一种基于正交正弦波提取器的并网逆变控制算法

摘要

本发明公开了一种基于正交正弦波提取器的并网逆变控制算法。它可用于光伏、风电等三相并网逆变器的控制中。该发明包括正交正弦波提取器及基于它的并网逆变电流控制方法。正交正弦波提取器用二阶离散状态方程实现，对输入信号同时具有带通滤波和移相作用，在并网逆变器控制中，它用来对电压、电流等正弦交流量进行处理。基于正交正弦波提取器的并网逆变电流控制方法，在静止坐标系下实现了三相交流电流反馈对其给定的无静差跟踪，具有较强的电网适应性，并能有效抑制入网电流谐波，降低入网电流总谐波畸变率。

说明书

技术领域

本发明属于并网逆变器控制技术领域，可应用于光伏、风电等新能源发电系统中。

背景技术

近年来，光伏、风电等新能源电力大规模入网，新能源发电占总发电量的比重以达到不可忽略的程度，并继续上升。如果入网电能质量不高则对整个电力系统造成不良影响。向电网输送的电能稳定而纯净才能使新能源真正造福人类。光伏和风电等一般需通过逆变器向电网输送能量，这一方面要求逆变器有较高的电网适应性，在电网电压谐波较重的情况下依然可以并网运行。另一方面，要求逆变器本身发出的电流谐波含量低，不至于进一步影响电网。这就要求并网逆变器电流控制具有良好的性能。

三相全控桥形式的并网逆变器具有功率因数可调等优点，是目前大功率并网逆变系统的普遍选择。该电路主要由6个IGBT及其反并联的二极管组成，每两个IGBT串联成一个桥。控制器需给每个IGBT发出控制信号，不同的驱动电平占空比可使得三相全控桥工作在整流、逆变、发无功、吸无功等多种状态。虽然该电路拓扑已经得到大规模应用，但是其控制性能还有待提高。目前，三相并网逆变器主流的电流控制方法有采用旋转坐标系下的比例积分控制和静止坐标系下的比例谐振控制两类。前者利用三相交流量在旋转坐标系下为直流量的特点，采用比例积分控制器便能实现电流的无静差跟踪，但其缺点是每个控制周期都需要进行正向旋转变换和反向旋转变换，其中涉及三角函数运算，算法执行时间较长。后者能直接在静止坐标系中实现对交流量的无静差跟踪，节省了实时旋转变换，但其主要缺点是设计有效的比例谐振控制器是很困难的，传统的设计方法是在连续域下确定滤波带宽等性能后，再离散化到数字控制系统中，离散化过程必然带来信号的相移，影响控制性能。

本发明为弥补比例谐振控制的一些缺陷，设计一种新型并网逆变电流控制算法。

发明内容

为克服以上不足，本发明提供了一种基于正交正弦波提取器的并网逆变控制算法。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于正交正弦波提取器的并网逆变控制算法，其特征是包括有正交正弦波提取器，所述正交正弦波提取器定义为如下的离散状态方程：

         （1）

其中为正交正弦波提取器的输出结果，初始条件可取为，；为待提取的正弦信号角频率，这里称之为中心频率；称为遗忘因子，起到控制滤波带宽的作用；

然后利用正交正弦波提取器实现了交流电流给定计算，在静止坐标系下实现对电流基波分量的无静差跟踪，并降低3，5，7次谐波的含量。

作为一种改进，所述利用正交正弦波提取器实现了交流电流给定计算由以下步骤实现：

余弦为，正弦为，u_α,u_β对应于，为正交正弦波提取器的输出结果； 为有功电流给定，为无功电流给定。

作为一种改进，对交流电流给定计算值与采用值之间的电流误差中的基波分量进行控制，从而在静止坐标系下实现对电流基波分量的无静差跟踪，同时对交流电流给定值与采样值之间的电流误差中的3，5，7次等谐波分量进行控制，降低3，5，7次等谐波的含量，具体步骤如下：

u_α为电压采集值， e_αi(n)为基波误差， ，，为电感；

k_ri为其它各次谐波控制系数，可采用由小到大试加的方法，太大的谐波控制系数会使系统不稳定，加到5-10倍的比例系数则足以达到满意的谐波抑制效果。

QSE具有以下两个特性：

1）、正交性

设输入变量为中心频率的正弦信号，则可算出稳态时是与输入相等的，没有任何幅值变化和相位偏移，而滞后90度，即相互正交的。

2）、选频性

QSE的输入对不同频率输入信号的衰减和相移是不同的。可画出QSE的幅频特性和相频特性，如图2所示。从图中可看出，在正负中心频率处的幅值特性为1，相移为0，说明它对中心频率没有幅值衰减和相移。而对其它频率则具有很大的衰减和相移，离中心频率越远衰减越大。所以对具有带通滤波作用，或者说具有选频性。遗忘因子起到控制带宽的作用，遗忘因子越接近于1，通频带越窄，越接近0，则通频带越宽。

QSE不仅可将中的中心频率正弦信号提取出来，而且能将与信号相位滞后90度的信号也同时提取出来，故称其为正交正弦波提取器。

附图说明

图1本发明的QSE原理图。

图2本发明的QSE的幅频特性和相频特性。

图3本发明的三相并网逆变器系统。

图4本发明的基于QSE的并网逆变控制算法框图。

图5本发明的基于QSE的电网电压信号提取效果。

图6本发明的基于QSE的电流控制效果。

具体实施方式

并网逆变器电流控制算法一般在数字信号处理器（DSP）中实现。交流电压和电流经过传感器采样、AD转换后，输入到数字处理芯片中的信号为离散采样序列。这些离散采样信号通常以基频为主且含有各次谐波。在这些信号中提取出特定频率的分量，即分频，对于逆变器控制是非常有意义的。传统的傅里叶分解的方法虽然可以实现分频作用，但需要保存的采样数据多并且实时性不好。带通滤波的方法一般在连续域设计，在离散化现实过程中具有一定的误差。

本发明直接在离散域给出一种具有分频功能的算子即正交正弦波提取器（Quadrature Sinewave Extractor ，下面简称QSE）。

相邻两个采样时刻的间隔称为采样周期。假设采样周期为T，第个采样信号为，QSE定义为如下的离散状态方程：

         （1）

其中为QSE的输出结果，初始条件可取为，；为待提取的正弦信号角频率，这里称之为中心频率；称为遗忘因子，起到控制滤波带宽的作用。QSE的原理图如图1所示。该状态方程的转移矩阵是旋转矩阵的第一行乘以遗忘因子而来。该旋转矩阵的作用是根据上一拍的输出结果预测当前拍。乘以遗忘因子的目的是让当前的输出结果仅记忆一定比例的上一拍的输出结果，而使当前的信号以一定的比例更新输出结果。在采样周期一定下，式中的参数只有遗忘因子是需要调节的。

QSE具有以下两个特性：

1）、正交性

设输入变量为中心频率的正弦信号，则可算出稳态时是与输入相等的，没有任何幅值变化和相位偏移，而滞后90度，即相互正交的。

2）、选频性

QSE的输入对不同频率输入信号的衰减和相移是不同的。可画出QSE的幅频特性和相频特性，如图2所示。从图中可看出，在正负中心频率处的幅值特性为1，相移为0，说明它对中心频率没有幅值衰减和相移。而对其它频率则具有很大的衰减和相移，离中心频率越远衰减越大。所以对具有带通滤波作用，或者说具有选频性。遗忘因子起到控制带宽的作用，遗忘因子越接近于1，通频带越窄，越接近0，则通频带越宽。

QSE不仅可将中的中心频率正弦信号提取出来，而且能将与信号相位滞后90度的信号也同时提取出来，故称其为正交正弦波提取器。

硬件接线及输入输出信号

本发明基于的硬件拓扑如图3所示，为典型的三相并网逆变系统。图中直流侧接光伏PV电池板，因此上图是典型的光伏并网发电系统。若在风电控制中，右边则接电机控制需要的逆变器。三相电网经过380V到270V的隔离变压器接到逆变器三相交流输出上。逆变器中实现直流到交流逆变的核心模块为6个IGBT组成的三相全控桥。三相全控桥交流输出端与变压器间需接LC滤波器以滤除调制出的高频谐波。三相全控桥的直流输入端需装直流支撑电容，对直流输入的能量起缓冲作用，稳定直流电压。

电网电压传感器采集变压器低压侧的电网电压，电流传感器采集电感上的电流，直流电压传感器采集直流支撑电容正负间的电压。

这些采样信号经过适当调理，传给DSP，DSP将这些信号，根据本发明提出的控制方法进行处理，最后调制输出6个IGBT的驱动信号。

三相电流为正弦交流量，如果在静止坐标系下直接对其进行比例积分控制，将无法实现无静差跟踪，这是因为积分仅仅对于直流量有无静差跟踪能力。积分环节实际上是一个低通滤波器，它实际上是提取了误差中的直流分量。如果要对某种频率的交流分量具有无静差跟踪能力，则需要把误差中该频率的交流分量提取出来。而QSE正好可以实现这一功能，故得到基于QSE的电流控制算法。

基于QSE的并网逆变电流控制算法在静止坐标系下实现，如图4所示。与传统控制算法相比，该算法利用QSE实现了交流电流给定计算、电流基波的无静差跟踪以及谐波的抑制。电流给定值是视逆变器的具体应用环境而定的。但普遍来讲，一般有功电流给定由直流电压环的PI输出得到，无功电流给定由电网需要的功率因数决定，如果需要的功率因数为1，则无功电流给定为0。有功电流给定和无功电流给定是直流量，需要根据电网电压基波的相位再进一步确定交流电流给定。

将A相电网电压采样值经过QSE处理，得到一组正交的电压信号u_α和u_β。其中心频率w取工频100rad/s，以提取电网电压中的基波。电网电压的相位角的余弦为，正弦为。得到电网电压基波的余弦和正弦值就可以用来电流给定计算了，没必要算出角度。根据有功电流给定和无功电流给定，以及电网电压基波的余弦和正弦值，由Park变换可知，按下式计算a，b两相电流给定。

           （2）

从式中可看出b相电流给定总是滞后a相电流给定120度，并且幅值是相等的。由于三相电流之和为0，三相电流给定之和也为0，这里仅需算出a，b两相电流给定即可。

第二步：电流控制方程式的实现。

以a相为例说明，b相的控制一样。

首先，基波提取。

根据第一步得到的给定值和电流传感器测得的电流反馈值，计算电流误差，。将QSE中的频率设为基波频率，按（1）式编程，取QSE的第一个输出，即得到基波误差e_αi(n)。

其次，谐波提取。

将QSE中的频率设为某次谐波频率，例如5次谐波，QSE的中心频率取为5倍基波频率，按（1）式编程，其输出的e_α5(n)即为误差中的5次谐波分量。其它次谐波处理方法类似。

最后，实现电流控制方程式。

将总误差乘以比例系数k_p作为比例项。基波误差乘以乘以k_ri，各次谐波误差乘以各自的控制系数作为QSE控制环节的输出。另外为抵消电网电压的扰动，需在控制方程式中加上电网电压前馈项。将比例项、QSE项、以及前馈项相加，作为a相调制电压。即：

                  （3）

以同样的步骤可以算出b相调制电压，然后由三相电压之和为0的关系计算得c相电压。

第三步：三相电压调制。

根据三相控制电压以及直流电压的大小，可以确定各IGBT的占空比。该拓扑可以采用SVPWM或SPWM等调制方法进行电压调制。例如，以SPWM为调制算法的占空比计算方法为：

                      （4）

其中为某相上桥臂的占空比，为直流支撑电容上的电压。每个桥臂上下两个IGBT的驱动信号是互补的，下桥臂的占空比和上桥臂的占空比之和为1。根据占空比，填写DSP相应的寄存器，DSP即输出各桥臂IGBT的驱动信号。

控制参数的选取

遗忘因子的选取：遗忘因子大则滤波效果好，但电压相位突变的跟踪速度较慢。根据电网频率和谐波情况，按行业标准，电网电压频率在50±2.5Hz范围内波动，取a=0.99能很好地适应电网。

各控制系数的选取：比例系数k_p与电感的大小和控制系统的延时等有关，这里取，能获得较好的动态和稳态性能。其它各次谐波控制系数的可采用由小到大试加的方法，太大的谐波控制系数会使系统不稳定，加到5-10倍的比例系数则足以达到满意的谐波抑制效果。

本发明的技术效果如下：

基于QSE的电网电压基波及其滞后90度信号的提取效果如图5所示。从图中可以看出，基于QSE提取出来的分量总是跟踪电压的基波分量，对于电网电压的突变也具有良好的适应能力。基于QSE提取电压信号来计算交流电流给定，主要优点是电网适应性强：1），无论电网电压是否平衡，它总是得到A相电压的基波分量，并且同时得到滞后A相基波分量的正交信号，按这组幅值相等，相位互差90度的信号作为电流给定的计算依据，能始终保持电流给定是平衡的；2），电网电压含有谐波时，QSE依然能够准确地提取其中的基波分量，不存在延时；3）由于QSE具有一定的带宽，这样可以适应电网频率有一些波动的场合。

基于QSE的并网逆变电流控制效果如图6所示。这是500kw并网逆变器，发30%额定功率时的入网电流波形，三相电流平稳输出且已达到基波无静差跟踪。左图中显示了没有采取谐波抑制时的电流波形及其FFT分析结果，上半部分入网三相电流，下半部分为其中一相FFT分析的结果。从波形看出，电流正弦度不好，FFT分析可知其中含有较大的5次和7次谐波，其中5次谐波含量22.7dB，7次谐波11.7dB，占基波比例约4.5%和1.3%。右图为加入基于QSE的谐波抑制后，测得的电流波形及其FFT结果。其中5次谐波含量7.4dB，7次谐波-8dB，占基波比例约为0.8%和0.1%。因此，加入基于QSE的谐波抑制算法后，谐波明显降低，电流波形正弦度变好。