一种加入低通滤波器的逆变器系统及其改进的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种加入低通滤波器的逆变器系统及其改进的控制方法，此系统以单相全桥逆变器和LC滤波器为基础结构，主要包括控制电路和功率主电路两个部分。控制电路主要由TMS320F28335DSP数字控制器构成；功率主电路由分布式电源模块、单相全桥逆变电路、LC型滤波电路、线性负载、采样电路以及改进的二阶有源低通滤波器电路等附属电路所组成。本发明专利技术提出了一种改进的二阶有源低通滤波器电路及其控制方法，此滤波器相较于传统的二阶有源低通滤波器，不会改变信号的增益而只降低噪声、无用及干扰信号；在采样电路和控制器中间加入改进的二阶有源低通滤波器对采样信号进行低通滤波处理后，改进后的电压电流双闭环控制方法会使系统的频率响应增强，控制参数更加精确，能够有效地实现优化控制参数和精准控制的效果。

An inverter system with low pass filter and its improved control method

【技术实现步骤摘要】
一种加入低通滤波器的逆变器系统及其改进的控制方法
本专利技术属于电力系统的交流微电网控制
，涉及一种改进的电压电流双闭环控制方法，具体涉及一种改进的二阶有源低通滤波器电路、加入低通滤波器后改进的控制方法及应用该方法控制的一个逆变器系统。
技术介绍
近年来，分布式发电系统以其无污染、可靠性高和模块化程度高的特点而受到越来越多的关注。但在分布式发电系统的应用中还存在一些缺点，例如变化的操作条件，高成本和复杂的控制等导致系统无法控制的问题。近年来，微电网的概念已被广泛接受并在实践中得到应用。与传统的分布式发电系统相比，微电网系统可以在并网模式下向电网注入有功功率或者在孤岛模式下自动为局部负载提供功率。微电网实现了分布式发电系统的灵活高效的应用，以并网方式解决大规模多样分布式发电系统的问题。然而，由于分布式发电系统数量众多，可能无法快速、准确、有效地执行调度命令。因此，能够使分布式发电系统的协调运行和管理变得更加容易的微电网已成为克服分布式发电系统不足之处的有效手段。在大多数现有技术中，信号处理和采样电路被严重忽略，因此分布式发电系统和微电网的操作特性未能达到最佳状态。滤波器通常可以分为有源滤波器和无源滤波器，是信号处理的重要单元，并广泛用于现代功率转换器中。无源滤波器电路的结构简单易实现，但无源滤波器的幅频特性不如有源滤波器。有源滤波器在采样标准化、易于模块化和高可靠性方面起着至关重要的作用。有源滤波器电路主要用于小信号处理，也可以用于抑制干扰、噪声和衰减无用的频率信号并获得目标频率范围内的有用信号的工作环境。当逆变器系统在孤岛模式下运行时，电压和电流信号的采样过程会受到较为复杂的电磁干扰。尽管一阶有源滤波器电路具有简单的结构，但是输出信号相较于输入信号的幅频裕度和相频裕度会发生偏差，而二阶有源滤波器电路结构简单并且具有良好的输出性能。与此同时，将传统的压控电压源型低通滤波器的电路拓扑进行改良，其改进后的低通滤波器可以避免幅度和相位误差且具有良好的滤波效果，因此使用改进的二阶有源低通滤波器可以实现采样信号的良好稳态和动态性能。在逆变器系统硬件平台中，经过采样电路后的电容电压和电感电流的信号强度非常弱。综上所示，为了实现在SPWM调制中高精度控制，有必要设计一种改进的二阶有源低通滤波器以增强数字控制器的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有控制方法的不足之处，对传统的电压电流双闭环控制方法进行改进：①对传统压控电压源型二阶有源低通滤波器电路拓扑结构进行改良，实现良好的输出性能；②将改进的二阶有源低通滤波器电路加入到逆变器系统中对采样信号进行滤波处理，并提供了一种更加精确的对逆变器电路进行参数设计的方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：加入低通滤波器的逆变器系统，其特征在于，包括一个变流器单元、一个由TMS320F28335DSP数字控制器构成的控制模块、线性负载以及附属电路；变流器单元包括一个分布式电源模块、一个单相全桥逆变电路、LC型滤波电路、线路阻抗以及静态开关，线性负载通过静态开关接入变流器单元；附属电路包括输出电压采样电路、输出电流采样电路、放大器偏置电路、驱动芯片的供电电路以及改进的二阶有源低通滤波器电路；LC型滤波器的电容电压和电感电流信号依次通过采样电路和偏置电路，将采样信号的幅值限制在0～3.3V范围内；改进的二阶有源低通滤波器电路对经过限幅的采样信号进行滤波处理后，DSP控制器对滤波后的信号进行控制和处理，进而输出可控制全桥电路的PWM信号；所述的控制模块包括坐标变换模块、基于同步旋转坐标系下的电压控制器、基于静止坐标系下的电流控制器、参考电压生成器、SPWM模块；采样信号经过改进的二阶有源低通滤波器处理后进入坐标变化模块，参考电压生成器和经过处理后的采样信号分别与坐标变换模块相连，坐标变换模块的输出端依次经过电压控制器和电流控制器后连接SPWM模块，SPWM模块输出端与单相全桥逆变电路的开关管相连。进一步的，所述的加入低通滤波器后改进的电压电流双闭环控制方法，其特征在于，改进的二阶有源低通滤波器为硬件电路而非传统的控制算法，但其经过数学建模后得到的传递函数又会对系统的输出特性产生影响，这样既不会增加控制策略的难度，而又会增强系统的频率响应和输出特性，包括以下步骤：S1、采样电路实时检测变流器单元中LC滤波器的电感电流iL和LC滤波器电容电压vc，检测到的电流数据和电压数据传送给改进的二阶有源低通滤波器电路，经过滤波处理后的电压信号通过延时环节来精确提取得到αβ坐标轴下的电容电压vcαβ；S2、将通过延时环节得到的电容电压vcαβ通过坐标变换模块精确提取得到d轴分量vc,d和q轴分量vc,q，与同样经过坐标变化的电压参考值vref做差值，将所得到的偏差值edq传送到PI控制器中进行处理；S3、将S2得到的信号在PI控制器中对控制信号进行限幅处理和控制后，通过坐标反变换模块将PI控制器的输出信号进行处理转化为αβ轴上的信号，此信号即作为电流内环控制的参考信号iL,ref；S4、将S1中经过低通滤波器处理后的电感电流和S3得到的电流内环控制的参考信号iL,ref中α轴分量iL,ref,α做差值，将得到的偏差信号传送到电流内环PI控制器中；S5、将S4中电流内环控制器的输出信号与三角载波进行SPWM处理后，构造出逆变器开关管所需的触发信号。进一步的，所述的加入低通滤波器后的逆变器系统及其改进的电压电流双闭环控制方法，其特征在于，采样信号在进入控制器前需经过改进的二阶有源低通滤波器电路，在采用s域分析方法时，加入低通滤波器后会对频率响应产生影响，所述的改进的二阶有源低通滤波器传递函数Av(s)的具体计算方法为：其中，s为拉普拉斯算子，ωn和Q代表改进的二阶有源低通滤波器电路的截止角频率和品质因数。进一步的，所述的改进的电压电流双闭环控制方法，其特征在于，所述的步骤S2和S3中坐标变换、坐标反变换和同步旋转坐标系下的PI控制器的具体计算方法为：其中，vc,d和vc,q分别为dq轴下电压值，vc,α和vc,β分别为αβ轴下电压值，ωf为基波角频率，iL,ref,α和iL,ref,β为αβ轴下电流内环控制器的参考值，ed和eq为电压外环偏差值，GPI(t)为PI控制器在时域的表达式，将其进行拉普拉斯变换可得到s域表达式：GPI(s)＝kp+ki/s，*表示卷积运算。进一步的，所述的同步旋转坐标系下的PI控制器，其特征在于，只有α轴的信号用于实际控制而不需要β轴信号，具体的计算方法为：其中，iL,ref,α为电流内环控制器的参考值，eα为电压外环偏差值即PI控制器的输入值；Gv(s)为同步旋转坐标系下PI控制器的表达式，其中a3＝kp，a2＝kpωf+ki，通过对同步旋转坐标系下的PI控制器的分析可知，比例参数ki对系统的控制作用可忽略不计，因此只需讨论比例参数kp和K。所述的整个系统的具体实现方法为：采用s域分析方法，将改进的二阶有源低通滤波器传递函本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.加入低通滤波器的逆变器系统，其特征在于，包括一个变流器单元、一个由TMS320F28335DSP数字控制器构成的控制模块、线性负载以及附属电路；变流器单元包括一个分布式电源模块、一个单相全桥逆变电路、LC型滤波电路、线路阻抗以及静态开关，线性负载通过静态开关接入变流器单元；附属电路包括输出电压采样电路、输出电流采样电路、放大器偏置电路、驱动芯片的供电电路以及改进的二阶有源低通滤波器电路；LC型滤波器的电容电压和电感电流信号依次通过采样电路和偏置电路，将采样信号的幅值限制在0～3.3V范围内；改进的二阶有源低通滤波器电路对经过限幅的采样信号进行滤波处理后，DSP控制器对滤波后的信号进行控制和处理，进而输出可控制全桥电路的PWM信号；所述的控制模块包括坐标变换模块、基于同步旋转坐标系下的电压控制器、基于静止坐标系下的电流控制器、参考电压生成器、SPWM模块；采样信号经过改进的二阶有源低通滤波器处理后进入坐标变化模块，参考电压生成器和经过处理后的采样信号分别与坐标变换模块相连，坐标变换模块的输出端依次经过电压控制器和电流控制器后连接SPWM模块，SPWM模块输出端与单相全桥逆变电路的开关管相连。/n...

【技术特征摘要】
1.加入低通滤波器的逆变器系统，其特征在于，包括一个变流器单元、一个由TMS320F28335DSP数字控制器构成的控制模块、线性负载以及附属电路；变流器单元包括一个分布式电源模块、一个单相全桥逆变电路、LC型滤波电路、线路阻抗以及静态开关，线性负载通过静态开关接入变流器单元；附属电路包括输出电压采样电路、输出电流采样电路、放大器偏置电路、驱动芯片的供电电路以及改进的二阶有源低通滤波器电路；LC型滤波器的电容电压和电感电流信号依次通过采样电路和偏置电路，将采样信号的幅值限制在0～3.3V范围内；改进的二阶有源低通滤波器电路对经过限幅的采样信号进行滤波处理后，DSP控制器对滤波后的信号进行控制和处理，进而输出可控制全桥电路的PWM信号；所述的控制模块包括坐标变换模块、基于同步旋转坐标系下的电压控制器、基于静止坐标系下的电流控制器、参考电压生成器、SPWM模块；采样信号经过改进的二阶有源低通滤波器处理后进入坐标变化模块，参考电压生成器和经过处理后的采样信号分别与坐标变换模块相连，坐标变换模块的输出端依次经过电压控制器和电流控制器后连接SPWM模块，SPWM模块输出端与单相全桥逆变电路的开关管相连。


2.加入低通滤波器后改进的电压电流双闭环控制方法，其特征在于，改进的二阶有源低通滤波器为硬件电路而非传统的控制算法，但其经过数学建模后得到的传递函数又会对系统的输出特性产生影响，这样既不会增加控制策略的难度，而又会增强系统的频率响应和输出特性，包括以下步骤：
S1、采样电路实时检测变流器单元中LC滤波器的电感电流iL和LC滤波器电容电压vc，检测到的电流数据和电压数据传送给改进的二阶有源低通滤波器电路，经过滤波处理后的电压信号通过延时环节来精确提取得到αβ坐标轴下的电容电压vcαβ；
S2、将通过延时环节得到的电容电压vcαβ通过坐标变换模块精确提取得到d轴分量vc,d和q轴分量vc,q，与同样经过坐标变化的电压参考值vref做差值，将所得到的偏差值edq传送到PI控制器中进行处理；
S3、将S2得到的信号在PI控制器中对控制信号进行限幅处理和控制后，通过坐标反变换模块将PI控制器的输出信号进行处理转化为αβ轴上的信号，此信号即作为电流内环控制的参考信号iL,ref；
S4、将S1中经过低通滤波器处理后的电感电流和S3得到的电流内环控制的参考信号iL,ref中α轴分量iL,ref,α做差值，将得到的偏差信号传送到电流内环PI控制器中；
S5、将S4中电流内环控制器的输出信号与三角载波进行SPWM处理后，构造出逆变器开关管所需的触发信号。


3.根据权利要求2所述的加入低通滤波器后的逆变器系统及其改进的电压电流双闭环控制方法，其特征在于，采样信号在进入控制器前需经过改进的二阶有源低通滤波器电路，在采用s域分析方法时，加入低通滤波器后会...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩杨，乌志伟，宁星，杨平，熊静琪，王丛岭，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51