專利名稱：實現并網逆變器單位功率因數進網電流和內在反孤島方法
技術領域：
本發明涉及的一種并網逆變器進網電流單位功率因數和內反孤島的控制方法，屬
變換器的控制技術領域。
背景技術：
能源危機和環境惡化使得世界各國積極開發包括光伏、風能等可再生能源。利用 這些能源的分布式發電技術成為全球能源可持續發展戰略的重要組成部分。新能源分布式 發電的一個研究熱點是逆變器并網控制技術。并網逆變器的控制方法可以分為電流型控制 和電壓型控制，目前中小功率單相并網逆變器一般采用電流型控制。電流控制的常用方法 有比例積分控制、滯環控制、無差拍控制和比例諧振控制等，所有這些控制方法都需要采用 鎖相技術為逆變器電流控制環提供跟蹤電網電壓的基準電流相位。由于逆變器電流環控制 器在考慮穩定性下的參數設置存在相位滯后和進網濾波器相位衰減以及信號采樣和計算 延時等的影響，實際的進網電流與電流基準之間存在一定的基波相位差。相關國際標準，如 IEEE15471等，均要求進網功率因數大于0. 999 (即相位差小于2. 6度)，目前對這一問題的 解決方法主要是在數字芯片中調節逆變器電流環基準電流的相位，而這種調節方法屬于開 環調節，其精度不高，且受進網電流大小的影響明顯。因此需要找到一種能有效解決該問題 的方法。 另外，并網逆變器的反孤島措施是保證設備和電網工作人員安全的必要措施，在 現有的孤島檢測技術中多數是以犧牲進網電流質量或損失進網功率等為代價的擾動方法， 且檢測盲區較大。 下垂控制方法源于電力系統中的同步發電機并網理論，可以實現控制參數，如電 壓或頻率，的實時調節。但目前該方法被較多的應用在直流變換器并聯和逆變器并聯控制 技術中，其在電流型控制并網逆變器中的應用還未見報道。
發明內容
本發明的目的是克服上述缺陷，提供一種將鎖相環技術和下垂控制方法相結合的 新型逆變器并網鎖相控制策略。通過實時檢測進網電流與電網電壓的相位差進行下垂計算 從而調整進網電流基準的頻率來跟蹤電壓相位，實現進網電流的單位功率因數。
本發明為實現上述目的，采用如下技術方案 本發明實現并網逆變器單位功率因數進網電流的方法，所述方法如下將進網電 流與電網電壓經過相位差檢測得到相位差，將所述相位差經過頻率下垂計算后得到基準電 流頻率，將所述基準電流頻率與基準電流幅值合成進網基準電流，將所述進網基準電流與 進網電流反饋相減產生電流差經比例積分控制器輸出調節電壓，將所述調節電壓與電網電 壓前饋量相加得到調制波，將調制波經放大電路后與電網電壓之差作用在進網濾波器上產 生進網電流。 實現并網逆變器單位功率因數內在反孤島方法，所述頻率下垂計算的頻率輸出量為實時計算進網電流和電網電壓的相位差并與下垂系數相乘得到頻率變化量，再用頻率下 垂算法的前次頻率輸出量減去該頻率變化量從而得到新的頻率下垂算法的輸出量；當并網 逆變器進入孤島狀態后，頻率下垂計算使得進網基準電流頻率正反饋加速了基準頻率的持 續減少或增加而使得逆變器發生欠頻或過頻，從而實現孤島保護。 本發明使得進網電流與電網電壓的相位差為零，并可以實現并網逆變器的頻率漂 移正反饋的反孤島措施。
圖1是本發明控制方法的控制框圖和功率電路，(a)基于頻率下垂的進網電流相 位控制框圖；(b)單相全橋并網逆變器主電路； 圖2是傳統進網電流相位控制方式下進網電流與電網電壓相位差與電路參數和 控制器參數的關系曲線，(a)相位差隨電感變化曲線；(b)相位差隨比例系數變化曲線；(C) 相位差隨電流環積分系數變化曲線； 圖3是本發明的進網電流相位控制策略與傳統相位控制策略的對比，(a)采用傳 統鎖相方法時入網電流與電網電壓波形；(b)本發明下電網電壓與進網電流波形；
圖4是本發明的頻率下垂控制方法在孤島狀態的運行波形圖，^時刻電網掉電，并 網逆變器進入孤島運行狀態，t2時刻檢測出欠頻，完成孤島檢測保護。 上述附圖的主要符號及標號名稱UD——逆變器輸入電壓A S4——功率開關 管；Ug——電網電壓；1^丄2——進網濾波電感；i。——進網電流；11。——逆變器輸出電壓(濾 波電感外側電網端)；9 一一進網電流與電網電壓的相位差；"——進網電流基準角頻率； I。*——進網基準電流幅值；i。*——進網基準電流；Kp——比例放大系數&——積分系數； KPWM~逆變橋放大倍數；KN——電網電壓前饋放大系數；llinv——逆變橋中點輸出電壓； 化——濾波電感電壓。
具體實施例方式
下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明 附圖1描述了本發明的相位控制框圖和實施的主電路，由相位差檢測、頻率下垂 計算、基準電流生成、電網電壓前饋和比例積分控制器組成。 進網基準電流i。從鎖相環PLL獲得相位基準。 如式(1)所示。
0 =
Kf耐^ S + Kp瞎A
to
在&= 1/K^時，其閉環傳遞函數
(1)
進網基波電流與基準電流的相位差為
w "層、
P駆
AS^匿A:,十尺尸,夂
(2) 從(2)式可以看出，影響相位差的參數有3個
電網電壓相位差與電路參數和控制器參數的關系曲線。
感值的變化曲線，可以看出，隨著濾波電感感值的增加，相位差逐漸增加；附圖2(b)給出了
L， kp和ki，附圖2是為進網電流與 附圖2(a)給出了相位差隨濾波電相位差隨電流環比例系數變化時的曲線，可以看出，隨比例系數的增加，相位差先增加后減 小；附圖2(c)中，相位差隨積分系數的增加而減小。為了保證較為純凈的進網電流，濾波電 感感值不能太小；在一定電流跟蹤精度的前提下又需要保證系統穩定，電流環的比例系數 和積分系數不宜取太大。因此，從理論上來講，不附加額外的相位補償裝置，進網電流與電 網電壓的相位差不可避免，如果再考慮電網電壓相位檢測環節的延時，相位差就相當可觀 了。 本發明基于下垂特性軟件鎖相環的并網逆變器控制策略中的鎖相環為具有下垂 特征的鎖相環，其輸出頻率受并網逆變器進網電流與電網電壓的相位差控制。每個工頻周 期得到進網電流與電網電壓的相位的差值e ，同時檢測出電網角頻率"。，逆變器下一周期 基準電流的頻率由式(3)確定。
co (k) = " (k-l)-ku 9 (3) 如果檢測出電網電壓相位超前，S卩e為負值，通過下垂計算公式，得到下一周期
的基準電流的頻率大于電網電壓的頻率，那么在下一個周期的時間內，它們之間的相位差
就會縮小，經過若干個工頻周期，最終它們之間的相位差等于o;同理可以說明e為正值時 的情況。 本發明的一個具體實例如下輸入電壓U。 = 400V、電網電壓U^d = 240VRMS、電網 頻率fgw = 50Hz、額定功率PN = lkW ;濾波電感k = L2 = 5mH ;開關頻率f = 10kHz ;KP = 1;Ki = 1000 ;K。 =50。附圖3 4為該實例的具體波形圖，其中，附圖3是本發明的進網 電流與電網電壓相位差與傳統控制方式下進網電流與電網電壓相位差的對比；附圖4是本 發明在孤島狀態的運行波形圖。
權利要求
一種實現并網逆變器單位功率因數進網電流的方法，其特征在于所述方法如下將進網電流與電網電壓經過相位差檢測得到相位差，將所述相位差經過頻率下垂計算后得到基準電流頻率，將所述基準電流頻率與基準電流幅值合成進網基準電流，將所述進網基準電流與進網電流反饋相減產生電流差經比例積分控制器輸出調節電壓，將所述調節電壓與電網電壓前饋量相加得到調制波，將調制波經放大電路后與電網電壓之差作用在進網濾波器上產生進網電流。
2. —種實現并網逆變器單位功率因數內在反孤島方法，其特征在于所述頻率下垂計算 的頻率輸出量為實時計算進網電流和電網電壓的相位差并與下垂系數相乘得到頻率變化 量，再用頻率下垂算法的前次頻率輸出量減去該頻率變化量從而得到新的頻率下垂算法的 輸出量；當并網逆變器進入孤島狀態后，頻率下垂計算使得進網基準電流頻率正反饋加速 了基準頻率的持續減少或增加而使得逆變器發生欠頻或過頻，從而實現孤島保護。
全文摘要
本發明公布了一種實現并網逆變器單位功率因數進網電流和內在反孤島方法，屬變換器的控制技術。其組成包括相位差檢測、頻率下垂計算、基準電流生成、電網電壓前饋和比例積分控制器。頻率下垂算法為實時計算進網電流和電網電壓的相位差并與下垂系數相乘得到頻率變化量，再用頻率下垂算法的前次頻率輸出量減去該頻率變化量從而得到新的頻率下垂算法的輸出量。本發明實現并網逆變器進網電流的相位控制，實現單位功率因數的進網電流，同時可以內在的實現并網逆變器的頻率漂移正反饋的反孤島措施。是一種簡單有效的實現方式。
文檔編號H02J3/38GK101741101SQ20101010090
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者羅運虎, 肖華鋒, 謝少軍, 闞加榮 申請人:南京航空航天大學