实现并网逆变器单位功率因数进网电流和内在反孤岛方法

摘要

本发明公布了一种实现并网逆变器单位功率因数进网电流和内在反孤岛方法，属变换器的控制技术。其组成包括相位差检测、频率下垂计算、基准电流生成、电网电压前馈和比例积分控制器。频率下垂算法为实时计算进网电流和电网电压的相位差并与下垂系数相乘得到频率变化量，再用频率下垂算法的前次频率输出量减去该频率变化量从而得到新的频率下垂算法的输出量。本发明实现并网逆变器进网电流的相位控制，实现单位功率因数的进网电流，同时可以内在的实现并网逆变器的频率漂移正反馈的反孤岛措施。是一种简单有效的实现方式。

说明书

技术领域

本发明涉及的一种并网逆变器进网电流单位功率因数和内反孤岛的控制方法，属变换器的控制技术领域。

背景技术

能源危机和环境恶化使得世界各国积极开发包括光伏、风能等可再生能源。利用这些能源的分布式发电技术成为全球能源可持续发展战略的重要组成部分。新能源分布式发电的一个研究热点是逆变器并网控制技术。并网逆变器的控制方法可以分为电流型控制和电压型控制，目前中小功率单相并网逆变器一般采用电流型控制。电流控制的常用方法有比例积分控制、滞环控制、无差拍控制和比例谐振控制等，所有这些控制方法都需要采用锁相技术为逆变器电流控制环提供跟踪电网电压的基准电流相位。由于逆变器电流环控制器在考虑稳定性下的参数设置存在相位滞后和进网滤波器相位衰减以及信号采样和计算延时等的影响，实际的进网电流与电流基准之间存在一定的基波相位差。相关国际标准，如IEEE15471等，均要求进网功率因数大于0.999(即相位差小于2.6度)，目前对这一问题的解决方法主要是在数字芯片中调节逆变器电流环基准电流的相位，而这种调节方法属于开环调节，其精度不高，且受进网电流大小的影响明显。因此需要找到一种能有效解决该问题的方法。

另外，并网逆变器的反孤岛措施是保证设备和电网工作人员安全的必要措施，在现有的孤岛检测技术中多数是以牺牲进网电流质量或损失进网功率等为代价的扰动方法，且检测盲区较大。

下垂控制方法源于电力系统中的同步发电机并网理论，可以实现控制参数，如电压或频率，的实时调节。但目前该方法被较多的应用在直流变换器并联和逆变器并联控制技术中，其在电流型控制并网逆变器中的应用还未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种将锁相环技术和下垂控制方法相结合的新型逆变器并网锁相控制策略。通过实时检测进网电流与电网电压的相位差进行下垂计算从而调整进网电流基准的频率来跟踪电压相位，实现进网电流的单位功率因数。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明实现并网逆变器单位功率因数进网电流的方法，所述方法如下：将进网电流与电网电压经过相位差检测得到相位差，将所述相位差经过频率下垂计算后得到基准电流频率，将所述基准电流频率与基准电流幅值合成进网基准电流，将所述进网基准电流与进网电流反馈相减产生电流差经比例积分控制器输出调节电压，将所述调节电压与电网电压前馈量相加得到调制波，将调制波经放大电路后与电网电压之差作用在进网滤波器上产生进网电流。

实现并网逆变器单位功率因数内在反孤岛方法，所述频率下垂计算的频率输出量为实时计算进网电流和电网电压的相位差并与下垂系数相乘得到频率变化量，再用频率下垂算法的前次频率输出量减去该频率变化量从而得到新的频率下垂算法的输出量；当并网逆变器进入孤岛状态后，频率下垂计算使得进网基准电流频率正反馈加速了基准频率的持续减少或增加而使得逆变器发生欠频或过频，从而实现孤岛保护。

本发明使得进网电流与电网电压的相位差为零，并可以实现并网逆变器的频率漂移正反馈的反孤岛措施。

附图说明

图1是本发明控制方法的控制框图和功率电路，(a)基于频率下垂的进网电流相位控制框图；(b)单相全桥并网逆变器主电路；

图2是传统进网电流相位控制方式下进网电流与电网电压相位差与电路参数和控制器参数的关系曲线，(a)相位差随电感变化曲线；(b)相位差随比例系数变化曲线；(c)相位差随电流环积分系数变化曲线；

图3是本发明的进网电流相位控制策略与传统相位控制策略的对比，(a)采用传统锁相方法时入网电流与电网电压波形；(b)本发明下电网电压与进网电流波形；

图4是本发明的频率下垂控制方法在孤岛状态的运行波形图，t₁时刻电网掉电，并网逆变器进入孤岛运行状态，t₂时刻检测出欠频，完成孤岛检测保护。

上述附图的主要符号及标号名称：U_D——逆变器输入电压；S₁～S₄——功率开关管；u_g——电网电压；L₁、L₂——进网滤波电感；i_o——进网电流；u_o——逆变器输出电压(滤波电感外侧电网端)；θ——进网电流与电网电压的相位差；ω——进网电流基准角频率；I_o^*——进网基准电流幅值；i_o^*——进网基准电流；K_p——比例放大系数；K_i——积分系数；K_PWM——逆变桥放大倍数；K_N——电网电压前馈放大系数；u_inv——逆变桥中点输出电压；u_L——滤波电感电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1描述了本发明的相位控制框图和实施的主电路，由相位差检测、频率下垂计算、基准电流生成、电网电压前馈和比例积分控制器组成。

进网基准电流i_o从锁相环PLL获得相位基准。在K_N＝1/K_PWM时，其闭环传递函数如式(1)所示。

$I_O\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PWM}}{k}_{p}S+K_{\mathrm{PWM}}{k}_i}{{\mathrm{LS}}^2+K_{\mathrm{PWM}}{k}_{p}S+K_{\mathrm{PWM}}{k}_i}{I}_O^{*}\left(s\right)---\left(1\right)$

进网基波电流与基准电流的相位差为

$\theta =\frac{{\omega }^3{\mathrm{LK}}_{\mathrm{PWM}}{k}_p}{{\omega }^2{K}_{\mathrm{PWM}}^2{k}_p^2-{\omega }^2{\mathrm{LK}}_{\mathrm{PWM}}{k}_i+K_{\mathrm{PWM}}^2{k}_i^2}---\left(2\right)$

从(2)式可以看出，影响相位差的参数有3个：L，k_p和k_i，附图2是为进网电流与电网电压相位差与电路参数和控制器参数的关系曲线。附图2(a)给出了相位差随滤波电感值的变化曲线，可以看出，随着滤波电感感值的增加，相位差逐渐增加；附图2(b)给出了相位差随电流环比例系数变化时的曲线，可以看出，随比例系数的增加，相位差先增加后减小；附图2(c)中，相位差随积分系数的增加而减小。为了保证较为纯净的进网电流，滤波电感感值不能太小；在一定电流跟踪精度的前提下又需要保证系统稳定，电流环的比例系数和积分系数不宜取太大。因此，从理论上来讲，不附加额外的相位补偿装置，进网电流与电网电压的相位差不可避免，如果再考虑电网电压相位检测环节的延时，相位差就相当可观了。

本发明基于下垂特性软件锁相环的并网逆变器控制策略中的锁相环为具有下垂特征的锁相环，其输出频率受并网逆变器进网电流与电网电压的相位差控制。每个工频周期得到进网电流与电网电压的相位的差值θ，同时检测出电网角频率ω_o，逆变器下一周期基准电流的频率由式(3)确定。

ω(k)＝ω(k-1)-k_ω·θ     (3)

如果检测出电网电压相位超前，即θ为负值，通过下垂计算公式，得到下一周期的基准电流的频率大于电网电压的频率，那么在下一个周期的时间内，它们之间的相位差就会缩小，经过若干个工频周期，最终它们之间的相位差等于0；同理可以说明θ为正值时的情况。

本发明的一个具体实例如下：输入电压U_D＝400V、电网电压U_grid＝240VRMS、电网频率f_grid＝50Hz、额定功率P_N＝1kW；滤波电感L₁＝L₂＝5mH；开关频率f＝10kHz；K_p＝1；K_i＝1000；K_ω＝50。附图3～4为该实例的具体波形图，其中，附图3是本发明的进网电流与电网电压相位差与传统控制方式下进网电流与电网电压相位差的对比；附图4是本发明在孤岛状态的运行波形图。