在前级加入直流-直流变换电路，降低了系统的体积和成本；允许同一桥臂的上下功率管同时导通，可以有效防止烧毁元器件，一方面提高了电路的安全性，另一方面降低了并网电流的谐波畸变率；本发明采用有源电力滤波器apf对并网电流进行滤波，利用瞬时无功理论对谐波电流进行检测，提取和分离电流中的无功和谐波分量，并且对谐波电流进行补偿和跟踪控制，能够有效改善并网电流质量、治理谐波污染；电压环的加入能够有效维持系统电压的稳定性，电流环的加入能够实现单位功率因数并网；本发明将有源电力滤波器apf和z源逆变器有效结合，具有输出电压范围大、滤波效果佳、控制精度高、动静态性能好、可靠性强等优点。并且可将此控制方法，滤波方法推广到其他单相和三相并网逆变系统中。

附图说明

图1为本发明基于有源电力滤波器的z源逆变器并网控制结构图；

图2为本发明dq轴解耦控制图；

图3为本发明并联型有源滤波器系统结构图；

图4为本发明电流检测原理图；

图5为本发明z源电容电压图；

图6为本发明a相并网电流图；

图7为本发明并网谐波电流图；

图8为本发明apf滤波前后的a相电流图；

图9为本发明并网电流频谱分析图；

图10为本发明指令变化时电网电压和并网电流图。

具体实施方式

如图1所示基于有源电力滤波器(apf)的z源逆变器并网控制结构图，直流电压源vdc并联在z源逆变器上，z源阻抗网络和三相逆变器组成z源逆变器，z源逆变器输出经过线路电感li接电网和负载，线路电感li与电网之间的有源电力滤波器apf，负载rl和电力二极管一起构成谐波发生源。并网控制部分包括z源电容电压检测变送器、网侧电流检测变送器、网侧三相电压检测变送器、三相电网电压锁相环、单相电网电压锁相环、低通滤波器，将网侧电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的模块1，将网侧电流由三相静止坐标系转换到两相旋转的模块2，将电压由两相旋转坐标系反变换到三相静止坐标系的模块3，将电流由两相旋转坐标系反变换到三相静止坐标系的模块4，三个pi控制器用于z源逆变器控制部分，两个用于产生调制驱动信号的spwm模块。

具体控制步骤为：

一、z源逆变器部分：

(1)利用电压检测变送器采集三相并网电压ua、ub、uc，将此三相电压一方面送到三相电压锁相环采集三相并网电压的并网角度ωt，另一方面将三相电压和并网角度ωt送到模块1，此模块1会将三相静止坐标系下的电压转换成两相旋转坐标系下的电压ud、uq。

(2)利用三相电流检测变送器检测三相并网电流ia、ib、ic，将此三相电流和并网角度ωt送到模块2，模块2将三相静止坐标系下的电流转换成两相旋转坐标系下的电流id、iq。

(3)将得到的两相旋转坐标系下的电压/电流进行解耦，dq轴解耦框图如图2所示，解耦的步骤为：(a)将两相旋转坐标系下的电流id、iq分别与参考直交轴电流比较。(b)将上一步骤中的结果分别送到pi控制器。(c)将模块2的输出分别乘以ωli(li为线路电感，)，其结果与pi控制器的输出以及模块1的输出分别进行比较。(d)最终得到解耦后的两相旋转坐标系下的电压u1d、u1q。

(4)将解耦后得到的两相旋转坐标系下的电压送到模块3，模块3会将两相旋转坐标系下的电压转换成三相静止坐标系下的电压，将此电压信号送到spwm调制模块，得到传统电压型逆变器所需的开关信号。

(5)利用电容电压检测变送器采集z源阻抗网络电容的电压与参考值比较后送到传统pi控制器，经pi控制器调节后产生z源逆变器所需的特殊的直通矢量。将传统开关矢量和直通矢量叠加后得到逆变器总的开关信号，该信号经过驱动电路后控制z源逆变器中三相逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统入网电流的幅值和相位。

二、apf控制部分：

图3给出了并联型有源电力滤波器的结构图，其中谐波电流的检测提取过程如附图4所示。具体步骤为：

(1)利用单相电网电压锁相环，检测a相电压的并网角度ω1t。

(2)利用三相电网电流检测变送器，检测网侧三相并网电流ia、ib、ic，将此三相电流和单相并网角度ω1t，送到模块2，此模块会将三相静止坐标系下的电流转换成两相旋转坐标系下的电流ipf、iqf。

(3)将步骤(2)中的两相旋转坐标系下的电流分别通过低通滤波器lpf，变成电流将电流以及单相并网角度ω1t，送到模块4，模块4会将两相旋转坐标系下的电流反变换成三相静止坐标系下的电流iaf、ibf、icf。

(4)将步骤(3)中的三相电流iaf、ibf、icf与三相并网电流ia、ib、ic分别做差得到三相电流中所含的高次谐波电流iah、ibh、ich。

(5)将步骤(4)中的高次谐波电流取反后得到有源电力滤波器的调制信号，将此信号送到spwm调制模块进行调制，得到apf中逆变器的开关信号，apf就会产生与电流高次谐波相反的谐波电流对系统进行补偿，从而达到滤除谐波的作用。

为了验证上述理论分析的正确性，对本控制方法进行了仿真研究。

主要电路参数如表1所示：

表1

z源逆变器的调制系数m＝0.75、d＝0.27电容电压参考值ucref＝800v，电压外环kp＝1.32，ki＝3200。有功指令电流为30a，无功指令电流为0，电流内环kp＝0.254，ki＝15.8，有源电力滤波器直流电容的初始电压udc＝700v。

图5是z源逆变器电容电压的波形，电容电压前期发生振荡，是因为z源网络的电容、电感存在着充放电的过程，充放电结束后电容电压稳定在800v左右且满足uc＝(1-d)/(1-2d)vdc的关系。说明电压环能很好地起作用，即能保证并网电压的稳定，这是系统稳定运行的前提。

图6是检测到的a相并网电流，包括实际检测到的电流和经过坐标变换以及反变换后得到的基波电流。红色曲线是实际检测到的并网电流，形状呈马鞍状，含有大量谐波。

将图6中的实测电流和基波电流做差，得到并网电流中的谐波成分如图7所示，将图7中的谐波分量取相反数作为apf中逆变器的参考信号，使逆变器产生相应的电流来消除网络中的谐波信号。

apf在0.04s时投入电网之中，对谐波电流进行反向补偿，达到滤波效果，补偿前后的a相并网电流如图8所示。

由电流频谱分析图9可以看出，经补偿后的并网电流谐波畸变率比较低，thd＝1.28％，满足国家标准(gb/t14549—1993)，并网总谐波畸变率应≤5％的标准。

仿真时由于无功指令电流为0，从图10中也可以看出，电网电压和并网电流保持同相位，系统实现了单位功率因数并网。同时为了验证电流环的动态特性和跟踪速度，在t＝0.05s时有功指令电流由30a突变到50a，从图中叶可以看出并网电流可以快速跟踪指令值的变化，且输出波形良好。