消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置及方法

摘要

消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置及方法，属于电能变换领域，本发明为解决现有单极性控制单相并网逆变器存在并网电流过零点畸变的问题。本发明控制方法为：步骤一、采集并网电流的瞬时值ig、电网电压的瞬时值e，并设置输入信号给定并网电流的幅值Im*；步骤二、获取给定并网电流的瞬时值ig*，比较ig*和ig，生成两路开关信号，作为第二桥臂的控制信号；步骤三、获取相位差；步骤四、将电网电压当前相位角的正弦值和步骤三获取的相位差共同输入到开关信号生成模块，生成两路开关信号，作为第一桥臂的控制信号，以实现并网电流的闭环控制，消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变。

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置及方法，属于电能变换领域。

背景技术

当今社会，能源问题日益突出，以可再生能源发电为代表的分布式并网发电的形式成为解决这一问题的有效手段。为避免分布式发电源并入公共电网后对公共电网造成谐波和无功污染，要求发电系统中并网逆变器具有优良的控制性能。由此，并网逆变器控制性能的提高受到广泛重视。为获得清洁高效的并网性能，需要对并网电流的相位和波形同时进行精确控制。而在户用领域，通常采用单相结构，其电流的交流特性使实现优良的波形控制具有较大难度，传统的比例积分控制方案无法满足控制要求。

在用于单相并网电流的几种控制策略中，电流滞环控制具有电流响应快、跟踪精度高、无瞬态电流过冲等优点，得到了广泛应用。而从获得开关信号的调制方式上又分为双极性调制和单极性调制两种，单极性调制由于有一个桥臂的开关频率与电网频率相同，因此可大幅减小开关损耗，另外，在相同环宽和滤波参数的前提下，其高频臂的平均开关频率也要小于双极性调制的情况，可进一步降低开关损耗。但是在实际应用系统中出现了过零点畸变的情况。尤其是在可再生能源发电系统中，由于发电源的发电功率波动范围较大(在1∶5左右)，滤波电感的选值应充分考虑在较宽输出功率范围内均能满足谐波和动态响应指标，因此电感值均选取的比较大，在这种系统中，在输出功率较大时电流畸变现象变得愈加明显。这一问题增加了输出电流的低频谐波和系统噪声，造成系统性能下降，但目前尚未有实用化的解决方案。

发明内容

本发明目的是为了解决现有单极性控制单相并网逆变器存在并网电流过零点畸变的问题，提供了一种消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置及方法。

本发明所述的一种消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置：

单相并网逆变器包括第一桥臂、第二桥臂和电感，第一桥臂和第二桥臂由直流源供电，第一桥臂和第二桥臂并联在直流供电电源的输出端，第一桥臂的直流输出端通过电感连接在电网的一端，第二桥臂的直流输出端与电网的另一端相连，

所述消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置包括并网电流采样模块、电网电压采样模块、同步信号产生模块、角频率计算模块、相位角及正弦值计算模块、给定电流瞬时值计算模块、电流控制模块、相位差计算模块和开关信号生成模块，

并网电流采样模块采集流经电感的并网电流，并网电流采样模块的输出端与电流控制模块的第一输入端相连；

电网电压采样模块采集电网电压信号，电网电压采样模块的第一输出端与相位差计算模块的电网电压信号输入端相连；

电网电压采样模块的第二输出端与同步信号产生模块的输入端相连，同步信号产生模块的同步信号输出端与角频率计算模块的输入端相连，角频率计算模块的角频率信号输出端与相位角及正弦值计算模块的输入端相连，角频率计算模块的角频率信号输出端还与相位差计算模块的角频率信号输入端相连，

相位角及正弦值计算模块的相位角的正弦值输出端与给定电流瞬时值计算模块的信号输入端相连，给定电流瞬时值计算模块和相位差计算模块同时接收给定并网电流的幅值I_m^*，给定电流瞬时值计算模块的给定电流信号输出端与电流控制模块的第二输入端，电流控制模块的输出端与第二桥臂的控制端相连；

相位角及正弦值计算模块的相位角的正弦值输出端还与相位差计算模块的相位角正弦信号输入端相连，

相位角及正弦值计算模块的相位角的正弦值输出端还与开关信号生成模块的相位角正弦信号输入端相连，

相位差计算模块的输出端与开关信号生成模块的相位差信号输入端相连，开关信号生成模块的输出端与第一桥臂的控制端相连。

基于上述消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置的方法包括以下步骤：

步骤一、并网电流采样模块采集并网电流的瞬时值i_g，电网电压采样模块采集电网电压的瞬时值e，并设置输入信号给定并网电流的幅值I_m^*；

步骤二、由电网电压的瞬时值e获取电网电压的角频率ω、电网电压当前相位角及相位角的正弦值，根据给定并网电流的幅值I_m^*和电网电压当前相位角的正弦值获取给定并网电流的瞬时值i_g^*，所述给定并网电流的瞬时值i_g^*与步骤一采集的并网电流的瞬时值i_g一起输入到电流控制模块中，生成两路开关信号，作为第二桥臂的上下两个开关管的控制信号，以实现并网电流的闭环控制；

步骤三、将给定并网电流的幅值I_m^*、电网电压的角频率ω、电网电压当前相位角的正弦值和电网电压的瞬时值e共同输入到相位差计算模块中，获取相位差；

步骤四、将电网电压当前相位角的正弦值和步骤三获取的相位差共同输入到开关信号生成模块，生成两路开关信号，作为第一桥臂的上下两个开关管的控制信号，以实现并网电流的闭环控制，消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变。

本发明的优点：本发明通过对并网逆变器中全桥逆变器的方向臂的控制信号进行相位补偿，使并网电流在发生畸变时改变电流流通路径，进而消除了传统控制方法中存在的并网电流在过零点附近产生的波形畸变问题。本发明只需额外计算超前相位补偿角，具有算法相对简单、易于数字化实现的优点。

附图说明

图1是现有方案的控制原理图；

图2是单极性电流滞环控制方法的示意图；

图3是由正变负经过过零点附近逆变器工作波形图；

图4是由负变正经过过零点附近逆变器工作波形图；

图5是现有方案的逆变器工作仿真波形图；

图6是本发明控制方法的控制结构示意图；

图7是由正变负经过过零点附近畸变电流以及与开关信号的对应关系波形图；

图8是由负变正经过过零点附近畸变电流以及与开关信号的对应关系波形图；

图9是由正变负经过过零点附近逆变器工作仿真波形图；

图10是由负变正经过过零点附近逆变器工作仿真波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图10说明本实施方式，首先通过并网逆变器单极性电流滞环控制方法来分析一下其产生过零点畸变的原因：

(一)并网逆变器单极性电流滞环控制方法原理

单相电压型并网逆变器的原理结构图如图1所示，采用全桥结构。单极性电流滞环控制的示意图如图2所示，其基本思想是，V₁、V₂作为方向臂，二者的驱动信号逻辑相反，根据电网电压的极性获得，与电网电压频率相同；V₁、V₂作为调制臂，二者的驱动信号逻辑相反，其驱动信号的形成原理为，设置一个小的环宽Δi，采集并网电流的瞬时值i_g，并与当前的i_g^*+Δi相比较，若i_g大于i_g^*+Δi，则结果为高电平；若i_g小于i_g^*-Δi，则结果为低电平，若i_g^*-Δi≤i_g≤i_g^*+Δi，则结果为保持原来的值，即有：

以图1中所示并网电流方向为正方向，有电压方程：

$v_L\left(t\right)=L\frac{d{i}_g\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=e\left(t\right)-v_s\left(t\right)---\left(1\right)$

其中e(t)是电网电压，v_s(t)是逆变器电压，i_g(t)是并网电流，L是滤波电感。由于并网逆变器通常采用单位功率因数控制，认为e(t)与i_g(t)的相位相差180度。则有：

$\left(\begin{array}{c}e\left(t\right)=E_m\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ {i_g}^{*}=-{I_m}^{*}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中ω、E_m分别是电网电压角频率和幅值，i_g^*(t)和I_m^*分别是给定并网电流的瞬时值和幅值。由此得逆变器输出电压v_s(t)可表示为：

将式(2)、(3)带入式(1)得电流的变化率：

(二)过零点畸变原因分析

首先分析电网电压相角在0°附近的电流畸变。在该位置的逆变器工作波形如图3所示。由图3可知，在AB段电感经过电网续流，由式(4)可知，AB段的电流变化率逐渐变小，对给定电流的表达式求导得

$\frac{{{\mathrm{di}}_g}^{*}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\omega {I_m}^{*}\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)---\left(5\right)$

上式表明给定电流的变化率逐渐增加，说明存在一点(对应A点)有：

$\left|\frac{{{\mathrm{di}}_g}^{*}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|\ge \left|\frac{{\mathrm{di}}_g\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|---\left(6\right)$

在此点后，实际电流将跟随不上给定电流，逐渐远离给定电流，呈现“畸变”特性。将式(4)、(5)代人上式得A点对应的相位角为：

进一步求得AB段的电流表达式为：

下面分析BC段的电流波形。根据单极性的工作原理，在0°处V₁、V₂切换状态，此时由于i_g＞i_g^*+Δi，V₁、V₄导通，则有：

$\frac{{\mathrm{di}}_g\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{E_m\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)-U_{\mathrm{dc}}}{L}<0---\left(9\right)$

因此电流将逐渐反向增大，直到到达C点，各功率器件切换状态，电路恢复正常。

下面分析畸变电流的极值。由式(6)可知在A点之后实际电流与给定电流的差逐渐增加，在0°处i_g的畸变ΔΔi_g达到峰值，其大小由式(8)得：

(10)

由上式可知，电流畸变最大值与逆变器电气参数直接相关。Δi_gmax随I_m^*、L、和ω的增加而增加，随E_m的增加而减小。由此可知，在设计电路参数应在满足滤波指标时尽量减小电感值，可以减小畸变；而在并网电流越大时畸变越大，说明同一系统中并网功率越大畸变越大；电网电压幅值越低、电网角频率越高时畸变越大，因此对于航空、舰船等应用中频电源的场合更容易产生这一问题。

对于电网电压相角在180°附近的情况，如图4所示，在DE段电感经过电网续流，由式(4)可知，DE段的电流变化率的绝对值逐渐变小，说明仍然有一点(对应D点)满足式(6)。在DE区间实际电流将跟随不上给定电流，同样呈现“畸变”特性。根据前述分析求得D点对应的相位角为

进一步求得DE段的电流表达式为：

(11)

下面分析EF段的电流波形。在180°处V₁、V₂切换状态，此时由于i_g＜i_g^*，V₂、V₃导通，则有：

$\frac{{\mathrm{di}}_g\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=E_m\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+U_{\mathrm{dc}}>0---\left(12\right)$

因此电流将逐渐正向增大，直到到达F点，各功率器件切换状态，电路恢复正常。下面分析在此区间畸变电流的极值。由式(11)可知在E点之后实际电流与给定电流的差逐渐增加，在180°处i_g的畸变达到峰值，其大小由式(11)得：

(13)

上式与式(10)具有相同的形式，说明其随参数的变化趋势与在0°处的变化相同。

图5给出了采用现有方案的并网逆变器的工作波形的仿真结果，由图可知，与前述理论分析相一致，也验证了分析过程的正确性。

针对上述原因，由上述分析可知，在整个电网电压周期内，存在两个电流畸变位置，均是由于过零点附近存在一个区间，由于并网电流经过电网电压续流，由于其变化率小于给定电流的变化率而造成了电流波形畸变，且起始畸变位置和畸变峰值与并网逆变器的参数直接相关。

若提前切换V₁、V₂的开关状态(即人为加入超前角)，即在AB段和DE段即进行切换，则对于AB段并网电流的变化率变为式(9)，大于给定电流的变化率，实际电流下降的速度将大于给定电流的速度；而在DE段并网电流的变化率为式(12)，同样大于给定电流的变化率，实际电流上升的速度将大于给定电流的速度，因此在两个过电流附近均可使实际并网电流跟随上给定电流。本发明就是对方向臂的驱动信号进行补偿控制，其调制臂的驱动信号的获取方法与前述相同。

本实施方式提供一种消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置，参见图6所示：

单相并网逆变器包括第一桥臂1、第二桥臂2和电感3，第一桥臂1和第二桥臂2由直流源供电，第一桥臂1和第二桥臂2的直流输出端并联，第一桥臂1的直流输出端通过电感3连接在电网的一端，第二桥臂2的直流输出端与电网的另一端相连，

所述消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置包括并网电流采样模块4、电网电压采样模块5、同步信号产生模块6、角频率计算模块7、相位角及正弦值计算模块8、给定电流瞬时值计算模块9、电流控制模块10、相位差计算模块11和开关信号生成模块12，

并网电流采样模块4采集流经电感3的并网电流，并网电流采样模块4的输出端与电流控制模块10的第一输入端相连；

电网电压采样模块5采集电网电压信号，电网电压采样模块5的第一输出端与相位差计算模块11的电网电压信号输入端相连；

电网电压采样模块5的第二输出端与同步信号产生模块6的输入端相连，同步信号产生模块6的输出端与角频率计算模块7的输入端相连，角频率计算模块7的输出端与相位角及正弦值计算模块8的输入端相连，角频率计算模块7的输出端还与相位差计算模块11的角频率信号输入端相连，

相位角及正弦值计算模块8的输出端与给定电流瞬时值计算模块9的信号输入端相连，给定电流瞬时值计算模块9和相位差计算模块11同时接收给定并网电流的幅值I_m^*，给定电流瞬时值计算模块9的输出端与电流控制模块10的第二输入端，电流控制模块10的输出端与第二桥臂2的控制端相连；

相位角及正弦值计算模块8的输出端还与相位差计算模块11的相位角正弦信号输入端相连，

相位角及正弦值计算模块8的输出端还与开关信号生成模块12的相位角正弦信号输入端相连，

相位差计算模块11的输出端与开关信号生成模块12的相位差信号输入端相连，开关信号生成模块12的输出端与第一桥臂1的控制端相连。

第一桥臂1由第一开关管V₁和第二开关管V₂串联构成，第二桥臂2由第三开关管V₃和第四开关管V₄串联构成。

具体实施方式二：本实施方式是实现具体实施方式一所述的消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变的装置的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、并网电流采样模块4采集并网电流的瞬时值i_g，电网电压采样模块5采集电网电压的瞬时值e，并设置输入信号给定并网电流的幅值I_m^*；

步骤二、由电网电压的瞬时值e获取电网电压的角频率ω、电网电压当前相位角及相位角的正弦值，根据给定并网电流的幅值I_m^*和电网电压当前相位角的正弦值获取给定并网电流的瞬时值i_g^*，所述给定并网电流的瞬时值i_g^*与步骤一采集的并网电流的瞬时值i_g一起输入到电流控制模块10中，生成两路开关信号，作为第二桥臂2的上下两个开关管的控制信号，以实现并网电流的闭环控制；

步骤三、将给定并网电流的幅值I_m^*、电网电压的角频率ω、电网电压当前相位角的正弦值和电网电压的瞬时值e共同输入到相位差计算模块11中，获取相位差；

步骤四、将电网电压当前相位角的正弦值和步骤三获取的相位差共同输入到开关信号生成模块12，生成两路开关信号，作为第一桥臂1的上下两个开关管的控制信号，以实现并网电流的闭环控制，消除单极性控制单相并网逆变器并网电流过零点畸变。

步骤二中获取给定并网电流的瞬时值i_g^*的过程为：

步骤21、电网电压采样模块5采集到的电网电压的瞬时值e通过同步信号产生模块6获得电网电压的0度和180度两个相位；

步骤22、通过角频率计算模块7计算步骤21中所述两个相位的时间差Δt；

步骤23、利用如下公式获得电网电压的角频率ω：

ω＝π/Δt；

步骤24、通过相位角及正弦值计算模块8对步骤23获取的电网电压的角频率ω按如下公式进行处理，以获得电网电压当前相位角

以电网电压的0度为起始时间位置；

步骤25、根据步骤24获得电网电压当前相位角获取电网电压当前相位角的正弦值sinωt；

步骤26、给定电流瞬时值计算模块9接收给定并网电流的幅值I_m^*和步骤25获取的电网电压当前相位角的正弦值sinωt，按下述公式进行处理以获取给定并网电流的瞬时值i_g^*：

i_g^*＝-(I_m^*×sinωt)。

步骤二中电流控制模块10生成两路开关信号的过程为：

步骤27、电流控制模块10接收给定并网电流的瞬时值i_g^*和并网电流的瞬时值i_g；

步骤28、将给定并网电流的瞬时值i_g^*和并网电流的瞬时值i_g相比较，比较结果作为电流控制模块10生成的一路开关信号；

i_g＜i_g^*-Δi，比较结果为低电平，其中Δi为设置的环宽，

i_g＞i_g^*+Δi，比较结果为高电平，

i_g^*-Δi≤i_g≤i_g^*+Δi，则比较结果保持原来的值；

步骤29、将给定并网电流的瞬时值i_g^*和并网电流的瞬时值i_g相比较的结果取反，作为电流控制模块10生成的另一路开关信号。

步骤三中获取相位差的过程为：

步骤31、将给定并网电流的幅值I_m^*、电网电压的角频率ω、电网电压当前相位角的正弦值和电网电压的瞬时值e共同输入到相位差计算模块11中，按如下公式进行处理获取电网电压的幅值E_m：

$E_m=\frac{e}{\sin \mathrm{\omega t}};$

步骤32、按如下公式获取相位差

式中，L是并网逆变器中的滤波电感，为预先的设计值。

步骤四中开关信号生成模块12生成两路开关信号的过程：

步骤41、在开关信号生成模块12中设置方波信号，以电网电压的0度为起始角，其在区间为高电平，在区间为低电平，形成的该路方波信号为开关信号生成模块12生成的一路开关信号；

步骤42、在开关信号生成模块12中设置方波信号，以电网电压的0度为起始角，其在区间为低电平，在区间为高电平，形成的该路方波信号为开关信号生成模块12生成的另一路开关信号。

下面分析具体的工作过程，逆变器的工作波形如图7所示。由图可知，切换后，电流将下降直到到达B′点，此时有i_g＜i_g^*-Δi，V₃导通，V₄关断，并网电流经过电网续流，由于此时电网电压大于零，因此并网电流上升，直到到达C′点，采样时刻到来，此时有i_g＞i_g^*+Δi，V₃关断，V₄导通，并网电流下降，电路恢复正常。对于D点，其工作过程与A点时的相同，仅给出工作波形如图8所示。由图7、图8可知，在两个过零点均实现了电流的快速跟踪。图9、图10分别给出了采用本发明的在两个过零点附近的逆变器工作仿真波形图，图中i_g^*是给定电流值，i_g是采用现有方案的实际电流值，i_g′是采用本发明的实际电流值。由图可知，在过零点附近，通过提前对第一桥臂1的两个开关管的开关状态进行切换，加快了并网电流的变化率，使其能够快速跟踪给定电流，进而消除了并网电流在过零点产生的畸变问题。