一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法与流程

1.本发明属于并网电流波形控制技术领域，具体涉及一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法。


背景技术：

2.近年来，可再生能源的高效利用和分配为微电网的长足发展提供了坚实可靠的发力点。而在微电网系统中，电力电子技术是实现电能交换和交互的重要媒介，其可靠运行是微电网系统安全运行的重要保障之一。在直流微电网系统中，并网接口电路作为公共电网与微电网之间的电能交互桥梁，对公共直流母线电压的稳定性及并网的电能质量有着至关重要的作用。
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.为了降低成本，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。一般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。本发明旨在通过对电流反馈通道实施数字补偿，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分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法，解决了现有技术中并网逆变器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。
6.本发明所采用的技术方案是，
7.一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法，步骤包括：
8.步骤1.根据并网接口电路主电路结构，建立并网接口电路的数学模型；
9.步骤2，确定电流的非线性范围(
‑
i
x
，i
x
)以及给定电流i
ref
利用角度切换公式确定电流周期内的相角切换点；
10.步骤3：根据逆变器系统的三相电流波形，在其处于非线性范围内时减小前向通道中控制器参数，并对给定电流的幅值和相位进行补偿，进而增加控制器的惯性特征；
11.步骤4：根据相角切换点对非线性范围的电流补偿后使其在切换点平滑切换，最终使得电流过零点时反馈通道的电流畸变问题得到改善。
12.本发明的特点还在于，
13.步骤1中并网接口电路主电路结构包括三相全桥逆变器、直流母线电压u
dc
、电网电压e以及滤波电感构成并网逆变器，直流母线电容c
dc
正负极分别接入由igbt开关管组成的三相逆变桥；
14.并网接口电路的数学模型为：
[0015][0016]
其中i
d
、i
q
分别表示两相旋转d和q坐标系下的电感电流，u
d
、u
q
分别表示两相旋转d和q坐标系下的逆变器桥口输出电压，e
d
、e
q
分别表示两相旋转d和q坐标系下的电网电压，w表示电网旋转角频率。
[0017]
步骤2切换角的切换和计算方式为：根据电流给定值i
ref
和电流周期内切换点对应的电流幅值i
x
对逆变器系统三相负载电流各相切换点相角进行如下计算：
[0018][0019]
θ
an
表示一个周期内的a相的电流切换角，n＝1，2，3，4，一个周期内a相的电流切换角有四个，当a＝1且n＝1时，k
x
＝0，当a＝1且n＝2时，k
x
＝1，当a＝
‑
1且n＝3时，k
x
＝1，当a＝
‑
1且n＝4时，k
x
＝2；θ
bn
表示一个周期内的b相的电流切换角，n＝1，2，3，4，一个周期内b相的电流切换角有四个，当b＝1且n＝2时，k
x
＝0，当b＝1且n＝4时，k
x
＝1，当b＝
‑
1且n＝1时，k
x
＝1，当b＝
‑
1且n＝3时，k
x
＝2；θ
cn
表示一个周期内的c相的电流切换角，n＝1，2，3，4，一个周期内c相的电流切换角有四个，当c＝1且n＝2时，k
x
＝1，当c＝1且n＝4时，k
x
＝2，当c＝
‑
1且n＝1时，k
x
＝1，当c＝
‑
1且n＝3时，k
x
＝2。
[0020]
控制器参数变换主要遵循：线性区域执行比例系数值k k0，非线性区域执行比例系数值k0，主要过程为：
[0021]
以为一个周期，从θ
a1
到过程中比例系数a由k0逐渐逼近k k0，从到θ
c1
比例系
数a又从k k0无限逼近k0，θ
c1
到θ
c2
为非线性区域，此区间电流比例系数a保持为k0不变，从θ
c2
到θ
b1
区间比例系数a同样也是由k0逼近k k0，又从k k0逐渐接近k0，而后循环此过程。由此可见，控制器比例系数a可以分为两个：
①
a由k0逐渐逼近k k0，此过程称为a的上升沿a1；
②
a从k k0无限逼近k0，此过程称为a的下降沿a2。其中a1、a2的表达式分别如式(5)、(6)所示，其中θ
a1
表示逆变器系统离开非线性的点，θ
c1
表示c相进入非线性区的起点，k1的取值范围为(0，5)，a为控制器计算公式的比例系数，e表示自然底数。
[0022][0023][0024]
其中a1为上升沿比例系数，a2为下降沿比例系数；
[0025]
步骤3中，幅值和相位的补偿方法为为了达到线性区域和非线性区域的平滑切换，在非线性区域应该对电流幅值进行补偿，在非线性区域时，通过给定与线性区同样大小的电流幅值来抑制控制器比例参数降低而导致的稳态误差，使逆变器系统在线性和非线性区间内均可达到控制要求。根据逆变器系统被控对象的特征，由于被控对象中包含积分环节，会使逆变器系统输出存在着90
°
的相位滞后，因此在非线性区对逆变器系统进行补偿时，需要将给定电流的相位超前90
°
，实现非线性区域内电流的超前补偿。
[0026]
本发明的有益效果是
[0027]
本发明在采用分流电阻采样作为电流检测的基础上，在三相电流处于非线性范围内时，对给定电流幅值和相位进行补偿，从而降低反馈通道电流非线性因素对前向通道控制器的影响。其本质是减小分流电阻采样通道中由于电阻电压检测的非线性因素对控制逆变器系统前向通道的影响。
附图说明
[0028]
图1是本发明一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法的流程图；
[0029]
图2是本发明一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法中并网逆变器主电路结构图；
[0030]
图3是本发明一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法中dq旋转坐标系并网逆变器控制框图；
[0031]
图4是本发明一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法中三相交流电流角度切换计算示意图；
[0032]
图5是本发明一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法中前向通道控制器比例系数的变化示意图；
[0033]
图6是本发明一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法中并网逆变器系统控制框图；
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0035]
一种分流器采样电流条件下并网逆变器反馈电流补偿方法，如图1，步骤具体包括：
[0036]
步骤1.根据并网接口电路主电路结构，建立并网接口电路的数学模型；
[0037]
步骤2，确定电流的非线性范围(
‑
i
x
，i
x
)以及给定电流i
ref
利用角度切换公式确定电流周期内的相角切换点；
[0038]
步骤3：根据逆变器系统的三相电流波形，在其处于非线性范围内时减小前向通道中控制器参数，并对给定电流的幅值和相位进行补偿，进而增加控制器的惯性特征；
[0039]
步骤4：通过相角切换公式得到的单个周期内的12个切换点，对非线性范围的电流补偿后使其在切换点平滑切换，最终使得电流过零点时反馈通道的电流畸变问题得到改善。
[0040]
步骤1具体为，
[0041]
主电路部分如图2所示拓扑，其中包括三相全桥逆变器、直流母线电压u
dc
、电网电压e以及滤波电感构成并网逆变器，直流母线电容c
dc
正负极分别接入由igbt开关管组成的三相逆变桥。在三相三线制条件下，逆变器系统只有两个自由度，因此，可以可在两相静止坐标系下分析与设计系统。将三相静止坐标系(abc)下的电压方程(1)转换为两相静止坐标系(αβ)下可以得到式(2)：
[0042][0043][0044]
式(1)中，e
a
、e
b
、e
c
为三相电网电压、l为滤波电感、u
a
、u
b
、u
c
为逆变器输出的三相桥口电压，i
a
、i
b
、i
c
分别表示三相并网逆变器系统的三相负载电流，t表示时间。
[0045]
根据(2)式可知，在两相垂直坐标系下仍然含有交流分量，为进一步简化控制逆变器系统的设计，可进一步将两相静止坐标系映射至两相旋转坐标系(dq)。其中i
α
、i
β
分别表示两相静止α和β坐标系下的电感电流，u
α
、u
β
分别表示两相静止α和β坐标系下的逆变器桥口输出电压，e
α
、e
β
分别表示两相静止α和β坐标系下的电网电压。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。
[0046]
式(3)中i
d
、i
q
分别表示两相旋转d和q坐标系下的电感电流，u
d
、u
q
分别表示两相旋转d和q坐标系下的逆变器桥口输出电压，e
d
、e
q
分别表示两相旋转d和q坐标系下的电网电压，w表示电网旋转角频率。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3所示。
[0047][0048]
因为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，所以本发明在电流处于非线性范围内时，通过对给定电流幅值和相位的补偿，提升控制系统在电流检测畸变处附近的惯性，进而减小反馈通道非线性因素对控制系统稳态特征影响。
[0049]
前向通道作为系统信号流前级的部分，包含信号的感知、放大、调理以及条理变换等多个内容。而控制系统的稳定依靠着多种影响因素，抗干扰性能就是衡量系统稳定的首要指标。前向通道作为计算机控制的信号采集转化通道，受到外部干扰的可能性最大，而一般当信号的反馈通道存在问题时，传感器就会将偏差信号输入系统，导致控制器出现误差，因此前向通道的抗干扰设计是前向通道设计最主要的重要环节。
[0050]
步骤2具体为：
[0051]
图4所示的是三相电感电流相角切换示意图，根据电流给定值i
ref
和电流周期内切换点对应的电流幅值i
x
对逆变器系统三相负载电流各相切换点相角进行如下计算：
[0052][0053]
θ
an
表示一个周期内的a相的电流切换角，n＝1，2，3，4，一个周期内a相的电流切换角有四个，当a＝1且n＝1时，k
x
＝0，当a＝1且n＝2时，k
x
＝1，当a＝
‑
1且n＝3时，k
x
＝1，当a＝
‑
1且n＝4时，k
x
＝2；θ
bn
表示一个周期内的b相的电流切换角，n＝1，2，3，4，一个周期内b相的电流切换角有四个，当b＝1且n＝2时，k
x
＝0，当b＝1且n＝4时，k
x
＝1，当b＝
‑
1且n＝1时，k
x
＝1，当b＝
‑
1且n＝3时，k
x
＝2；θ
cn
表示一个周期内的c相的电流切换角，n＝1，2，3，4，一个周期内c相的电流切换角有四个，当c＝1且n＝2时，k
x
＝1，当c＝1且n＝4时，k
x
＝2，当c＝
‑
1且n＝1时，k
x
＝1，当c＝
‑
1且n＝3时，k
x
＝2；
[0054]
步骤3具体为：
[0055]
控制器参数变换主要遵循：线性区域执行比例系数值k k0，非线性区域执行比例系数值k0。而两个区域比例系数转换遵循图4中控制器比例系数a的周期变换示意图，主要过程为：
[0056]
如图5为是控制器比例系数a的周期变换示意图，以为一个周期，从θ
a1
到过程中比例系数a由k0逐渐逼近k k0，从到θ
c1
比例系数a又从k k0无限逼近k0，θ
c1
到θ
c2
为非线性区域，此区间电流比例系数a保持为k0不变，从θ
c2
到θ
b1
区间比例系数a同样也是由k0逼近k
k0，又从k k0逐渐接近k0，后面重复循环此过程。由此可见，控制器比例系数a可以分为两个：
①
a由k0逐渐逼近k k0，此过程称为a的上升沿a1；
②
a从k k0无限逼近k0，此过程称为a的下降沿a2。其中a1、a2的表达式分别如式(5)、(6)所示，其中θ
a1
表示离开非线性的点，θ
c1
表示c相进入非线性区的起点，k1的取值范围为(0，5)，a为控制器计算公式的比例系数，e表示自然底数。
[0057][0058][0059]
其中a1为上升沿比例系数，a2为下降沿比例系数；
[0060]
幅值、相位补偿：根据上述描述，为了达到线性区域和非线性区域的平滑切换，在非线性区域应该对电流幅值进行补偿，在非线性区域时，通过给定与线性区同样大小的电流幅值来抑制控制器比例参数降低而导致的稳态误差，使逆变器系统在线性和非线性区间内均可达到控制要求。根据逆变器系统被控对象的特征，由于被控对象中包含积分环节，会使逆变器系统输出存在着90
°
的相位滞后，因此在非线性区对逆变器系统进行补偿时，需要将给定电流的相位超前90
°
，实现非线性区域内电流的超前补偿。
[0061]
图6是并网逆变器系统控制框图，其中被控对象为反馈通道存在的一阶惯性环节可将其等效为g
l
(s)。由于目前大部分数字控制中通常会存在延迟环节，其延迟包括pwm传递延迟g
pwm
(s)和采样计算延迟两部分；当逆变器系统公共耦合点电压v
pcc
引入电流控制环路后，会对逆变器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
前馈抑制电网电压扰动，其中k
g
为前馈系数；用n表示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，f(s)表示在弱化控制器对逆变器系统的作用的同时对逆变器系统给定电流幅值和相位的补偿，f(s)通道的传递函数为g
c
(s)为不考虑电网电压前馈时逆变器系统的传递函数，其可表示为
[0062][0063][0064]
电流波形处于线性区域时，f(s)＝0；而电流波形处于非线性区域时，比例控制器g
c
(s)＝k0，较小的比例参数减小了g
c
(s)通道对逆变器系统的控制占比，降低了非线性因素对逆变器系统输出特性的影响，同时引入f(s)来对逆变器系统进行补偿，因为逆变器系统的被控对象存在积分环节即存在90
°
的相位滞后，因此补偿环节f(s)电流幅值应该等于控制器的给定，且超前90
°
来补偿其滞后。