CN101847875B - 电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法，该方法适用于无同步速旋转坐标变换的直接功率控制(传统的直接功率控制)。通过采集三相电网的电压和电流信号，提取负序电压和正序电流信号，根据所选择的控制目标计算有功、无功功率的补偿项。本发明方法根据所需的控制目标，在传统的直接功率控制的功率参考信号中注入有功、无功功率的补偿项，以分别消除电网电压不对称引起的电网负序电流，有功功率的二倍频波动以及无功功率的二倍频波动，以适应不同的应用场合。增强电压型并网逆变器在电网不对称故障情况下的控制能力和不间断运行能力。

Description

电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域内的电压型逆变器PWM控制技术，尤其涉及一种电压型并网逆变器在电网电压不对称条件下增强直接功率控制的功率补偿方法。

背景技术

电压型PWM逆变器以其优秀的输入、输出特性广泛地应用于风力发电、光伏发电等新能源发电以及高压直流输电等领域。矢量控制(VC)和直接功率控制(DPC)是电压型PWM逆变器的主要控制策略。关于正常电网条件下的电压型PWM逆变器的直接功率控制研究已经较为完备。但是由于风能和太阳能丰富的地区多较为偏远，远离核心大电网，电网较为脆弱容易发生对称跌落和不对称跌落故障，故障电网条件下电压型PWM逆变器的输入电流谐波明显增大以至于难以满足电网谐波规范，因此故障电网条件下电压型PWM逆变器的直接功率控制研究具有实用意义。近年来国际上研究多集中在电网对称故障下的运行控制，但电网不对称故障更为频繁、几率更大，因此，对电压型PWM逆变器的研究方向已从对称故障向不对称故障延伸。中国的电网规范允许电网存在2％的稳态不对称和更大的瞬态不对称，这也就要求电压型PWM逆变器需要在这种不对称条件下仍然能够取得良好的输入输出特性。对于矢量控制在不对称电网条件下的控制策略已经有所研究，而直接功率控制在不对称电网条件下的控制策略研究鲜有见闻。

检索到电压型PWM逆变器不对称电网条件下运行控制的相关专利和研究文章有：

I.Song，H.S，Nam，K.，“Dual current control scheme for PWM converter underunbalanced input voltage conditions，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.46，no.5，pp.953-959，1999.

II.Yongsug，S.，Lipo，T.A.，“Control scheme in hybrid synchronous stationary frame forPWM AC/DC converter under generalized unbalanced operating conditions，”IEEETrans.Ind.Appl.，vol.42，no.3，pp.825-835，2006.

III.Etxeberria-Otadui，I.，Viscarret，U.，Caballero，M.，rufer，A.Bacha，S.，“Newoptimized PWM VSC control structures and strategies under unbalanced voltagetransients，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.54，no.5，pp.2902-2914，2007.

IV.Yin，B.，Oruganti，R.，Panda，S.K.，Bhat，A.K.S.，“An output-power-control strategyfor a three-phase PWM rectifier under unbalanced supply conditions，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.55，no.5，pp.2140-2151，2008.

不对称电网电压条件下，上述文献提出的方法都是基于对称分量理论的矢量控制方法。这些方法的核心思想是将VSC电流分解为正序和负序分量，然后通过分别控制正、负序分量来控制有功、无功功率，其原理可以用图1说明。由IGBT开关管组成的电压型三相并网逆变器电路1通过三相滤波电抗器2连接到三相电网，直流侧接有直流母线电容和等效直流电源(逆变能量的来源)。其控制过程如下：利用三相电压霍尔传感器5和三相电流霍尔传感器6分别采集电网三相电网电压U_abc和电网电流信号I_abc；将采集得到的三相电网电压信号U_abc和三相电网电流信号I_abc经过两相静止坐标变换，得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量U_αβ，以及包含正、负序和零序(直流)分量的电网电流综合矢量I_αβ；将得到的电网电压综合矢量U_αβ和电网电流综合矢量I_αβ分别通过正反转坐标变换模块9、10，得到正、反转同步速旋转(Park)坐标系中含有直流分量与以2ω_s频率波动的交流分量的电压、电流综合矢量

然后采用2ω_s频率陷波器11(或者低通滤波器等方法)来滤除2ω_s频率波动的交流分量，从而获得其正、负序分量

利用

和有功、无功功率参考信号以及控制目标由电流指令值计算模块12计算获得参考电流指令并与电流反馈信号

比较得到电流误差信号，然后分别在正、反转同步速旋转(Park)坐标系中分别采用比例积分器对电流误差信号进行调节，将调节得到的信号经反馈补偿解耦模块获得正反转同步速旋转(Park)坐标系中的输出电压参考信号分别通过反、正转同步速到两相静止坐标变换模块15、16得到正、负序电压参考信号

并相加后得到空间电压矢量调制模块17的参考信号，经过SVPWM模块17调制获得VSC的开关信号S_a、S_b、S_c以控制VSC运行。

由上述分析过程可见，电网电压不对称条件下VSC传统控制方法的实质就是将不对称系统分解成正、负序对称分量系统后，再分别在正、负转同步速旋转(Park)坐标系中实现正、负序d、q轴的解耦控制。虽然VSC正、负序电流在正、反转同步速坐标系中各自表现为直流量，分别用两个PI就可以无静差跟踪，但此控制需要在控制内环内提取出正、负序分量，这样将极大的限制系统的控制带宽，影响系统的动态和稳定响应。

因此，亟需探索一种无需在控制内环提取正、负序，又能消除电网电压不对称引起的VSC输入电流畸变和功率波动的控制方法，以适应电网对称和不对称条件下VSC的运行控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法，该方法使得在不对称电网电压条件下，三相电压型并网逆变器无需同步速旋转(Park)坐标变换的直接功率策略能够获得良好的运行特性，可以消除有功功率的波动，或者消除无功功率的波动，或者消除负序的电网电流、得到正弦对称的电网电流，从而确保供电质量和VSC的运行的安全性与稳定性。

本发明的技术解决方案，电网电压不对称条件下，三相电压型并网逆变器直接功率控制的功率补偿方法，包括以下步骤：

(a)利用单相电压传感器测量直流母线电压信号V_dc；利用三相电压霍尔传感器采集电网三相电压信号U_abc；利用三相电流霍尔传感器采集电压源型并网逆变器(VSC)输入的三相电流信号I_abc；

(b)将采集得到的三相电网电压信号U_abc和三相电流信号I_abc经过Clarke坐标变换，得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量U_αβ，以及包含正、负序分量的电网电流综合矢量I_αβ；

(c)将得到的静止坐标系下电网电压综合矢量U_αβ和电网电流综合矢量I_αβ经过计算得到VSC从电网输入的瞬时有功、无功功率信号P、Q；

(d)将得到的静止坐标系下电网电压综合矢量U_αβ和电网电流综合矢量I_αβ采用T/4延时的方法或陷波器的方法，得到负序的电网电压矢量和正序的电网电流矢量

(e)将得到的负序的电网电压矢量

和正序的电网电流矢量经过计算得到有功、无功功率的补偿信号P_comp、Q_comp；

(f)将得到的有功、无功功率的补偿信号P_comp、Q_comp加入到有功、无功功率参考信号中，得到新的有功、无功功率参考信号P_{ref_n}、Q_{ref_n}；

(g)将得到的新的有功、无功功率参考信号P_{ref_n}、Q_{ref_n}与瞬时功率信号比较，得到有功、无功功率的误差信号P_error、Q_error；

(h)将得到的电网电压综合矢量U_αβ、电网电流综合矢量I_αβ、有功、无功功率误差信号P_error、Q_error以及母线电压信号V_dc送入传统的直接功率控制策略中，得到开关信号S_a、S_b、S_c。

(i)将得到开关信号S_a、S_b、S_c经过驱动模块驱动IGBT。

本发明的有益效果是，本发明方法适用于增强无需同步速旋转(Park)坐标变换的直接功率控制策略在不对称电网条件下的控制能力。采用了本发明方法的直接功率控制策略不仅适用于VSC而且还适用于其他采用高频开关自关断器件构成的各类形式PWM控制的三相逆变装置在对称和不对称电网条件下的有效控制，如光伏、燃料电池发电、风力发电网侧变换器、柔性输电系统的电力电子逆变装置的有效控制。

附图说明

图1是电网电压不对称条件下三相电压型并网逆变器的传统控制方法的原理图。

图2是本发明的三相电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法的原理图。

图3三相电压型并网逆变器拓扑结构。

图4基于陷波器提取正、负序分量的方法。

图5在不对称电网条件下，三种不同的直接功率控制策略在添加功率补偿和不添加功率补偿时的仿真效果，其中，(a)为LUT-DPC，(b)为SMC-DPC，(c)为P-DPC。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

图2是本发明提出的一种电压型并网逆变器(GC-VSI)在电网电压不对称条件下直接功率控制的功率补偿方法。以一台2kW VSC为例，VSC主电路的结构如图3所示，包括电网14，线路电感2，线路电阻12，IGBT开关管19及其驱动(或者IPM模块)组成的三相全控桥1，直流母线电容20以及直流回路等效电源4。控制回路包括：控制芯片、三相电压霍尔传感器5、三相电流霍尔传感器6、单相电压霍尔传感器3。控制芯片通常采用DSP(如TI公司的TMS320LF2812等)，DSP中实现的控制过程如图2中阴影框所示。三相电压型并网逆变器的不对称直接功率控制功率补偿方法，包括如下步骤：

(a)利用单相电压传感器3测量直流母线电压信号V_dc；利用三相电压霍尔传感器5采集电网三相电压信号U_abc；利用三相电流霍尔传感器6采集电压源型并网逆变器(VSC)输入的三相电流信号I_abc；

(b)采集得到的三相电网电压信号U_abc和三相电网电流信号I_abc经过Clarke坐标变换7，得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量U_αβ，以及包含正、负序和零序(直流)分量的电网电流综合矢量I_αβ；以电网电压为例，Clarke坐标变换的表达式如式(1)所示。

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

(c)将得到的静止坐标系下电网电压综合矢量U_αβ和电网电流综合矢量I_αβ经过9得到VSC从电网输入的瞬时有功、无功功率信号P、Q看。瞬时有功、无功功率计算公式如式(2)所示。

$P=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}}+u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\β}})$

$Q=\frac{3}{2}(-u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}+u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}})---\left(2\right)$

(d)将得到的静止坐标系下电网电压综合矢量U_αβ和电网电流综合矢量I_αβ经过正负序分离8(采用T/4延时方法或陷波器的方法)，得到负序的电网电压矢量

和正序的电网电流矢量T/4延时提取正负序分量的方法，以电网电压为例，如式(3)表达：

$U_{\mathrm{\α}}^{+}=\frac{U_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-U_{\mathrm{\β}}(t-T/4)}{2}$

$U_{\mathrm{\β}}^{+}=\frac{U_{\mathrm{\β}}\left(t\right)+U_{\mathrm{\α}}(t-T/4)}{2}$

$U_{\mathrm{\α}}^{-}=\frac{U_{\mathrm{\α}}\left(t\right)+U_{\mathrm{\β}}(t-T/4)}{2}---\left(3\right)$

$U_{\mathrm{\β}}^{-}=\frac{U_{\mathrm{\β}}\left(t\right)-U_{\mathrm{\α}}(t-T/4)}{2}$

基于陷波器提取正负序的方法，以提取正负电压为例，如图4表达。将(a)中采集得到的三相电网电压信号U_abc经过Clarke坐标变换模块7，得到U_αβ，将得到的两相静止坐标下电压信号U_αβ经过同步速旋转(Park)坐标变换9-1，得到电压信号U_q，再将得到的电压信号U_q先经过2ω_s陷波器再经过比例积分(PI)调节13，得到电网角频率信号ω_s，将得到的角频率信号ω_s经过积分环节16可以得到相位角θ_s；将得到的相位角分别作为同步速旋转(Park)坐标变换9-1和9-2坐标变换的角度信号；将9-2得到的U_d、U_q分别经过2ω_s陷波器滤除2倍频波动成分，就可以得到电网电压正序分量

再将得到的正序分量

经过同步速到两相静止坐标变换15得到所需要的

(e)将得到的负序的电网电压矢量

和正序的电网电流矢量经过有功、无功功率补偿计算模块得到有功、无功功率的补偿信号P_comp、Q_comp；

为消除有功功率波动所需要的功率补偿项如式(4)表达

P_comp＝0

$Q_{\mathrm{comp}}=3(-U_{\mathrm{\α}}^{-}{I}_{\mathrm{\β}}^{+}+U_{\mathrm{\β}}^{-}{I}_{\mathrm{\α}}^{+})---\left(4\right)$

为消除无功功率波动所需要的功率补偿项如式(5)表达

P_comp＝3(U_αI_α+U_βI_β)           (5)

Q_comp＝0

为消除负序电流获得正弦对称的电网电流所需要的功率补偿项如式(6)表达

$P_{\mathrm{comp}}=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{\α}}^{-}{I}_{\mathrm{\α}}^{+}+U_{\mathrm{\β}}^{-}{I}_{\mathrm{\β}}^{+})$

$Q_{\mathrm{comp}}=\frac{3}{2}(-U_{\mathrm{\α}}^{-}{I}_{\mathrm{\β}}^{+}+U_{\mathrm{\β}}^{-}{I}_{\mathrm{\α}}^{+})---\left(6\right)$

(f)将得到的有功、无功功率的补偿信号P_comp、Q_comp注入到有功、无功功率参考信号P_ref、Q_ref中，得到新的有功、无功功率参考信号P_{ref_n}、Q_{ref_n}；如式(7)表达

P_{ref_n}＝P_ref+P_comp                (7)

Q_{ref_n}＝Q_ref+Q_comp

(g)将得到的新的有功、无功功率参考信号P_{ref_n}、Q_{ref_n}与瞬时功率信号比较，得到有功、无功功率的误差信号P_error、Q_error；

(h)将得到的电网电压综合矢量U_αβ、电网电流综合矢量I_αβ、有功、无功功率误差信号P_error、Q_error以及母线电压信号V_dc送入传统的直接功率控制11，得到开关信号S_a、S_b、S_c；开关信号的具体获取参见无需同步速旋转(Park)坐标变换的直接功率控制策略，如预测直接功率控制(P-DPC)如Predictive Direct PowerControl-A New Control Strategy for DC-AC Converters、基于滑模变结构的直接功率控制(SMVS-DPC)如三相电压型并网逆变器滑模变结构直接功率控制研究、基于查询开关表的直接功率控制(LUT-DPC)如Improved Direct PowerControl of Grid-Connected DC-AC Converters。

(i)将得到的开关信号S_a、S_b、S_c驱动三相全控桥1。

参照图5(A)、(B)、(C)可以看出，在不对称电网条件下，三种不同的直接功率控制策略在添加功率补偿时可以获得良好的电网电流，避免过大的电流谐波污染电网。

综上所述，本发明公开的一种电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法无需对原直接功率控制方法做本质上的更改，控制结构简单，功率补偿以及正负序提取均在功率外环进行，动、静态性能良好；在电网电压不对称情况下，可以很好的抑制输入电流的谐波，避免大量低次的电流谐波严重污染电网，降低电能质量。本方法可以增强电网不对称情况下对VSC的控制能力，实现了VSC在电网不对称故障下的穿越运行。

Claims (2)

1.一种电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)利用三个电压霍尔传感器(5)采集三相电网电压信号U_abc；利用三个电流霍尔传感器(6)采集三相电压型并网逆变器(1)的三相电网电流信号I_abc；

(b)采集得到的三相电网电压信号U_abc和三相电网电流信号I_abc经过两相静止坐标变换即Clarke变换模块(7)，得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量U_αβ，以及包含正、负序分量的电网电流综合矢量I_αβ；

(c)电网电压综合矢量U_αβ和电网电流综合矢量I_αβ利用有功、无功功率计算模块(9)得到所述并网逆变器从电网输入的瞬时有功、无功功率信号P、Q；

(d)将得到的静止坐标系中电网电压综合矢量U_αβ经过T/4延时方法或者陷波器方法进行正、负序分解得到静止坐标系中负序电网电压矢量

(e)将得到的静止坐标系中电网电流综合矢量I_αβ经过T/4延时方法或者陷波器方法进行正、负序分解得到静止坐标系中正序电网电流矢量

(f)将得到的两相静止坐标系中负序电网电压矢量

和两相静止坐标系中正序电网电流矢量

经过有功、无功功率补偿项计算单元(10)得到不同控制目标下有功、无功功率补偿信号P_comp、Q_comp；

(g)将有功、无功功率补偿信号P_comp、Q_comp加入到有功、无功功率参考信号P_ref、Q_ref中，得到新的有功、无功功率参考信号P_{ref_n}、Q_{ref_n}；

(h)将新的有功、无功功率参考信号P_{ref_n}、Q_{ref_n}与瞬时有功、无功功率信号P、Q比较，得到有功、无功功率的误差信号P_error、Q_error；

(i)通过直流电压测量模块(3)，得到直流母线电压V_dc；

(j)将得到的电网电压综合矢量U_αβ、电网电流综合矢量I_αβ、有功、无功功率的误差信号P_error、Q_error以及直流母线电压V_dc送入直接功率控制模块(11)，得到开关信号S_a、S_b、S_c；

(k)将得到的开关信号S_a、S_b、S_c经过驱动模块驱动IGBT或者直接送给IPM模块。

2.根据权利要求1所述的电压型并网逆变器的不对称直接功率控制的功率补偿方法，其特征在于，所述步骤(f)中，所说的控制目标为：保持所述并网逆变器输出有功功率恒定，或保持所述并网逆变器输出无功功率恒定，或保持所述并网逆变器输出三相电网电流对称、正弦且不含有负序电流。

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