弱电网下三相LCL型并网逆变器电流谐波抑制控制方法

摘要

本发明是一种弱电网下三相LCL型并网逆变器电流谐波抑制控制方法，步骤为①利用滤波电容和电感的电流传感器检测电容电流i

说明书

技术领域

本发明属于并网逆变器的控制技术领域，涉及的是弱电网情况下 (电网短路容量较小，含有较大内阻抗)一种抑制电网电压对并网电流 波形质量影响的控制方法。

背景技术

实际电网中，电网电压除工频基波分量外，还含有谐波和不平衡 分量。电网电压的基波分量会影响并网电流的相位，电网电压的谐波 分量会引起并网电流畸变，电网电压的不平衡分量会引起三相并网电 流的不平衡。为了保证并网逆变器输出并网电流的波形质量，通常采 用控制的方法抑制电网电压对并网电流的影响。

图1是三相LCL型并网逆变器的结构图。LCL型并网逆变器包 括直流电源1、逆变桥2，LCL滤波器3，公共电网4，控制器5和前 馈控制模块6。其中，逆变桥2是由开关管S₁～S₆和续流二极管D₁～D₆组成；LCL滤波器3是由滤波电感L₁，L₂和滤波电容C组成。H_i1和H_i2分别为检测电容电流和滤波电感L₂的并网电流传感器，H_v2为电网电压检测传感器。

在图1的结构中，向控制器5输入并网电流指令以及经电流传感 器H_i2得到流过滤波电感L₂的并网电流。控制器5首先将检测得到 的三相电流进行坐标变换(由abc坐标系转换到αβ坐标系)，然后 根据锁相环得到的电网电压相位信息给出并网电流的指令值，最后经 过并网电流闭环控制和前馈控制模块6实现并网电流对指令值的跟 踪和谐波抑制。

此处，对并网逆变器的控制器5和前馈控制模块6进行具体说明。 经过abc坐标系到αβ坐标系的变换后，控制器5分别在α轴和β 轴进行闭环控制，检测传感器H_v2检测到电网电压，并求得其相位角 θ_m(本文所有下标m＝α，β)，电网电压相位角θ_m与并网电流指令提 供的有效值I^*一起构成并网电流实际的指令值i_{ref_m}。i_{ref_m}与电流传 感器H_i2检测的并网电流信号相减，得到的误差信号送入调节器G_i， 其输出信号作为电流传感器H_i1检测回来的电容电流信号的指令值， 它们的误差信号与前馈控制模块6输出的电网电压前馈信号v_{g_fd_m}相加后送入脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)器中，得到 逆变桥2各开关管的控制信号。

然而，在图1所示的结构中，将公用电网4作为电压源进行处理， 并没有考虑工程实际中公用电网内阻抗Z_g的影响。因此，对于电网 末端的偏远地区等电网内阻抗较大的弱电网情况，采用图1所示结构 中的控制器5和前馈控制模块6并不能有效抑制弱电网下电网电压对 并网电流波形质量的影响，甚至会导致并网逆变器无法稳定工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种弱电网下三相LCL型并网逆变器电流 谐波抑制控制方法。该控制方法考虑公用电网内阻抗Z_g的影响，解 决了弱电网情况下，电网内阻抗Z_g引起的三相LCL型并网逆变器不 稳定问题；在保证弱电网情况下并网逆变器稳定工作的同时，可以有 效抑制电网电压对并网电流波形质量的影响。

本发明提供的一种弱电网下三相LCL型并网逆变器电流谐波抑 制控制方法，该方法包括下述步骤：

1)利用电容电流的电流传感器H_i1检测电容电流i_Cx，采集并进 行坐标变换得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}；利用滤波电感的电流传感 器H_i2检测并网电流i_L2x，采集并进行坐标变换，得到并网电流反馈 信号i_{L2_of_m}；其中，下标x表示a,b,c三相，m表示αβ坐标系中 的α轴、β轴分量；

2)利用电网电压的电压传感器H_v2检测公共并网点电压v_pccx， 采集并进行坐标变换得到公共并网点电压采样信号v_{pcc_of_m}，将 v_{pcc_of_m}送入电网电压前置滤波模块G_{pcc_pf}计算得到v_{pcc_f_m}；

3)将v_{pcc_f_m}送入电网电压前馈函数G_{pcc_fd}计算得到电网电压前 馈信号v_{pcc_fd_m}；

4)根据电流反馈信号i_{L2_of_m}及其基准信号i_{ref_m}，利用式I计算 得误差信号e_1m：

e_1m＝i_{ref_m}-i_{L2_of_m}            (1)

5)控制器对误差信号e_1m进行闭环处理，得到电容电流反馈信 号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}；利用式II计算误差信号e_2m；

e_2m＝i_{C_ref_m}+v_{pcc_fd_m}-i_{C_of_m}       (2)

6)利用误差信号e_2m，生成得到控制逆变桥开关管的PWM控制 信号；

7)控制器判断是否接收到故障信号；如果是，关机，否则，转 入步骤1)。

本发明提供的控制方法通过将电网电压的采样信息送入电网电 压前置滤波模块进行计算，并将得到的计算结果按一定的函数关系前 馈至控制器中，可以有效解决弱电网情况下，电网内阻抗Z_g引起的 并网逆变器不稳定问题，抑制电网电压对并网电流波形质量的影响。 总之，该控制方法可以提高并网逆变器接入弱电网情况下的稳定性， 提高入网功率因数，保证并网电流波形质量好，在三相电网电压不平 衡时仍可实现逆变器向电网注入平衡的电流。

附图说明

图1是现有典型三相LCL型并网逆变器的结构示意图；

图2是本发明提供的控制方法的一种具体实施方式的流程图，图 中x＝a，b，c，m＝α，β；

图3是采用图2所示控制方法的三相LCL型并网逆变器的结构 示意图；

图4是图3所示的三相LCL型并网逆变器的方框图，图中，m＝α， β；

图5是图4所示的电网电压前置滤波器7中的G_{pcc_pf}的结构实 现示意图，其中，R₁,R₂和R_n分别为电网电压各次谐波分量的对应 谐振单元，K_{f_1},K_{f_2}和K_{f_n}分别为电网电压各次谐波分量的比例系 数。

图6是图4所示的三相LCL型并网逆变器的结构实现示意图；

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明所提供的控制方法包括下述步骤：

1)利用电容电流的电流传感器H_i1检测电容电流i_Cx，采集并进 行坐标变换得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}；利用滤波电感的电流传感 器H_i2检测并网电流i_L2x，采集并进行坐标变换，得到并网电流反馈 信号i_{L2_of_m}；其中，下标x表示a,b,c三相，m表示αβ坐标系中 的α轴、β轴分量；

2)利用电网电压的电压传感器H_v2检测PCC点电压v_pccx，采集 并进行坐标变换得到公共并网点电压采样信号v_{pcc_of_m}，将v_{pcc_of_m}送入电网电压前置滤波模块G_{pcc_pf}计算得到v_{pcc_f_m}；

3)将v_{pcc_f_m}送入电网电压前馈函数G_{pcc_fd}计算得到电网电压前 馈信号v_{pcc_fd_m}；

4)根据电流反馈信号i_{L2_of_m}及其基准信号i_{ref_m}，利用式I计算 得误差信号e_1m：

e_1m＝i_{ref_m}-i_{L2_of_m}              (1)

5)控制器对误差信号e_1m进行闭环处理，得到电容电流反馈信 号i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}；利用式II计算误差信号e_2m；

e_2m＝i_{C_ref_m}+v_{pcc_fd_m}-i_{C_of_m}    (2)

6)利用误差信号e_2m，生成得到控制逆变桥开关管的PWM控 制信号；

7)控制器判断是否接收到故障信号；如果是，关机，否则，转 入步骤1)。

如图3所示，上述控制方法通过在控制器5中增加电网电压前置 滤波模块7来实现。控制器5、前馈控制模块6和电网电压前置滤波 模块7是由微处理器实现的，微处理器可以采用DSP或者ARM等数 字信号处理芯片。

微处理器采集电压传感器H_v2输出的电压信号和电流传感器H_i1和H_i2输出的电流信号，经过微处理器内的相关程序运算后产生控制 逆变桥2的六只开关管的PWM信号。

图4是图3所示的三相LCL型并网逆变器的方框图。其中，G_i为误差调节器，通常采用比例-积分调节器。G_inv为逆变桥2的增益， v_{inv_m}为逆变桥2输出电压。k₁,k₂和k₃分别为电容电流i_Cm、并网电 流i_L2m和电网电压v_gpcc的采样系数，其大小取决于A/D采样芯片， 根据采样系数k₁、k₂和k₃分别得到电容电流反馈信号i_{C_of_m}、并网 电流反馈信号i_{L2_of_m}和PCC点电网电压采样信号v_{pcc_of_m}。Z_L1,Z_C和Z_L2分别为滤波电感L₁，滤波电容C和滤波电感L₂的阻抗。G_{pcc_pf}为电网电压前置滤波函数，G_{pcc_fd}为电网电压前馈函数，v_{pcc_fd_m}为 采集计算得到的电网电压前馈信号。

i_{ref_m}为并网电流反馈信号i_{L2_of_m}的基准信号，e_1m为根据式I 得到的误差信号。e_1m经误差调节器G_i后得到电容电流反馈信号 i_{C_of_m}的基准信号i_{C_ref_m}，基准信号i_{C_ref_m}，电容电流反馈信号i_{C_of_m}和电网电压前馈信号v_{pcc_fd_m}经式II得到误差信号e_2m，利用误差信 号e_2m，可以生成控制逆变桥2开关管的PWM控制信号，即得到逆 变桥2输出电压v_{inv_m}。v_{inv_m}经LCL滤波器3后得到并网电流i_L2m。

如图5所示，具体实现图4中的电网电压前置滤波模块时，首先 对送入该前置滤波模块的PCC点电压采样信号v_{pcc_of_m}进行各次分 量的提取，得到v_{p1_m}、v_{p1_m}和v_{pn_m}等。将提取得到的各次分量v_{p1_m}、 v_{p1_m}和v_{pn_m}等分别乘以系数K_{f_1}、K_{f_2}和K_{f_n}，得到经过前置滤波 后的各次分量v_{p1_f_m}、v_{p1_f_m}和v_{pn_f_m}等。将v_{p1_f_m}、v_{p1_f_m}和v_{pn_f_m}等加起来，得到电网电压前置滤波模块的最终输出信号v_{pcc_f_m}。

如图6所示，具体实现图4所示的方框时，增加一个锁相环控制 器8，其作用是保证并网电流i_L2m与电网电压v_pccm同相位，它们的 相位角为θ_m。根据相位角θ_m，微控制器里的正弦表以及并网电流指 令的有效值得到并网电流i_L2m的基准信号i_{ref_m}。