本發(fā)明涉及電網(wǎng)控制領(lǐng)域,尤其是涉及一種用于Z源逆變器LCL濾波的有源阻尼控制方法。
背景技術(shù):
隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻,開發(fā)利用新能源成為必然。光伏、風(fēng)能發(fā)電作為清潔的新能源發(fā)電方式,受到了極大的關(guān)注。并網(wǎng)逆變器是新能源利用的重要部分,傳統(tǒng)逆變器統(tǒng)一橋臂上下功率管不能同時導(dǎo)通,否則會造成短路。另一方面,電壓型逆變器本身為降壓型逆變器,在輸入電壓較低或波動范圍較大時,前級需加入升壓電路,這會導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率變低。為解決此問題,彭方正教授提出了Z源逆變器。
Z源逆變器通過引入特殊的阻抗網(wǎng)絡(luò),能夠克服電壓源逆變器的不足。Z源逆變器利用同一橋臂上下功率開關(guān)的直通狀態(tài)來實現(xiàn)對輸入電壓的升壓功能,因此屬于升降壓型逆變器。同時,由于直通狀態(tài)成為逆變器的一種正常工作模式,由電磁干擾等所造成的直通狀態(tài)不會損壞逆變器,并且可避免有死區(qū)時間引起的輸出波形畸變。
三相Z源逆變器一般都采用高頻脈寬調(diào)制下的電流控制,會導(dǎo)致大量高次諧波注入電網(wǎng)之中,為保證較好的入網(wǎng)電流質(zhì)量,采用LCL濾波器進(jìn)行濾波。但其所帶來的諧振峰不可忽略,并且會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為抑制諧振峰,采用有源阻尼方案,即以電容電流為內(nèi)環(huán),以電網(wǎng)電流為外環(huán)構(gòu)成雙環(huán)控制來消減諧振峰,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于Z源逆變器LCL濾波的有源阻尼控制方法,通過引入Z源逆變器來克服傳統(tǒng)逆變器的缺陷,同時采用LCL濾波器對并網(wǎng)電流的高次諧波進(jìn)行有效濾除,為抑制諧振峰,采用有源阻尼控制。該控制方法可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,提高并網(wǎng)電流的質(zhì)量和功率因數(shù)。同時系統(tǒng)的快速性得到提升,使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種用于Z源逆變器LCL濾波的有源阻尼控制方法,用于LCL型Z源逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中,包括以下步驟:
1)采集電網(wǎng)電流以及LCL濾波器中濾波電容電流,經(jīng)雙電流環(huán)控制、SPWM控制后輸出SPWM開關(guān)驅(qū)動信號;
2)采集Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓,經(jīng)電壓環(huán)控制后輸出直通信號D0;
3)根據(jù)SPWM開關(guān)驅(qū)動信號和直通信號D0得到優(yōu)化后的開關(guān)驅(qū)動信號。
所述雙電流環(huán)控制包括電流外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制,所述步驟1)具體為:
11)電流外環(huán)控制:
采集三相電網(wǎng)電流,三相電網(wǎng)電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到αβ軸電網(wǎng)電流;
采集電網(wǎng)電壓相位角,dq軸參考電流基于電網(wǎng)電壓相位角的坐標(biāo)變換得到αβ軸參考電流;
將αβ軸參考電流與αβ軸電網(wǎng)電流求差輸入到第一PI控制器,得到αβ軸PI控制電流;
12)電流內(nèi)環(huán)控制:
采集LCL濾波器中三相濾波電容電流,三相濾波電容電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到αβ軸濾波電容電流;
將αβ軸PI控制電流與αβ軸濾波電容電流求差輸入到P控制器,得到αβ軸P控制電流;
13)SPWM控制:
αβ軸P控制電流經(jīng)坐標(biāo)變換后輸入到SPWM控制模塊,得到SPWM開關(guān)驅(qū)動信號。
所述第一PI控制器和P控制器內(nèi)的控制參數(shù)通過極點配置法得到,具體為:
a:根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得出系統(tǒng)的特征方程公式D(s),滿足以下公式:
式中,L1為LCL濾波器中逆變器側(cè)濾波電感值,L2為LCL濾波器中網(wǎng)側(cè)濾波電感值,C為LCL濾波器中濾波電容值,Ke為P控制器的比例系數(shù),Kpwm為SPWM控制模塊的逆變橋等效系數(shù),Kp為第一PI控制器的比例系數(shù),Ki為第一PI控制器的積分系數(shù),s為復(fù)變量;
b:由Butterworth低通濾波器設(shè)計系數(shù)庫得到系統(tǒng)最佳阻尼比ζ1、ζ2;
由得到的最佳阻尼比對極點進(jìn)行配置,配置原則為:所有極點均在以自然振蕩頻率ωn為半徑的圓上,得到極點s1、s2、s3、s4的表達(dá)式為:
經(jīng)過極點配置得出的系統(tǒng)的特征方程公式D(s),滿足以下公式:
D(s)=(s-s1)(s-s2)(s-s3)(s-s4) (3);
c:由公式(1)、(2)、(3)聯(lián)立得到控制參數(shù)Kp、Ki、Ke。
所述步驟2)具體為:
采集Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓uc,參考電容電壓與電壓值u′c求差后輸入第二PI控制器,得到直通信號D0,其中,u′c=uc/(1-d0),d0是指直通信號的占空比。
所述步驟3)具體為:
31)根據(jù)直通信號D0得到第一參考電壓Vp和第二參考電壓Vn,Vp=D0,Vn=-D0;
32)Vp、Vn與SPWM控制模塊中的三角載波相交,當(dāng)三角載波大于Vp或三角載波小于Vn時給相應(yīng)的直通開關(guān)信號;
33)將SPWM控制模塊輸出的SPWM開關(guān)驅(qū)動信號與步驟32)得到的直通開關(guān)信號兩者取或運算后,得到優(yōu)化后的開關(guān)驅(qū)動信號。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1、本發(fā)明通過將Z源逆變器與LCL濾波器相結(jié)合,Z源逆變器具有升降壓的功能,無需插入死區(qū)時間等優(yōu)點,采用LCL濾波器進(jìn)行濾波可以減少X型網(wǎng)絡(luò)的引入導(dǎo)致并網(wǎng)電壓電流諧波含量大的影響,提升了逆變器的輸出范圍,同時對并網(wǎng)電流高次諧波進(jìn)行了有效濾除,采用有源阻尼控制方案,即利用電網(wǎng)電流外環(huán),電容電流內(nèi)環(huán)的雙電流環(huán)來增加系統(tǒng)阻尼,消除LCL濾波器易引起諧振峰,通過合理設(shè)計控制參數(shù),使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下,具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性。
2、本發(fā)明控制方法通過電流傳感器采集兩組電流值,一組為電網(wǎng)電流,一組為濾波器電容電流。為降低控制復(fù)雜度分別將兩組電流進(jìn)行Clarke變換,變換后構(gòu)成雙電流環(huán),對其分別進(jìn)行控制,此雙環(huán)可以有效降低并網(wǎng)電流諧波、抑制諧振峰的出現(xiàn)。為避免多次調(diào)節(jié)控制參數(shù),采用極點配置的方法得出最優(yōu)的控制參數(shù)。為維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定,這是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提,利用電壓傳感器對Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓進(jìn)行采樣,與參考電壓比較后經(jīng)過調(diào)節(jié)器產(chǎn)生直通信號,電壓環(huán)的控制可以有效維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定該控制方法具有穩(wěn)定性好、并網(wǎng)功率因數(shù)高、控制精度高、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點。控制簡單,實用性強(qiáng)。
3、本發(fā)明將傳統(tǒng)的SPWM開關(guān)信號與電壓環(huán)產(chǎn)生的直通信號進(jìn)行疊加,最終產(chǎn)生三相逆變器所需的開關(guān)驅(qū)動信號。該信號經(jīng)過驅(qū)動電路后控制逆變器功率管的開通與關(guān)斷,進(jìn)而可以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定,控制并網(wǎng)電流的幅值與相位,減小入網(wǎng)電路的THD,保證較高電流質(zhì)量。
4、當(dāng)要求輸出電壓高于輸入電壓時傳統(tǒng)逆變器是不符合要求的,如果再用傳統(tǒng)逆變器的話,就必須加入直流-直流變換器,增加了系統(tǒng)體積和成本,與傳統(tǒng)電壓源逆變器相比,本發(fā)明利用的Z源逆變器可以實現(xiàn)升降壓變換而無需再前級加入DC-DC變換器,降低里系統(tǒng)的體積與成本;允許同一橋臂上下兩個功率管同時導(dǎo)通,不會由于短路而造成燒毀器件,提高了電路的安全性;彌補了傳統(tǒng)逆變器的不足,提升了輸出電壓的范圍,不用插入死區(qū)時間從而減小了波形畸變。
5、本發(fā)明利用LCL濾波器對電網(wǎng)電流進(jìn)行濾波,可以有效濾除并網(wǎng)電流中的高次諧波,能夠有效改善并網(wǎng)電流質(zhì)量,有效治理電網(wǎng)中的諧波污染,從而可以維持電網(wǎng)中EMI敏感設(shè)備正常運行。
6、本發(fā)明Z源逆變器獨有的升降壓功能可以滿足新能源發(fā)電的一些特殊要求,新能源發(fā)電短時具有不確定性,電壓有高有低,變化范圍比較大傳統(tǒng)逆變器可能無法滿足其要求。而本發(fā)明適合于太陽能、風(fēng)能發(fā)電等新能源發(fā)電形式,并且可將其推廣到其他的單相和三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中,具有控制精度高,動靜態(tài)性能好,并網(wǎng)功率因數(shù)高以及可靠性強(qiáng)等優(yōu)點。
附圖說明
圖1為基于LCL濾波有源阻尼控制的Z源逆變器并網(wǎng)控制框圖;
圖2為簡單升壓調(diào)制原理圖;
圖3為LCL濾波器數(shù)學(xué)模型圖;
圖4為雙電流環(huán)控制框圖;
圖5為極點配置圖;
圖6為Z源電容電壓圖;
圖7為直流鏈電壓圖;
圖8為d0=0.3時逆變器功率管開關(guān)信號圖;
圖9為穩(wěn)態(tài)時電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流圖;
圖10為指令變化時電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實施,給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示,LCL型Z源逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)包括依次連接的直流電壓源Udc,Z源(阻抗)網(wǎng)絡(luò)、三相逆變器和LCL濾波器,Z源逆變器包括電感L1z、L2z、電容C1、C2,LCL濾波器包括逆變器側(cè)三相電感L1a、L1b、L1c、三相濾波電容Ca、Cb、Cc和網(wǎng)側(cè)三相電感L2a、L2b、L2c,最后輸出三相電壓Ua、Ub、Uc。
一種用于Z源逆變器LCL濾波的有源阻尼控制方法的整體控制框圖如圖1所示,包括以下步驟:
1)采集電網(wǎng)電流以及LCL濾波器中濾波電容電流,經(jīng)雙電流環(huán)控制、SPWM控制后輸出SPWM開關(guān)驅(qū)動信號;
2)采集Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓,經(jīng)電壓環(huán)控制后輸出直通信號D0;
3)根據(jù)SPWM開關(guān)驅(qū)動信號和直通信號D0得到優(yōu)化后的開關(guān)驅(qū)動信號。
其中,有源阻尼控制的雙電流環(huán)控制包括電流外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制,步驟1)具體為:
11)電流外環(huán)控制:
由電網(wǎng)電流檢測變送器采集三相電網(wǎng)電流i2a、i2b、i2c,三相電網(wǎng)電流經(jīng)由三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換得到αβ軸電網(wǎng)電流i2α、i2β;
為保證系統(tǒng)以單位功率因數(shù)進(jìn)行并網(wǎng),采用兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的參考電流i*d和i*q,且讓i*q=0。采集電網(wǎng)電壓相位角,dq軸參考電流i*d和i*q基于電網(wǎng)電壓相位角的由兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換得到αβ軸參考電流和電網(wǎng)電壓相位角θ由三相電壓鎖相環(huán)PLL得到,θ=ωt,ω為角速度,t為時間;
將αβ軸參考電流分別對應(yīng)與αβ軸電網(wǎng)電流i2α、i2β求差輸入到第一PI控制器(圖1中符號PI1)進(jìn)行處理,以此構(gòu)成電網(wǎng)電流外環(huán),得到αβ軸PI控制電流;
12)電流內(nèi)環(huán)控制:
由電容電流檢測變送器采集LCL濾波器中三相濾波電容電流,三相濾波電容電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到αβ軸濾波電容電流icα、icβ;
將αβ軸PI控制電流與αβ軸濾波電容電流求差輸入到P控制器,得到αβ軸P控制電流,從而構(gòu)成電流內(nèi)環(huán),此雙環(huán)可以有效降低并網(wǎng)電流諧波、抑制諧振峰的出現(xiàn);
13)SPWM控制:
αβ軸P控制電流經(jīng)由兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到三相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換后輸入到產(chǎn)生功率管開斷信號的SPWM控制模塊,得到傳統(tǒng)逆變器的SPWM開關(guān)驅(qū)動信號。
為維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性,增加了電壓控制環(huán),并由步驟2)實現(xiàn)電壓控制環(huán),具體為:
由電容電壓檢測變送器采集Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓uc,參考電容電壓與電壓值u′c求差后輸入第二PI控制器(圖1中符號PI2),得到Z源逆變器所特有的直通信號D0,其中,u′c=uc/(1-d0),d0是指直通信號的占空比,則電Z源網(wǎng)絡(luò)的容電壓升高時相應(yīng)的直通信號變小,相反Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓降低時直通信號會變大,以此來維持并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。
步驟3)具體為:
31)根據(jù)直通信號D0得到第一參考電壓Vp和第二參考電壓Vn,Vp=D0,Vn=-D0;
32)Vp、Vn與SPWM控制模塊中的三角載波相交,當(dāng)三角載波大于Vp或三角載波小于Vn時給相應(yīng)的直通開關(guān)信號;
33)將SPWM控制模塊輸出的SPWM開關(guān)驅(qū)動信號與步驟32)得到的直通開關(guān)信號兩者取或運算(即相疊加)后,得到優(yōu)化后的開關(guān)驅(qū)動信號,用于控制Z源逆變器,進(jìn)而控制并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)入網(wǎng)電流的幅值和相位以及并網(wǎng)電流質(zhì)量。
對于Z源逆變器電壓環(huán)傳統(tǒng)的控制方式為:采集電容電壓與參考電壓比較,之后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié),送給外環(huán)參考電流直通信號給固定的值,而本發(fā)明的步驟2)、3)與Z源逆變器電壓環(huán)傳統(tǒng)的控制方式不同,本發(fā)明的優(yōu)點在于將PI調(diào)節(jié)器的輸出信號送給圖2中的Vp和Vn,,通過控制它們的上下移動來調(diào)節(jié)直通占空比的大小,進(jìn)而可以根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化動態(tài)改變直通插入值。
D0為直通信號,確切的說只是泛指直通信號,并不是實際的一系列方波信號,而是指圖2中的Vp,經(jīng)過求相反數(shù)后得到Vn,通過控制Vp和Vn的大小(上下移動)從而控制插入直通信號的大小。如圖2所示,(1)雙電流環(huán)輸出經(jīng)過兩相靜止坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變化后得到三相調(diào)制波信號Ua,Ub,Uc。(2)Ua,Ub,Uc與三角載波信號相交當(dāng)三角波大于三角載波時給相應(yīng)的觸發(fā)信號,從而得到傳統(tǒng)逆變器所需的開關(guān)信號。(3)電壓環(huán)經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后得到圖2中的Vp信號,Vp取反得到Vn。(4)Vp,Vn與三角載波相交,當(dāng)三角載波大于Vp,或三角載波小于Vn時給相應(yīng)的直通開關(guān)信號。(5)直通信號的大小可以通過調(diào)節(jié)PI控制Vp的大小(Vp,Vn的上下移動)來控制。(6)最后將傳統(tǒng)逆變器的開關(guān)信號,與電壓環(huán)得到的直通開關(guān)信號兩者取“或”即對兩者進(jìn)行疊加從而得到Z源逆變器所需的總的開關(guān)信號(包括傳統(tǒng)信號和直通開關(guān)信號),即圖2中Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn開關(guān)驅(qū)動信號。即當(dāng)三角波正峰值大于Vp時,或三角波負(fù)峰值小于Vn時加入直通矢量,逆變器三相橋臂直通,此時直通矢量被安排在傳統(tǒng)零矢量的中間。
第一PI控制器和P控制器內(nèi)的控制參數(shù)通過極點配置法得到,具體為:
a:根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得出系統(tǒng)的特征方程公式D(s),滿足以下公式:
式中,L1為LCL濾波器中逆變器側(cè)濾波電感值(即L1a、L1b、L1c的電感值),L2為LCL濾波器中網(wǎng)側(cè)濾波電感值(即L2a、L2b、L2c的電感值),C為LCL濾波器中濾波電容值(即Ca、Cb、Cc的電容值),Ke為P控制器的比例系數(shù),Kpwm為SPWM控制模塊的逆變橋等效系數(shù),Kp為第一PI控制器的比例系數(shù),Ki為第一PI控制器的積分系數(shù),s為復(fù)變量;
b:極點配置:由Butterworth低通濾波器設(shè)計系數(shù)庫得到系統(tǒng)最佳阻尼比ζ1、ζ2;
由得到的最佳阻尼比對極點進(jìn)行配置,配置原則為:所有極點均在以自然振蕩頻率ωn為半徑的圓上,極點的具體位置由阻尼比來確定其關(guān)系為θ′=π-arcos(ξ),ξ為阻尼比參數(shù),θ′為極點配置角度,四個極點兩兩關(guān)于實軸對稱,得到極點s1、s2、s3、s4的表達(dá)式為:
經(jīng)過極點配置得出的系統(tǒng)的特征方程公式D(s),滿足以下公式:
D(s)=(s-s1)(s-s2)(s-s3)(s-s4) (3);
c:由公式(1)、(2)、(3)聯(lián)立得到控制參數(shù)Kp、Ki、Ke。
為了驗證上述理論分析的正確性,對本控制方法進(jìn)行了仿真研究。
主要的電路參數(shù):直流電壓源Udc=500V,Z源網(wǎng)絡(luò)電感L1z=L2z=5mH,Z源網(wǎng)絡(luò)電容C1=C2=220μF,LCL濾波器靠近逆變器側(cè)的電感值L1=L1a=L1b=L1c=8.6mH,電容值C=Ca=Cb=Cc=11μF,靠近網(wǎng)側(cè)電感值L2=L2a=L2b=L2c=1.4mH,網(wǎng)側(cè)電壓峰值為Ua=Ub=Uc=311.1V,參考電壓調(diào)制比m=0.75,開關(guān)頻率f=10kHz,指令電流15A。
傳統(tǒng)方式為多次調(diào)節(jié)PI值最后得出較好的仿真波形,本發(fā)明則是通過求出相應(yīng)的傳函,通過極點配置的方法得出最優(yōu)的控制參數(shù),從而避免了多次調(diào)參的缺點。圖3為LCL濾波器的數(shù)學(xué)模型圖,uinv表示逆變器輸出側(cè)電壓,i1表示電感L1a的電流,i2表示并網(wǎng)電流,表示三相濾波電容的電壓,ug為外部電網(wǎng)電壓,圖4為雙電流環(huán)控制框圖,為參考電流,ic為三相濾波電容的電流,ul2為網(wǎng)側(cè)濾波電感的電壓,圖5為極點配置框圖,圖5中兩個角度實際是通過兩個阻尼比計算而來的,本系統(tǒng)為四階系統(tǒng),而四階系統(tǒng)的最佳阻尼比是由Butterworth低通濾波器的設(shè)計系數(shù)庫得來,以此配置系統(tǒng)具有最佳的性能。由圖4可得出雙環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
A1=KpKeKpwm,A0=KiKeKpwm
B4=L1L2C,B3=L2CKeKpwm,B2=L1+L2
B1=KpKeKpwm,B0=KiKeKpwm
系統(tǒng)的特征方程為
由勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)可得系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為
由圖5極點配置圖進(jìn)行極點配置所有的極點都在以自然振蕩頻率ωn為半徑的圓上,與濾波電感電容值有關(guān),且阻尼比ξ1=0.3827,ξ2=0.9239,圖5中阻尼比滿足公式ξ=arcos(|xp|/ωn),xp為配置極點的橫坐標(biāo),則極點的表達(dá)式為
經(jīng)過極點配置得出的系統(tǒng)特征方程為
最終得出控制參數(shù)Kp=1.16,Ki=3886,Ke=0.194。
圖6表示了將直通占空比d0=0.3的信號插入到傳統(tǒng)逆變器開關(guān)信號后得到的總的開關(guān)信號,圖7表示當(dāng)直通信號插入后運行所得的Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓波形,大體滿足uc=(1-d0)/(1-2d0)Udc的關(guān)系,圖8表示直流鏈升電壓圖也符合Vin=1/(1-2d0)Udc的關(guān)系。說明電壓環(huán)能夠很好地起作用,即能保證并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定,這是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。
對于電流環(huán),圖9表示了穩(wěn)態(tài)時電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流,并網(wǎng)電流的諧波畸變率為1.62%,完全滿足并網(wǎng)要求,而其幾乎達(dá)到了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。為了驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能,將指令電流從0.05s時由原來的15A變化到25A,圖10表示了指令電流變化時的情況,從圖中可以看出該控制系統(tǒng)具有很好地動態(tài)性能,魯棒性能很強(qiáng),從而也證明了所提控制方法的有效性。