单相并网逆变器的定频滞环电流控制

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单相并网逆变器的定频滞环电流控制・77・

单相并网逆变器的定频滞环电流控制

邹　晓,易灵芝,张明和,何素芬,谢高生

(湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭　411105)

摘要:提出一种用于分布式发电系统与公用电网并网的单相逆变器定频滞环电流控制新方法,该方法在对前一周期的电流

误差进行采样的基础上,利用最小二乘算法估计下一周期电流误差的变化趋势,然后控制下一周期电流误差以实现定频滞环电流跟踪,改善输出电流波形,提高控制精度。利用Matlab进行建模,仿真结果证明了该方法有非常快的响应速度,可使输出电流与电网电压同频同相,向电网输出高质量的电能。关键词:单相并网逆变器;定频滞环控制;最小二乘算法中图分类号:TM4　　文献标识码:A　　文章编号:1000-8829(2008)07-0077-03

Constant2FrequencyHysteresisCurrentControlofSingle

PhaseGrid2ConnectedInverterZOUXiao,YILing2zhi,ZHANGMing2he,HESu2fen,LIMing

(CollegeofInformationEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,China)

Abstract:Anewconstant2frequencyhysteresiscurrentcontrolmethodforsinglephasegrid2connectedinverterisproposed.Basedonsamplingthelastcycleofcurrenterror,thetrendofnextcycleofcurrenterrorbyleast2squaresalgorithmisestimated,andthenextcycleofcurrenterrortotrackreferencecurrentiscontrolled.Then,switchingfrequencyiscorrectedtotargetvalue,theoutputcur2rentwaveformisimproved,andthecontrolaccuracyisimproved.Atlast,rebuildingsimulationmodelbyMatlab,thesimulationre2sultindicatesthatveryfastoutputtransientresponsecanbeachieved.Theoutputcurrenthasthesamefrequencyandphaseasutilitygrid,witharesultofexportinghighqualitypowerenergytothegrid.

Keywords:singlephasegrid2connectedinverter;constant2frequencyhysteresiscurrentcontrol;least2squaresalgorithm

　　光伏发电、燃料电池等分布式电源系统被认为是将来最有

大规模开发和利用价值的电能来源[1,2],要将它们输出的直流电能输入到220V交流电网中,需要一个与电网连接的接口,即并网逆变器来实现。

目前单相并网逆变器的控制方案中,滞环电流控制技术是应用最经常、最广泛的一种控制方法[3]。与其他控制方法相比,它具有实现简单、动态响应快、对负载参数变化不敏感、电流跟踪误差小等优点,其主要不足是开关频率随电流变化率变化而波动,造成网侧滤波电感设计困难,功率模块应力及开关损耗增大[4]。针对这些缺点,许多定频策略被提出。但传统的定频策略大都采用一个闭环锁相电路来实现[4],难于数字化。本研究提出一种新型的可利用数字控制器实现的定频算法。该方法通过对前一周期电流误差进行采样,利用最小二乘算法分别获得前一周期电流误差在上升段和下降段的二次逼近式,然后根据该式预测下一周期电流误差的变化趋势,据此对下一周期电

收稿日期:2007-12-24

基金项目:湘潭大学第3批大学生创新基金研究项目“基于SVPWM的光伏并网逆变器控制策略的研究”

作者简介:邹晓(1982—),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向为光伏并网系统控制研究;易灵芝(1966—),女,湖南宁乡人,教授,硕士生导师,主要研究方向为计算机测控技术、交流调速与电力电子装置;张明和(1981—),男,河南信阳人,硕士研究生,主要研究方向为光伏并网系统控制研究。

流误差进行控制,实现定频滞环电流跟踪。最后,利用Matlab

进行建模,仿真结果证明了该方法在实现开关频率恒定的同时,可使输出电流准确、迅速地跟踪电网电压,与电网电压同频同相,向电网输出高质量的电能。

1　单相并网逆变器的定频滞环电流控制

1.1　滞环电流控制

单相电压源逆变器主电路及其滞环电流控制器见图1[5]。

图1　单相电压源并网逆变器及其滞环电流控制器

由图1可得系统电路方程为

diL=u-edt

(1)

・78・

式中,i、u分别为逆变器输出电流和输出电压;e为电网电压;且对u有

u=-Ud《测控技术》2008年第27卷第7期

　　对误差变化率曲线积分

2Ud　　上桥臂开关导通,即s=1

(2)

kTt

∫Δiddt=dt

kTt

(2at+a)dt　(kT2

(9)

　　下桥臂开关导通,即s=0

∫Δiddt=dt

(2bt+b)dt　(t∫

式中,Ud是直流侧电压;s是开关函数。

滞环控制原理是当逆变器输出电流i超过滞环上限(i3+h)时,滞环输出s=0,下桥臂开关导通,逆变器输出电压u=-Ud/2,由式(1)可知逆变器输出电流i将减小;同理,当电流i小于滞环下限(i3-h)时,s=1,上桥开关臂导通,逆变器输出电压u=Ud/2,电流i将上升。总之,只要直流侧电压源电压满足式

(3),则逆变器输出电流i便可按给定精度跟踪参考电流i

Ud≥2×

22E+(I×L×w)

即

Δi(t)=a2t2+a1t-a2(kT)2-a1(kT)+Δi(kT)

(kTΔi(t)=b2t2+b1t-b2t22-b1t2+Δi(t2)

(t2(10)

3[4]

。

(3)

式中,E、w分别是电网电压的幅值和角频率;I是参考电流的幅

值。1.2　滞环定频算法

单相滞环控制器在相邻两个开关周期内的电流误差变化率见图2。图中T表示开关周期。式中,Δi(kT)是当t=kT时,电流误差的值,该值可通过对前一周期的电流误差采样获得。最后,令

Δi(t2)+Δi((k+1)T)=0(11)

　　将式(10)代入式(11)中得

t2=

-m1+

m1-4m2m02

2m2

(12)

Δi(kT)-2a2(kT)2-式中,m2=2a2-b2,m1=2a1-b1,m0=2

2a1(kT)+b2((k+1)T)+b1(k+1)T。

(上接第73页)

图2　电流误差变化率

首先,将电流误差在每一个周期的上升段和下降段分别用

二次曲线来逼近,即对于第(k-1)个周期有

y=a2t+a1t+a0=hA　　(k-1)T(4)

()y=b2t+b1t+b0=hB　　t1bi(i=0、1、2)通过分别对第(k-1)个周期的电流误差进行采样,利用最小二乘算法求解。

设在第(k-1)个周期上升段采得(t0,Δi0),(t1,Δi1),(t2,Δi2),…,(tn-1,Δin-1)共n个样本点。结合式(4)有

(5)Y=HA

TTTTT

式中,Y=[y0,y1,y2,…,yn-1]T,H=[h0,h1,h2,…,hn-1],电流误差最佳平方逼近的误差函数为[6]

J(A)=(Z-HA)(Z-HA)

式中,Z=[Δi0,Δi1,Δi2,…,Δin-1]T。

当J(A)取得极小值时,可得

A=(HH)

-1

图5　双端输入的差分放大电路

4　结束语

从以上分析可以看出,差分放大电路的设计并不是差分放大器的简单应用,阻抗变换的充分考虑是差分信号稳定、提高信

噪比的关键一环。笔者从事多个项目的实践证明,上述提到的阻抗变换方法在高速长距离传输信号的处理中取得了良好的效果,因此对差分放大电路的具体设计具有借鉴作用。参考文献:

(6)

THY)

(7)

[1]　(美)赛尔吉欧・佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路

　　同理可求得B。

然后,将两个相邻周期的电流误差变化趋势看作相同,即对于第k个周期有

Δid=2a2t+a1　　　(kT(8)

Δdi

=2b2t+b1　　　(t2设计[M].刘树棠,等译.西安:西安交通大学出版社,2004.

[2]　(美)PaulHorowitz,WinfieldHill.电子学[M].吴利民,等译.北京:

电子工业出版社,2005.

[3]　(日)冈村迪夫.OP放大电路设计[M].王玲,等译.北京:科学出

版社,2005.

[4]　(美)HowadJohnson,MartinGraham.高速数字设计[M].沈立,等

译.北京:电子工业出版社,2005.□

单相并网逆变器的定频滞环电流控制

综上所述,在每一个整数倍开关周期时刻,通过对前一周期电流误差的采样,预测出下一周期电流误差的变化趋势,并计算出下一周期内开关切换时刻t2,同时导通图1中的上桥臂开关,增大输出电流,使电流误差回归到零值。在t2时刻,导通图1中的下桥臂开关,减少输出电流,使电流误差回归到零值,这样就可以保证输出电流准确、迅速地跟踪参考电流。由于是在一个给定的周期内完成一次桥臂开关的导通与断开,因此可以实现开关频率的恒定。

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2　仿真实验

SimPowerSystems工具箱中提供了专门用于电气控制系统

图5　输出电流的频谱分析

的各种模型,大大简化了复杂电路建模。

Matlab还提供了一种非常强大的函数:S2函数,它是扩展Simulink功能的有力工具。S2函数实质上是具有特殊调用格式的Matlab函数,它使用特定的语法使动态系统具有交互功能,以连续、离散或连续离散混合方式最大程度地使自身与系统相适应,表征系统动态特性[7,8]。在S2函数的对应接口中填入相应的定频滞环电流控制代码,可很方便地将算法与电路仿真模型结合起来。

图3是单相逆变电路的仿真模型,仿真参数见表1。

3　结束语

笔者提出了一种用于单相并网逆变器的新型的定频滞环电流控制算法,在保持传统滞环电流控制优点的同时实现了开关频率的恒定。仿真结果表明,该算法在稳定开关频率的同时,可使输出电流准确、迅速地跟踪电网电压,实现单位功率因素并网。参考文献:[1]　赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,袁立强.太阳能光伏发电及其应用[M].

北京:科学出版社,2005.[2]　李俊峰,时丽,马玲娟,等.国内外可再生能源发展综述[J].国际

石油经济,2006,(2):35-37.[3]　殷洪亮,吕建.浅析太阳电池并网发电技术[J].中国建设动态:阳

光能源,2006,(1):57-59.[4]　张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,

2003.

[5]　王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.[6]　方崇智,萧德云.过程辨识[M].北京:清华大学出版社,1988.[7]　黄文俊,余晓建,沈永林.单相并网逆变器的Deadbeat控制[J].

电力电子技术,2007,41(2):10-12.[8]　李国勇,谢克明.控制系统数字仿真与CAD[M].北京:电子工业

图3　单相并网系统仿真模型表1　单相并网系统仿真参数

仿真参数

直流电源电压Ud

电感L开关频率

数据

300V0.09H5000Hz

仿真参数采样频率仿真步长

数据

100kHz1μs

出版社,2003.□

(上接第76页)

　　图4给出了单相并网逆变器输出电流的跟踪效果。图中e为电网电压,在[0,0.02s]内,电网电压e的幅值为50V,频率为50Hz;在[0.02s,0.04s]内,e的幅值为60V,频率为50Hz;在[0.04s,0.06s]内,e的幅值为60V,频率为60Hz。在电网频率波动时,本控制方法能快速准确地跟踪e,且i始终保持与e同频同相。

参考文献:

[1]　徐科军,汪安民.基于小波变换的涡街流量计信号处理方法[J].

仪器仪表学报,2001,22(6):636-639.[2]　冯象初,等.数值泛函与小波理论[M].西安:西安电子科技大学出

版社,2003.[3]　孙延奎.小波分析及其应用[M].北京:机械工业出版社,2005.[4]　DaubechiesI.Orthonormalbasesofcompactlysupportedwavelets[J].

CommunicationsonPureandAppliedMathematics,1988,41(7):909-996.

[5]　GhaoudTandClarkeDW.Modellingandtrackingavortexflow2meter

signal[J].FlowMeasurementandInstrumentation,2002,13(3):103-117.

[6]　Amadi2EchenduJE,ZhuHJ,HighamEH.Analysisofsignalsfromvor2

texflowmeter.FlowMeasurementandInstrumentation,1993,4(4):225

-231.

[7]　徐科军,陈智渊.一种涡街流量计数字信号处理方法研究和系统设计[J].电子测量与仪器学报,2005,19(4):91-94.

图4　输出电流的跟踪效果

[8]　徐科军.信号分析与处理[M].北京:清华大学出版社,2006.[9]　杨福生.小波变换的工程分析与应用[M].北京:科学出版社,

1999.

[10]　吕新华,王海峰.一种改进的小波阈值降噪方法及Matlab实现

[J].微计算机信息,2006,22(2):259-261.

图5给出了图4中输出电流在第2个周期的频谱分析,输

出电流的谐波总畸变率为1.75%,且谐波主要集中在开关频率附近,成功实现了开关频率的恒定。

□

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