專利名稱：消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置及 方法，屬于電能變換領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當今社會，能源問題日益突出，以可再生能源發(fā)電為代表的分布式并網(wǎng)發(fā)電的形 式成為解決這一問題的有效手段。為避免分布式發(fā)電源并入公共電網(wǎng)后對公共電網(wǎng)造成諧 波和無功污染，要求發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器具有優(yōu)良的控制性能。由此，并網(wǎng)逆變器控制性 能的提高受到廣泛重視。為獲得清潔高效的并網(wǎng)性能，需要對并網(wǎng)電流的相位和波形同時 進行精確控制。而在戶用領(lǐng)域，通常采用單相結(jié)構(gòu)，其電流的交流特性使實現(xiàn)優(yōu)良的波形控 制具有較大難度，傳統(tǒng)的比例積分控制方案無法滿足控制要求。在用于單相并網(wǎng)電流的幾種控制策略中，電流滯環(huán)控制具有電流響應(yīng)快、跟蹤精 度高、無瞬態(tài)電流過沖等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。而從獲得開關(guān)信號的調(diào)制方式上又分為 雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制兩種，單極性調(diào)制由于有一個橋臂的開關(guān)頻率與電網(wǎng)頻率相同， 因此可大幅減小開關(guān)損耗，另外，在相同環(huán)寬和濾波參數(shù)的前提下，其高頻臂的平均開關(guān)頻 率也要小于雙極性調(diào)制的情況，可進一步降低開關(guān)損耗。但是在實際應(yīng)用系統(tǒng)中出現(xiàn)了過 零點畸變的情況。尤其是在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電源的發(fā)電功率波動范圍較大 (在1 5左右)，濾波電感的選值應(yīng)充分考慮在較寬輸出功率范圍內(nèi)均能滿足諧波和動態(tài) 響應(yīng)指標，因此電感值均選取的比較大，在這種系統(tǒng)中，在輸出功率較大時電流畸變現(xiàn)象變 得愈加明顯。這一問題增加了輸出電流的低頻諧波和系統(tǒng)噪聲，造成系統(tǒng)性能下降，但目前 尚未有實用化的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有單極性控制單相并網(wǎng)逆變器存在并網(wǎng)電流過零點畸 變的問題，提供了一種消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置及方 法。本發(fā)明所述的一種消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝 置單相并網(wǎng)逆變器包括第一橋臂、第二橋臂和電感，第一橋臂和第二橋臂由直流源 供電，第一橋臂和第二橋臂并聯(lián)在直流供電電源的輸出端，第一橋臂的直流輸出端通過電 感連接在電網(wǎng)的一端，第二橋臂的直流輸出端與電網(wǎng)的另一端相連，所述消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置包括并網(wǎng)電流 采樣模塊、電網(wǎng)電壓采樣模塊、同步信號產(chǎn)生模塊、角頻率計算模塊、相位角及正弦值計算 模塊、給定電流瞬時值計算模塊、電流控制模塊、相位差計算模塊和開關(guān)信號生成模塊，并網(wǎng)電流采樣模塊采集流經(jīng)電感的并網(wǎng)電流，并網(wǎng)電流采樣模塊的輸出端與電流控制模塊的第一輸入端相連；電網(wǎng)電壓采樣模塊采集電網(wǎng)電壓信號，電網(wǎng)電壓采樣模塊的第一輸出端與相位差 計算模塊的電網(wǎng)電壓信號輸入端相連；電網(wǎng)電壓采樣模塊的第二輸出端與同步信號產(chǎn)生模塊的輸入端相連，同步信號產(chǎn) 生模塊的同步信號輸出端與角頻率計算模塊的輸入端相連，角頻率計算模塊的角頻率信號 輸出端與相位角及正弦值計算模塊的輸入端相連，角頻率計算模塊的角頻率信號輸出端還 與相位差計算模塊的角頻率信號輸入端相連，相位角及正弦值計算模塊的相位角的正弦值輸出端與給定電流瞬時值計算模塊 的信號輸入端相連，給定電流瞬時值計算模塊和相位差計算模塊同時接收給定并網(wǎng)電流的 幅值ΙΛ給定電流瞬時值計算模塊的給定電流信號輸出端與電流控制模塊的第二輸入端， 電流控制模塊的輸出端與第二橋臂的控制端相連；相位角及正弦值計算模塊的相位角的正弦值輸出端還與相位差計算模塊的相位 角正弦信號輸入端相連，相位角及正弦值計算模塊的相位角的正弦值輸出端還與開關(guān)信號生成模塊的相 位角正弦信號輸入端相連，相位差計算模塊的輸出端與開關(guān)信號生成模塊的相位差信號輸入端相連，開關(guān)信 號生成模塊的輸出端與第一橋臂的控制端相連。基于上述消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置的方法包 括以下步驟步驟一、并網(wǎng)電流采樣模塊采集并網(wǎng)電流的瞬時值ig，電網(wǎng)電壓采樣模塊采集電 網(wǎng)電壓的瞬時值e，并設(shè)置輸入信號給定并網(wǎng)電流的幅值InT ；步驟二、由電網(wǎng)電壓的瞬時值e獲取電網(wǎng)電壓的角頻率ω、電網(wǎng)電壓當前相位角 及相位角的正弦值，根據(jù)給定并網(wǎng)電流的幅值I1；和電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值獲取給 定并網(wǎng)電流的瞬時值i/，所述給定并網(wǎng)電流的瞬時值i/與步驟一采集的并網(wǎng)電流的瞬時 值、一起輸入到電流控制模塊中，生成兩路開關(guān)信號，作為第二橋臂的上下兩個開關(guān)管的 控制信號，以實現(xiàn)并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制；步驟三、將給定并網(wǎng)電流的幅值ΙΛ電網(wǎng)電壓的角頻率ω、電網(wǎng)電壓當前相位角 的正弦值和電網(wǎng)電壓的瞬時值e共同輸入到相位差計算模塊中，獲取相位差；步驟四、將電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值和步驟三獲取的相位差共同輸入到開關(guān) 信號生成模塊，生成兩路開關(guān)信號，作為第一橋臂的上下兩個開關(guān)管的控制信號，以實現(xiàn)并 網(wǎng)電流的閉環(huán)控制，消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明通過對并網(wǎng)逆變器中全橋逆變器的方向臂的控制信號進行 相位補償，使并網(wǎng)電流在發(fā)生畸變時改變電流流通路徑，進而消除了傳統(tǒng)控制方法中存在 的并網(wǎng)電流在過零點附近產(chǎn)生的波形畸變問題。本發(fā)明只需額外計算超前相位補償角，具 有算法相對簡單、易于數(shù)字化實現(xiàn)的優(yōu)點。


圖1是現(xiàn)有方案的控制原理圖；圖2是單極性電流滯環(huán)控制方法的示意圖3是由正變負經(jīng)過過零點附近逆變器工作波形圖；圖4是由負變正經(jīng)過過零點附近逆變器工作波形圖；圖5是現(xiàn)有方案的逆變器工作仿真波形圖；圖6是本發(fā)明控制方法的控制結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是由正變負經(jīng)過過零點附近畸變電流以及與開關(guān)信號的對應(yīng)關(guān)系波形圖；圖8是由負變正經(jīng)過過零點附近畸變電流以及與開關(guān)信號的對應(yīng)關(guān)系波形圖；圖9是由正變負經(jīng)過過零點附近逆變器工作仿真波形圖；圖10是由負變正經(jīng)過過零點附近逆變器工作仿真波形圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1至圖10說明本實施方式，首先通過并網(wǎng)逆變器單 極性電流滯環(huán)控制方法來分析一下其產(chǎn)生過零點畸變的原因(一 )并網(wǎng)逆變器單極性電流滯環(huán)控制方法原理單相電壓型并網(wǎng)逆變器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，采用全橋結(jié)構(gòu)。單極性電流滯 環(huán)控制的示意圖如圖2所示，其基本思想是，V1, V2作為方向臂，二者的驅(qū)動信號邏輯相反， 根據(jù)電網(wǎng)電壓的極性獲得，與電網(wǎng)電壓頻率相同；義、V2作為調(diào)制臂，二者的驅(qū)動信號邏輯 相反，其驅(qū)動信號的形成原理為，設(shè)置一個小的環(huán)寬Δ i，采集并網(wǎng)電流的瞬時值ig，并與當 前的i^+Δ i相比較，若ig大于i/+Δ i，則結(jié)果為高電平；若ig小于Δ i，則結(jié)果為低電 平，若Δ ^ i；+ Δ i，則結(jié)果為保持原來的值，即有
權(quán)利要求
1.消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置，單相并網(wǎng)逆變器包括 第一橋臂(1)、第二橋臂(2)和電感(3)，第一橋臂(1)和第二橋臂O)由直流源供電，第一 橋臂(1)和第二橋臂(2)并聯(lián)在直流供電電源的輸出端，第一橋臂(1)的直流輸出端通過 電感(3)連接在電網(wǎng)的一端，第二橋臂O)的直流輸出端與電網(wǎng)的另一端相連，其特征在于，所述消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置包括并 網(wǎng)電流采樣模塊(4)、電網(wǎng)電壓采樣模塊( 、同步信號產(chǎn)生模塊(6)、角頻率計算模塊(7)、 相位角及正弦值計算模塊(8)、給定電流瞬時值計算模塊(9)、電流控制模塊(10)、相位差 計算模塊(11)和開關(guān)信號生成模塊(12)，并網(wǎng)電流采樣模塊(4)采集流經(jīng)電感(3)的并網(wǎng)電流，并網(wǎng)電流采樣模塊的輸出 端與電流控制模塊(10)的第一輸入端相連；電網(wǎng)電壓采樣模塊(5)采集電網(wǎng)電壓信號，電網(wǎng)電壓采樣模塊(5)的第一輸出端與相 位差計算模塊(11)的電網(wǎng)電壓信號輸入端相連；電網(wǎng)電壓采樣模塊(5)的第二輸出端與同步信號產(chǎn)生模塊(6)的輸入端相連，同步信 號產(chǎn)生模塊(6)的同步信號輸出端與角頻率計算模塊(7)的輸入端相連，角頻率計算模塊 (7)的角頻率信號輸出端與相位角及正弦值計算模塊(8)的輸入端相連，角頻率計算模塊 (7)的角頻率信號輸出端還與相位差計算模塊(11)的角頻率信號輸入端相連，相位角及正弦值計算模塊(8)的相位角的正弦值輸出端與給定電流瞬時值計算模塊 (9)的信號輸入端相連，給定電流瞬時值計算模塊(9)和相位差計算模塊(11)同時接收給 定并網(wǎng)電流的幅值ΙΛ給定電流瞬時值計算模塊(9)的給定電流信號輸出端與電流控制模 塊(10)的第二輸入端，電流控制模塊(10)的輸出端與第二橋臂O)的控制端相連；相位角及正弦值計算模塊(8)的相位角的正弦值輸出端還與相位差計算模塊(11)的 相位角正弦信號輸入端相連，相位角及正弦值計算模塊(8)的相位角的正弦值輸出端還與開關(guān)信號生成模塊(12) 的相位角正弦信號輸入端相連，相位差計算模塊(11)的輸出端與開關(guān)信號生成模塊(1 的相位差信號輸入端相連， 開關(guān)信號生成模塊(1 的輸出端與第一橋臂(1)的控制端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝 置，其特征在于，第一橋臂(1)由第一開關(guān)管V1和第二開關(guān)管V2串聯(lián)構(gòu)成，第二橋臂O)由 第三開關(guān)管V3和第四開關(guān)管V4串聯(lián)構(gòu)成。
3.基于權(quán)利要求2所述的消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝 置的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、并網(wǎng)電流采樣模塊(4)采集并網(wǎng)電流的瞬時值ig，電網(wǎng)電壓采樣模塊( 采集 電網(wǎng)電壓的瞬時值e，并設(shè)置輸入信號給定并網(wǎng)電流的幅值InT ；步驟二、由電網(wǎng)電壓的瞬時值e獲取電網(wǎng)電壓的角頻率ω、電網(wǎng)電壓當前相位角及相 位角的正弦值，根據(jù)給定并網(wǎng)電流的幅值InT和電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值獲取給定并 網(wǎng)電流的瞬時值i/，所述給定并網(wǎng)電流的瞬時值i/與步驟一采集的并網(wǎng)電流的瞬時值ig 一起輸入到電流控制模塊(10)中，生成兩路開關(guān)信號，作為第二橋臂O)的上下兩個開關(guān) 管的控制信號，以實現(xiàn)并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制；步驟三、將給定并網(wǎng)電流的幅值ΙΛ電網(wǎng)電壓的角頻率ω、電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值和電網(wǎng)電壓的瞬時值e共同輸入到相位差計算模塊(11)中，獲取相位差；步驟四、將電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值和步驟三獲取的相位差共同輸入到開關(guān)信號 生成模塊(12)，生成兩路開關(guān)信號，作為第一橋臂(1)的上下兩個開關(guān)管的控制信號，以實 現(xiàn)并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制，消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的方 法，其特征在于，步驟二中獲取給定并網(wǎng)電流的瞬時值i/的過程為步驟21、電網(wǎng)電壓采樣模塊(5)采集到的電網(wǎng)電壓的瞬時值e通過同步信號產(chǎn)生模塊 (6)獲得電網(wǎng)電壓的0度和180度兩個相位；步驟22、通過角頻率計算模塊(7)計算步驟21中所述兩個相位的時間差A(yù)t ； 步驟23、利用如下公式獲得電網(wǎng)電壓的角頻率ω ω = Ji / Δ t ；步驟Μ、通過相位角及正弦值計算模塊(8)對步驟23獲取的電網(wǎng)電壓的角頻率ω按 如下公式進行處理，以獲得電網(wǎng)電壓當前相位角爐φ = cot，以電網(wǎng)電壓的0度為起始時間位置；步驟25、根據(jù)步驟M獲得電網(wǎng)電壓當前相位角獲取電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值 sin ω t ；步驟沈、給定電流瞬時值計算模塊(9)接收給定并網(wǎng)電流的幅值Im*和步驟25獲取的 電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值sin ω t，按下述公式進行處理以獲取給定并網(wǎng)電流的瞬時值 ig* = _(Im*Xsincot)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的方 法，其特征在于，步驟二中電流控制模塊(10)生成兩路開關(guān)信號的過程為步驟27、電流控制模塊(10)接收給定并網(wǎng)電流的瞬時值i/和并網(wǎng)電流的瞬時值ig; 步驟觀、將給定并網(wǎng)電流的瞬時值i/和并網(wǎng)電流的瞬時值ig相比較，比較結(jié)果作為電 流控制模塊(10)生成的一路開關(guān)信號；ig< i/-Ai，比較結(jié)果為低電平，其中Ai為設(shè)置的環(huán)寬，ig> i/+Ai，比較結(jié)果為高電平，!/-Δι ^ ig*+Ai，則比較結(jié)果保持原來的值；步驟四、將給定并網(wǎng)電流的瞬時值i/和并網(wǎng)電流的瞬時值ig相比較的結(jié)果取反，作為 電流控制模塊(10)生成的另一路開關(guān)信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的方 法，其特征在于，步驟三中獲取相位差的過程為步驟31、將給定并網(wǎng)電流的幅值I:、電網(wǎng)電壓的角頻率ω、電網(wǎng)電壓當前相位角的正 弦值和電網(wǎng)電壓的瞬時值e共同輸入到相位差計算模塊(11)中，按如下公式進行處理獲取 電網(wǎng)電壓的幅值
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的方 法，其特征在于，步驟四中開關(guān)信號生成模塊(12)生成兩路開關(guān)信號的過程步驟41、在開關(guān)信號生成模塊(12)中設(shè)置方波信號，以電網(wǎng)電壓的0度為起始角， 其在[ΔζΜ80° + Δ洌區(qū)間為高電平，在[180° + Δ隊360° + Δ洌區(qū)間為低電平，形成的該路 方波信號為開關(guān)信號生成模塊(12)生成的一路開關(guān)信號；步驟42、在開關(guān)信號生成模塊(1 中設(shè)置方波信號，以電網(wǎng)電壓的0度為起始角，其在 [ΔζΜ80° + Δ洌區(qū)間為低電平，在[180° + Δ隊360° + Δ洌區(qū)間為高電平，形成的該路方波信號 為開關(guān)信號生成模塊(12)生成的另一路開關(guān)信號。
全文摘要
消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變的裝置及方法，屬于電能變換領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有單極性控制單相并網(wǎng)逆變器存在并網(wǎng)電流過零點畸變的問題。本發(fā)明控制方法為步驟一、采集并網(wǎng)電流的瞬時值ig、電網(wǎng)電壓的瞬時值e，并設(shè)置輸入信號給定并網(wǎng)電流的幅值Im*；步驟二、獲取給定并網(wǎng)電流的瞬時值ig*，比較ig*和ig，生成兩路開關(guān)信號，作為第二橋臂的控制信號；步驟三、獲取相位差；步驟四、將電網(wǎng)電壓當前相位角的正弦值和步驟三獲取的相位差共同輸入到開關(guān)信號生成模塊，生成兩路開關(guān)信號，作為第一橋臂的控制信號，以實現(xiàn)并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制，消除單極性控制單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流過零點畸變。
文檔編號H02M7/5387GK102074974SQ20111002272
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者吳鳳江, 彭浩榮, 駱素華 申請人:哈爾濱工業(yè)大學