适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法及控制数字化的方法 专利技术说明

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法及控制数字化的方法。背景技术：2.在可再生能源发电系统中逆变器是必要设备，会直接影响发电系统的效率和电能质量。在逆变器带非线性负载时，会产生谐波电流，在逆变器输出阻抗上形成谐波电压，从而造成逆变器输出电压中有很高的谐波含量，对供电系统电能质量带来严重的危害。此外，负载突变时，输出电流会产生变化，对控制系统来说是扰动信号，会影响逆变器的输出电压，使用传统的电感电流做电流内环控制难以快速补偿输出电流变化带来的扰动。因此，亟需带负载能力强、可带非线性负载的逆变器控制方法。3.目前，为了解决上述问题，已有多篇学术论文和专利进行研究并提出相应的解决方法，例如：4.封宁波等人在发表的申请号为2013104228205，名称为“一种单相逆变器的控制方法及控制系统”的专利中，改进了传统电压-电流双环控制方法，通过增加逆变器的等效的内阻压降前馈，提高了系统输出电压的动态响应。但在实际应用中逆变器的等效的内阻不易测量，不具有普适性。5.在题为“一种实用前馈在逆变器带非线性负载中的应用”文章中，作者尹球洋等研究了一种适用于逆变器带有非线性负载的前馈控制方法。建立负载电流全前馈传递函数，并考虑因数字控制所带来的1.5拍延迟所带来的影响，从逆变器输出阻抗的角度出发，采用最优近似方法来确定前馈控制参数。在实际应用中由于全前馈函数中含有非线性环节，导致在数字化控制过程中很难实现，只能通过近似方法去解决。6.r.-j.wai等人发表“design of high-performance stand-alone and grid-connected inverter for distributed generation applications”《ieee transactions on industrial electronics》，2013：1542-1555，该文章使用滑模控制策略控制逆变器，逆变器系统具有良好的动态响应性能，但该控制策略对逆变器数学模型的精度要求很高，如果逆变器数学模型的精度不能满足要求，采用该控制方法会影响系统的稳定性。7.为此，急需一种适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法及控制数字化的方法，解决目前可带非线性负载的单相逆变器响应速度慢、带负载能力弱和数字化实现问题。技术实现要素：8.有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法及控制数字化的方法，以解决单相逆变器控制系统响应速度慢、带负载能力弱及实现控制数字化的技术问题。9.本发明适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法，包括：10.对单相逆变器的输出电流、电感电流和输出电压采样，获得输出电流采样值、电感电流采样值和输出电压采样值，输出电压采样值经过输出电压低通滤波器后得到输出电压滤波器输出值，电感电流采样值经过电感电流低通滤波器后得到电感电流滤波器输出值，输出电流采样值经过输出电流低通滤波器后得到输出电流滤波器输出值；11.将给定的参考电压值与所述输出电压滤波器输出值作差得到电压环的输入值，所述电压环的输入值经过准pr控制器后得到电压环输出值；12.将所述输出电流滤波器输出值输入限幅器处理后得到限幅器输出值，将所述电感电流滤波器输出值与限幅器输出值作差得到电流环的反馈值；13.将所述电压环的输出值与所述电流环的反馈值作差得到电流环的输入值，所述电流环的输入值经过pi控制器后得到电流环的输出值；14.将所述输出电压滤波器输出值乘以数字信号处理器增益系数后得到电压前馈值；将所述电流环输出值与所述电压前馈值求和后乘以开关管增益系数，将得到的乘积与输出电压采样值作差得到数字信号处理器输入值；经数字信号处理器脉宽调制后得到正弦脉冲宽度调制信号；15.将所述正弦脉冲宽度调制信号经所述单相逆变器的开关管放大后得到高频直流方波高电压；16.将所述高频直流方波高电压经所述单相逆变器的滤波电感和滤波电容滤波后得到正弦输出电压。17.本发明将前述准pr控制器的控制数字化的方法，包括定义系数：[0018][0019]其中w0为中心角频率，wc为基波角频率，ts为采样时间，kp为比例系数，osgx、osgy和temp为中间系数，b0、b1、b2、a1和a2为离散系数；[0020]定义当前循环次数为i，中间变量w[i]、w[i+1]和w[i+2]均为零，并对准pr控制器的输入数据和输出数据进行如下处理：[0021]步骤s1、中间变量w[i+2]等于准pr控制器的当前输入值x[i]加上a1乘以中间变量w[i+1]再加上a2乘以中间变量w[i]；[0022]步骤s2、准pr控制器的当前输出值y[i]等于b0乘以中间变量w[i+2]加上b1乘以中间变量w[i+1]再加上b2乘以中间变量w[i]；[0023]步骤s3、中间变量w[i]等于中间变量w[i+1]；[0024]步骤s4、中间变量w[i+1]等于中间变量w[i+2]；[0025]步骤s5、循环次数i等于i加1，返回到步骤s1。[0026]本发明的有益效果：[0027]1、本发明适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法，通过引入输出电压前馈，减少电流环调节器跟踪交流信号时存在静态误差的影响，加快了系统响应速度。[0028]2、本发明适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法，通过使用滤波后的带限幅的电容电流作电流内环反馈，可以快速控制电容电流，并且由于电容电流的微分作用，可以提前矫正输出电压，使逆变器有更好的带负载能力，此外，电流限幅器能够限制逆变器的电流，起到保护作用。[0029]3、本发明将准pr控制器的控制数字化的方法，实现了准pr控制的离散化，极大方便了在实际应用中数字化实现准pr控制。[0030]4、本发明适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法及控制数字化的方法，可以在matlab/simulink中直接对所述准pr控制器和pi控制器参数进行调试和研究。附图说明[0031]图1为单相逆变器控制方法系统和算法调试模型图。[0032]图2为单相逆变器系统和控制框图。[0033]图3为等效实现准pr数字化图。[0034]图4为实施例一采用电容电流ic为电流环的反馈值if时单相逆变器输出电压波形图。[0035]图5为实施例一在0.1s附近放大时间轴的输出电压波形图。[0036]图6为本实施例二采用电感电流滤波器输出值il_f为电流环的反馈值if时单相逆变器输出电压波形图。[0037]图7为实施例二在0.1s前后放大时间轴的输出电压波形图。[0038]图8为实施例三带非线性负载时单相逆变器输出电压波形图。[0039]图9为实施例三带非线性负载时单相逆变器输出电流波形图。[0040]图10为实施例三中单相逆变器输出电压的fft分析图。[0041]图11为实施例四带线性并联非线性负载前后单相逆变器输出电压波形图。[0042]图12为实施例四带线性并联非线性负载前后单相逆变器输出电流波形图。具体实施方式[0043]下面结合附图和实施例对本发明进一步描述，但本发明不受实施例的限制。[0044]实施例一：如图2所示，本实施例中所述单相逆变器的结构包括由开关管组成的单相全桥、与单向全桥的交流输出侧连接串联的滤波电感和与单向全桥的交流输出并联的滤波电容，单向全桥的直流输入端与直流源连接，单向全桥的交流输出端与负载连接。[0045]如图2所示，本实施例适用于可带非线性负载的单相逆变器控制方法包括：[0046]对单相逆变器的输出电流、电感电流和输出电压采样，获得输出电流采样值io、电感电流采样值il和输出电压采样值vo，输出电压采样值vo经过输出电压低通滤波器lpf1后得到输出电压滤波器输出值vo_f，电感电流采样值il经过电感电流低通滤波器lpf2后得到电感电流滤波器输出值il_f，输出电流采样值io经过输出电流低通滤波器lpf3后得到输出电流滤波器输出值io_f。[0047]将给定的参考电压值vref与所述输出电压滤波器输出值vo_f作差得到电压环的输入值vin，所述电压环的输入值vin经过准pr控制器后得到电压环输出值vout。[0048]将所述输出电流滤波器输出值io_f输入限幅器处理后得到限幅器输出值io_l，将所述电感电流滤波器输出值il_f与限幅器输出值io_l作差得到电流环的反馈值if。[0049]将所述电压环的输出值vout与所述电流环的反馈值if作差得到电流环的输入值iin，所述电流环的输入值iin经过pi控制器后得到电流环的输出值iout。[0050]将所述输出电压滤波器输出值vo_f乘以数字信号处理器增益系数后得到电压前馈值vf；将所述电流环输出值iout与所述电压前馈值vf求和后乘以开关管增益系数kpwm，将得到的乘积与输出电压采样值vo作差得到数字信号处理器输入值；经数字信号处理器脉宽调制后得到正弦脉冲宽度调制(spwm)信号。[0051]将所述正弦脉冲宽度调制信号经所述单向全桥的开关管放大后得到高频直流方波高电压。[0052]将所述高频直流方波高电压经所述单相逆变器的滤波电感和滤波电容滤波后得到正弦输出电压，即单相逆变器的输出电压。[0053]本实施例中所述参考电压vref为电压峰值120v、频率50hz的正弦信号，所述负载为线性负载，初始为30欧姆电阻，在0.1s时并联一个30欧姆电阻。图4为本实施例采用电感电流滤波器输出值il_f与所述输出电流滤波器输出值io_f经过限幅器后的限幅器输出值作差得到电流值(即电容电流ic)为电流环的反馈值if时单相逆变器输出电压波形图。图5为图4在0.1s前后放大时间轴的输出电压波形图。[0054]将上述实施例中所述准pr控制器的控制数字化的方法，包括定义系数：[0055][0056]其中w0为中心角频率，wc为基波角频率，ts为采样时间，kp为比例系数，osgx、osgy和temp为中间系数，b0、b1、b2、a1和a2为离散系数；[0057]定义当前循环次数为i，中间变量w[i]、w[i+1]和w[i+2]均为零，并对准pr控制器的输入数据和输出数据进行如下处理：[0058]步骤s1、中间变量w[i+2]等于准pr控制器的当前输入值x[i]加上a1乘以中间变量w[i+1]再加上a2乘以中间变量w[i]；[0059]步骤s2、准pr控制器的当前输出值y[i]等于b0乘以中间变量w[i+2]加上b1乘以中间变量w[i+1]再加上b2乘以中间变量w[i]；[0060]步骤s3、中间变量w[i]等于中间变量w[i+1]；[0061]步骤s4、中间变量w[i+1]等于中间变量w[i+2]；[0062]步骤s5、循环次数i等于i加1，返回到步骤s1。[0063]通过上述方法可以简单地实现准pr控制器的数字化，并且便于修改准pr控制器中的kp和kr系数，由此通过准pr控制器的输入值x[i]得到准pr控制器的输出值y[i]。[0064]实施例二：[0065]本实施例与实施例一的区别为：将电流环的反馈值if改为电感电流滤波器输出值il_f。图6为本实施例采用电感电流滤波器输出值il_f为电流环的反馈值if时单相逆变器输出电压波形图。图7为图6在0.1s附近放大时间轴的输出电压波形图。[0066]综合图4、5、6、7可以得出，采用电感电流滤波器输出值il_f为电流环的反馈值if，在负载由轻载切换为重载时，单相逆变器输出电压的调节时间较长，而通过使用滤波后的带限幅的电容电流ic作电流内环反馈值if，在负载由轻载切换为重载时，可以快速控制电容电流，并且由于电容电流的微分作用，可以提前矫正输出电压，单相逆变器输出电压的调节时间非常短，使逆变器有更好的带负载能力，此外，电流限幅器能够限制逆变器的电流，起到保护作用。[0067]实施例三：[0068]本实施例与实施例一的区别为：将线性负载改为非线性负载，非线性负载为单相不控整流电路，单相不控整流电路参数为直流滤波电容50μf、直流滤波电感50μh、直流端负载电阻5欧姆。图8、图9为本发明实施例带非线性负载时单相逆变器输出电压和输出电流波形图。图10为本发明实施例带非线性负载时单相逆变器输出电压的fft分析结果图。[0069]单相逆变器带非线性负载时输出电压与给定参考电压波形重合，fft分析时考虑最大频率为1000hz，输出电压thd值为0.02％，输出电压总谐波失真极低。本发明使用准pr控制可无静态误差跟踪给定参考电压，可抵消逆变器带因非线性负载引起的谐波分量。[0070]实施例四：[0071]本实施例与实施例一的区别为：将线性负载改为初始时初始值为30欧姆电阻负载，在t＝0.1s时，负载端并联接入非线性负载，非线性负载为单相不控整流电路，单相不控整流电路参数为直流滤波电容50μf、直流滤波电感50μh、直流端负载电阻5欧姆。图11、图12为本发明实施例带线性负载并非线性负载前后的单相逆变器输出电压和输出电流波形。[0072]单相逆变器带线性负载和线性负载与非线性负载并联时，输出电压均与给定参考电压波形重合，在并联接入非线性负载时，输出电压几乎没有波动，输出电流平滑，该系统稳定性强、动态调节非常迅速。[0073]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，则均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。









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