一种采用混合控制的电容电压前馈控制方法

1.本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种采用混合控制的电容电压前馈控制方法。


背景技术：

2.随着碳达峰碳中和目标的正式落地，新能源建设掀起了新高潮，新能源并网核心装置为并网逆变器，并网逆变器是一种特殊的逆变器，除了可以将直流电转换给交流电外，其输出的交流电可以和市电的频率及相位同步，因此输出的交流电可以回到市电，并网逆变器常用在一些直流电压源(如太阳能板或是小型风力发电机)和电网连接的应用中。
3.由于电网电压的背景谐波，作为新能源并网核心装置的并网逆变器输出电能质量有所减弱。为解决这一问题，有两种基本的方法：1)提高并网电流环的环路增益；2)采用电网电压前馈控制。
4.提高并网电流环的环路增益有采用多谐振调节器或重复控制器的方法，但是采用多谐振调节器方法会影响系统的环路增益，可能导致系统不稳定；重复控制的不足是并网逆变器的动态性能较差。如果将电网电压采样，并通过合适的传递函数叠加到并网逆变器的调制波vm中，与电网电压对并网电流产生的影响进行对消，同样可以实现并网电流谐波分量的抑制，该方法即为电网电压前馈控制策略。通常引入电网电压全前馈技术来实现并网电能质量改善。
5.专利号为cn112398319a的中国专利公开了一种抑制电网谐波电压引起的逆变器电流谐波的前馈策略，建立带电网电压前馈控制的并网逆变器系统等效模型，根据系统模型得到其网侧电流和电网电压之间的函数关系式，利用网侧电流和电网电压之间的函数关系式建立系统电网电压全前馈模块，实现电网电压影响的消除，在不降低前馈控制结构对电网谐波抑制效果的情况下，采用pad
é
近似理论对电网电压全前馈模块进行优化，比较分析电网电压全前馈模块不同pad
é
近似式对电压谐波的抑制性能，得到最优的前馈控制模块。该前馈策略采用pad
é
近似改进电网电压前馈控制，对电网背景谐波电压具有很好的抑制作用。
6.但由于上述专利公开的电网电压无法直接测量，因此，在lcl型并网逆变器中引入了电容电压全前馈技术来实现电网电压全前馈的功能。随着新能源发电的渗透率不断提高，研究发现电容电压全前馈可能会在并网逆变器输出阻抗低频段引入负阻进而存在稳定性问题。
7.因此，需要一种既能实现并网电能质量改善又能保证逆变器稳定性的前馈方法。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种采用混合控制的电容电压前馈控制方法，该控制方法在保证并网逆变器稳定性的基础上实现了并网电能质量改善。
9.一种采用混合控制的电容电压前馈控制方法，常用于并网逆变器控制中，控制部
分包括pwm模块，数字控制的电流调节器和模拟控制的电容电压前馈环节；
10.控制方法：采并网电流与参考值作差经过电流调节器得到数字控制部分的调制波，此部分在dsp上完成；同时采输出滤波器电容电压经过由比例环节和二阶微分环节构成的前馈项生成前馈项的调制波，此部分在模拟电路上完成，随后利用载波反相方法将上述两部分得到的调制波叠加并生成对应的驱动信号实现对并网逆变器的控制。
11.数字控制环节生成的调制波与模拟控制环节生成的调制波在进行脉宽调制时采用的三角载波相位相反，将分别得到的驱动信号相加并利用反相环节得到最终混合控制的开关管驱动信号。
12.模拟控制的电容电压前馈环节与数字控制的电流调节器的三角载波相位相反，与各自调制波比较后将各自的pwm使能信号相加得到合成的使能信号，随后通过反相环节输出各个开关管的使能信号。利用载波反相的形式实现驱动信号叠加方法有利于扩大占空比利用率，这个也是混合控制的重要步骤。
13.所述并网逆变器包括四个相互电学连接的开关管s
1-s4，用于将输入的直流电压逆变为交流电压。
14.所述电流调节器为pr或pi调节器。
15.将所述电流调节器产生的调制波和三角载波进行比较得到数字控制环节生成的驱动信号。
16.所述电容电压前馈环节g
ff
(s)的数学模型为：
[0017][0018]
其中，l1为采用lcl滤波器时逆变器侧滤波电感，c为采用lcl滤波器时滤波电容，k
pwm
为pwm增益环节，s为复参变量。
[0019]
所述电容电压前馈环节包括比例环节，二阶微分环节和加法环节，其中，输出滤波器电容电压输入比例环节得到比例信号，输出滤波器电容电压输入二阶微分环节得到二阶微分信号，将比例信号和二阶微分信号通过加法环节得到电容电压前馈环节的调制波，将电容电压前馈环节的调制波和三角载波进行比较得到前馈环节生成的驱动信号。
[0020]
所述比例环节由四个电阻与一个运算放大器组成的典型比例环节模拟电路。
[0021]
所述二阶微分环节由于两个运算放大器加上六个电阻与两个电容以级联形式组成的二阶微分环节模拟电路。
[0022]
所述加法环节由一个运算放大器和4个电阻组成。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0024]
(1)电网电压背景次谐波导致并网电流畸变，电能质量下降，本发明通过电容电压前馈消除电网电压背景次谐波对并联电流的影响进而实现电能质量改善。
[0025]
(2)数字控制的问题在于引入了延时环节，延时环节的引入会带来稳定性问题，因此，本发明将电容电压反馈以模拟控制形式引入，其不存在延时环节进而避免了逆变器潜在的稳定性问题。
附图说明
[0026]
图1为具体实施方式提供的单相lcl型并网逆变器拓扑图。
[0027]
图2为具体实施方式提供的采用电容电压前馈的单相lcl型并网逆变器控制框图。
[0028]
图3为具体实施方式提供的模拟控制的电容电压前馈环节模拟电路图。
[0029]
图4为具体实施方式提供的结合载波移相的混合控制合成pwm方法示意图。
具体实施方式
[0030]
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0031]
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0032]
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
[0033]
针对以图1为例的单相lcl型并网逆变器拓扑，直流输入电压源v
in
经过lcl型并网逆变器接入电网。并网逆变器包括四个相互电学连接的开关管s
1-s4，用于将输入的直流电压逆变为交流电压。
[0034]
如图2所示，控制部分包括pwm模块，数字控制的电流调节器和模拟控制的电容电压前馈环节；
[0035]
控制方法：在dsp上采集并网电流与参考值作差经过电流调节器得到数字控制部分的调制波；同时在模拟电路上采集输出滤波器电容电压经过由比例环节和二阶微分环节构成的前馈项生成前馈项的调制波，随后利用载波反相方法将数字控制部分的调制波和前馈项生成前馈项的调制波叠加并生成对应的驱动信号实现对并网逆变器的控制。
[0036]
图2中，i
ref
(s)为并网电流参考值；gi(s)为电流调节器，通常为pr或pi调节器；e-1.5sts
为数字控制引入的1.5拍延时表达式，k
pwm
为pwm增益环节，其值为直流输入电压与三角载波幅值之比；g
ff
为电容电压前馈项，用来实现并网电流质量改善；h
i2
为并网电流反馈系数；i
g(s)
为并网电流；v
g(s)
为电网电压；1/sl1为逆变器侧电感导纳表达式；1/sc为滤波电容阻抗表达式；1/sl2为电网侧电感导纳表达式；v
e1
为数字控制产生的调制波；v
e2
为模拟控制部分产生的调制波。
[0037]
与常规电容电压前馈方式不同，本发明将电容电压前馈以模拟方式引入，其具体模拟实现电路如图3所示，vc输入比例环节得到比例信号，vc输入二阶微分环节得到微分信号，将比例信号和微分信号通过加法环节得到电容电压前馈环节的调制波，将电容电压前馈环节的调制波和三角载波进行比较得到前馈环节生成的驱动信号。其中，电容电压前馈中的比例环节由电阻和运算放大器组成的典型比例环节模拟电路；二阶微分环节由两个运算放大器加上六个电阻与两个电容组成的二阶微分环节模拟电路；随后将这两项通过由一个运算放大器和4个电阻组成的加法环节进行相加，得到模拟控制部分产生的调制波v
e2
。
[0038]
在获得调制波后，通过图4环节进行pwm驱动信号生成，v
trid
为数字控制部分的三角载波，v
tria
为模拟控制部分的三角载波，s
3d
为开关管s3数字控制部分产生的驱动信号，s
1d
为开关管s1数字控制部分产生的驱动信号，s
3a
为开关管s3模拟控制部分产生的驱动信号，s1a
为开关管s1模拟控制部分产生的驱动信号，v
dc
为直流侧电压，即图1中的v
in
。其中，模拟控制部分的三角载波与数字控制部分的三角载波幅值相同，相位相反。将电容电压前馈环节的调制波和三角载波进行比较得到前馈环节生成的驱动信号，电流调节器产生的调制波和三角载波进行比较得到数字控制环节生成的驱动信号，前馈环节生成的驱动信号和数字控制环节生成的驱动信号分别对应开关管s1与s3的驱动信号，将其相加即为两管总的合成驱动信号，考虑到上下桥臂互补导通，通过反相环节即可获得开关管s2与s4的驱动信号，上述操作可通过驱动芯片uc3525实现。
[0039]
本发明有助于在保证并网电流质量的情况下提高并网逆变器稳定性，具有较大的工程应用价值和推广前景。
[0040]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0041]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置
[0042]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0043]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。