專利名稱:一種并網(wǎng)發(fā)電逆變器及其輸出電流的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，特別是涉及到單相并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流控制方法。
背景技術：
隨著新能源的迅速發(fā)展，并網(wǎng)逆變器得到了廣泛的應用。例如太陽光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，它作為一種可再生分散供電電源在城市中緩解能源供應緊張發(fā)揮了重要的作用。作為分散供電電源，并網(wǎng)逆變器的最重要的性能指標就是輸出電能質(zhì)量，即要求并網(wǎng)逆變器的輸出諧波含量小，功率因數(shù)為1。傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制算法傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制是將電流誤差PI調(diào)節(jié)后作為調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生PWM波。它的缺點在于與實際電流在理論上必須存在偏差，完全依靠電流誤差產(chǎn)生PWM波。不能滿足并網(wǎng)逆變器輸出電流的相位和波形的精確控制。它的局限性表現(xiàn)為(1)功率因數(shù)不為1，對電網(wǎng)造成污染。
(2)并網(wǎng)電流諧波大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種新型的并網(wǎng)逆變器及其輸出并網(wǎng)電流控制方法。通過該控制方法達到對逆變器的控制，使其保持輸出功率因數(shù)為1，并網(wǎng)電流諧波小。通過該控制方法可簡單有效地使單相并網(wǎng)逆變器提高輸出電能質(zhì)量。
本發(fā)明并網(wǎng)逆變器由直流電源、單相逆變橋、交流濾波電感及電流閉環(huán)控制電路構(gòu)成，其中電流閉環(huán)控制電路包括交流電流采樣電路、交流電壓采樣電路、交流電壓過零檢測電路、直流電壓采樣電路、DSP及驅(qū)動器。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制逆變器的基礎上，引入了電網(wǎng)電壓前饋，消除了電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)逆變器輸出電流的影響。通過電流超前的電流閉環(huán)控制，消除輸出交流電流跟蹤控制中的穩(wěn)態(tài)誤差。在固定開關頻率控制的基礎上，加入了交流側(cè)網(wǎng)壓UN的計算。即電流誤差信號Δi經(jīng)過比例系數(shù)為KP的比例調(diào)節(jié)后與交流側(cè)網(wǎng)壓UN相加，得到的值再與三角載波進行比較。其中Δi×KP在物理意義上相當于逆變器輸出側(cè)電感上產(chǎn)生的電壓。Δi×KP與交流側(cè)網(wǎng)壓UN之和其物理意義上相當于逆變器輸出脈沖電壓。
由并網(wǎng)逆變器輸出矢量逆變器輸出電壓US、電感壓降UL以及電網(wǎng)電壓UN組成的矢量三角形關系得到
US(t)＝UN(t)+UL(t)UN(t)＝UN maxsinωtUs(t)＝US maxsin(ωt+θ)UL(t)=ULmaxsin(ωt+π2)=ωLINmaxsin(ωt+π2)]]>(1)假設輸入電流能在一個開關周期內(nèi)跟蹤電流指令iN*，即在一個控制周期結(jié)束時有UL(t)=LTc[iN*(t)-iN(t)]---(2)]]>TC為開關周期ie(t)=iN*(t)-iN(t)]]>=TcLUL(t)=ωLINmaxKPsin(wt+π2)---(3)]]>=Iemaxsin(ωt+π2)]]>因為輸出電流與網(wǎng)壓同相位，iN(t)＝IN maxsinωt (4) 其中，為電流指令超前的角度。
式(5)說明即使在理想跟蹤條件下，電流跟蹤誤差Δi也是存在的，它是構(gòu)成上述矢量三角形所必須的一部分，換句話說，實際電流永遠不可能完全跟蹤。因此，如果要得到與網(wǎng)壓同相位的輸入電流，就必須采用超前網(wǎng)壓相位一個角度的電流指令。
從公式(3)可知，Iemax=ωLINmaxKP,]]>所以 在基于改進周期平均模型的控制方式中有KP=LTc,]]>于是可得
令2πffc=θc,]]>θc在這里表示的物理意義為相鄰兩個采樣點之間的角度差。當較小時，有如下關系tan≈，于是可以推出，在開關頻率足夠高的情況下有，即指令電流超前實際電流一個采樣周期。事實上，從矢量三角形上可以看出，在理論上超前角度可以取(0～90°)內(nèi)的任意值。但是在實際應用中的選取要受到開關頻率θc的限制，即只能取θc的整數(shù)倍，選擇不同的將對應不同的KP值。
圖1為本發(fā)明并網(wǎng)逆變器具體實施方式
結(jié)構(gòu)框圖；圖2為逆變器輸出電量矢量圖；圖3為本發(fā)明的電流跟蹤算法的流程圖；圖4為逆變器輸出電流矢量關系圖；圖5為本發(fā)明并網(wǎng)逆變器電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方案本發(fā)明中控制算法所應用于的光伏并網(wǎng)逆變器的具體操作方法為在傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制算法的基礎上加入了電網(wǎng)電壓作為前饋控制。同時通過電流超前控制，實現(xiàn)功率因數(shù)為1。
圖1為本發(fā)明并網(wǎng)逆變器具體實施方式
的結(jié)構(gòu)框圖。其中，并網(wǎng)逆變器1是由直流電源10、單相逆變橋11、交流濾波電感12及電流閉環(huán)控制電路14構(gòu)成。單相逆變橋11由電流閉環(huán)控制電路14控制其功率管的開通與關斷，從而將直流側(cè)的電能轉(zhuǎn)換成交流電能輸送給配電系統(tǒng)13。為實現(xiàn)逆變器輸出的電流iN與配電系統(tǒng)13電壓uN相位一致，即逆變器輸出功率因數(shù)為1，則逆變橋11的輸出電壓US、電感12壓降UL以及配電系統(tǒng)13電壓UN組成的矢量三角形如圖2所示，為直角三角形。
圖3為本發(fā)明電流跟蹤算法的流程圖。其具體控制步驟為(1)檢測配電系統(tǒng)電壓的相位零點產(chǎn)生同步信號，通過DSP的捕獲功能捕獲同步信號；(2)以同步信號作為基準，即將配電電網(wǎng)電壓的相位表示為單位正弦信號sinωt，將其經(jīng)過一個相位超前環(huán)節(jié)31得到電流相位信號sin(ωt+)。其中等于電流采樣中兩個采樣點之間的角度差；(3)將電流相位信號sin(ωt+)與幅值信號IN*相乘求得輸出電流指令iN*；(4)將輸出電流指令iN*與采樣反饋電流iN相減得到電流誤差信號；(5)將得到的電流誤差信號經(jīng)過P調(diào)節(jié)器32進行比例調(diào)節(jié)；
(6)將比例調(diào)節(jié)后的電流誤差疊加配電電網(wǎng)電壓采樣信號uN求得逆變器輸出端電壓指令uS*(7)uS*作為SPWM方式中的參考波與固定頻率的三角載波通過比較器33進行比較，生成PWM信號送給驅(qū)動器34去控制逆變橋開關器件的開通和關斷。
通過控制使反饋電流iN與給定電流指令iN*及電感電流iL構(gòu)成一矢量三角形如圖4所示。通過以上步驟的控制達到輸出電流iN與配電系統(tǒng)電壓uN同相位。
本發(fā)明采用數(shù)字信號處理器DSP作為核心控制芯片，實現(xiàn)電流跟蹤算法。圖5為本發(fā)明并網(wǎng)逆變器的電流閉環(huán)控制電路14的結(jié)構(gòu)框圖。其中核心控制芯片型號為TMS320F2407的DSP55。通過交流電壓過零檢測電路53檢測配電系統(tǒng)的電壓過零點，作為同步信號送給DSP55的捕獲口。通過交流電流采樣調(diào)理電路51采樣交流電流，經(jīng)DSP55進行A/D轉(zhuǎn)換后，作為逆變器反饋電流值。通過交流電壓采樣調(diào)理電路52采樣交流電壓，經(jīng)DSP55進行A/D轉(zhuǎn)換后，用于系統(tǒng)電網(wǎng)電壓前饋控制。通過直流電壓采樣調(diào)理電路56采樣直流電壓，經(jīng)DSP55進行A/D轉(zhuǎn)換后的值代表PWM波用三角波載波的峰值，用于計算前饋控制量。若三角波峰值為h，采樣直流電壓為Ud，采樣交流電壓為Uac，則實際前饋控制量應為h*Uac/Ud。DSP 55發(fā)出的PWM信號通過驅(qū)動芯片57962L產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，控制逆變橋的開關管的開通與關斷。
通過應用本發(fā)明中的輸出電流控制算法，使并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)電流控制中去除了電網(wǎng)對并網(wǎng)電流控制的影響，從理論和實踐實現(xiàn)了輸出功率因數(shù)為1，并網(wǎng)電流諧波減小。
權利要求
1.一種并網(wǎng)發(fā)電逆變器，其特征在于并網(wǎng)逆變器[1]由直流電源[10]、單相逆變橋[11]、交流濾波電感[12]及電流閉環(huán)控制電路[14]構(gòu)成；其中電流閉環(huán)控制電路[14]包括交流電流采樣電路[51]、交流電壓采樣電路[52]、交流電壓過零檢測電路[53]、直流電壓采樣電路[56]、DSP[55]及驅(qū)動器[54]；交流電壓過零檢測電路[53]檢測配電系統(tǒng)的電壓過零點，作為同步信號送給DSP[55]的捕獲口，交流電流采樣調(diào)理電路[51]采樣交流電流，經(jīng)DSP[55]進行A/D轉(zhuǎn)換后，作為并網(wǎng)逆變器反饋電流，交流電壓采樣調(diào)理電路[52]采樣交流電壓，經(jīng)DSP[55]進行A/D轉(zhuǎn)換后，用于系統(tǒng)電網(wǎng)電壓前饋控制；直流電壓采樣調(diào)理電路[56]采樣直流電壓，經(jīng)DSP[55]進行A/D轉(zhuǎn)換后的值代表PWM波用三角波載波的峰值，用于計算前饋控制量；DSP[55]發(fā)出的PWM信號通過驅(qū)動芯片57962L產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，控制單相逆變橋[11]的開關管的開通與關斷。
2.一種并網(wǎng)發(fā)電逆變器輸出電流的控制方法，其特征在于，采用數(shù)字信號處理器DSP作為核心控制芯片，實現(xiàn)電流跟蹤算法的各個步驟，其具體控制步驟為(1)檢測配電系統(tǒng)電壓的相位零點產(chǎn)生同步信號。通過DSP的捕獲功能捕獲同步信號；(2)以同步信號作為基準，即將配電電網(wǎng)電壓的相位表示為單位正弦信號sinωt。將其經(jīng)過一個相位超前環(huán)節(jié)31得到電流相位信號sin(ωt+)。其中等于電流采樣中兩個采樣點之間的角度差；(3)將電流相位信號sin(ωt+)與幅值信號IN*相乘求得輸出電流指令iN*；(4)將輸出電流指令iN*與采樣反饋電流iN相減得到電流誤差信號；(5)將得到的電流誤差信號經(jīng)過P調(diào)節(jié)器32進行比例調(diào)節(jié)；(6)將比例調(diào)節(jié)后的電流誤差疊加配電電網(wǎng)電壓采樣信號uN求得逆變器輸出端電壓指令uS*；(7)uS*作為SPWM方式中的參考波與固定頻率的三角載波通過比較器33進行比較，生成PWM信號送給驅(qū)動器34去控制逆變橋開關器件的開通和關斷。
專利摘要
一種并網(wǎng)逆變器，其特征在于并網(wǎng)逆變器[1]由直流電源[10]、單相逆變橋[11]、交流濾波電感[12]及電流閉環(huán)控制電路[14]構(gòu)成。并網(wǎng)逆變器輸出電流的控制方法，其特征在于，在傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制單元上，增加了電網(wǎng)電壓的前饋控制，以及逆變器輸出電流的超前控制。本發(fā)明使并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)電流控制中去除了電網(wǎng)對并網(wǎng)電流控制的影響，從理論和實踐實現(xiàn)了輸出功率因數(shù)為1，并網(wǎng)電流諧波減小。本發(fā)明的逆變器及其輸出電流的控制方法應用于單相并網(wǎng)逆變器中，可提高輸出電流的控制精度。
文檔編號H02M1/12GK1992501SQ200510130791
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月30日
發(fā)明者王環(huán), 許洪華, 武鑫 申請人:中國科學院電工研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan