CN102035216B - 发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法，包括如下步骤：利用发电机的三相端电压与绕组电流估算出反电势信号，再通过锁相环计算得出相角值，作为矩阵变换器三相输入电流参考信号的相角；利用电网的三相电压计算得出相角，分别计算入网电流和电网电压的交轴和直轴分量，得到实际入网有功功率与无功功率的反馈值；并将给定值与反馈值的偏差量经PI调节器后的输出值作为矩阵变换器期望输出电压的直轴和交轴分量，得到三相电压，以此调节占空比信号；采用矩阵变换器的瞬时值合成调制策略，得到对应开关管的驱动信号。此种控制方法可以使矩阵变换器有效地实现并网变流器的功能。本发明还公开一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制装置。

Description

发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法及装置

技术领域

 本发明属于发电领域，特别涉及一种发电机与矩阵变换器组合的并网发电控制方法及其实现装置。

背景技术

 随着社会经济的发展，电力需求日益增长，石油、煤炭等不可再生化石能源的日渐消耗必然促使着人们寻求新的发电方式。利用各种可用和分散存在的能源，包括可再生能源（太阳能、风能、水能等）的分布式发电系统有望成为电力系统发展的趋势。

在风能、水能的利用中，通常需要发电机将机械能转换为电能，由于可再生能源的不稳定性，发电机的转速通常不能保持恒定，其输出电能的频率也是变化的，因此需要电力电子变换器作为发电机与电网之间的接口，将发电机输出的电能变换为满足电网幅值、相位和谐波含量要求的电能传输给用户使用。

交流电力变换装置通常可分为交-直-交型和交-交型两种形式，其中，交-直-交型电力变换装置因其具有良好的控制性能得到了广泛应用，但是，它存在直流储能电容，且变换装置的体积大，可维护性低。矩阵变换器是一种能够实现从m相输入直接变换到n相输出的电力变换装置，能够实现AC-AC、AC-DC等多种变换。与传统的交-直-交型电力变换装置相比，矩阵式变换器具有输入功率因素高、输入电流波形好、能量可双向流动、可实现四象限运行、无中间直流储能环节、电路结构紧凑、体积小等优点。发电机与矩阵变换器组合的并网发电系统具有高功率密度、高可靠性，能够实现低谐波含量的高质量电能输出，是并网发电系统的优选方案之一。因此，本发明人即基于上述思路，为了实现发电机与矩阵变换器的有效结合，提出一种并网控制方法，本案由此产生。

发明内容

 本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法及装置，其可以使矩阵变换器有效地实现并网变流器的功能。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法，包括如下步骤：

（1）在发电机侧，检测发电机的三相端电压与三相绕组电流，据此估算出发电机的反电势信号；

（2）将前述发电机的三相反电势信号通过锁相环计算得出其相角值φ，并将φ作为矩阵变换器三相输入电流参考信号的相角；

（3）在电网侧，检测电网的三相电压，通过锁相环计算得出电网电压的相角θ；

（4）在以电网电压相角q为基准的旋转坐标系下，分别计算入网电流和电网电压的交轴和直轴分量i _d、i _q、U _d和U _q，经有功功率和无功功率计算得到实际入网有功功率P与无功功率Q的反馈值；

（5）将有功功率给定值P ^*与前述有功功率反馈值P的偏差量经PI调节器后的输出值作为矩阵变换器期望输出电压的直轴分量v _d，无功功率给定值Q ^*与前述无功功率反馈值Q的偏差量经PI调节器后的输出值作为矩阵变换器期望输出电压的交轴分量v _q，将前述v _d、v _q两个分量转换到以电网电压相角θ为基准的静止坐标系下，得到矩阵变换器期望输出的三相电压v _a、v _b和v _c，以此调节矩阵变换器的占空比信号；

（6）采用矩阵变换器的瞬时值合成调制策略，得到对应开关管的驱动信号。

上述步骤（1）中，估算发电机的反电势信号的公式为：

其中，u _u, u _v, u _w分别为发电机输出的三相端电压，i _u, i _v, i _w分别为发电机三相绕组电流，L _a为发电机相绕组电感，R _a为发电机相绕组电阻。

上述步骤（6）中，瞬时值合成调制策略的内容为：

将矩阵变换器的输入电流参考信号划分为6个扇区，其划分规则是：三相输入电流参考信号的正负极性在一个扇区时间内保持不变，将三相输入电流参考信号中极性与其余两相不同的一相定义为i _base，其余两相中呈上升变化的一相定义为i _inc，呈下降变化的一相定义为i _dec，与之相对应的三相输入电压相分别定义为U _base，U _inc，U _dec；

将期望输出线电压v _ab, v _bc, v _ca也划分为6个扇区，其划分规则是：三相期望输出线电压的最大值，中间值，最小值的顺序保持不变，分别定义为V _max，V _mid，V _min；

当i _base为正值时：

当i _base为负值时：

。

一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制装置，包括主控单元、发电机、输入滤波器、矩阵变换器、输出滤波器、隔离变压器、发电机电流检测单元、端电压检测单元、电网电压检测单元、入网电流检测单元、驱动隔离电路、继电器和并网控制开关；

其中，发电机与矩阵变换器的的三相输入端直接相连；输入滤波器并联于矩阵变换器的输入端；

发电机电流检测单元测量发电机绕组电流大小，端电压检测单元测量矩阵变换器的输入电压幅值，入网电流检测单元检测入网电流大小，电网电压检测单元测量得到的电网电压，前述测量值均输入至主控单元，该主控单元经实时计算得到矩阵变换器的控制信号，并经驱动隔离电路得到驱动信号；

输出滤波器串联接入矩阵变换器的输出端；隔离变压器的星形连接绕组连接输出滤波器的输出端，并经由该输出滤波器连接矩阵变换器，另一端的三角形连接绕组则经由并网控制开关连接电网；继电器与并网控制开关连接，其驱动信号由主控单元输出。

上述输入滤波器采用呈星形连接的三个电容，其三个输出端分别并联于矩阵变换器的三相输入端。

上述输出滤波器为三个电感，分别与矩阵变换器的三相输出端串联。

采用上述方案后，本发明通过对发电机反电势的估算实现了发电机的高功率因数控制，通过对并网有功功率与无功功率的闭环控制得到矩阵变换器的期望输出电压，对输入输出扇区进行合理划分，与采用推导的占空比计算公式实现了对矩阵变换器的有效控制。

附图说明

 图1是本发明所提供的控制装置的整体架构图；

图2是本发明中所采用的三相锁相环的结构框图；

图3是本发明中矩阵变换器输入侧扇区的划分示意图；

图4是本发明中矩阵变换器输出侧扇区的划分示意图；

图5是本发明中开关周期内占空比的分配示意图。

具体实施方式

 以下将结合附图及具体实施例对本发明的内容进行详细说明。

本发明提供一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法，包括如下步骤：

（1）在发电机侧，检测发电机的三相端电压与三相绕组电流，据此估算出发电机的反电势信号，具体可由下式计算得出：

其中，u _u, u _v, u _w分别为发电机输出的三相端电压，i _u, i _v, i _w分别为发电机三相绕组电流，L _a为发电机相绕组电感，R _a为发电机相绕组电阻。

（2）将前述发电机的三相反电势信号通过锁相环（可同时配合图2），计算得出其相角值φ，并将φ作为矩阵变换器三相输入电流参考信号的相角，见下式，从而实现发电机的高功率因数控制；

（3）在电网侧，检测电网的三相电压，通过图2所示的锁相环计算得出电网电压的相角θ，但此时其输入三相电压是电网电压u _a、 u _b、u _c，并将该角度作为三相入网电流坐标变换的同步信号；

（4）在以电网电压相角q为基准的旋转坐标系下，分别计算入网电流和电网电压的交轴和直轴分量i _d、i _q、U _d和U _q，经有功功率和无功功率计算得到实际入网有功功率P与无功功率Q的反馈值，具体计算公式如下所示：

（5）将有功功率给定值P ^*与前述有功功率反馈值P的偏差量经PI调节器后的输出值作为矩阵变换器期望输出电压的直轴分量v _d，无功功率给定值Q ^*与前述无功功率反馈值Q的偏差量经PI调节器后的输出值作为矩阵变换器期望输出电压的交轴分量v _q，将前述v _d、v _q两个分量转换到以电网电压相角θ为基准的静止坐标系下，得到矩阵变换器期望输出的三相电压v _a、v _b和v _c，以此调节矩阵变换器的占空比信号，实现发电系统并网有功功率与无功功率的闭环控制；

（6）采用矩阵变换器的瞬时值合成调制策略，得到对应开关管的驱动信号；

将矩阵变换器的输入电流参考信号按图3所示划分为6个扇区，其划分规则是：三相输入电流参考信号的正负极性在一个扇区时间内保持不变。在本发明所提供的控制方法中，将三相输入电流参考信号中极性与其余两相不同的一相定义为i _base，其余两相中呈上升变化的一相定义为i _inc，呈下降变化的一相定义为i _dec，与之相对应的三相输入电压相分别定义为U _base，U _inc，U _dec。

将期望输出线电压v _ab, v _bc, v _ca也划分为6个扇区，如图4所示，其划分规则是：三相期望输出线电压的最大值，中间值，最小值的顺序保持不变，分别定义为V _max，V _mid，V _min。

按照以上定义，期望输出线电压的瞬时值可由其输入电压的瞬时值来合成，具体可表述为下式：

当i _base为正值时：

上式的物理意义是：V _max和V _min两个输出线电压由两个输入线电压合成，分别是U _base与U _inc之间的线电压U _base-inc和U _base与U _dec之间的线电压U _base-dec。由于V _min是负值，而当i _base为正值时，U _base-inc与U _base-dec均为正值，因此实际合成的输出线电压为-V _min。

当i _base为负值时：

上式的物理意义与 i _base为正值时类似，由于V _max是正值，而当i _base为负值时，U _base-inc与U _base-dec均为负值，因此实际合成的输出线电压为-V _max。

为使输入电流正弦化，定义输入电流分布因数为a，由下式表示：

为使i _base为正负值两种情况在占空比计算中统一，对U _base-inc与U _base-dec取绝对值进行计算。矩阵变换器选择开通的开关管的占空比可由下式表示：

其中，T ₁、T ₂和T ₃表示合成V _max线电压的占空比，T ₄、T ₅和T ₆表示合成V _min线电压的占空比，在任何开关周期T _s内的开关模式合成可由图5所示。

另外，如图1所示，本发明还提供一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制装置，包括主控单元、发电机、输入滤波器、矩阵变换器、输出滤波器、隔离变压器、发电机电流检测单元、端电压检测单元、电网电压检测单元、入网电流检测单元、驱动隔离电路、继电器和并网控制开关，其中，发电机与矩阵变换器的三相输入端直接相连；输入滤波器采用呈星形连接的三个电容，其三个输出端分别并联于矩阵变换器的三相输入端，并且尽量靠近其中的功率管；发电机电流检测单元用于测量发电机绕组电流大小；端电压检测单元用于测量矩阵变换器的输入电压幅值，其接线应尽量靠近输入滤波器。

输出滤波器为三个电感，分别串入矩阵变换器的输出端；隔离变压器的输入端连接输出滤波器的输出端，并经由该输出滤波器连接矩阵变换器，另一端则经由并网控制开关连接电网，所述隔离变压器的输入侧呈星形连接，输出侧呈三角形连接；继电器用于控制并网控制开关，其驱动信号由主控单元输出。

入网电流检测单元用于检测入网电流大小；电网电压检测单元用于测量得到的电网电压，其接线与隔离变压器的星形输入端连接。

主控单元接收发电机电流检测单元、端电压检测单元、电网电压检测单元、入网电流检测单元所采集的数据，并实现以下功能：反电势估算及其锁相环计算，输入输出扇区判断，电网电压锁相，有功功率与无功功率的PI闭环控制，坐标变换，占空比计算，开关组合控制。

驱动隔离电路连接在主控单元和矩阵变换器之间，在控制信号与驱动信号之间实现光耦隔离。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在发电机侧，检测发电机的三相端电压与三相绕组电流，据此估算出发电机的反电势信号；

（2）将前述发电机的三相反电势信号通过锁相环计算得出其相角值

并将

作为矩阵变换器三相输入电流参考信号的相角；

（3）在电网侧，检测电网的三相电压，通过锁相环计算得出电网电压相角θ；

（4）在以电网电压相角θ为基准的旋转坐标系下，分别计算入网电流和电网电压的交轴和直轴分量i_d、i_q、U_d和U_q，经有功功率和无功功率计算得到实际入网有功功率P与无功功率Q的反馈值；

（5）将有功功率给定值P^*与前述有功功率P反馈值的偏差量经PI调节器后的输出值作为矩阵变换器期望输出电压的直轴分量v_d，无功功率给定值Q^*与前述无功功率Q反馈值的偏差量经PI调节器后的输出值作为矩阵变换器期望输出电压的交轴分量v_q，将前述v_d、v_q两个分量转换到以电网电压相角θ为基准的静止坐标系下，得到矩阵变换器期望输出的三相电压v_a、v_b和v_c；

（6）采用矩阵变换器的瞬时值合成调制策略，得到对应开关管的驱动信号；所述瞬时值合成调制策略的内容是：

将矩阵变换器的输入电流参考信号划分为6个扇区，其划分规则是：三相输入电流参考信号的正负极性在一个扇区时间内保持不变，将三相输入电流参考信号中极性与其余两相不同的一相定义为i_base，其余两相中呈上升变化的一相定义为i_inc，呈下降变化的一相定义为i_dec，与之相对应的三相输入电压相分别定义为U_base，U_inc，U_dec；

将期望输出线电压v_ab,v_bc,v_ca也划分为6个扇区，其划分规则是：三相期望输出线电压的最大值，中间值，最小值的顺序保持不变，分别定义为V_max，V_mid，V_min；

当i_base为正值时：

V_max=T₁U_base-inc+T₂U_base-dec

-V_min=T₄U_base-inc+T₅U_base-dec

当i_base为负值时：

-V_max=T₁U_base-inc+T₂U_base-dec

V_min=T₄U_base-inc+T₅U_base-dec；

其中，U_base-inc表示U_base与U_inc之间的线电压，U_base-dec表示U_base与U_dec之间的线电压；

定义输入电流分布因数为α，由下式表示：

$\mathrm{\α}=\frac{i_{\mathrm{dec}}}{i_{\mathrm{inc}}}=\frac{T_2}{T_1}=\frac{T_5}{T_4}$

矩阵变换器选择开通的开关管的占空比由下式表示：

$T_1=T_s\frac{V_{\max }}{\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{inc}}\right|+\mathrm{\α}\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{dec}}\right|}$

$T_2=T_s\frac{\mathrm{\α}{V}_{\max }}{\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{inc}}\right|+\mathrm{\α}\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{dec}}\right|}$

T₃=T_s-T₁-T₂

$T_4=T_s\frac{V_{\min }}{\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{inc}}\right|+\mathrm{\α}\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{dec}}\right|}$

$T_5=T_s\frac{\mathrm{\α}{V}_{\min }}{\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{inc}}\right|+\mathrm{\α}\left|U_{\mathrm{base}-\mathrm{dec}}\right|}$

T₆=T_s-T₄-T₅

其中，T₁、T₂和T₃表示合成V_max线电压的占空比，T₄、T₅和T₆表示合成V_min线电压的占空比，T_s表示开关周期。

2.如权利要求1所述的发电机与矩阵变换器组合的并网控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中，估算发电机的反电势信号的公式为：

$e_u=u_u+L_a\frac{{\mathrm{di}}_u}{\mathrm{dt}}+R_a{i}_u$

$e_v=u_v+L_a\frac{{\mathrm{di}}_v}{\mathrm{dt}}+R_a{i}_v$

$e_w=u_w+L_a\frac{{\mathrm{di}}_w}{\mathrm{dt}}+R_a{i}_w$

其中，u_u,u_v,u_w分别为发电机输出的三相端电压，i_u,i_v,i_w分别为发电机三相绕组电流，L_a为发电机相绕组电感，R_a为发电机相绕组电阻。

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