CN105897013B - 一种双向ac/dc变换器的虚拟惯性控制方法 - Google Patents

一种双向ac/dc变换器的虚拟惯性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，主要包括虚拟惯性控制、输出电流前馈控制和电压电流双环控制三个部分。虚拟惯性控制使得双向AC/DC变换器的直流侧具有较大的虚拟惯性，可平抑直流母线电压波动，且能够实现电压‑电流下垂功能，利于双向AC/DC变换器通过并联扩展系统容量；输出电流前馈控制可减小直流侧的功率突变对直流母线电压的影响，提升系统的暂态响应性能；直流电压外环采用比例积分控制，能无静差跟踪直流电压指令，并网电流内环采用同步旋转坐标系下的前馈解耦控制，能保证较低的电网电流畸变率。本发明使双向AC/DC变换器的直流侧具有较强的惯性，能够平抑直流侧功率突变而引起的直流母线电压大幅波动，提高直流母线的电压质量。

Description

一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法
技术领域
本发明涉及双向AC/DC变换器的控制领域，特别是一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法。
背景技术
光伏、风电、储能等分布式发电的推广和直流负载所占终端用电比例的与日俱增促进了直流微电网的发展。双向AC/DC变换器作为直流微电网与大电网的并网接口单元，对控制直流微电网与大电网能量交换、维持直流母线电压稳定和提高系统运行效率起着非常关键的作用。然而直流微电网是以电力电子变换器为主导的低惯性网络，负荷的频繁投切，分布式微源的输出功率突变等会引起直流母线电压大幅波动，对直流微电网的安全、高效、稳定运行造成不利影响。若能对双向AC/DC变换器进行虚拟惯性控制则可以平抑母线电压的波动，提高直流微电网电能质量，因此双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制是目前直流微电网领域的一个研究热点。
电力电子变换器的虚拟惯性研究主要集中于逆变器控制方面，采用虚拟同步发电机控制可以使得逆变器的输出外特性具有与同步发电机相类似的旋转惯性、下垂特性和阻尼特性。而直流微电网的虚拟惯性控制目前研究较少，国内文献提出在附加惯性控制环中加入高通滤波器，在母线电压突变发生之前，变换器可以瞬间向微电网发出或者吸收功率，保证微电网的功率平衡。但是采用高通滤波器会引入高频干扰，使得变换器的输出功率出现抖动，一方面造成能量的浪费，另一方面可能造成系统的不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
1)在每个采样周期的起始点，DSP控制器启动A/D转换器，对双向AC/DC变换器的直流输出电流io、直流母线电压udc、三相并网电流ia、ib、ic和三相电网电压ua、ub、uc分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给DSP控制器进行处理；
2)控制器对步骤1)所采集得到的电网电压ua、ub、uc和并网电流ia、ib、ic进行abc/dq坐标旋转变换，得到dq坐标系下的电网电压ud、uq和并网电流id、iq；
3)直流输出电流io经虚拟惯性控制，得到直流母线电压外环的参考指令虚拟惯性控制表达式为：
其中，∫为积分符号，Iset为双向AC/DC变换器的直流侧输出电流额定值，Udc为直流母线电压额定值，Db为电压振荡阻尼系数，其取值范围为5≤Db≤100，Cv为虚拟电容值，其值决定系统的虚拟惯性大小，其取值范围为Udc/Db≤Cv≤10Udc/Db；
4)将直流母线电压外环的参考指令和直流母线电压udc相减得到差值ev，将ev送入PI控制器，PI控制器的输出经限幅后，获得电压外环控制的电流幅值指令Iv *，PI控制的传递函数Gv(s)表达式为：
Gv(s)＝kvp+kvi/s
其中，kvp是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.1≤kvp≤20，kvi是PI控制器的积分系数，其取值范围为0.01≤kvi≤10，s为复频率；
5)通过输出电流前馈控制，计算输出电流前馈控制的电流幅值指令为：
其中，udc为双向AC/DC变换器的直流母线电压，uq为电网电压的q轴分量；
6)将电压外环控制的电流幅值指令Iv *和输出电流前馈控制的电流幅值指令Iff *相加合成并网电流q轴分量幅值指令并令并网电流d轴分量幅值指令为零；
7)将并网电流q轴分量幅值指令d轴分量幅值指令分别与并网电流iq、id相减得到差值eiq、eid，通过前馈解耦控制，得到dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd为：
其中，Gi(s)为PI控制传递函数，Gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系数，其取值范围为0.1≤kip≤40，kii是积分系数，其取值范围为0.01≤kvi≤1，ω为电网角频率，L为滤波器电感值；
8)对dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd进行dq/abc坐标旋转变换，得到abc坐标系下的SPWM调制波Da、Db、Dc；
9)对SPWM调制波Da、Db、Dc和三角载波进行双极性调制，得出开关管的占空比信号，经双向AC/DC变换器的驱动保护电路，控制开关管Q1～Q6的开通与关断。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法中虚拟惯性控制是基于积分的控制，不会引入高频噪声的干扰，提高了直流微网的惯性，增强了直流微电网的稳定性；另外，虚拟惯性控制包含了电压-电流下垂功能，利于系统通过并联扩展容量；在控制系统中加入双向AC/DC变换器的输出电流前馈控制，能有效减小输出电流对直流母线电压的不利影响，进一步提高直流母线电压的暂态性能。
附图说明
图1为本发明一实施例双向AC/DC变换器的系统结构图；
图2为本发明一实施例双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制系统框图；
图3为本发明一实施例前馈解耦控制框图；
图4(a)为本发明一实施例在直流微电网需求功率波动时，采用本发明所提控制方法与传统下垂控制方法的直流母线电压；图4(b)为本发明一实施例在直流微电网需求功率波动时，采用本发明所提控制方法与传统下垂控制方法的双向AC/DC变换器输出功率的仿真波形图；
图5为本发明一实施例在直流微电网需求功率实时随机波动时，分别采用本发明所提控制方法与传统下垂控制方法，直流母线电压的仿真波形图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例双向AC/DC变换器的系统结构图，包括直流微电网、直流母线、储能电容C、三相桥电路、单L滤波电路、并/离网开关S、三相电网、采样调理电路、控制器、锁相环电路PLL、驱动保护电路。所述直流微网、直流母线、储能电容C、三相桥电路、单L滤波电路依次连接，通过并/离网开关S接入三相电网。所述采样调理电路输入端与所述单L滤波电路及直流储能电容连接；所述控制器与驱动保护电路输入端、锁相环电路输出端、采样调理电路输出端连接；所述锁相环电路输入端与三相电网连接；所述驱动保护电路驱动所述三相桥电路中的全控型功率器件；控制器进行算法及运算处理。
图2为本发明一实施例双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制系统框图，双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制系统主要由虚拟惯性控制模块、电压电流双环控制模块、输出电流前馈控制模块、SPWM信号生成模块组成；所述电压电流双环控制模块由电压外环PI控制，并网电流前馈解耦控制组成；所述并网电流前馈解耦控制详细框图如图3所示。
本发明的一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法如下：
1)在每个采样周期的起始点，DSP控制器启动A/D转换器，对双向AC/DC变换器的直流输出电流io、直流母线电压udc、三相并网电流ia、ib、ic和三相电网电压ua、ub、uc分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给DSP控制器进行处理；
2)控制器对步骤1)所采集得到的电网电压ua、ub、uc和并网电流ia、ib、ic进行abc/dq坐标旋转变换，得到dq坐标系下的电网电压ud、uq和并网电流id、iq，具体计算公式如下：
上式中，为锁相环PLL的输出相位角；
3)直流输出电流io经虚拟惯性控制，得到直流母线电压外环的参考指令虚拟惯性控制表达式为：
其中，∫为积分符号，Iset为双向AC/DC变换器的直流侧输出电流额定值，Udc为直流母线电压额定值，Db为电压振荡阻尼系数，其取值范围为5≤Db≤100，Cv为虚拟电容值，其值决定系统的虚拟惯性大小，其取值范围为Udc/Db≤Cv≤10Udc/Db；
4)将直流母线电压外环的参考指令和直流母线电压udc相减得到差值ev，将ev送入PI控制器，PI控制器的输出经限幅后，获得电压外环控制的电流幅值指令PI控制的传递函数Gv(s)表达式为：
Gv(s)＝kvp+kvi/s
其中，kvp是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.1≤kvp≤20，kvi是PI控制器的积分系数，其取值范围为0.01≤kvi≤10,s为复频率；
5)通过输出电流前馈控制，计算输出电流前馈控制的电流幅值指令为：
其中，udc为双向AC/DC变换器的直流母线电压，uq为电网电压的q轴分量；
6)将电压外环控制的电流幅值指令Iv*和输出电流前馈控制的电流幅值指令Iff*相加合成并网电流q轴分量幅值指令并令并网电流d轴分量幅值指令为零；
7)将并网电流q轴分量幅值指令d轴分量幅值指令分别与并网电流iq、id相减得到差值eiq、eid，通过前馈解耦控制，得到dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd为：
其中，Gi(s)为PI控制传递函数，Gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系数，其取值范围为0.1≤kip≤40，kii是积分系数，其取值范围为0.01≤kvi≤1，ω为电网角频率，L为滤波器电感值；
8)对dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd进行dq/abc坐标旋转变换，得到abc坐标系下的SPWM调制波Da、Db、Dc，具体计算公式如下：
式中，为锁相环PLL的输出相位角；
9)对SPWM调制波Da、Db、Dc和三角载波进行双极性调制，得出开关管的占空比信号，经双向AC/DC变换器的驱动保护电路，控制开关管Q1～Q6的开通与关断。
图4(a)和图4(b)为在直流微电网功率波动时，分别采用本发明所提控制方法与传统下垂控制方法，直流母线电压和双向AC/DC变换器输出功率的仿真波形图，图4(a)为直流母线电压udc的仿真波形图，图4(b)为双向AC/DC变换器输出功率Pout的仿真波形图。在t＝2S时，直流微电网需求功率突然减小，当采用下垂控制时，直流母线电压udc迅速增大，表现出低惯性；当采用本发明的控制方法时，直流母线电压udc缓慢增加到稳定值，系统惯性增大。在t＝4S时，直流微电网需求功率突然增加，当采用下垂控制时，直流母线电压udc迅速减小，表现出低惯性；当采用本发明的控制方法时，直流母线电压udc缓慢减小到稳定值，系统惯性增大。从图4(b)中可以看出，双向AC/DC变换器采用本发明的控制方法后，其输出功率Pout在直流微电网需求功率突减时会比采用下垂控制下减小额外的功率，在直流微电网需求功率突增时，会增加额外的功率，从而为系统提供惯性。
图5为在直流微电网需求功率实时随机波动时，分别采用本发明所提控制方法与传统下垂控制方法，直流母线电压的仿真波形图。从图中可以看出，双向AC/DC变换器采用本发明所提控制方法后，直流母线电压udc的电压波动得到了明显的抑制，增加了系统的惯性，保证直流微电网高效稳定运行。

Claims (8)

1.一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，适用于直流微电网的双向AC/DC变换器控制，双向AC/DC变换器系统包括直流母线、直流储能电容、三相桥电路、单L滤波电路、并/离网开关、采样调理电路、控制器、锁相环电路、驱动保护电路；所述直流母线、直流储能电容、三相桥电路、单L滤波电路依次连接，所述单L滤波电路通过所述并/离网开关接入三相电网；所述采样调理电路输入端与所述单L滤波电路及所述直流储能电容连接；所述控制器与所述驱动保护电路输入端、锁相环电路输出端、采样调理电路输出端连接；所述锁相环电路输入端与所述三相电网连接；所述驱动保护电路驱动所述三相桥电路中的全控型功率器件，其特征在于，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，控制器启动A/D转换器，对双向AC/DC变换器的直流输出电流io、直流母线电压udc、三相并网电流ia、ib、ic和三相电网电压ua、ub、uc分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给控制器进行处理；
2)控制器对步骤1)所采集得到的电网电压ua、ub、uc和并网电流ia、ib、ic进行abc/dq坐标旋转变换，得到dq坐标系下的电网电压ud、uq和并网电流id、iq；
3)直流输出电流io经虚拟惯性控制，得到直流母线电压外环的参考指令
4)将直流母线电压外环的参考指令和直流母线电压udc相减得到差值ev，将ev送入PI控制器，PI控制器的输出经限幅后，获得电压外环控制的电流幅值指令Iv *；
5)通过输出电流前馈控制，计算输出电流前馈控制的电流幅值指令
6)将电压外环控制的电流幅值指令Iv *和输出电流前馈控制的电流幅值指令Iff *相加合成并网电流q轴分量幅值指令并令并网电流d轴分量幅值指令为零；
7)将并网电流q轴分量幅值指令d轴分量幅值指令分别与并网电流iq、id相减得到差值eiq、eid，通过前馈解耦控制，得到dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd；
8)对dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd进行dq/abc坐标旋转变换，得到abc坐标系下的SPWM调制波Da、Db、Dc；
9)对SPWM调制波Da、Db、Dc和三角载波进行双极性调制，得出三相桥电路开关管的占空比信号，经双向AC/DC变换器的驱动保护电路，控制三相桥电路开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述的双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，虚拟惯性控制的控制方程为：
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其中，∫为积分符号，Iset为双向AC/DC变换器的直流侧输出电流额定值，Udc为直流母线电压额定值，Db为电压振荡阻尼系数，Cv为虚拟电容值。
3.根据权利要求2所述的一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，其特征在于，Db取值范围为5≤Db≤100，Cv取值范围为Udc/Db≤Cv≤10Udc/Db。
4.根据权利要求1所述的双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，PI控制的传递函数Gv(s)表达式为：
Gv(s)＝kvp+kvi/s
其中，kvp是PI控制器的比例系数，kvi是PI控制器的积分系数,s为复频率。
5.根据权利要求4所述的一种双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，其特征在于，kvp取值范围为0.1≤kvp≤20，kvi取值范围为0.01≤kvi≤10。
6.根据权利要求1所述的双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述步骤5)中，直流电流前馈幅值指令Iff *表达式为：
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其中，udc为双向AC/DC变换器的直流母线电压，uq为电网电压的q轴分量。
7.根据权利要求1所述的双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述步骤7)中，采用前馈解耦控制所得dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd的表达式为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>G</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;Li</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>q</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>G</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;omega;Li</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，Gi(s)为PI控制传递函数，Gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系数，kii是积分系数，ω为电网角频率，L为滤波器电感值。
8.根据权利要求7所述的双向AC/DC变换器的虚拟惯性控制方法，其特征在于，kip取值范围为0.1≤kip≤40，kii取值范围为0.01≤kvi≤1。
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