CN103326399A - 一种不平衡及谐波电网下的并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡及谐波电网下的并网逆变器控制方法，其采用VPI调节器可直接对有功无功功率的二倍频谐波倍频分量波动进行控制，无需采用多个同步旋转坐标系下的正负序分解计算各个倍频分量的功率参考，减小了计算延时，增强了动态响应能力；同时，本发明由于采用的是SVM-DPC策略，因此不存在开关频率变化的问题，便于交流滤波装置的选择；故本发明适用于在不平衡和谐波电网下其他各类高频开关自关断器件构成的各类PWM控制的单相或者三相逆变装置，如风能、太阳能、燃料电池等发电系统的并网装置，柔性交流输电系统的电力电子装置，以及在电机控制中逆变装置。

Description

一种不平衡及谐波电网下的并网逆变器控制方法

技术领域

本发明属于变流器控制技术领域，具体涉及一种不平衡及谐波电网下的并网逆变器控制方法。

背景技术

并网逆变器作为VSC（三相电压源变换器）的一类分支，在工业生产中得到了广泛的应用，特别是在分布式能源并网、高压直流输电、伺服电机驱动、智能电网等领域应用极为普遍。目前对并网逆变器的控制大多停留在理想电网条件下，但是由于实际电网中经常有各类对称或者不对称故障发生，并且带有5、7次等谐波分量，对于这样的突发故障情况或者弱电网运行条件下，传统的并网逆变器控制方法存在很大的缺陷，出现较大的电流和功率振荡，因此必须开展不平衡谐波电网下运行控制研究并提出相应控制技术。

传统的并网逆变器的控制系统中由于没有考虑电网电压的不平衡和谐波畸变，从而使得微小的不对称电压或者谐波电压都将造成输入到电网的有功和无功功率发生振荡，影响到注入到电网的电能质量。在分布式能源特别是风力发电领域，从电网安全角度出发，电网规范要求风电机组能承受最大达2%的稳态和相对较大瞬态不对称电压而不脱离电网，以防引发后续的更大电网故障。这就要求作为系统重要组成部分的并网逆变器能在一定程度的不对称和谐波电网电压下具有持续运行的能力。目前，国内外主要针对的是单一考虑不平衡电网电压下的并网逆变器控制技术的研究，或仅在谐波电网下针对并网逆变器电流谐波分量的抑制。

耿强等在标题为电网电压不平衡情况下PWM整流器恒频直接功率控制（中国电机工程学报，2010(36):第79-85页）的文献中提出了在不平衡电网电压下的并网逆变器控制方法，其控制原理如图1所示；系统首先采集三相电网电压和电流，通过锁相环计算出θ_g，将电压电流进行正负序分解和坐标变换，计算出瞬时有功功率和无功功率，采用不平衡算法CSF-DPC（恒频直接功率控制）策略计算出变流器的参考电压，经合成和调制后输出：利用三相电压霍尔传感器和三相电流霍尔传感器采集电网侧的电压U_abc和电流I_abc；将采集得到的电压电流信号经过三相静止到两相静止坐标系变换（abc/αβ）后，得到电网电压综合矢量U_αβ和电流综合矢量I_αβ；得到的综合矢量经过正反转同步旋转坐标变换后和陷波器（filter）的作用后，可以得到电压综合矢量和电流综合矢量的正负序分量

根据以上得到的电压电流正负序分量可以在功率计算模块（power calculation）中计算出有功功率直流分量P₀、无功功率直流分量Q₀、以余弦规律变化的有功功率二倍频分量幅值P_c2和以正弦规律变化的无功功率二倍频分量幅值Q_s2；将该计算得到的功率信号和功率参考信号

和

输入到电压参考计算（volta_ge reference calculation）模块中，计算出电压参考信号正负序分量上述参考值经过正反转同步旋转坐标系反变换后得到静止坐标系下VSC输出电压参考值相加后得到用于空间电压矢量脉宽调制SVPWM（空间矢量脉宽调制）参考控制信号

从而获得用于调制开关管通断的开关信号，实现在不平衡电网电压下对变流器的功率补偿。

上述方法需要在同步坐标系下对变流器的三相电压电流的正负序分量进行分解，需要在电压变换模块中加入陷波器，不可避免引入了延时；而且在计算电压参考信号时，需要分离出功率的直流信号和倍频信号。以上情况只是针对不平衡电网电压，如果电网同时存在谐波分量，必然需要对变流器三相电压电流的谐波分量做正负序分量分离，需要更多陷波器，引入更长延时；同时在计算电压参考信号时，需要分离出功率的直流信号和其他倍频信号，使参考电压计算更加复杂；同时该方法并没有使变流器输出的电流对称且正弦化，而且控制目标单一，不能满足在弱电网下运行的要求。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种不平衡及谐波电网下的并网逆变器控制方法，无需正负序分解，能够消除不平衡和谐波电网引起的功率波动或者电流畸变，且具有良好的动态响应能力。

一种不平衡及谐波电网下的并网逆变器控制方法，包括如下步骤：

（1）采集三相电网电压以及并网逆变器的三相输出电流，通过dq变换确定三相电网电压和三相输出电流在旋转d-q坐标系中的分量；

（2）根据三相电网电压和三相输出电流在旋转d-q坐标系中的分量，计算出并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q以及有功反馈电压补偿分量ΔU_d和无功反馈电压补偿分量ΔU_q；

（3）分别对输出有功功率P和输出无功功率Q进行PI（比例-积分）误差调节，得到有功参考电压平均分量U_{d_PI}和无功参考电压平均分量U_{q_PI}；

（4）根据实际控制目标确定有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q，进而分别对有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q进行VPI（矢量-比例-积分）误差调节，得到有功参考电压倍频分量U_{d_VPI}和无功参考电压倍频分量U_{q_VPI}；

（5）根据各电压分量通过叠加得到有功轴电压指令V_d和无功轴电压指令V_q，然后通过Park反变换得到电压指令在静止α-β坐标系中的分量；进而根据电压指令在静止α-β坐标系中的分量通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对并网逆变器进行控制。

所述的步骤（2）中，通过以下算式计算并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q：

$P=\frac{3}{2}(U_d{I}_d+U_q{I}_q)$

$Q=\frac{3}{2}(U_q{I}_{\text{d}}-U_d{I}_q)$

其中：U_d和U_q分别为三相电网电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量，I_d和I_q分别为三相输出电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量。

所述的步骤（2）中，通过以下算式计算有功反馈电压补偿分量ΔU_d和无功反馈电压补偿分量ΔU_q：

$\mathrm{\Δ}{U}_d=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{\ωL}}{U_s}Q+U_s$

${\mathrm{\ΔU}}_q=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{\ωL}}{U_s}P$

其中：L为并网逆变器的网侧电感，U_s为三相电网电压的幅值，ω=2πf，f=50Hz。

所述的步骤（3）中，通过以下算式进行PI误差调节，得到有功参考电压平均分量U_{d_PI}和无功参考电压平均分量U_{q_PI}：

$U_{d\_\mathrm{PI}}=(K_p+\frac{K_i}{S})*(P_{\mathrm{ref}}-P)$

$U_{q\_\mathrm{PI}}=(K_p+\frac{K_i}{S})*(Q_{\mathrm{ref}}-Q)$

其中：P_ref和Q_ref分别为给定的有功功率参考量和无功功率参考量，K_p和K_i分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述的步骤（4）中，若实际控制目标为保证并网逆变器三相输出电流正弦，则使三相输出电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量I_d和q轴分量I_q分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；若实际控制目标为保证并网逆变器输出功率恒定，则使并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q。

所述的步骤（4）中，通过以下算式进行VPI误差调节，得到有功参考电压倍频分量U_{d_VPI}和无功参考电压倍频分量U_{q_VPI}：

U_{d_VPI}＝C_VPI(s)*(0-C_d)

U_{q_VPI}＝C_VPI(s)*(0-C_q)

$C_{\mathrm{VPI}}\left(s\right)=\frac{K_{p2}{s}^2+K_{i2}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c2}s+{(\±2\mathrm{\ω})}^2}+\frac{K_{p6}{s}^2+K_{i6}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c6}s+{(\±6\mathrm{\ω})}^2}$

其中：K_p2、K_i2、K_p6和K_i6均为给定的调节参数，ω_c2和ω_c6均为给定的截止频率，ω=2πf，f=50Hz，s为拉普拉斯算子。

所述的步骤（5）中，使各电压分量通过以下算式叠加得到有功轴电压指令V_d和无功轴电压指令V_q：

V_d＝-U_{d_VPI}-U_{d_PI}+ΔU_d

V_q＝U_{q_VPI}+U_{q_PI}+ΔU_q

本发明控制方法相比于传统的正负序双同步旋转坐标系变换具有简单高效的特点，其采用VPI调节器可直接对有功无功功率的二倍频谐波倍频分量波动进行控制，无需采用多个同步旋转坐标系下的正负序分解计算各个倍频分量的功率参考，减小了计算延时，增强了动态响应能力；同时VPI具有优越的稳态性能，对参数的容错率更大，能适应多种电网不平衡和谐波情况。同时，本发明由于采用的是SVM-DPC（基于空间矢量调制的直接功率控制）策略，因此不存在开关频率变化的问题，对开关器件的运行和保护要求低；故本发明适用于在不平衡和谐波电网下其他各类高频开关自关断器件构成的各类PWM控制的单相或者三相逆变装置，如风能、太阳能、燃料电池等发电系统的并网装置，柔性交流输电系统的电力电子装置，以及在电机控制中逆变装置。

附图说明

图1为传统不平衡电网下的SVM-DPC控制方法原理示意图。

图2为并网逆变器的结构示意图。

图3为本发明并网逆变器控制方法原理示意图。

图4(a)为采用基于传统SVM-DPC控制方法下并网逆变器的仿真波形图。

图4(b)为采用本发明控制方法下并网逆变器的仿真波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明GSC控制方法进行详细说明。

以一台2MW的并网逆变器为例，如图2所示，其包括直流电压源V_dc、网侧滤波电感L、网侧线路内阻R以及由六个IGBT开关管构成三相全桥逆变电路。

如图3所示，该并网逆变器所采用的在不平衡和谐波电网下的直接功率控制方法，包括以下步骤：

（1）首先，利用霍尔电压传感器采集三相电网电压U_a～U_c，利用霍尔电流传感器采集并网逆变器的三相输出电流I_a～I_c；

然后，利用锁相环PLL检测电网电压的角频率ω和相位θ；

最后，利用dq变换模块对三相电网电压U_a～U_c和三相输出电流I_a～I_c进行dq变换，得到三相电网电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量U_d和q轴分量U_q以及三相输出电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量I_d和q轴分量I_q；dq变换的变换矩阵如下：

（2）根据三相电网电压和三相输出电流在旋转d-q坐标系中的分量，利用功率计算模块（power calculation）通过以下算式计算出并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q：

$P=\frac{3}{2}(U_d{I}_d+U_q{I}_q)$

$Q=\frac{3}{2}(U_q{I}_{\text{d}}-U_d{I}_q)$

通过以下算式计算出有功反馈电压补偿分量ΔU_d和无功反馈电压补偿分量ΔU_q：

$\mathrm{\Δ}{U}_d=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{\ωL}}{U_s}Q+U_s$

${\mathrm{\ΔU}}_q=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{\ωL}}{U_s}P$

其中：L为并网逆变器的网侧电感，U_s为三相电网电压的幅值，ω=2πf，f=50Hz；本实施方式中，L=0.35，

（3）利用PI调节器通过以下算式分别对输出有功功率P和输出无功功率Q进行PI误差调节，得到有功参考电压平均分量U_{d_PI}和无功参考电压平均分量U_{q_PI}：

$U_{d\_\mathrm{PI}}=(K_p+\frac{K_i}{S})*(P_{\mathrm{ref}}-P)$

$U_{q\_\mathrm{PI}}=(K_p+\frac{K_i}{S})*(Q_{\mathrm{ref}}-Q)$

其中：P_ref和Q_ref分别为给定的有功功率参考量和无功功率参考量，K_p和K_i分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；本实施方式中，P_ref=1，Q_ref=0，K_p=2，K_i=25。

（4）根据实际控制目标确定有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q：

若实际控制目标为保证并网逆变器三相输出电流正弦，则使三相输出电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量I_d和q轴分量I_q分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；若实际控制目标为保证并网逆变器输出功率恒定，则使并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q。

然后，利用VPI调节器通过以下算式分别对有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q进行VPI误差调节，得到有功参考电压倍频分量U_{d_VPI}和无功参考电压倍频分量U_{q_VPI}：

U_{d_VPI}＝C_VPI(s)*(0-C_d)

U_{q_VPI}＝C_VPI(s)*(0-C_q)

$C_{\mathrm{VPI}}\left(s\right)=\frac{K_{p2}{s}^2+K_{i2}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c2}s+{(\±2\mathrm{\ω})}^2}+\frac{K_{p6}{s}^2+K_{i6}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c6}s+{(\±6\mathrm{\ω})}^2}$

其中：K_p2、K_i2、K_p6和K_i6均为给定的调节参数，ω_c2和ω_c6均为给定的截止频率，ω=2πf，f=50Hz，s为拉普拉斯算子；本实施方式中，K_p2=0.2，K_i2=0.628，K_p6=0.8，K_i6=2.512，ω_c2=ω_c6=15。

（5）利用加法器使各电压分量通过以下算式叠加得到有功轴电压指令V_d和无功轴电压指令V_q：

V_d＝-U_{d_VPI}-U_{d_PI}+ΔU_d

V_q＝U_{q_VPI}+U_{q_PI}+ΔU_q

然后，利用Park反变换模块对有功轴电压指令V_d和无功轴电压指令V_q进行Park反变换得到电压指令在静止α-β坐标系中的α轴分量V_α和β轴分量V_β；Park反变换的变换矩阵如下：

$T_{\mathrm{dq}/\mathrm{\α\β}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

最后，根据电压指令在静止α-β坐标系中的分量V_α和V_β，通过SVPWM调制模块构造得到一组PWM信号S_a～S_c以对并网逆变器中的IGBT进行开关控制。

以下我们对采用本实施方式控制方法下的并网逆变器进行仿真；参照图4(a)，采用传统SVM-DPC控制策略，在不平衡和谐波电网电压下并网逆变器功率存在二倍频和六倍频的波动，同时存在较大5、7次电流谐波，严重影响输入到电网的电能质量。参照图4(b)，若采用本实施方式，在不平衡和谐波电网状态（0.05s-0.15s）下，控制目标选择为保持并网逆变器的三相输出电流正弦，此时电流谐波含量得到良好地抑制；在0.15s时，将控制目标切换为控制并网逆变器的瞬时有功功率和无功功率保持恒定，功率波动明显减小。可见，本实施方式可分别实现对并网逆变器的三相输出电流和输出瞬时功率的有效控制。

综上所述，本实施方式无需多个同步旋转坐标系下的正负序分解，结构简单，动态响应好，稳态性能优越；在不平衡和谐波电网电压下，可以分别实现两个独立控制目标：1）确保并网逆变器的三相输出电流正弦；2）确保并网逆变器输出的瞬时有功和无功功率恒定。以上两个目标之间可以自由切换，进而增强了并网逆变器在不平衡和谐波电网下的控制能力，提高了并网逆变器输出的电能质量，实现并网逆变器在不平衡和谐波电网下的稳定运行。

Claims (7)

1.一种不平衡及谐波电网下的并网逆变器控制方法，包括如下步骤：

（1）采集三相电网电压以及并网逆变器的三相输出电流，通过dq变换确定三相电网电压和三相输出电流在旋转d-q坐标系中的分量；

（2）根据三相电网电压和三相输出电流在旋转d-q坐标系中的分量，计算出并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q以及有功反馈电压补偿分量ΔU_d和无功反馈电压补偿分量ΔU_q；

（3）分别对输出有功功率P和输出无功功率Q进行PI误差调节，得到有功参考电压平均分量U_{d_PI}和无功参考电压平均分量U_{q_PI}；

（4）根据实际控制目标确定有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q，进而分别对有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q进行VPI误差调节，得到有功参考电压倍频分量U_{d_VPI}和无功参考电压倍频分量U_{q_VPI}；

（5）根据各电压分量通过叠加得到有功轴电压指令V_d和无功轴电压指令V_q，然后通过Park反变换得到电压指令在静止α-β坐标系中的分量；进而根据电压指令在静止α-β坐标系中的分量通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对并网逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，通过以下算式计算并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q：

$P=\frac{3}{2}(U_d{I}_d+U_q{I}_q)$

$Q=\frac{3}{2}(U_q{I}_{\text{d}}-U_d{I}_q)$

其中：U_d和U_q分别为三相电网电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量，I_d和I_q分别为三相输出电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量。

3.根据权利要求1所述的并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，通过以下算式计算有功反馈电压补偿分量ΔU_d和无功反馈电压补偿分量ΔU_q：

$\mathrm{\Δ}{U}_d=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{\ωL}}{U_s}Q+U_s$

${\mathrm{\ΔU}}_q=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{\ωL}}{U_s}P$

其中：L为并网逆变器的网侧电感，U_s为三相电网电压的幅值，ω=2πf，f=50Hz。

4.根据权利要求1所述的并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，通过以下算式进行PI误差调节，得到有功参考电压平均分量U_{d_PI}和无功参考电压平均分量U_{q_PI}：

$U_{d\_\mathrm{PI}}=(K_p+\frac{K_i}{S})*(P_{\mathrm{ref}}-P)$

$U_{q\_\mathrm{PI}}=(K_p+\frac{K_i}{S})*(Q_{\mathrm{ref}}-Q)$

其中：P_ref和Q_ref分别为给定的有功功率参考量和无功功率参考量，K_p和K_i分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

5.根据权利要求1所述的并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，若实际控制目标为保证并网逆变器三相输出电流正弦，则使三相输出电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量I_d和q轴分量I_q分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q；若实际控制目标为保证并网逆变器输出功率恒定，则使并网逆变器的输出有功功率P和输出无功功率Q分别作为有功轴输入信号C_d和无功轴输入信号C_q。

6.根据权利要求1所述的并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，通过以下算式进行VPI误差调节，得到有功参考电压倍频分量U_{d_VPI}和无功参考电压倍频分量U_{q_VPI}：

U_{d_VPI}＝C_VPI(s)*(0-C_d)

U_{q_VPI}＝C_VPI(s)*(0-C_q)

$C_{\mathrm{VPI}}\left(s\right)=\frac{K_{p2}{s}^2+K_{i2}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c2}s+{(\±2\mathrm{\ω})}^2}+\frac{K_{p6}{s}^2+K_{i6}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{c6}s+{(\±6\mathrm{\ω})}^2}$

其中：K_p2、K_i2、K_p6和K_i6均为给定的调节参数，ω_c2和ω_c6均为给定的截止频率，ω=2πf，f=50Hz，s为拉普拉斯算子。

7.根据权利要求1所述的并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤（5）中，使各电压分量通过以下算式叠加得到有功轴电压指令V_d和无功轴电压指令V_q：

V_d＝-U_{d_VPI}-U_{d_PI}+ΔU_d

V_q＝U_{q_VPI}+U_{q_PI}+ΔU_q。

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