CN105490291B

CN105490291B - 一种抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法

Info

Publication number: CN105490291B
Application number: CN201510882567.0A
Authority: CN
Inventors: 伍春生; 许洪华
Original assignee: Beijing Corona Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Corona Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-12-19
Anticipated expiration: 2035-12-03
Also published as: CN105490291A

Abstract

一种抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法，包括广义积分GI变换、Park变换、功率计算、一阶低通滤波与下垂控制五个部分。首先将逆变器三相不平衡电流输入信号作为三个独立的单相系统，利用广义积分GI变换环节对每一单相系统分别构造一个正交的静止坐标系；接着通过Plark变换环节对每个静止坐标系分别构造新的同步旋转坐标系；对每一单相系统分别计算出各自的功率并求和，得出整个三相逆变器不平衡负载的有功功率和无功功率的总需求；然后对计算出的功率经过一阶低通滤波环节；最后再利用有功对频率、无功对电压的下垂控制环节计算出相应的频率和电压给定值。

Description

一种抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法。

背景技术

对于三相三线制逆变器的拓扑结构，采用带电压瞬时值反馈控制的三相逆变器的一个重要特性是输出电压的对称性。但当逆变器的输出阻抗不为零，则三相负载不平衡、三相变压器及交流滤波器的参数不对称均会导致输出的电压不对称。根据对称分量法分析，三相不对称输出电压中有正序、负序和零序分量的存在。逆变器带平衡负载运行，在同步旋转坐标系的PI控制器作用下能使输出电压很好地跟踪所设定的参考正弦波形，但是这种控制器的积分项对于不平衡运行的影响，其补偿作用是非常有限的，为此可采用两组PI控制器，一组在同步旋转坐标系下的PI控制器用于正序分量的调节，另一组在反向旋转坐标系下的PI控制器补偿负序分量的影响。也可以利用重复控制去抑制输出电压中的负序分量与谐波分量。尽管这些方法都能改善逆变器的输出性能，但对零序分量引起的输出电压不对称仍然无能为力。逆变器可加入第四桥臂可削弱零序畸变，但不适合用于输入输出带电隔离的逆变器。基于以上考虑，可从逆变器电路结构与固有特性入手，对输出隔离变压器采用Δ/Y接法来消除零序环流的影响。

对于多台逆变器并联组网系统来说，必须计算出系统的功率与电流，从而实现系统的电压与频率稳定。目前对于三相逆变器系统，诸如空间矢量调制中所需要的Park变换及功率解耦控制算法均仅适用于电压与电流都对称的三相系统，这样才能保证经过Park变换后，在同步旋转坐标系下有功功率(或有功电流)与无功功率(或无功电流)相互独立。显然，对于三相不对称负载下的电流是无法通过Park变换得到解耦后的有功电流与无功电流，也就无法采用频率对有功电流、电压对无功电流的下垂控制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种抗三相不平衡负载的下垂控制方法。本发明应用于以多台逆变器并联组网的微电网系统中，可以有效提高系统带三相不平衡负载的响应速度与能力。

本发明将三相逆变系统分解成三个单相逆变系统，利用广义积分对每一相分别构造出新的同步旋转坐标系，计算出不平衡负载的功率需求，再利用下垂控制方程实现逆变器的下垂控制。

本发明包括广义积分GI变换、Park变换、功率计算、一阶低通滤波与下垂控制五个部分。首先将逆变器三相不平衡电流输入物理量作为三个独立的单相系统，利用广义积分GI变换环节对每一单相系统分别构造出一个正交的静止坐标系；接着通过Park变换环节对每个静止坐标系分别构造新的同步旋转坐标系；在对每一单相系统分别计算出各自的功率并求和，得出整个三相逆变器不平衡负载的有功功率和无功功率的总需求；然后对计算出的功率经过一阶低通滤波环节，用来增强系统的一阶惯性；最后再利用有功对频率、无功对电压的下垂控制环节计算出相应的频率和电压给定值。

本发明的步骤如下：

(1)采用所述的广义积分GI变换对每个单相系统构造出相互正交的两相静止坐标系。对于一个单相正弦输入信号x，经广义积分后可得到两个互相正交的输出信号y_α与y_β，其中信号y_α与单相正弦输入信号x相角相同，而信号y_β与信号y_α正交，滞后信号y_α90°，在频域中，引入反馈后，单相正弦输入信号x至输出信号y_α,β的传递函数H_GIα,β(s)可表示为：

式中，ω＝2πf为广义积分的角频率，k为增益，S表示频域下的复变量。

(2)通过所述的Park变换环节对每个静止坐标系分别构造新的同步旋转坐标系，从而实现有功分量与无功分量的快速解耦控制。二相静止αβ坐标系到旋转dq坐标系的Park变换矩阵方程为：

θ为逆变器输出频率对应的角度。

(3)采用所述的功率计算环节分别计算出每一单相系统各自的功率并求和，得出整个三相逆变器不平衡负载的有功功率和无功功率的总需求，具体计算步骤如下。

1)在旋转dq坐标系下，每一单相系统的有功功率与无功功率的计算公式如下：

式中k＝a,b,c，表示a,b,c三相；P_k，表示某一单相系统的有功功率；Q_k，表示某一单相系统的无功功率；u_d，表示三相对称输出电压信号的d轴分量；i_kd，表示某一单相系统的d轴分量；i_kq，表示某一单相系统的q轴分量。

2)在不平衡负载条件下，对解耦后的每一单相系统的功率求和，可得三相组网逆变器输出的有功功率P与无功功率Q为：

(4)通过所述的一阶低通滤波环节对计算出的有功功率与无功功率进行滤波，增强系统的一阶惯性环节，频域内其传递函数为：

其中M为系统的一阶惯性常数，D为系统的阻尼系数，它们共同决定了系统对负载变化的响应速度，S表示频域下的复变量。

(5)通过所述的下垂控制环节利用有功功率对频率、无功功率对电压的下垂控制环节计算出相应的频率和电压给定值，下垂控制方程如下：

f-f₀＝-k_p(P-P₀)，u-u₀＝-k_q(Q-Q₀)

式中k_p为有功功率下垂系数；k_q为无功功率下垂系数；P₀对应在初始频率设定点f₀与初始电压设定点u₀时对应的有功功率输出，Q₀对应在初始频率设定点f₀与初始电压设定点u₀时对应的无功功率的输出；P为系统输出的有功功率，Q为系统输出的无功功率。

附图说明

图1三相不平衡负载的下垂控制框图；

图2为广义积分控制框图；

图3有功对频率的下垂控制特性示意图；

图4无功对电压的下垂控制特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为三相不平衡负载的下垂控制框图，主要包括输入环节100、三相不平衡负载的下垂控制算法环节200及输出环节300三个实现环节。输入环节100是本发明核心算法的输入量，包括三相对称电压u_d及三相不平衡负载下的a、b、c三相电流i_af、i_bf、i_cf；输出环节300是本发明核心算法的输出量，下垂控制所要设定电压参考值u^*和电压频率f^*。三相不平衡负载的下垂控制算法环节200包括广义积分GI变换201、Park变换环节202、功率计算环节203、一阶低通滤波环节204与下垂控制环节205五个部分。

本发明的步骤如下：

(1)采用所述的广义积分GI变换201对每个单相系统构造出相互正交的两相静止坐标系；

(2)通过所述的Park变换环节对每个静止坐标系分别构造新的同步旋转坐标系，实现有功分量与无功分量的快速解耦控制；

(3)采用所述的功率计算环节203分别计算出每一单相系统各自的功率并求和，得出整个三相逆变器不平衡负载的有功功率和无功功率的总需求；

(4)通过一阶低通滤波环节204对计算出的有功功率与无功功率进行滤波，增强系统的一阶惯性环节，频域内其传递函数为：

(5)通过所述的下垂控制环节205利用有功功率对频率、无功功率对电压的下垂控制环节计算出相应的频率和电压给定值。

各个环节的具体实施方案分述如下：

(1)广义积分GI变换201

在单相或三相系统中，电压幅值、有功功率与无功功率是通过低通滤波器与幅值探测器来实现，这种算法很难实现对幅值与功率进行快速计算的同时，又能做到完全滤除纹波分量。而对于三相对称的电力系统，Park变换可实现对有功分量与无功分量的快速解耦控制，但单相系统却没有这种耦合关系，为此引入广义积分(General Integral,GI)对其进行构造来模拟这种耦合关系。对于一个单相正弦输入信号x，经广义积分后可得到两个互相正交的输出信号y_α与y_β，其中信号y_α与单相正弦输入信号x相角相同，而信号y_β与信号y_α正交，滞后信号y_α90°，引入反馈后，其控制框图如图2所示，在频域中，单相正弦输入信号x至输出信号y_α,β的传递函数H_GIα,β(s)表示为：

(2)Park变换环节202

对每一相运用坐标变换，将两相静止αβ坐标系转变成两相旋转dq坐标系，两个坐标系之间的Park变换矩阵方程如下：

θ为逆变器输出频率对应的角度。

(3)功率计算环节203

具体计算步骤如下。

在旋转dq坐标系下，每相的有功功率与无功功率的计算公式如下：

经广义积分环节后y_α与y_β是一对正交的向量，将这一对正交向量看成是两相静止坐标系(α,β)，三相系统的每一单相系统视在功率S_k可表示为：

则三相系统中每一单相系统的有功功率P_k与无功功率Q_k可分别表示为：

其中k＝a,b,c，表示a,b,c三相，P_k表示某一单相系统的有功功率；Q_k表示某一单相系统的无功功率，S_k表示某一相系统的视在功率，u_k表示某一相系统的电压，i_k ^*表示某一相系统的电流矢量，u_kα表示某一相系统的D轴电压分量，u_kβ表示某一相系统的Q轴电压分量，i_kα表示某一单相系统的D轴电流分量，i_kβ表示某一单相系统的Q轴电流分量。

对每一相运用Park变换后，在(d,q)坐标系下，每一相的有功功率P_k与无功功率Q_k可分别表示为：

在不平衡负载条件下，对解耦后的每一单相系统的功率求和，可得三相组网逆变器输出的有功功率P与无功功率Q为：

其中k＝a,b,c，表示a,b,c三相；P_k，表示某一单相系统的有功功率；Q_k，表示某一单相系统的无功功率；u_d，表示三相对称输出电压信号的d轴分量；i_kd，表示某一单相系统的d轴分量；i_kq，表示某一单相系统的q轴分量。

(4)一阶低通滤波204

一阶低通滤波环节204对计算出的有功功率与无功功率进行滤波，增强系统的一阶惯性环节，频域内其传递函数为：

加入一阶惯性环节后，频率对有功电流环的控制与同步发电机在没有调速器情况下的自调节能力相似，其中M为系统的一阶惯性常数，D为系统的阻尼系数，它们共同决定了系统对负载变化的响应速度，S表示频域下的复变量。

(5)下垂控制205

逆变器下垂控制的思想来源于电力系统同步发电机的功率调节，图3和图4阐述了两台采用下垂控制的逆变器并联组网的有功功率与无功功率分配关系。有功功率对频率，无功功率对电压的基本下垂控制方程：

f-f₀＝-k_p(P-P₀) u-u₀＝-k_q(Q-Q₀)

式中k_p为有功功率下垂系数，k_q为无功功率下垂系数，P₀对应在初始频率设定点f₀与初始电压设定点u₀时对应的有功功率输出，Q₀对应在初始频率设定点f₀与初始电压设定点u₀时对应的无功功率输出，P为系统输出的有功功率，Q为系统输出的无功功率。

Claims

1.一种抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括广义积分GI变换(201)、Park变换(202)、功率计算(203)、一阶低通滤波(204)与下垂控制(205)五个部分；首先将逆变器三相不平衡电流输入物理量作为三个独立的单相系统，利用广义积分GI变换环节对每一单相系统分别构造出一个正交的静止坐标系；接着通过Park变换环节对每个静止坐标系分别构造新的同步旋转坐标系；在对每一单相系统分别计算出各自的功率并求和，得出整个三相逆变器不平衡负载的有功功率和无功功率的总需求；然后对计算出的功率经过一阶低通滤波环节，用来增强系统的一阶惯性；最后再利用有功对频率、无功对电压的下垂控制环节计算出相应的频率和电压给定值。

2.如权利要求1所述的抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法，其特征在于，采用所述的广义积分GI变换(201)对每个单相系统构造出相互正交的两相静止坐标系；对于一个单相正弦输入信号x，经广义积分后可得到两个互相正交的输出信号y_α与y_β，其中信号y_α与单相正弦输入信号x相角相同，而信号y_β与信号y_α正交，滞后信号y_α90°；在频域中，引入反馈后，单相正弦输入信号x至输出信号y_α,β的传递函数H_GIα,β(s)表示为：

3.如权利要求1所述的抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述的Park变换环节(202)对每个静止坐标系分别构造新的同步旋转坐标系，实现有功分量与无功分量的快速解耦控制；二相静止αβ坐标系到旋转dq坐标系的Park变换矩阵方程为：

其中，θ为逆变器输出频率对应的角度。

4.如权利要求1所述的抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法，其特征在于，采用所述的功率计算环节(203)分别计算出每一单相系统各自的功率并求和，得出整个三相逆变器不平衡负载的有功功率和无功功率的总需求，计算步骤如下：

1)在旋转dq坐标系下，每一单相系统的有功功率P_k与无功功率Q_k的计算公式如下：

式中k＝a,b,c，表示a,b,c三相，P_k表示某一单相系统的有功功率，Q_k表示某一单相系统的无功功率，u_d表示三相对称输出电压信号的d轴分量，i_kd表示某一单相系统的d轴电流分量，i_kq表示某一单相系统的q轴电流分量；

2)在不平衡负载条件下，对解耦后的每一单相系统的功率求和，得到三相组网逆变器输出的有功功率P与无功功率Q为：

。

5.如权利要求1所述的抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述的一阶低通滤波环节(204)对计算出的三相组网逆变器输出的有功功率与无功功率进行滤波，以增强系统的一阶惯性环节，频域内其传递函数L_ps表示为：

6.如权利要求1所述的抗三相不平衡负载的逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述的下垂控制环节(205)利用有功功率对频率、无功功率对电压的下垂控制环节计算出相应的频率和电压给定值，下垂控制方程如下：

f-f₀＝-k_p(P-P₀)，u-u₀＝-k_q(Q-Q₀)

式中k_p为有功功率下垂系数；k_q为无功功率下垂系数；P₀为对应在初始频率设定点f₀与初始电压设定点u₀时对应的有功功率输出，Q₀为对应在初始频率设定点f₀与初始电压设定点u₀时对应的无功功率输出；P为系统输出的有功功率，Q为系统输出的无功功率。