基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置及控制方法。该装置包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，数字处理控制模块包括采样单元、闭环控制单元、有源阻尼单元和正弦脉宽调制单元。方法为：选取LCL滤波器电容容值、网侧电感和逆变器侧电感感值；通过奈奎斯特稳定性分析，并结合谐振抑制条件，确定PR控制器比例参数和有源阻尼反馈系数的可行范围；在所确定的可行域中使用拉格朗日乘子法选取合适的PR控制器比例参数和有源阻尼反馈系数，使控制系统获得较大的带宽以及良好的动态性能。本发明专利技术具有硬件成本低、控制准确、适用范围广的特点，可以有效抑制LCL滤波器谐振频率的谐波分量，并降低入网电流的畸变率。

LCL inverter grid connected device and control method based on parameter joint design

【技术实现步骤摘要】
基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置及控制方法
本专利技术属于电力电子变换
，特别是一种基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置及控制方法。
技术介绍
LCL滤波器由于其结构简单，高频滤波性能好，输出谐波含量少等优点，在新能源分布式并网发电场合得到了广泛的应用。但由于LCL滤波器的固有特性，LCL滤波器的谐振特性会大大降低输出侧的电能质量。目前对于LCL滤波器谐振频率的问题，主要有两种解决方法：(1)采用外加硬件阻尼电路抑制LCL谐振；(2)采用软件控制方法抑制LCL谐振。由于第一种方法会增加硬件成本，故一般使用后一种方法。在理想电网条件下，现有的有源阻尼控制方法相对成熟，如基于陷波器的有源阻尼控制方法、基于滤波电容电流反馈的有源阻尼控制方法、基于多状态量混合反馈的有源阻尼控制方法等。然而在实际情况中，电网并不是理想的基波电网，电网中会存在低频谐波，在非理想电网条件下，需要多个PR控制器并联控制，这需要系统具有足够的开环带宽，这给有源阻尼的LCL滤波器谐振抑制控制带来了困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于非理想电网条件下基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置及控制方法，以在非理想电网条件下实现LCL滤波器的谐振抑制。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中三电平逆变器为LCL型NPC三电平逆变器，数字处理控制模块包括采样单元、闭环控制单元、有源阻尼单元和正弦脉宽调制单元；采样单元分别采集LCL滤波器网侧的三相电压信号、LCL滤波器网侧的三相电流信号，传送至闭环控制单元；闭环控制单元根据采集到的信号，经Clarke变换将静止abc坐标系下的网侧电压、网侧电流变换到静止αβ坐标系下；将静止αβ坐标系下网侧电流的α、β轴分量iα、iβ输入有源阻尼单元；闭环控制单元和有源阻尼单元得到的调制波信号相加，送至正弦脉宽调制单元，正弦脉宽调制单元的输出端经过驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂的各个开关管。进一步地，所述数字处理控制模块为TMS320F28377D与EPM1270T芯片。一种基于参数联合设计的LCL型逆变器并网控制方法，包括以下步骤：步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集LCL滤波器的网侧电压信号ea、eb、ec和网侧电流信号ia、ib、ic；步骤2、闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号，经Clarke变换将静止abc坐标系下的网侧电压、网侧电流变换到静止αβ坐标系下；步骤3、计算z域下加入有源阻尼环及PR控制器后系统的开环传递函数，利用奈奎斯特判据对系统进行稳定性分析；步骤4、对LCL滤波器谐振频率谐波抑制条件进行分析；步骤5、在满足稳定性条件以及谐振抑制条件的范围内，使用拉格朗日乘子法，选取使系统带宽最大的PR控制器的比例系数Kp和有源阻尼反馈系数H，以获得优化的闭环控制系统；步骤6、以电流正弦化为目标计算电流给定，并以网侧电流作为反馈量与所求得的电流给定量相减，经比例谐振调节器后与有源阻尼环输出相加，再经过Clarke反变换，输出三相调制波信号；步骤7、将步骤6所得的三相调制信号经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，该脉宽调制信号通过驱动电路控制逆变器开关管的工作状态。进一步地，步骤3所述对系统进行稳定性分析，具体如下：系统开环传递函数Gop(s)为：其中，L1为LCL滤波器逆变器侧电感感值，L2为LCL滤波器网侧电感感值，C为LCL滤波器电容容值，Kp为PR控制器的比例系数，H为有源阻尼反馈系数，ωres为LCL滤波器谐振频率，Ts为系统采样时间，ωres的表达式如下：将z＝sin(ωTs)-jcos(ωTs)代入上式，整理得控制系统开环频率响应方程为：其中A(ω)为系统开环频率响应方程中分子实部的系数、B(ω)为系统开环频率响应方程中分子虚部的系数、C(ω)为系统开环频率响应方程中分母实部的无H项系数、D(ω)为系统开环频率响应方程中分母实部的含H项系数、E(ω)为系统开环频率响应方程中分母虚部的无H项系数、F(ω)为系统开环频率响应方程中分母虚部的含H项系数；A(ω)＝Ts2[(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)4-(2ωresTscos(ωresTs)-2sin(ωresTs))cos(ωTs)3-(6sin(ωTs)2-1)(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)2+6sin(ωTs)2(ωresTscos(ωresTs)-sin(ωresTs))cos(ωTs)+sin(ωTs)2(sin(ωTs)2-1)(ωresTs-sin(ωresTs))]B(ω)＝Ts2sin(ωTs)[4(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)3-6(ωresTscos(ωresTs)-sin(ωresTs))cos(ωTs)2-(4sin(ωTs)2-2)(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)+2sin(ωTs)2(ωresTscos(ωresTs)-sin(ωresTs))]D(ω)＝L1L2{(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)4-2(ωresTs+ωresTscos(ωresTs)-2sin(ωresTs))cos(ωTs)3-2[3(ωresTs-sin(ωresTs))sin(ωTs)2-2ωresTscos(ωresTs)-ωresTs+3sin(ωresTs)]cos(ωTs)2+2(ωresTscos(ωresTs)+ωresTs-2sin(ωresTs))(3sin(ωTs)2-1)cos(ωTs)+(ωresTs-sin(ωresTs))sin(ωTs)4-2(2ωresTscos(ωresTs)+ωresTs-3sin(ωresTs))sin(ωTs)2+ωresTs-sin(ωresTs)}F(ω)＝L1L2sin(ωTs){4(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)3-6(ωresTscos(ωresTs)+ωresTs-2sin(ωresTs))cos(ωTs)2+4[(sin(ωTs)2-3)sin(ωresTs)-(sin(ωTs)2-2cos(ωresTs)当-1)ωresTs]cos(ωTs)-2(sin(ωTs)+1)[2sin(ωresTs)-ωresTs(cos(ωresTs)-1)](sin(ωTs)-1)}ωres≤ωs/6时：Kp和H的取值范围如下：其中A(ωh)为当ω＝ωh时系统开环频率响应方程中分子实部的系数、B(ωh)为当ω＝ωh时系统开环频率响应方程中分子虚部的系数、C(ωh)为当ω＝ωh时系统开环频率响应方程中分母实部的无H项系数、D(ωh)为当ω＝ωh时系统开环频率响应方程中分母实部的含H项系数、E本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置，其特征在于，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中三电平逆变器为LCL型NPC三电平逆变器，数字处理控制模块包括采样单元、闭环控制单元、有源阻尼单元和正弦脉宽调制单元；/n采样单元分别采集LCL滤波器网侧的三相电压信号、LCL滤波器网侧的三相电流信号，传送至闭环控制单元；/n闭环控制单元根据采集到的信号，经Clarke变换将静止abc坐标系下的网侧电压、网侧电流变换到静止αβ坐标系下；将静止αβ坐标系下网侧电流的α、β轴分量i

【技术特征摘要】
1.一种基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置，其特征在于，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中三电平逆变器为LCL型NPC三电平逆变器，数字处理控制模块包括采样单元、闭环控制单元、有源阻尼单元和正弦脉宽调制单元；
采样单元分别采集LCL滤波器网侧的三相电压信号、LCL滤波器网侧的三相电流信号，传送至闭环控制单元；
闭环控制单元根据采集到的信号，经Clarke变换将静止abc坐标系下的网侧电压、网侧电流变换到静止αβ坐标系下；将静止αβ坐标系下网侧电流的α、β轴分量iα、iβ输入有源阻尼单元；
闭环控制单元和有源阻尼单元得到的调制波信号相加，送至正弦脉宽调制单元，正弦脉宽调制单元的输出端经过驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂的各个开关管。


2.根据权利要求1所述的基于参数联合设计的LCL型逆变器并网装置，其特征在于，所述数字处理控制模块为TMS320F28377D与EPM1270T芯片。


3.一种基于参数联合设计的LCL型逆变器并网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集LCL滤波器的网侧电压信号ea、eb、ec和网侧电流信号ia、ib、ic；
步骤2、闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号，经Clarke变换将静止abc坐标系下的网侧电压、网侧电流变换到静止αβ坐标系下；
步骤3、计算z域下加入有源阻尼环及PR控制器后系统的开环传递函数，利用奈奎斯特判据对系统进行稳定性分析；
步骤4、对LCL滤波器谐振频率谐波抑制条件进行分析；
步骤5、在满足稳定性条件以及谐振抑制条件的范围内，使用拉格朗日乘子法，选取使系统带宽最大的PR控制器的比例系数Kp和有源阻尼反馈系数H，以获得优化的闭环控制系统；
步骤6、以电流正弦化为目标计算电流给定，并以网侧电流作为反馈量与所求得的电流给定量相减，经比例谐振调节器后与有源阻尼环输出相加，再经过Clarke反变换，输出三相调制波信号；
步骤7、将步骤6所得的三相调制信号经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，该脉宽调制信号通过驱动电路控制逆变器开关管的工作状态。


4.根据权利要求3所述的基于参数联合设计的LCL型逆变器并网控制方法，其特征在于，步骤3所述对系统进行稳定性分析，具体如下：
系统开环传递函数Gop(s)为：



其中，L1为LCL滤波器逆变器侧电感感值，L2为LCL滤波器网侧电感感值，C为LCL滤波器电容容值，Kp为PR控制器的比例系数，H为有源阻尼反馈系数，ωres为LCL滤波器谐振频率，Ts为系统采样时间，ωres的表达式如下：



将z＝sin(ωTs)-jcos(ωTs)代入上式，整理得控制系统开环频率响应方程为：



其中A(ω)为系统开环频率响应方程中分子实部的系数、B(ω)为系统开环频率响应方程中分子虚部的系数、C(ω)为系统开环频率响应方程中分母实部的无H项系数、D(ω)为系统开环频率响应方程中分母实部的含H项系数、E(ω)为系统开环频率响应方程中分母虚部的无H项系数、F(ω)为系统开环频率响应方程中分母虚部的含H项系数；
A(ω)＝Ts2[(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)4-(2ωresTscos(ωresTs)-2sin(ωresTs))cos(ωTs)3-(6sin(ωTs)2-1)(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)2+6sin(ωTs)2(ωresTscos(ωresTs)-sin(ωresTs))cos(ωTs)+sin(ωTs)2(sin(ωTs)2-1)(ωresTs-sin(ωresTs))]
B(ω)＝Ts2sin(ωTs)[4(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)3-6(ωresTscos(ωresTs)-sin(ωresTs))cos(ωTs)2-(4sin(ωTs)2-2)(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)+2sin(ωTs)2(ωresTscos(ωresTs)-sin(ωresTs))]



D(ω)＝L1L2{(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)4-2(ωresTs+ωresTscos(ωresTs)-2sin(ωresTs))cos(ωTs)3-2[3(ωresTs-sin(ωresTs))sin(ωTs)2-2ωresTscos(ωresTs)-ωresTs+3sin(ωresTs)]cos(ωTs)2+2(ωresTscos(ωresTs)+ωresTs-2sin(ωresTs))(3sin(ωTs)2-1)cos(ωTs)+(ωresTs-sin(ωresTs))sin(ωTs)4-2(2ωresTscos(ωresTs)+ωresTs-3sin(ωresTs))sin(ωTs)2+ωresTs-sin(ωresTs)}



F(ω)＝L1L2sin(ωTs){4(ωresTs-sin(ωresTs))cos(ωTs)3-6(ωresTscos(ωresTs)+ωresTs-2sin(ωresTs))cos(ωTs)2+4[(sin(ωTs)2-3)sin(ωresTs)-(sin(ωTs)2-2cos(ωresTs)-1)ωresTs]cos(ωTs)-...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，阎亦然，徐炜基，胡文斌，孙状，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32