一种lc型并网逆变器控制方法
【专利摘要】本发明公开一种LC型并网逆变器控制方法，包括：LC型并网逆变器外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参考电流信号iref相比较，得到第一误差信号，所述第一误差信号通过调节器作用，得到内环参考输入信号；将所述内环参考输入信号与电感电流信号iL相比较，得到第二误差信号；将所述第二误差信号与三角波比较产生PWM控制信号；通过所述PWM控制信号控制LC型并网逆变器的输出电压。本发明的LC型并网逆变器控制方法，提高了并网逆变器入网电流质量，减小入网电流总谐波失真。
【专利说明】
-种LC型并网逆变器控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及电力电子装置控制技术领域，特别是设及一种LC型并网逆变器控制方 法。
【背景技术】
[0002] 并网逆变器是将直流侧电能W正弦波电流的方式馈入电网的装置，它是逆变器应 用的一种形式。并网运行的逆变器应用广泛，如在交流电子负载、可再生能源大规模并网发 电的场合都需要逆变器并网运行，将系统内的电能回馈至电网中。然而，为了避免质量不好 的并网电流对电网造成污染，并网电流的波形质量有严格的要求，电流为与电压同频反相 的正弦波，且满足国际电工委员会标准。国际上对并网逆变器馈入电网的电流规定如下:波 形为正弦，总谐波崎变率T皿小于5%，各次谐波小于3%。
[0003] 根据不同的工作场合选择相应的滤波器结构与合适的并网控制方法是决定并网 逆变器馈入电网的电流质量的关键。并网逆变器的性能直接关系到并入电网中电能的质 量，W及分布式发电系统的能源转换效率。并网逆变器的作用是将分布式发电单元和储能 电压的直流形式的能量转换为交流形式的能量，从而与外部电网进行连接和能量交换。此 时，逆变器的控制目标一般是输出有功功率和输出无功功率。
[0004] 并网逆变器的控制方式分为电压控制和电流控制两种。电压控制相当于将逆变器 等效为一个电压源，通过控制使其输出电压相位、频率完全等同于电网电压，幅值跟踪电网 电压的幅值，本质相当于将两个电压源并联。但由于市电电压很可能在运行的过程中产生 崎变或较大谐波，会造成逆变器输出无法准确跟踪电网电压，使控制难度增加。另外，运种 通过控制逆变器输出电压来间接控制并网电流的控制方式也不能使并网电流达到较好的 质量。
[0005] 现有技术中有如下几种控制方式：
[0006] 1)直接电流控制方式主要分为滞环控制和=角波控制。
[0007] 2)滞环控制采用滞环比较器，将参考电流和实际并网电流的偏差作为其输入，滞 环比较器产生PWM信号，通过控制逆变电路开关功率器件的通断来控制并网电流。如果设定 滞环比较器环宽为化，就可W将并网电流控制在预设的范围之内，使并网电流呈银齿状地 跟踪参考电流。对于运种控制方法，范围的设置对系统影响较大:环宽较宽时，开关动作的 频率降低，但误差增大，谐波很大;环宽较窄时，误差减小，谐波降低，但开关动作频率过高， 开关损耗增大。针对滞环比较器的上述缺点，一种解决方法是采用同步开关法，即定时控制 的瞬时值比较方式。
[000引滞环比较器由于其开关频率与精度之前的矛盾，及高次谐波较多，电磁干扰较大， 在实际应用中作用有限。目前应用较广泛的控制方式是=角波控制方式。
[0009] 3)S角波控制方式可W采用不同的控制器完成对系统的控制，如PI控制，重复控 审IJ，无差拍控制等。电流误差经控制器调节后得出的波形与=角波进行比较，生成SPmi波， 控制功率开关器件的通断。=角波控制方式功率开关频率等于载波频率，噪声低，易于设计 滤波器，可采取多种方式进行控制，降低误差。
[0010] -般来说，利用电力电子器件构成的逆变器会产生大量的电流谐波，因此，要使用 无源器件组成的滤波器来滤掉运些谐波。并网逆变器采用的滤波器通常有两种：电感化C) 滤波器和电感-电容-电感化化)滤波器。在电感值相同，成本相当的情况下，IXL滤波器具有 更好的滤波效果。然而，IXL滤波器作为一个S阶系统，容易产生谐振，造成系统的不稳定。
[0011] LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所W称为无源 滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗 器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要;LC滤 波器按照功能分为LC低通滤波器、LC带通滤波器、高通滤波器、LC全通滤波器、LC带阻滤波 器;按调谐又分为单调谐滤波器、双调谐滤波器及=调谐滤波器等几种。
[0012] LC滤波器设计流程主要考虑其谐振频率及电容器耐压，电抗器耐流。在电子线路 中，电感线圈对交流有限流作用，由电感的感抗公式Xl = 2村L可知，电感L越大，频率f越高， 感抗就越大。因此电感线圈有通低频，阻高频的作用，运就是电感的滤波原理下面是LC滤波 电路实例电感在电路最常见的作用就是与电容一起，组成LC滤波电路。电容具有"阻直流， 通交流"的本领，而电感则有"通直流，阻交流，通低频，阻高频"的功能。
[0013] 如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路，那么，交流干扰信号大部分 将被电感阻止吸收变成磁感和热能，剩下的大部分被电容旁路到地，运就可W抑制干扰信 号的作用，在输出端就获得比较纯净的直流电流。滤波电路的原理实际是L、c元件基本特性 的组合利用。因为电容器的容抗Xc =化f C又1会随信号频率升高而变小，而电感器的感抗Xl =2f会随信号频率升高而增大，如果把电容、电感进行串联、并联或混联应用，它们组合的 阻抗也会随信号频率不同而发生很人变化口运表明，不同滤波电路会对某种频率信号呈现 很小或很大的电抗，W致能让该频率信号顺利通过或阻碍它通过，从而起到选取某种频率 信号和滤除某种频率信号的作用。
[0014] 通常，抑制谐振有两种方式:一种是无源阻尼法，另一种是有源阻尼法。所谓无源 阻尼法，一般是在逆变器电路中增加电阻W直接增加 LCL滤波器的阻尼，但是无论是串联还 是并联电阻，都会增加系统的额外损耗。所谓有源阻尼法，通常采取对逆变器电压电流的控 制来实现抑制谐振的目的，常用的高阶极点配置的双环PI控制策略，加权电流平均值反馈 PI控制策略，W及并网电流、电容电压和电感电流的=环PI控制策略等。
[0015] 但是，在W上方法中，尽管PI控制器能够使并网逆变器系统具有较好的性能，当系 统受到外部扰动较大时，其动态性能还需要进一步提高W满足并网对电流波形与总谐波崎 变率的要求。可W采用其他控制器与PI控制结合的方式提高系统鲁棒性。
[0016] 但并网逆变器是一个复杂的非线性系统，对其建立精确的数学模型往往非常困 难。而在控制器的设计过程中，常常需要根据系统的数学模型来进行设计。
[0017] 目前对于并网逆变器只能得到近似的模型而无法做到精确建模。如果在并网逆变 器的看过那只系统中引入模糊控制，则模糊控制的特点可W部分补偿系统模型的不精确 性。与传统控制方式相比，模糊控制把控制对象作为"黑箱"，它不依赖于系统的数学模型， 而是依赖于由操作经验、表述只是转换成的模糊规则，是智能控制的一种。
[0018] 加入模糊控制的系统往往鲁棒性高、动态性能好。将模糊控制与其他控制方法相 结合，是目前比较多用的并网逆变器控制方式，发展潜力较大。但是传统模糊控制方式的控 制参数是固定的，不能随着系统的工作情况进行在线调整。PI控制器的比例和积分系数是 恒定的，运导致在系统结构变化或者参数波动（如外部电网结构发生故障或者内侧直流母 线电压剧烈升高)等情况下，逆变器无法快速精确的跟踪控制指令，不能及时调节输入输出 的有功和无功功率。降低了网逆变器的稳定性和抗干扰能力。
【发明内容】
[0019] 本发明正是基于W上一个或多个问题，提供一种LC型并网逆变器控制方法，用W 解决现有技术中存在的并网逆变器入网电流质量低，入网电流总谐波失真的问题。
[0020] 其中，所述LC型并网逆变器控制方法，包括：
[0021] LC型并网逆变器外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参考电流信号iref 相比较，得到第一误差信号，所述第一误差信号通过调节器作用，得到内环参考输入信号；
[0022] 将所述内环参考输入信号与电感电流信号iL相比较，得到第二误差信号；
[0023] 将所述第二误差信号与S角波比较产生PWM控制信号；
[0024] 通过所述PWM控制信号控制LC型并网逆变器的输出电压。
[0025] 进一步的，所述第一误差信号是外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参 考电流信号iref的差值。
[0026] 进一步的，所述第二误差信号是所述内环参考输入信号与电感电流信号iL的差 值。
[0027] 进一步的，所述调节器的表达式为：
[002引其中，Kp为调节器的比例参数，Ki为调节器的积分参数，S为采样步长。
[0029] 进一步的，所述LC型滤波器的参数为：
：其中，f为LC滤波 器的截止频率，n为圆周率。
[0030] 本发明提供的LC型并网逆变器控制方法，能有效减小并网电流THD，增强了并网逆 变器入网电流对电网谐波电压和电流指令信号中谐波成分的抑制能力，提高了并网逆变器 入网电流质量，减小入网电流总谐波失真。
【附图说明】
[0031 ]图1是本发明实施例一的一种LC型并网逆变器控制方法流程图；
[0032] 图2是本发明实施例二的LC型并网逆变器拓扑结构图；
[0033] 图3是本发明实施例二的PI控制器的系统控制原理图；
[0034] 图4是本发明实施例二的PI控制器的电流双环控制框图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发 明实施例W及实施例中的各个特征可W相互结合，均在本发明的保护范围之内。
[0036] 实施例一
[0037] 本发明实施例一提供一种LC型并网逆变器控制方法，如图1所示，该方法包括：
[0038] 101、LC型并网逆变器外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参考电流信 号iref相比较，得到第一误差信号，所述第一误差信号通过调节器作用，得到内环参考输入 信号；
[0039] 其中，所述第一误差信号是外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参考电 流信号iref的差值。
[0040] 所述调节器的表达式为
[0041] 其中，Kp为所述调节器的比例参数，Ki为所述调节器的积分参数，S为采样步长。
[0042] 所述LC型滤波器的参数为
痒中，f为LC滤波器的截止频 率，JT为圆周率。
[0043] 102、将所述内环参考输入信号与电感电流信号iL相比较，得到第二误差信号；
[0044] 其中，所述第二误差信号是所述内环参考输入信号与电感电流信号iL的差值。
[0045] 103、将所述第二误差信号与S角波比较产生PWM控制信号；
[0046] 104、通过所述PWM控制信号控制LC型并网逆变器的输出电压。
[0047] 本发明提供的LC型并网逆变器控制方法，能有效减小并网电流THD，增强了并网逆 变器入网电流对电网谐波电压和电流指令信号中谐波成分的抑制能力，提高了并网逆变器 入网电流质量，减小入网电流总谐波失真。
[004引实施例二
[0049] 本发明实施例二提供一种LC型并网逆变器控制方法，适用于如图2所示的LC型并 网逆变器。
[0050] 对于配置LC滤波器的逆变器，由于滤波器参数的大小直接影响着系统整体性能， 因此，在进行LC参数设计时通常会考虑W下要求：
[0051] (1)总电感量的限制。额定条件下的阻抗压降需小于电网电压的10%。
[0052] (2)对滤波器电容的限制。过大的滤波电容，将产生大量的无功损耗，降低了逆变 器的整体功率处理能力。
[0053] (3)谐振频率的设计限制。为了避免谐振频率成为逆变器电流控制器设计的制约 因素，一般要求设计的LC滤波器的谐振频率在10倍基频和0.5倍开关频率之间。
[0054] (4)采用无源阻尼电阻方案时，对阻尼电阻Rd的限制。当Rd越大时，谐振峰降低越 明显，但滤波器的损耗也随之增大，同时滤波器对高频谐波的滤波性能也将降低，工程中对 阻尼电阻一般取为谐振频率处电容阻抗的1/3。
[0055] 本实施例中，LC型滤波器的参数为：
[0化6]
9511111;其中^为1(：滤波器的截止频率，31为圆周率。
[0057] 一般来说，LC滤波器更适用于逆变器独立运行的情况。LC滤波器对高频信号的衰 减为-40地/sec，高频滤波效果较L型滤波器更好。
[005引考虑到并网情况，当逆变器工作在并网模式下时，电网电压可W被看作为一个恒 定电压源。采用电流控制方式的逆变器相当于一个恒定电流源，根据电路线性叠加原理，在 分析时可W把电网电压看成短路不予考虑。此时LC滤波器可W等效为一个L型滤波器，控制 方法可采用电感电流闭环控制方式。
[0059] 其中，采用LC型滤波器的系统适用于可再生能源系统中需要独立与并网双模式运 行的场合，如光伏系统、风力发电机、燃料电池等。逆变器系统可W通过并网运行向电网输 送电能，也可W作为独立电源向用户供电。当逆变器系统模式切换时，将电压控制方式与电 流控制方式进行切换即可。
[0060] 在实际应用中，电网电压通常会产生崎变，产生的扰动会使单环控制系统受到较 大影响。因此，运种单环控制结构经常采用电网电压前馈的方式进行补偿，W消除电网电压 扰动对并网电流的影响，另外，通过前馈的方式，可W将并网系近似为一个无缘逆变系统。 [0061 ] 具体设计过程如下:逆变器仍可看做增益环节P?K。
[0062] 设PI控制器的传递函数为:G(s) =化P+Ki/s)。
[0063] 将电网电压等效为系统的扰动输入。在逆变器输出侦U，由逆变器输出电压与电网 电压的关系有
[0064] 在控制理论中，前馈补偿的本质是采用开环控制的方式去补偿外部扰动信号，补 偿位于传递函数分子项，不影响闭环系统的极点，因此前馈补偿对控制系统的稳定性没有 影响。从抑制扰动的角度来看，前馈控制减轻了反馈控制的负担，反馈控制系统的增益可W 适当降低。
[0065] 目前，在使用LC型滤波器的单相并网逆变器系统中，主要采用W下几种控制方法： 并网电流外环、电容电流内环的双闭环控制系统;基于高阶极点配置的双环控制系;加权电 流平均值反馈控制;并网电流、电容电压、电感电流的=环控制系统等。
[0066] 但在实际运行当中，电网电压并不是理想的短路，而电容电流的存在会使采用电 感电流单环反馈的系统输出的并网电流与参考电流之前存在相位差。因此，本实施例提供 的LC型并网逆变器控制方法，采用LC滤波器的并网逆变器双闭环控制策略，即并网电流外 环、电感电流内环的控制策略。该LC型并网逆变器控制方法具体包括：
[0067] 1)将LC型并网逆变器外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参考电流信 号iref相比较，得到第一误差信号，所述第一误差信号通过调节器作用，得到内环参考输入 信号；
[0068] 2)将所述内环参考输入信号与电感电流信号iL相比较，得到第二误差信号；
[0069] 3)将所述第二误差信号与S角波比较产生PWM控制信号；
[0070] 4)通过所述PWM控制信号控制LC型并网逆变器的输出电压。
[0071] 作为上述技术方案的一个较佳的实施方式，由于PI控制器可W提高系统的动静态 性能，本实施例通过PI控制器实现上述控制方法。
[0072] 图3为采用PI控制器的系统控制原理图，图4为采用PI控制器的电流双环控制框 图。具体的，在功率相同的时候，PI参数的设计过程与采用对应阻性负载的独立运行逆变器 系统近似。内环电感电流需要有良好的动态性能和跟随性能，外环并网电流需要有良好的 抗扰性能。内环控制器与独立运行的逆变器参数相同。当逆变器功率较大时，受开关速度和 功率损耗的影响，逆变器的功率开关器件频率降低，滤波器采用单电感结构将增大体积与 成本。
[0073] 为了验证LC型滤波器的滤波效果，对一单相并网逆变器系统进行仿真。LC滤波器 参数为：
[0074] L = 3mH^ = 20yF。
[0075] 在MATLAB中建立系统模型，得出并网电流分析结果:采用电流双闭环控制的LC型 并网逆变器并网电流THD很小，尤其高次谐波减少明显，与LC型滤波器的特性相符。由于LC 型滤波器对消除高次谐波效果更好，且在滤波作用相同时采用电感较小，尤其适用于大功 率场合，可W在减少电能损耗的同时降低成本。
[0076] 本发明提供的LC型并网逆变器控制方法，能有效减小并网电流THD，增强了并网逆 变器入网电流对电网谐波电压和电流指令信号中谐波成分的抑制能力，提高了并网逆变器 入网电流质量，减小入网电流总谐波失真。
[0077] W上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本 发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的 技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种LC型并网逆变器控制方法，包括： LC型并网逆变器外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参考电流信号iref相比 较，得到第一误差信号，所述第一误差信号通过调节器作用，得到内环参考输入信号； 将所述内环参考输入信号与电感电流信号?相比较，得到第二误差信号； 将所述第二误差信号与Ξ角波比较产生PWM控制信号； 通过所述PWM控制信号控制LC型并网逆变器的输出电压。2. 如权利要求1所述的LC型并网逆变器控制方法，其特征在于： 所述第一误差信号是外环实测并网电流信号igrid与LC型并网逆变器参考电流信号iref 的差值。3. 如权利要求1所述的LC型并网逆变器控制方法，其特征在于： 所述第二误差信号是所述内环参考输入信号与电感电流信号?的差值。4. 如权利要求1所述的LC型并网逆变器控制方法，其特征在于： 所述调节器的表达式为：+ ^ : Λ' 其中，Kp为所述调节器的比例参数，Κι为所述调节器的积分参数，S为采样步长。5. 如权利要求1所述的LC型并网逆变器控制方法，其特征在于： 所述LC型滤波器的参数为其中，f为LC滤波器的截止频率，31为圆周率。
【文档编号】H02J3/38GK105978018SQ201510942755
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年12月16日
【发明人】张春丽, 王红玲, 郭利辉
【申请人】许昌学院