电压源型离网逆变器的控制方法与流程

本发明涉及一种电压源型离网逆变器的控制方法，涉及到功率变换器中功率变换技术，属电力电子设备领域技术。

背景技术：

目前，离网逆变器在生产生活中的应用越来越广泛，而负载对离网逆变器供电质量的要求越来越高，电压源型离网逆变器在轻载甚至是空载运行时，由于输出电流较小，导致控制精度下降，其输出电压波形易发生畸变，尤其在输出电压过零点附近，电能质量较差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电压源型离网逆变器的控制方法，它在轻载或空载运行时，通过对输出滤波电感电流采用正负电流的交变控制，能有效地提高输出逆变电压的电能质量。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种电压源型离网逆变器的控制方法，逆变器包括输出滤波器，输出滤波器中包括电感，方法的步骤中包括：

确定电感的正向峰值参考电流ilp_ref^*和负向峰值参考电流iln_ref^*；其中，

将逆变器的输出电压参考ug^*和输出电压值ug输入电压控制环，电压控制环的输出即为负向峰值参考电流iln_ref^*；

正向峰值参考电流ilp_ref^*＝2*io_ref-ineg；

式中io_ref＝io_amp*sinθ，io_amp为逆变器额定功率下的输出电流峰值，ineg为逆变器额定功率下设定的电感负向电流峰值，sinθ为逆变器输出电压或电流相角的正弦值；

逆变器输出电流波形的正半周中的参考电流的设定方向和负半周中的参考电流的设定方向是相反的。

进一步，所述电压控制环中采用pr控制器。

进一步，pr控制器的传递函数如下：

pr控制器的传递函数如下：式中，

kp为pr控制器比例系数，kr为pr控制器谐振系数，w0为pr控制器基波角频率，wcut为pr控制器截至角频率，s为复频域变量。

进一步，逆变器包括h桥功率开关电路，h桥功率开关电路包括四个功率开关器件，每两个功率开关器件组成一个桥臂，各桥臂上的功率开关器件控制逻辑互补，同一桥臂的功率开关器件交替导通和关断；

方法的步骤中还包括：

h桥功率开关电路的控制逻辑：

s10：导通不同桥臂上的各一功率开关器件；

s20：使电感的正向电感峰值采样电流ilp_peak跟踪正向峰值参考电流ilp_ref^*，当ilp_peak＝ilp_ref^*时，切换通断同一桥臂的功率开关器件，同时使负向电感峰值采样电流iln_peak跟踪负向峰值参考电流iln_ref^*，当iln_peak＝iln_ref^*时，切换通断同一桥臂的功率开关器件；

s30：重复步骤s20。

采用了上述技术方案后，本发明将逆变器输出电压和输出参考电压作为电压控制环的输入，电压控制环的输出作为电感电流负向峰值电流(采样得到)的参考输入，电感电流正向峰值电流(采样得到)的参考输入由满载工况下的额定输出电流和设定的负电流等计算得到。通过对输出滤波电感的正向峰值电流和负向峰值电流的交变控制，使得逆变器在整个负载范围(0～100％)内输出电压的电能质量较高。

附图说明

图1为本发明的典型的电压源型离网逆变器的示意图。

图2为本发明的电压源型离网逆变器的控制框图；

图3(a)为电压源型离网逆变器满功率输出时电感电流的正半周期的波形示意图；

图3(b)为电压源型离网逆变器满功率输出时电感电流的负半周期的波形示意图；

图4(a)为电压源型离网逆变器宽功率范围输出时电感电流的正半周期的波形示意图；

图4(b)为电压源型离网逆变器宽功率范围输出时电感电流的负半周期的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1所示为典型的单相h桥电压源型逆变器；其中，单相h桥电压源型逆变器由4个功率开关器件q1、q2、q3、q4构成h桥拓扑，功率开关器件q1、功率开关器件q2组成一个桥臂，功率开关器件q3、功率开关器件q4组成另外一个桥臂，各桥臂上的功率开关器件控制逻辑互补，同一桥臂的功率开关器件交替导通关断，输出滤波器由电感l和电容c组成，直流输入电源为udc，逆变器输出电压为ug，电感电流为il，滤波电容电流为ic，逆变器输出电流为io。

在图2中，ug^*为逆变器输出参考电压，ug为逆变器输出电压值，ilp_ref^*、iln_ref^*分别为电感电流的正向峰值参考电流和负向峰值参考电流，ilp_peak、iln_peak分别为采样的电感电流的正向峰值电流(即为正向峰值采样电流)和负向峰值电流(即为负向峰值采样电流)。

在图3(a)、图3(b)中，在正半周期设定电感电流的参考方向与图1中电感电流方向一致，在负半周期设定电感电流的参考方向与图1中电感电流方向相反。

在图4(a)、图4(b)中，正半周期设定电感电流的参考方向与图1中电感电流方向一致，在负半周期设定电感电流的参考方向与图1中电感电流方向相反。

首先以逆变器输出电流波形的正半周为例说明该控制方法的具体步骤：

1)确定电感的正向峰值参考电流ilp_ref^*。

为了保证输出功率在空载到满载区间运行，以额定功率来确定电感电流的正向峰值参考电流ilp_ref^*，电感波形如图3(a)所示。对于桥式的电压源型逆变器，c为滤波电容，容值一般较小，故其容抗远远大于负载阻抗。所以可以认为在一个开关周期t内，电感电流il的平均值约等于输出电流值io。电感正向峰值参考电流由如下公式获得：

ilp_ref^*＝2*io_ref-ineg(1)

式中io_ref＝io_amp*sinθ，io_amp为逆变器额定功率下的输出电流峰值，ineg为逆变器额定功率下设定的电感负向电流峰值(ineg的大小既影响正向峰值电流的大小，也会影响逆变器的开关周期t)，sinθ为逆变器输出电压或电流相角的正弦值。

2)确定电感电流的负向峰值参考电流iln_ref^*。

负向峰值参考电流iln_ref^*，其电感电流波形如图4(a)所示。负向峰值参考电流iln_ref^*由图3所示的控制框图中的电压控制环的输出得到。

3)确定功率开关器件的通断逻辑。

以图1所示的单相h桥电压源型逆变器为例，阐述正半周期时功率开关器件的通断逻辑：

a)首先功率开关器件q2、q3导通，直流电压源udc对滤波电感l进行充电，电感电流正向增加，当电感正向峰值电流ilp_peak达到正向峰值参考电流ilp_ref^*时，功率开关器件q2保持导通，功率开关器件q3关断；

b)功率开关器件q3关断后，功率开关器件q4互补导通。逆变器输出电压ug对滤波电感l进行反向充电，电感电流负向增加，当电感负向峰值电流iln_peak达到正向峰值参考电流iln_ref^*时，功率开关器件q2保持导通，功率开关器件q4关断；

c)功率开关器件q4关断后，功率开关器件q3互补导通。重复上述步骤a)和b)。

逆变器输出电流波形的负半周与正半周类似，负半周时该控制方法的具体步骤如下：

为了叙述上的统一，在负半周期电感电流的参考方向设定与正半周期相反。

4)确定电感的正向峰值参考电流ilp_ref^*。

电感电流波形如图4(b)所示，正向峰值参考电流ilp_ref^*由公式(1)确定，需要注意的是此时电感正向峰值参考电流的方向与正半周期比是反向的。

5)确定电感电流的负向峰值参考电流iln_ref^*。

负向峰值参考电流iln_ref^*，其电感电流波形如图4(b)所示。负向峰值参考电流iln_ref^*由图3所示的控制框图中的电压控制环的输出得到，需要注意的是此时电感负向峰值参考电流的方向与正半周期比也是反向的。

6)确定功率开关器件的通断逻辑。

以图1所示的单相h桥电压源型逆变器为例，阐述正半周期时功率开关器件的通断逻辑：

a)首先功率开关器件q1、q4导通，直流电压源udc对滤波电感l进行充电，电感电流负半周期正向增加，当电感正向峰值电流ilp_peak达到正向峰值参考电流ilp_ref^*时，功率开关器件q1保持导通，功率开关器件q4关断；

b)功率开关器件q4关断后，功率开关器件q3互补导通。逆变器输出电压ug对滤波电感l进行反向充电，电感电流负半周期负向增加，当电感负向峰值电流iln_peak达到负向峰值参考电流iln_ref^*时，功率开关器件q1保持导通，功率开关器件q3关断；

c)功率开关器件q3关断后，功率开关器件q4互补导通。重复上述步骤a)和b)。

在本实施例中，将逆变器输出电压和输出参考电压作为电压控制环的输入，电压控制环的输出作为电感电流负向峰值电流(采样得到)的参考输入，电感电流正向峰值电流(采样得到)的参考输入由满载工况下的额定输出电流和设定的负电流等计算得到，通过对输出滤波电感电流采用正负电流交变控制，使逆变器在全负载范围内输出电压的thd较小。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。