三相并网逆变器电流性能指标提升方法

技术领域

本发明涉及光伏发电并网技术领域，尤其涉及一种三相并网逆变器电流性能指标提升方法。

背景技术

目前，光伏发电并网应用广泛，相关的并网标准对注入电网的电能质量有较高的要求，如能源行业标准NB32004就对并网电流的负序分量不平衡度要求不能大于2％，全功率范围直流分量不大于0.5％I n,全功率范围THDi不大于5％，另外，还需要在电网存在一定范围内的感抗时候能够稳定运行。

所以，对于这些指标要求，逆变器必须应有相应的抑制措施。如果从频率的角度分析，如图1，电能质量的性能指标主要和以下几个频率相关：50Hz是基波分量，0Hz是直流分量，-50Hz是负序分量，-250Hz是5次谐波，350Hz是7次谐波，5次和7次通常也是影响电流THD比较关键的两个谐波含量。每个指标都必须要进行闭环控制才能对其有效的抑制。

虽然，现有技术通过增加电流环的带宽也可以对上面提到的各项性能指标均有提升，但是在数字控制系统中，系统带宽的提升会受限于采样计算频率(或者说控制频率)，所以想要提高电流环的带宽，还得先提高控制频率。

另外，如果把上述各个频率的信号进行闭环，就会导致算法比较复杂，运行起来比较耗时，如果全部以较高的计算频率运行，会对CPU的资源要求比较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相并网逆变器电流性能指标提升方法，其只把基波的电流环路控制使用较高的控制频率，而其他的控制环路，比如谐波控制、直流分量控制等下放到较低的控制频率下，这样可以兼顾系统控制的稳定性和CPU的资源消耗，从而有效提高了系统的带宽和性能指标，并节约了系统CPU资源。

为了实现上述目的，本发明公开了一种三相并网逆变器电流性能指标提升方法，其包括如下步骤：

S1、对三相并网逆变器输出的三相电流分别按照不同的采样频率进行采样，以得到基波电流信号和预设频率电流信号；

S2、分别对所述基波电流信号和所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述基波电流信号的基波电流控制量，及获得基于所述预设频率电流信号的多个频率的电流控制量；

S3、依据所述基波电流控制量和所述多个频率的电流控制量，获得综合控制量；

S4、依据所述综合控制量发出基于PWM波形的调整信号。

与现有技术相比，本发明分别对基波电流信号和预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于基波电流信号的基波电流控制量，及获得基于预设频率电流信号的多个频率的电流控制量，依据基波电流控制量和多个频率的电流控制量，获得综合控制量，依据综合控制量发出基于PWM波形的调整信号，其只把基波的电流环路控制使用较高的控制频率，而其他的控制环路，比如谐波控制、直流分量控制等下放到较低的控制频率下，这样可以兼顾系统控制的稳定性和CPU的资源消耗，从而有效提高了系统的带宽和性能指标，并节约了系统CPU资源。

较佳地，所述步骤S1中，对所述三相电流按照采样频率进行采样，得到所述基波电流信号，具体包括：

对所述三相电流进行不低于采样频率为28khz的采样处理，得到所述基波电流信号。

较佳地，所述步骤S2中，对所述基波电流信号进行信号处理，以获得基于所述基波电流信号的基波电流控制量，具体包括：

对所述基波电流信号以变换角度为wt进行3/2坐标变换处理，得到DQ轴电流信号；

将所述DQ轴电流信号与预设的基波参考信号进行做差处理，得到基波误差信号；

通过离散周期为1/28khz的PI调节器对所述基波误差信号进行信号处理，生成所述基波电流控制量。

较佳地，所述多个频率的电流控制量包括直流分量电流信号、负序分量电流信号、-5次谐波电流信号和7次谐波电流信号。

较佳地，所述步骤S1中，对所述三相电流按照采样频率进行采样，得到所述预设频率电流信号，具体包括：

对所述三相电流进行不低于采样频率为16khz的采样处理，得到所述预设频率电流信号。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的直流分量电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号进行带宽小于50Hz的低频滤波处理，得到第一直流分量电流信号；

将参考信号与所述第一直流分量电流信号进行做差处理，得到直流分量误差信号；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述直流分量误差信号进行信号处理，生成所述直流分量电流信号。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的负序分量电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号以变换角度为-wt进行3/2坐标变换处理，得到第一负序分量电流信号；

对所述第一负序分量电流信号进行滤波处理，得到第二负序分量电流信号；

将参考信号与所述第二负序分量电流信号进行做差处理，得到负序分量误差信号；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述负序分量误差信号进行信号处理，生成所述负序分量电流信号。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的-5次谐波电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号以变换角度为-5wt进行3/2坐标变换处理，得到第一-5次谐波电流信号；

对所述第一-5次谐波电流信号进行滤波处理，得到第二-5次谐波电流信号；

将参考信号与所述第二-5次谐波电流信号进行做差处理，得到-5次谐波误差信号；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述-5次谐波误差信号进行信号处理，生成所述-5次谐波电流信号。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的7次谐波电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号以变换角度为7wt进行3/2坐标变换处理，得到第一7次谐波电流信号；

对所述第一7次谐波电流信号进行滤波处理，得到第二7次谐波电流信号；

将参考信号与所述第二7次谐波电流信号进行做差处理，得到7次谐波误差信号；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述7次谐波误差信号进行信号处理，生成所述7次谐波电流信号。

较佳地，所述步骤S3具体包括：

将所述基波电流控制量和所述多个频率的电流控制量在基波的执行函数中进行相加，以得到所述综合控制量。

附图说明

图1是并网电流常见性能指标与频率对应关系图；

图2是采样时刻与占空比更新时刻时序对比图；

图3是延时环节造成的相位延时BODE图相频特性图；

图4是电流各性能指标环路控制频率配合图；

图5是本发明的三相并网逆变器电流性能指标提升方法的流程框图；

图6是本发明的三相并网逆变器电流性能指标提升方法的电流环各控制环路执行图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1-图6所示，本实施例的三相并网逆变器电流性能指标提升方法，适于兼顾系统控制的稳定性和CPU的资源消耗，以提高系统的带宽和性能指标，并节约系统CPU资源。

为更好地说明本实施例的技术方案，本实施例先对数字控制系统的频率控制进行分析：

在数字控制系统中，需要对被控信号进行采样，控制频率其实就是采样和计算频率，数字控制由于其特有的延时，即从采样时刻到真正发波时刻，有一个延时，这个延时和控制频率以及计算过程耗时有很大的关系，一般是至少1倍的控制周期时间，见图2。

控制延时与系统的稳定性和带宽提高有很大的关系，公知延时关系的传递函数公式如下：

G(s)＝e

根据公式(1)可以绘制如图3所示的bode图，从图3的幅频特性可以看出：控制延时大的，其相位延时就大，幅频特性会很快穿越-180度，造成系统不稳定。

但是，由于除了基波以外的信号，都是微小的分量，不足以对系统稳定性造成很大的影响，所以经过分析以后，本实施例认为，只要使基波的控制频率提高就行，不必要将所有的提高性能指标的环路算法的控制频率都提高，于是本实施例中的操作策略如图4所示：

将三相电流分别按照不同的采样频率进行控制，需要高频控制的信号就高频采样、高频控制，不需要高频控制的就低频采样、低频控制。

首先，需要确认基波的控制频率能达到满意效果的下限值，根据公式(1)和图3可知，控制延时与其造成的相位延时是确定的对应关系，对应关系式如下：

Ts＝θ/ω， (2)

其中，θ是相位延时角度，ω是被延时的频率。

由于一般通过变压器并网的系统中，变压器的漏感是100u到200u之间，这样容易在电流中出现3.5k左右的中频振荡，所以本实施例选择让3.5kHz的频率信号相位延时不超过45度，即使图3中的相位延时对应-45度取值，根据公式(2)，其中θ＝-45度，ω＝2·π·3.5k，可以计算出控制延时Ts应该在35.7us以内，那么对应的控制频率在28khz以上。

所以，可以确定出基波的控制频率下限了，至于上限，只要CPU计算资源允许，肯定是越高越好。通常大功率的三相并网逆变器的开关频率在15k到20k之间的居多，下面的举例可以16kHz为例说明。

图4中剩余的几个信号的控制频率，则可根据整个CPU的计算资源来确定，如果CPU的计算资源很宽裕，当然可以和基波用一样的控制频率，如果紧张，则可以降频。注意，其中7次谐波的频率是350HZ，它是剩余几个频率信号中最高频的，为了能够更好的控制它，7次谐波的控制频率最好不可低于10倍的350Hz，即3.5khz。

通过上述分析，以下对本实施例的三相并网逆变器电流性能指标提升方法进行详细说明。

该三相并网逆变器电流性能指标提升方法包括如下步骤：

S1、对三相并网逆变器输出的三相电流分别按照不同的采样频率进行采样，以得到基波电流信号和预设频率电流信号；

S2、分别对所述基波电流信号和所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述基波电流信号的基波电流控制量，及获得基于所述预设频率电流信号的多个频率的电流控制量；

S3、依据所述基波电流控制量和所述多个频率的电流控制量，获得综合控制量；

S4、依据所述综合控制量发出基于PWM波形的调整信号。

较佳地，所述步骤S1中，对所述三相电流按照采样频率进行采样，得到所述基波电流信号，具体包括：

对所述三相电流进行不低于采样频率为28khz的采样处理，得到所述基波电流信号。

较佳地，所述步骤S2中，对所述基波电流信号进行信号处理，以获得基于所述基波电流信号的基波电流控制量，具体包括：

对所述基波电流信号以变换角度为wt进行3/2坐标变换处理，得到DQ轴电流信号；

将所述DQ轴电流信号与预设的基波参考信号进行做差处理，得到基波误差信号；

通过离散周期为1/28khz的PI调节器对所述基波误差信号进行信号处理，生成所述基波电流控制量。PI调节器的离散化周期应该与其控制频率或者说采样频率对应。可以理解的是，整个基波的计算频率需要放在被周期调用的任务或者中断中，调用频率与采样频率一致。

较佳地，所述多个频率的电流控制量包括直流分量电流信号、负序分量电流信号、-5次谐波电流信号和7次谐波电流信号。

较佳地，所述步骤S1中，对所述三相电流按照采样频率进行采样，得到所述预设频率电流信号，具体包括：

对所述三相电流进行不低于采样频率为16khz的采样处理，得到所述预设频率电流信号。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的直流分量电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号进行带宽小于基波频率50Hz的低通滤波处理，得到第一直流分量电流信号；

将参考信号与所述第一直流分量电流信号进行做差处理，得到直流分量误差信号。这里为对第二直流分量电流信号进行闭环控制，第二直流分量电流信号控制目标为0，所以参考给定也为0，然后与提取的第二直流分量电流信号做差；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述直流分量误差信号进行信号处理，生成所述直流分量电流信号。经过PI调节器，PI调节器的离散化时间与其控制频率对应，最后输出控制量备用。

本实施例的参考信号的取值一般为0，当然，参考信号的具体取值可以根据实际情况进行选定，在此不做限定。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的负序分量电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号以变换角度为-wt(即负序角度)进行3/2坐标变换处理，得到第一负序分量电流信号；

对所述第一负序分量电流信号进行滤波处理，得到第二负序分量电流信号；

将参考信号与所述第二负序分量电流信号进行做差处理，得到负序分量误差信号；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述负序分量误差信号进行信号处理，生成所述负序分量电流信号。经过PI调节器，PI调节器的离散化时间与其控制频率对应，最后输出控制量备用。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的-5次谐波电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号以变换角度为-5wt进行3/2坐标变换处理，得到第一-5次谐波电流信号；

对所述第一-5次谐波电流信号进行滤波处理，得到第二-5次谐波电流信号；

将参考信号与所述第二-5次谐波电流信号进行做差处理，得到-5次谐波误差信号；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述-5次谐波误差信号进行信号处理，生成所述-5次谐波电流信号。经过PI调节器，PI调节器的离散化时间与其控制频率对应，最后输出控制量备用。

较佳地，所述步骤S2中，对所述预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于所述预设频率电流信号的7次谐波电流信号，具体包括：

对所述预设频率电流信号以变换角度为7wt进行3/2坐标变换处理，得到第一7次谐波电流信号；

对所述第一7次谐波电流信号进行滤波处理，得到第二7次谐波电流信号；

将参考信号与所述第二7次谐波电流信号进行做差处理，得到7次谐波误差信号；

通过离散周期为1/16khz的PI调节器对所述7次谐波误差信号进行信号处理，生成所述7次谐波电流信号。经过PI调节器，PI调节器的离散化时间与其控制频率对应，最后输出控制量备用。

较佳地，所述步骤S3具体包括：

将所述基波电流控制量和所述多个频率的电流控制量在基波的执行函数中进行相加，以得到所述综合控制量。

较佳地，所述步骤S4具体包括：

将所述综合控制量写入数字控制系统的CPU的寄存器中，以供数字控制系统的CPU发出基于PWM波形的调整信号。

结合图1-图6，本发明分别对基波电流信号和预设频率电流信号进行信号处理，以获得基于基波电流信号的基波电流控制量，及获得基于预设频率电流信号的多个频率的电流控制量，依据基波电流控制量和多个频率的电流控制量，获得综合控制量，依据综合控制量发出基于PWM波形的调整信号，其只把基波的电流环路控制使用较高的控制频率，而其他的控制环路，比如谐波控制、直流分量控制等下放到较低的控制频率下，这样可以兼顾系统控制的稳定性和CPU的资源消耗，从而有效提高了系统的带宽和性能指标，并节约了系统CPU资源。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。