并网变换器的谐波电流控制方法及装置与流程

filtered inverter[j]..iet power electron,2013,6(2):227-234.”】；除了在电流控制环路中增加针对谐波的调节器，改进电流控制环路的电压前馈控制有助于改善变换器的输出电流谐波，尤其是弱电网下的电流谐波问题【文献8“许津铭，谢少军，唐婷.弱电网下lcl滤波并网逆变器自适应电流控制[j].中国电机工程学报，2014，34(24):4031-4039.”、文献9“xuehua wang,xinbo ruan,shangwei liu,et al.full feedforward of grid voltage for grid-connected inverter with lcl filter to suppress current distortion due to grid voltage harmonics[j].ieee transactions on power electronics,2010，25(12):3119-3127.”】。不过电压前馈环节的改进效果有赖于模型参数的精度，而且还可能引入微分运算，而数字系统引入微分运算本身就有增加变换器输出谐波的风险。
[0006]
无论是增加谐波电流调节器还是改进电流环的电压前馈控制，其本质上都是增强变换器的输出谐波阻抗。目前大多数增强变换器输出谐波阻抗的研究和方法都是在电流控制环路层面做的，基于电流外环控制层面做的则很少。而要保证并网变换器适应宽范围变化的电网阻抗下的稳定运行，基于电流控制环路层面所提的方法用到工程实践时或多或少都会受到限制，使其应用效果打折扣。


技术实现要素：

[0007]
本技术旨在提供一种并网变换器的谐波电流控制方法及装置，以解决并网变换器在电网背景谐波电压下的输出谐波电流的问题，增强并网变换器的谐波输出阻抗。
[0008]
本技术一方面，提供一种并网变换器的谐波电流控制装置，所述装置包括：
[0009]
谐波功率指令计算模块，配置为根据网侧电流和电网电压，得到谐波有功功率指令和谐波无功功率指令；
[0010]
功率控制模块，配置为根据所述谐波有功功率指令、所述谐波无功功率指令、所述网侧电流、所述电网电压、基本有功功率指令以及基本无功功率指令，得到有功电流指令和无功电流指令；
[0011]
电流控制器，配置为根据所述有功电流指令、所述无功电流指令、所述网侧电流、所述电网电压以及锁相环输出角度，得到发波电压指令；
[0012]
调制器，对所述发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
[0013]
本技术另一方面，提供一种并网变换器的谐波电流控制方法，所述方法包括：
[0014]
根据网侧电流和电网电压，得到谐波有功功率指令和谐波无功功率指令；
[0015]
根据所述谐波有功功率指令、所述谐波无功功率指令、所述网侧电流、所述电网电压、基本有功功率指令以及基本无功功率指令，得到有功电流指令和无功电流指令；
[0016]
根据所述有功电流指令、所述无功电流指令、所述网侧电流、所述电网电压以及锁相环输出角度，得到发波电压指令；
[0017]
对所述发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
[0018]
本技术实施例提供的并网变换器的谐波电流控制方法及装置，通过提取变换器网侧电流中的基波分量和谐波分量，生成抑制变换器输出电流谐波所需的谐波功率指令。实现起来简单且不会增加变换器的硬件成本，一方面其谐波抑制能力依赖变换器的外环来实现，对电流控制环路的性能无特殊要求，可以缓解谐波抑制与变换器稳定性的矛盾；另一方面其谐波抑制效果还可以与基于电流控制环路的谐波抑制策略的效果叠加，从而在不影响
变换器并网稳定运行的前提下，提升其对输出电流的谐波抑制能力。
附图说明
[0019]
图1为本技术实施例提供的并网变换器的谐波电流控制框图；
[0020]
图2为本技术实施例提供的谐波功率指令计算模块的原理示意图；
[0021]
图3为本技术实施例提供的功率控制模块的原理示意图；
[0022]
图4为本技术实施例提供的电流控制器的原理示意图；
[0023]
图5为电网电压含5/7次背景谐波时未采用谐波抑制策略的仿真结果示意图；
[0024]
图6为电网电压含5/7次背景谐波时采用谐波抑制策略的仿真结果示意图；
[0025]
图7为本技术实施例提供的并网变换器的谐波电流控制方法示意图。
[0026]
本技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0027]
为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0028]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0029]
本技术实施例涉及到的变量及其定义：
[0030]ugabc
：并网点电压
[0031]igabc
：网侧电流
[0032]
lg：电网等效漏感
[0033]
l
gf
：网侧滤波电感
[0034]cf
：网侧滤波电容
[0035]
θg：锁相环输出角度
[0036]igref_d
、i
gref_q
：电流指令的d、q轴分量
[0037]igref_x
、i
gref_y
：电流指令的x、y轴分量
[0038]igx
、i
gy
：电流的x、y轴分量
[0039]gn
：中心频率为电网基频的陷波器
[0040]gbpf
：中心频率为电网基频的带通滤波器
[0041]evscref_x
、e
vscref_y
：发波电压指令的x、y轴分量
[0042]evscref_α
、e
vscref_β
：发波电压指令的α、β轴分量
[0043]
p
ref0
、q
ref0
：基本有功功率指令和基本无功功率指令
[0044]
p
refh
、q
refh
：谐波有功功率指令和谐波无功功率指令
[0045]igfund
：网侧电流基波分量
[0046]ugh
：电网电压谐波分量
[0047]
图1为本技术实施例提供的并网变换器的谐波电流控制框图。
[0048]
如图1所示，并网变换器的谐波电流控制通过锁相环模块(pll，phase locked loop)、谐波功率指令计算模块、功率控制模块、电流控制器、pwm调制器实现。
[0049]
pll的输入为变换器的电网电压电压u
gabc
，输出为电网正序电压的角度θg。
[0050]
图2为本技术实施例提供的谐波功率指令计算模块的原理示意图。
[0051]
如图2所示，谐波功率指令计算模块的输入为网侧电流i
gabc
和电网电压u
gabc
(即并网点电压)，输出为谐波功率指令。网侧电流i
gabc
可以为变换器的并网电流或者其交流电感上的电流。实施原理如下。
[0052]
首先，分别将网侧电流i
gabc
和电网电压u
gabc
一一对应地输入到带通滤波器和陷波器，得到网侧电流基波分量i
gfund
和电网电压谐波分量u
gh
。所用的带通滤波器和陷波器的输出到输入的传递函数可以表示为：
[0053][0054][0055]
其中，ωn为带通滤波器/陷波器的中心频率对应的角频率，在本示例中为电网基波频率对应的角频率；ωc为带通滤波器/陷波器的带宽系数，在0～1之间取值。
[0056]
其次，根据网侧电流基波分量i
gfund
和电网电压谐波分量u
gh
，计算谐波功率指令。在本示例中，功率计算分两步进行：
[0057]
第一步，利用clark变换得到网侧电流基波分量和电网电压谐波分量的αβ分量。具体计算为：
[0058][0059][0060]
第二步利用得到的网侧电流基波分量的αβ分量和电网电压谐波分量的αβ分量，计算谐波功率指令。计算方式如下：
[0061][0062]
图3为本技术实施例提供的功率控制模块的原理示意图。
[0063]
如图3所示，功率控制模块的输入为并网变换器的基本有功功率指令p
ref0
、基本无
功功率指令q
ref0
、谐波有功功率指令p
refh
、谐波无功功率指令q
refh
。输出为有功电流指令i
gref_d
和无功电流指令i
gref_q
。其中，基本有功功率指令和基本无功功率指令为希望逆变器发的有功功率和无功功率而设定的指令值。
[0064]
本示例中，该模块的实施原理如下：
[0065]
首先，将基本有功功率指令p
ref0
和谐波有功功率指令p
refh
相加，得到并网变换器的有功功率指令p
ref
；将基本无功功率指令q
ref0
和谐波无功功率指令q
refh
相加，得到并网变换器的无功功率指令q
ref
。同时利用并网变换器的网侧电流i
gabc
和电网电压u
gabc
计算并网变换器的有功功率p
vsc
和无功功率q
vsc
。变换器有功功率的计算方式和前述谐波功率计算方式类似分两步进行，如下式子所示：
[0066][0067][0068][0069]
其次，将并网变换器的有功功率指令p
ref
和有功功率p
vsc
做差，得到有功功率误差p
err
；将并网变换器的无功功率指令q
ref
和无功功率q
vsc
做差，得到无功功率误差q
err
；
[0070]
然后，将有功功率误差p
err
送入由pi调节器和在谐波频率处具有高增益的hc(harmonic control，谐波控制)调节器组成的有功功率调节器，分别得到有功电流基本指令i
gref_d0
和谐波有功电流指令i
gref_dh
；将无功功率误差q
err
送入由pi和在谐波频率处具有高增益的hc组成的无功功率调节器，分别得到无功电流基本指令i
gref_q0
和谐波无功电流指令i
gref_qh
；其中，在谐波频率处具有高增益的hc调节器的输出到输入的传递函数可以表示为：
[0071][0072]
式中，ωh为谐波有功功率和谐波无功功率中主要谐波成分的谐波频率对应的角频率，ω
ch
为hc调节器的带宽系数，k
rh
为hc调节器的增益。
[0073]
最后，将有功电流基本指令i
gref_d0
和谐波有功电流指令i
gref_dh
相加，得到有功电流指令i
gref_d
；将无功电流基本指令i
gref_q0
和谐波无功电流指令i
gref_qh
相加，得到无功电流指令i
gref_q
。
[0074]
图4为本技术实施例提供的电流控制器的原理示意图。
[0075]
如图4所示，电流控制器的输入包括有功电流指令i
gref_d
、无功电流指令i
gref_q
、网
侧电流i
gabc
、电网电压u
gabc
、锁相环输出角度θg，输出为发波电压指令的α、β轴分量e
gref_α
、e
gref_β
。电流控制器的功能的实施分两步：
[0076]
首先，根据锁相环输出角度，利用电流指令坐标变换将电流指令i
gref_d
、i
gref_q
转换到目标坐标系xy下，得到其x、y轴电流指令分量i
gref_x
、i
gref_y
；同时利用电流控制坐标变换，将网侧电流i
gabc
和电网电压u
gabc
转换到目标坐标系xy坐标系下，分别得到其x、y轴网侧电流分量i
gx
、i
gy
和电网电压分量u
gx
、u
gy
。
[0077]
当目标坐标系为同步旋转(dq)坐标系时，所述电流指令坐标变换公式为：
[0078][0079]
所述电流控制坐标变换公式为：
[0080][0081]
当目标坐标系为两相静止(αβ)坐标系时，所述电流指令坐标变换公式为：
[0082][0083]
所述电流控制坐标变换公式为：
[0084][0085]
其次，分别将x、y轴的电流指令分量与网侧电流分量做差后送入各自的电流调节器g
cr
，再将电流调节器g
cr
的输出分别与x、y轴电网电压分量叠加，得到x、y轴发波电压指令分量e
gref_x
、e
gref_y
。
[0086]
然后，通过发波电压坐标变换模块，将x、y轴发波电压指令分量e
gref_x
、e
gref_y
转换到αβ坐标系下，得到发波电压指令的α、β轴分量e
gref_α
、e
gref_β
。当然的，也可以转换到dq坐标系下。
[0087]
当电流控制的目标坐标系为dq坐标系时，所述发波电压坐标变换模块的变换公式为：
[0088]
[0089]
当电流控制的目标坐标系为αβ坐标系时，所述发波电压坐标变换模块的变换公式为：
[0090][0091]
最后，将发波电压指令的α、β轴分量e
gref_α
、e
gref_β
通过pwm调制器的调制，例如采用三相空间矢量调制方法，得到并网变换器控制所需的驱动信号，以达成其基本功率目标的同时，实现对变换器输出电流谐波的抑制目标。
[0092]
图5为电网电压含5/7次背景谐波时未采用谐波抑制策略的仿真结果示意图。
[0093]
图6为电网电压含5/7次背景谐波时采用谐波抑制策略的仿真结果示意图。谐波抑制策略可参考前述内容。
[0094]
从上述仿真结果示意图可以看出，本技术实施例提供的并网变换器的谐波电流控制，通过提取变换器网侧电流中的基波分量和谐波分量，生成抑制变换器输出电流谐波所需的谐波功率指令。实现起来简单且不会增加变换器的硬件成本，一方面其谐波抑制能力依赖变换器的外环来实现，对电流控制环路的性能无特殊要求，可以缓解谐波抑制与变换器稳定性的矛盾；另一方面其谐波抑制效果还可以与基于电流控制环路的谐波抑制策略的效果叠加，从而在不影响变换器并网稳定运行的前提下，提升其对输出电流的谐波抑制能力。
[0095]
图7为本技术实施例提供的并网变换器的谐波电流控制方法示意图。
[0096]
如图7所示，所述方法包括：
[0097]
s11、根据网侧电流和电网电压，得到谐波有功功率指令和谐波无功功率指令；
[0098]
s12、根据所述谐波有功功率指令、所述谐波无功功率指令、所述网侧电流、所述电网电压、基本有功功率指令以及基本无功功率指令，得到有功电流指令和无功电流指令；
[0099]
s13、根据所述有功电流指令、所述无功电流指令、所述网侧电流、所述电网电压以及锁相环输出角度，得到发波电压指令；
[0100]
s14、对所述发波电压指令进行调制，得到变换器控制所需的驱动信号。
[0101]
在一示例中，根据所述网侧电流和所述电网电压，得到网侧电流基波分量和电网电压谐波分量；根据所述网侧电流基波分量和所述电网电压谐波分量，计算得到所述谐波有功功率指令和所述谐波无功功率指令。
[0102]
在一示例中，利用中心频率为电网基频的带通滤波器从所述网侧电流中提取出所述网侧电流基波分量；利用高通滤波器或者中心频率为电网基频的陷波器从所述电网电压中提取出所述电网电压谐波分量。
[0103]
在一示例中，将所述谐波有功功率指令叠加到所述基本有功功率指令，得到有功功率指令；将所述谐波无功功率指令叠加到所述基本无功功率指令，得到无功功率指令；利用所述网侧电流和所述电网电压，计算得到并网变换器的有功功率和无功功率；将所述有功功率指令与并网变换器的有功功率作差得到有功功率误差，所述无功功率指令与并网变换器的无功功率作差得到无功功率误差；将所述有功功率误差经过有功功率调节器调节后得到有功电流指令，将所述无功功率误差经过无功功率调节器调节后得到无功电流指令。
[0104]
在一示例中，所述有功功率调节器或者所述无功功率调节器由pi调节器和在谐波
频率处具有高增益的hc调节器组成。
[0105]
在一示例中，所述在谐波频率处具有高增益的hc调节器包括中心频率等于谐波频率的谐振调节器、重复控制器、矢量控制器中的任意一种。
[0106]
在一示例中，根据锁相环输出角度，利用电流指令坐标变换将所述有功电流指令、所述无功电流指令转换到目标坐标系下，得到对应的电流指令分量；同时利用电流控制坐标变换，将所述网侧电流和所电网电压转换到目标坐标系下，得到对应的网侧电流分量和电网电压分量；
[0107]
将所述电流指令分量与所述网侧电流分量做差后送入电流调节器，再将电流调节器的输出分别与所述电网电压分量叠加，得到目标坐标系下的发波电压指令分量；
[0108]
通过发波电压坐标变换模块，对目标坐标系下的发波电压指令分量进行转换得到所述发波电压指令。
[0109]
在一示例中，所述目标坐标系包括同步旋转坐标系或者两相静止坐标系。
[0110]
在一示例中，所述网侧电流包括变换器并网电流或者交流电感上的电流。
[0111]
以上参照附图说明了本技术的优选实施例，并非因此局限本技术的权利范围。本领域技术人员不脱离本技术的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本技术的权利范围之内。