一种负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼方法及控制系统

1.本发明涉及并网逆变器控制领域，具体涉及一种负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼方法及控制系统。


背景技术：

2.在实现相同滤波效果的前提下，lcl滤波器相比单l滤波器具有体积小、成本低的优势，但易发生谐振导致并网系统失稳。抑制lcl滤波器谐振常见方法可分为无源阻尼和有源阻尼两类，其中无源阻尼实现简单且不受开关频率限制，但增加了系统损耗。
3.通过反馈lcl滤波器状态量实现有源阻尼，具有实现简单、控制灵活、鲁棒性强的优点。已有方法中，滤波电容电流比例反馈、滤波电容电压微分反馈和网侧电感电压微分反馈在实际场合中已得到应用，但滤波电容电流脉动较大难以精确测量，电感电压积分反馈要求采样量不能含有直流偏置，电容电压微分反馈要求采样量尽可能的降低高频噪声含量；而且，上述方法需要额外配备高精度、高性能的传感器，这无疑增加了系统成本，降低了系统可靠性。理论推导可知，对进网电流二阶微分反馈能够取得相同的阻尼效果，并能够节省一个高精度传感器，但由于高阶微分易放大高频噪声，影响进网电流质量，因此无法直接在实际系统中应用。已有方法提出利用负高通滤波器等效二阶微分环节反馈进网电流实现有源阻尼，但负高通滤波器对高频噪声仍具有放大作用，影响阻尼效果以及进网电流质量。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼方法及控制系统
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼控制系统，包括：
7.负带通滤波器模块、阻尼支路反馈系数模块、第一减法器模块、电流控制器模块和第二减法器模块；
8.进网电流分别连接负带通滤波器模块、第一减法器模块的输入端，所述负带通滤波器模块的输出端连接阻尼支路反馈系数模块的输入端，所述阻尼支路反馈系数模块的输出端连接第二减法模块的输入端；所述第一减法器模块的输入端连接参考电流与进网电流，所述输出端连接电流控制模块，所述电流控制模块的输出端连接第二减法模块输入端，第二减法器模块的输出端连接pwm模块。
9.可选地，所述电流偏差信号接入到电流控制器输入端，电流控制器的输出端与第二减法器的输入端相连；进网电流与参考电流，经过第一减法器作用，得到电流偏差。
10.可选地，所述的负带通滤波器的带通中心频率设为谐振频率。
11.可选地，所述的负带通滤波器的传递函数配置为：式中h(s)表示负带通滤波器，s表示频域复频率，q为负带通滤波器品质因数，ω
res
为谐振角频率。
12.可选地，所述的电流控制器模块配置为准pr控制器。
13.可选地，所述的负带通滤波器模块的品质因数与阻尼支路反馈系数模块相互耦合。
14.可选地，对于负带通滤波器模块与阻尼支路反馈系数模块，将可自由配置的四个极点，配置为两对共轭极点，分别在谐振处以及基波处。
15.上述的控制系统的控制方法包括以下步骤：经过所述的负带通滤波器、阻尼支路反馈系数模块产生第一输出信号，然后进网电流与参考电流经过第一减法器得到电流偏差，电流偏差经过电流控制器产生第二输出信号，第一输出信号与第二输出信号经过第二减法器模块，产生调制波，经过pwm模块，产生驱动信号，控制逆变器进网电流。
16.本发明的有益效果：
17.本发明在有效抑制lcl滤波器谐振的基础上，相比已有的进网电流反馈有源阻尼方法，能够解决放大高次谐波、影响进网电流质量的问题；负带通滤波器与阻尼支路反馈系数模块在进行参数设计时，基于极点配置方法，将可自由配置的四个极点，配置为两对共轭极点，分别在谐振处以及基波处，确保系统具有较好的动态特性、谐振抑制效果以及基波处高增益特性；电流控制器采用准pr控制器，确保系统具有较高的控制精度以及适应电网频率偏移的能力。
附图说明
18.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
19.图1为lcl型并网逆变器功率电路以及控制回路连接示意图；
20.图2为本发明抑制谐振尖峰效果示意图；
21.图3为按照本发明设计参数后，系统的稳定裕度以及截止频率；
22.图4为网侧电感发生变化后，系统稳定裕度变化示意图；
23.图5为数字控制延时影响及补偿后效果示意图；
24.图6为本发明抑制谐振有效性示意图；
25.图7为现有等效二阶微分环节反馈进网电流方法对电网背景谐波的抑制效果；
26.图8为采用本发明反馈进网电流有源阻尼方法对电网背景谐波的抑制效果。图9为本发明提出的有源阻尼方法对应的进网电流波形。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的一些示例中，公开了一种负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼方法，涉及由lcl型并网逆变器主控制回路和负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼支路组成的控制系统，主要包括以下模块：负带通滤波器(1)、阻尼支路反馈系数模块(2)、第一减法器(3)、电流控制器(4)和第二减法器(5)。其中，测量得到的进网电流分别连接负带通滤波器(1)、第一减法器(3)的输入端，负带通滤波器(1)的输出端连接阻尼支路反馈系数模块(2)
的输入端，阻尼支路反馈系数模块 (2)的输出端连接第二减法器(5)的输入端；第一减法器(3)的输入端连接参考电流与进网电流，输出端连接电流控制器(4)，电流控制器(4)的输出端连接第二减法器(5)输入端，第二减法器(5)的输出端连接pwm模块。
29.基于上述控制系统实现有源阻尼、稳定进网电流的具体做法是：测量得到的进网电流，首先经过负带通滤波器、阻尼支路反馈系数模块产生第一输出信号，然后进网电流与参考电流经过第一减法器得到电流偏差，电流偏差经过电流控制器产生第二输出信号，第一输出信号与第二输出信号经过第二减法器模块，产生调制波，经过pwm模块，产生驱动信号，控制逆变器进网电流。
30.所述负带通滤波器，存在两个参数，分别为带通中心频率以及品质因数，带通中心设为谐振频率，确保在谐振处相位增益接近180
°
，满足进网电流二阶微分反馈实现有源阻尼的相位要求。负带通滤波器品质因数与阻尼支路反馈系数相互耦合，并对阻尼效果、系统稳定性、带宽有直接影响。其中，品质因数如果太小，系统稳定裕度不满足稳定性要求；而品质因数太大，一方面会导致系统带宽变小，另一方面会导致谐振处会重新出现负穿越，无法实现有源阻尼。对于阻尼支路反馈系数，如果反馈系数太大，系统稳定裕度太小不满足稳定性要求；如果反馈系数太小，一方面导致谐振频率处的负反馈深度降低，不利于抑制谐振尖峰，另一方面系统带宽过低，不利于系统动态特性。
31.考虑系统稳定性、动态特性，基于极点配置方法，将4个可自由配置的极点中的一对配置为共轭谐振极点，可以兼顾动态性能以及谐振阻尼；另一对极点配置为基波处共轭极点，可确保系统在基波处具有高增益特性；
32.数字控制延迟将影响阻尼效果，在进行参数设计时充分考虑实际系统中存在的数字控制延迟，确保阻尼效果不受控制延迟的影响；
33.所述电流控制器采用准pr控制器，一方面能够确保电流控制精度，另一方面能够适应电网频率偏移。
34.在本发明的一些具体的示例中，以图1所示单相lcl型并网逆变器为例，一种负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼方法，涉及由lcl型逆变器电流主控制回路以及负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼支路组成的控制系统，包括负带通滤波器模块、阻尼支路反馈系数模块、第一减法器模块、电流控制器模块和第二减法器模块。
35.基于上述的一种负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼方法，具体为：检测进网电流，首先经过负带通滤波器、阻尼支路反馈系数模块产生第一输出信号，然后与参考电流经过第一减法器、电流环控制器产生第二输出信号，第一输出信号与第二输出信号经过第二减法器，产生调制波，经过pwm模块，产生驱动信号，控制逆变器进网电流。
36.结合图1，给出负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼设计实例。系统未添加有源阻尼时，逆变电压到进网电流的传递函数为：
[0037][0038]
式中表示逆变电压到进网电流的传递函数，s表示频域复频率，l1表示逆变器侧滤波电感，c表示滤波电容，l2表示电网侧滤波电感。负带通滤波器的传递函数为：
[0039]
[0040]
式中h(s)表示负带通滤波器，q为负带通滤波器品质因数，ω
res
为谐振角频率。
[0041]
加入负带通滤波器阻尼支路后，逆变电压到进网电流的传递函数为：
[0042][0043]
式中表示逆变电压到进网电流的闭环传递函数，k
ad
为阻尼支路反馈系数。
[0044]
本发明中，为实现负带通滤波器反馈进网电流有源阻尼，首先需要将带通中心设为谐振频率，满足谐振处相位增益为180
°
的前提条件。
[0045]
根据式(3)，得到系统的特征方程：
[0046][0047]
考虑系统稳定裕度、动态特性，基于对数稳定判据进行极点配置：
[0048][0049]
系统在较高频率处的特性将由谐振附近的共轭极点ωn决定，即ωn决定了系统开环相位穿越-180
°
时位置，进而影响稳定裕度，因此ωn限制了系统能够实现的闭环带宽。为保证系统有较高的开环截止频率，ωn需要大于开环截止频率并保留一定裕量；又因为pwm调制的非线性，越小于1/2开关频率模型越精确，ωn可按式(6)方式进行取值：
[0050]
kω
res
≤ωn≤ω
sw
/3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0051]
为保证系统具有较大带宽，k应大于1，同时为了确保q有较好的取值范围， k不应过大，具体取值可根据与开关频率、lcl滤波器参数灵活选取。联立式(4) 与式(5)，可得关于q及k
ad
的表达式：
[0052][0053]
为了保证系统具有较好的阻尼效果以及较好的动态特性，令ζ0以及ζn的取值范围为0.4～0.8，按照上述方法设计出q以及k
ad
后，图2给出有无负带通滤波器阻尼支路时，逆变电压到进网电流传递函数的幅频特性曲线，可以看出本发明很好地抑制了谐振尖峰。
[0054]
图3为按照本发明给出的方法设计负带通滤波器以及阻尼支路反馈系数后系统的幅频特性，可以看出设计好的系统具有较好的稳定裕度、较大的截止频率。
[0055]
实际运行时，受寄生参数、环境温度、工作条件等影响，lcl滤波器参数会发生较大变化，图4给出了网侧电感从60％变化到150％时系统伯德图，可以看出系统依然能够维持较理想的幅值和相位稳定裕度，说明本发明所提方法具有较好的鲁棒性。
[0056]
图5给出系统包含负带通滤波器阻尼支路时，系统不含控制延迟、含有延迟未补偿、对控制延迟补偿时对应的系统幅频特性曲线。可以看出，不含延迟时系统能够保持稳定；考虑数字控制延迟但未进行补偿时，谐振处已经不满足对数稳定判据；考虑数字控制延迟并进行补偿，系统能够重新稳定，说明本发明能够解决数字控制延迟的影响。
[0057]
图6为本发明有效性验证，可以看出，本发明投切后，电流谐振被迅速抑制。
[0058]
图7为系统含有本发明时动态特性验证，可以看出，采用本发明设计方法，系统具
有较好的动态特性。
[0059]
图8-9为本发明与已有二阶微分等效方法反馈进网电流实现有源阻尼时，对电网背景谐波抑制能力对比。其中图8为负高通滤波器等效二阶微分对应的进网电流波形，图9为本发明提出的有源阻尼方法对应的进网电流波形。可以看出，采用本发明时，进网电流质量明显更优，说明本发明对电网背景谐波具有较好的抑制能力。
[0060]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0061]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。