一种改善并网逆变器电流质量的控制器切换方法与流程

1.本发明属于并网电流波形控制技术领域，涉及一种改善并网逆变器电流质量的控制器切换方法。


背景技术：

2.随着工业化进程的加快，能源问题首当其冲成为国民关注的聚焦点。在新型的能源结构中，清洁能源的发电技术将成为电力行业发展的主流趋势，而分布式发电技术的研究对清洁能源技术的发展具有重要推动作用。并网逆变器作为分布式电源并网发电的接口电路，对提高电能质量以及并网效率起着重要作用，因此需要对并网逆变器系统输出电流进行控制并优化以达到并网的要求。
3.目前，对并网电流的优化主要有两个方面：一是电流控制算法的优化；为了使并网电流总谐波畸变率满足并网要求，实现稳定并网，通常选用电流控制来保证入网电流的电能质量。无论电流源还是电压源变换器，通常采用电感电流反馈控制来实现变换器的电流控制，因为电流内环控制增益决定着多环控制系统的允许带宽。二是电流采样的优化设计。电流检测作为并网逆变器控制系统中的重要环节，提高电流采样的精确性是系统稳定运行的坚实基础。精准的电流采样可以降低系统在运行过程中出现过流与短路等问题的概率，保证控制器能够发出准确控制信号，快速地获取相关的故障信息并实现对系统的故障保护。在系统的控制过程中，若电流采样通道存在偏差，其会导致系统的控制信号出现一定的误差，致使并网电流的控制不尽人意，所以在并网逆变器的整个系统设计中，关键在于电流采样的准确性。
4.为降低成本提高系统的性价比，系统通常会对采样电路进行优化设计以降低体积和成本，而三相电流采样作为系统控制必不可少的条件，其采样电路在整个系统成本中所占比例不容忽视。常见的电流采样电路有三种：
①
采用霍尔电流传感器。霍尔电流传感器的模块化越来越成熟，但存在两个电流传感器不匹配带来的增益以及体积过大的问题；
②
采用电流互感器。电流互感器可以直接对电压相对较高的电路进行测量，实现有效隔离，但存在直流分量检测误差问题；
③
采用分流电阻采样。分流电阻采样检测具有成本低，简便化的优势，但其采样时，会出现非线性问题，采样的精度有待提高。本发明旨在通过对并网变流器系统加入控制器切换的改进措施，减小分流电阻采样造成的非线性问题，从而提升并网电流波形控制效果、提升并网电能质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种改善并网逆变器电流质量的控制器切换方法，解决了现有技术中存在的并网逆变器中因分流电阻采样导致的反馈通道电流过零点非线性畸变造成的并网电流控制质量下降的问题。
6.本发明所采用的技术方案是，一种改善并网逆变器电流质量的控制器切换方法，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1：根据并网逆变器主电路结构，建立并网接口电路的数学模型并分析系统特性；
8.步骤2：根据系统特性选取pi参数和vsg控制参数，并对其控制下的系统稳定性进行分析，确保系统能够稳定并网且具有足够的稳定裕度；
9.步骤3：根据系统的非线性范围，依据角度切换公式计算三相电流的切换角，并对此时系统的旋转坐标系下的i
d
和i
q
分量进行提取，作为vsg控制的电流反馈量；
10.步骤4：对pi控制以及vsg复合控制策略进行程序编写，实现并网电流的自动循环及平滑切换，消除电流过零点时反馈通道的电流畸变。
11.本发明的特点还在于：
12.步骤1中主电路结构包括直流母线电压u
dc
、电网电压e以及滤波器构成的并网逆变器。
13.滤波器包括直流母线电容c
dc
，直流母线电容c
dc
的正负极分别接入igbt的三路开关管，其中igbt开关管均为封装反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件。
14.步骤3具体为，选用电流型vsg控制策略，其中系统对应的有功功率p
e
和无功功率q的表达式如式4所示：
[0015][0016]
式中，w为实际角频率，w0为基波角频率，j为转动惯量，d为阻尼系数，d
p
、d
q
分别为p
‑
f控制、q
‑
u控制的下垂系数，v
d
为d轴分量的电压，s是微分算子，k为无功功率环的惯性系数，p
ref
、q
ref
是系统给定的有功功率和无功功率，u
n
是系统的额定电压，按照瞬时理论公式，系统的输出功率p
e
和q的表达式如式5所示：
[0017][0018]
在dq坐标系下，因为采用单位功率因数控制，所以设v
q
＝0，则可将(5)式化简为式6，基于此得到电流型vsg的控制框图；
[0019][0020]
步骤3中，在任意一相电流周期内，根据电流给定值i
ref
和切换点对应的电流幅值i
x
对系统切换角度进行计算，其计算公式如式7：
[0021]
[0022]
本发明的有益效果是：本发明一种改善并网逆变器电流质量的控制器切换方法，将传统的比例积分(pi)控制与虚拟同步发电机(vsg)控制相结合，解决了现有并网逆变器中因分流电阻采样导致的反馈通道电流过零点非线性畸变造成的并网电流控制质量下降问题。
附图说明
[0023]
图1是本发明一种改善并网逆变器电流质量的控制器切换方法流程图；
[0024]
图2是本发明并网逆变器主电路结构图；
[0025]
图3是dq旋转坐标系并网逆变器控制框图；
[0026]
图4是并网逆变器的vsg控制框图；
[0027]
图5是三相交流电流角度切换计算示意图；
[0028]
图6是并网逆变器复合控制结构框图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0030]
本发明一种改善并网逆变器电流质量的控制器切换方法，在采用分流电阻采样作为电流检测的基础上，依据电流非线性范围与三相电流的交点(即图4中所示a1
‑
a4、b1
‑
b4、c1
‑
c4各点)来计算切换角度，当系统受采样非线性影响较大情况下采用具有较大控制惯性的vsg控制器，而在线性范围内考虑到系统的动态响应需求采用pi控制器进行控制，这就需要对vsg与pi控制进行切换，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
[0031]
步骤1：根据并网逆变器主电路结构，建立并网接口电路的数学模型并分析系统特性；
[0032]
步骤2：根据系统特性选取pi参数和vsg控制参数，并对其控制下的系统稳定性进行分析，确保系统能够稳定并网且具有足够的稳定裕度；
[0033]
步骤3：根据系统的非线性范围，依据角度切换公式计算三相电流的切换角，并对此时系统的旋转坐标系下的i
d
和i
q
分量进行提取，作为vsg控制的电流反馈量；
[0034]
步骤4：根据上述步骤，对pi控制以及vsg复合控制策略进行程序编写，实现并网电流的自动循环及平滑切换，消除电流过零点时反馈通道的电流畸变问题，优化电流采样通道，进而提高并网效率和电能质量，验证算法的可行性；
[0035]
主电路部分如图1所示拓扑，其中包括直流母线电压u
dc
、电网电压e以及滤波器构成并网逆变器。直流母线电容c
dc
正负极分别接入igbt的三路开关管，其中igbt开关管均为封装反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件。在三相平衡情况下，系统只有两个自由度，因此控制过程可以将三相系统转化为两相系统。将三相静止坐标系下的系统电压方程(1)转换为两相静止坐标系下可以得到式(2)：
[0036][0037][0038]
根据(2)式可知，在两相垂直坐标系下系统中仍然含有交流分量，为了实现对系统的无静差控制，需要将αβ坐标系下的交流量转换为dq坐标系下的直流量，如式(3)所示。由此可以得到三相并网逆变器在两相旋转坐标系下的控制框图，如图2所示。
[0039][0040]
因现有并网逆变器中存在因分流电阻采样导致的反馈通道电流过零点畸变的非线性问题，本发明将传统比例积分控制(pi)与虚拟同步发电机(vsg)控制相结合。vsg控制是通过控制变换器来模拟同步发电机的模型与有功调频和无功调压特性，来获得与传统同步发电机相似的运行机理及系统输出外特性。根据vsg在控制过程中具有的转动惯量和阻尼系数特性，使其控制具有相应的惯性特征。本发明就是在非线性范围内利用vsg控制惯性抑制分流电阻采样非线性对系统的影响。在此选用电流型vsg控制策略，其中系统对应的有功功率p
e
和无功功率q的表达式如式(4)所示。
[0041][0042]
式中，w为实际角频率，w0为基波角频率，j为转动惯量，d为阻尼系数。d
p
、d
q
分别为p
‑
f控制、q
‑
u控制的下垂系数。v
d
为d轴分量的电压，s是微分算子，k为无功功率环的惯性系数，p
ref
、q
ref
是系统给定的有功功率和无功功率，u
n
是系统的额定电压。按照瞬时理论公式，系统的输出功率p
e
和q的表达式如式(5)所示。
[0043][0044]
在dq坐标系下，因为采用单位功率因数控制，所以设v
q
＝0，则可将(5)式化简为式(6)，基于此得到电流型vsg的控制框图如图3所示。
[0045][0046]
由于电阻采样的固有特性，会导致电流采样存在非线性特征，电流采样的非线性
会导致反馈环节存在非线性因素，系统在过零点附近的斜率变化较大，从而引入系统前向通道，使系统的特性变差。当采用pi vsg复合控制方法时，在系统非线性区间内切换为vsg控制，而区间之外采用pi控制，通过切换角逐个切换，可以消除系统的非线性，此时系统过零点处的斜率变化大幅降低。说明复合控制可以很好的消除系统的非线性，改善系统的输出波形。
[0047]
其中，图4所示的是三相电感电流的波形图，其中a1‑
a4代表a相的切换点，b1‑
b4代表b相的切换点，c1‑
c4代表c相的切换点。在任意一相电流周期内，根据电流给定值i
ref
和切换点对应的电流幅值i
x
对系统切换角度进行计算，其计算公式如式(7)：
[0048][0049]
由此式(7)可以推算出在一个电流周期内控制器切换12次，根据切换角度将电流划分为线性区和非线性区，系统由线性区进入非线性区时，提取切换点处的i
d
和i
q
值，作为vsg电流内环的反馈，并在整个非线性范围内均以此i
d
和i
q
值运行，使系统可以利用vsg控制的惯性以及线性范围内的i
d
和i
q
值来消除系统的非线性因素。即如图4所示，c相输出电流经过切换点c1时，表示系统由线性区进入非线性区，提取c1点的i
d
和i
q
，作为c1到c2区间内的vsg电流内环反馈量，从而抑制采样非线性对系统的影响。
[0050]
图5是并网逆变器复合控制结构框图，其中被控对象为因为反馈通道存在着一阶惯性环节，可将其等效为g
l
(s)。数字控制延迟包括pwm传递延迟g
pwm
(s)和采样计算延迟g
d
(s)两部分，一般认为采样计算延迟为一个采样周期；当公共耦合点电压v
pcc
引入电流控制环路后，会对系统的输出电流造成影响，为了抑制电网扰动对逆变器输出电流的负面作用，可增加v
pcc
前馈对电网电压扰动进行抑制，其中k
g
为前馈系数。