CN106208770B - 一种虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在虚拟同步旋转坐标系中无锁相环的电压源逆变器控制方法，其通过对逆变器输出的有功功率、无功功率进行误差PI调节和解耦补偿计算后，可直接生成交流输出电压指令以实现对逆变器的直接控制；采用本发明所公开的控制方案，可移除以追踪电网电压实时相位角和频率的锁相环环节，简化控制系统设计的复杂性，同时本发明在电网频率偏差具有自适应能力；本发明所公开的控制方案，亦可作为在电压相位与频率检测存在偏差条件下基于电网电压定向的直接功率控制方案的补充与拓展。

Description

一种虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制 方法

技术领域

本发明属于电压源逆变器控制技术领域，具体涉及一种虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制方法。

背景技术

目前，电压源逆变器，作为将光伏、风电、微型汽轮机、储能等微电源接入电网的的关键接口设备，由于其效率高、成本低、便于集成等优势，在分布式可再生能源发电领域得到了广泛的关注与大量的应用。根据国务院发布的《能源发展“十二五”规划》，我国按照“自用为主、富余上网、因地制宜、有序推进”的基本原则，积极推动分布式可再生能源向前发展，计划到2015年底，分布式光伏发电单元安装容量为1000万千瓦，建成100个以分布式可再生能源应用为主的新能源示范城市。

现阶段，电压源逆变器的控制技术主要有矢量控制(vector control,VC)和直接功率控制(direct power control,DPC)两大类具有广泛代表性的技术。矢量控制技术，可分为虚拟电网磁链定向(stator flux oriented，SFO)和电网电压定向(grid voltageoriented，GVO)。其基本特征是采用双闭环控制结构，外环为功率控制环，通过功率调节器获得电流指令；内环为电流控制环，通过电流调节器获得交流输出电压指令；功率、电流调节器均采用线性PI调节器。

直接功率控制技术，是根据有功、无功功率的瞬时误差，并采用滞环控制器和开关表查询方法产生开关信号，这种结构去除了电流控制环而使控制结构大为化简，但由于变换器开关频率不固定的弊病，导致宽频谐波电流注入带电网，造成滤波电感的设计困难。

为确保开关频率恒定，目前，广泛采用基于空间矢量调制技术(space vectormodulation,SVM)的直接功率控制技术(SVM-DPC)，即对有功和无功功率的瞬时误差采用PI调节器直接生成所需的电压指令，然而，根据空间矢量调制技术以获得实际所需的开关信号。其中，为Zhou P、He Y.K和Sun D在标题为Improved direct power control of aDFIG-based wind turbine during network unbalance(IEEE Transactions on PowerElectronics,2009,24(11):2465-2474.)的文献中，提出一种基于电网电压定向的SVM-DPC电压源逆变器控制方法，该方法的核心是根据锁相环检测电网电压实时相位角对所采集的三相电网电压、三相输出电流进行坐标变换，并分别由有功、无功功率的误差信号经过PI调节与解耦补偿后可获得与之相对应的交流输出电压指令v_gd和v_gq，最后采用空间矢量调制技术可获取实际控制开关管所需的开关信号，实现对电压源逆变器的控制。具体原理如图1所示，并可描述为：利用一组(3个)霍尔电压传感器2采集三相电网电压U_gabc，利用一组(3个)霍尔电流传感器3采集三相逆变器输出电流I_gabc；将三相电网电压信号U_gabc、采集到的三相逆变器输出电流信号I_gabc分别经过三相静止/两相静止坐标变换模块4，得到电网电压综合矢量U_gαβ、输出电流综合矢量I_gαβ；经过两相定子静止到正转同步速旋转两相坐标变换模块5，得到在正转两相同步速坐标系中电网电压综合矢量U_gdq、逆变器输出电流综合矢量I_gdq；将所获得的电网电压、逆变器输出电流综合矢量经过功率计算模块8，可得输出瞬时有功、无功功率P_g、Q_g；然后，在与定子输出瞬时有功、无功功率指令P_Ref、Q_Ref比较获得相应的误差信号ΔP_g、ΔQ_g，在正转同步旋转坐标系中分别对误差信号做比例-积分调节(模块9)，并经过解耦补偿计算模块11后，可获得在正转两相同步速坐标中逆变器交流输出电压指令V_gdq；然后，经过正转两相同步旋转坐标系到转子两相静止坐标系变换(模块13)后，得转子两相静止坐标系中逆变器交流输出电压指令V_gαβ；最后，采用控制矢量调制技术(模块12)后，可获得调节电压源逆变器4的开关信号S_a、S_b、S_c，实现对电压源逆变器自身运行的控制。此外，控制系统采用由坐标变换模块5、比例积分调节模块6、积分模块7构成的软件锁相环(phase-locked loop,PLL)结构以获取定子电压的相位角角，作为Park变换的角度依据。

根据上述分析可知，既有的电压源逆变器SVM-DPC控制方法的本质是根据锁相环获得的相位角信息，在正转两相同步旋转坐标系中采用比例-积分调节器对有功、无功功率进行调节，并经过解耦补偿后生成所需的逆变器交流输出电压指令。然后，该控制方案对锁相环获得的相角准确度依赖性强，而为快速、准确的检测实时相角信息，需对锁相环进行一定的改进，这也增加了系统设计的复杂性与计算负担。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种在虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制方法，无需检测电网电压的实时相位角、频率信息，计算简单，实现便捷。

具体而言，本发明提供了一种基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)采集电压源逆变器的三相电网电压、三相输出电流、直流侧电压；通过对所述的三相电网电压和三相电网电流进行Clarke变换，对应得到静止α-β坐标系下的电网电压矢量U_gαβ和输出电流矢量I_gαβ；

步骤(2)利用虚拟相位角θ对电网电压矢量U_gαβ和输出电流矢量I_gαβ进行Park变换，对应得到以虚拟相位角θ为基础的同步旋转坐标系下的电网电压矢量U_gdq和输出电流矢量I_gdq；

步骤(3)根据所述的电网电压矢量U_gdq和输出电流矢量I_gdq，计算电压源逆变器的输出有功功率P_g、无功功率Q_g；

步骤(4)根据输出有功功率P_g、无功功率Q_g，考虑逆变器参数的影响，采用实系数调节器进行误差调节，并基于逆变器的实际参数进行解耦补偿算法计算得到虚拟同步旋转坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq；

步骤(5)根据虚拟相位角θ对电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq进行Park反变换，得到静止α-β坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令V_rαβ，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电压源逆变器进行控制。

特别的，所述的虚拟相位角θ是一周期为20ms幅值为2π的锯齿波状的相角信号，表示为θ＝ωt(ω＝2π×50＝100π)。

特别的，所述的步骤(2)中根据以下算式对电网电压矢量U_gαβ和输出电流矢量I_gαβ进行Park变换：

其中：u_gd和u_gq分别为电网电压矢量U_gdq的d轴分量和q轴分量，i_gd和i_gq分别为输出电流矢量I_gdq的d轴分量和q轴分量，u_gα和u_gβ分别为电网电压矢量U_gαβ的α轴分量和β轴分量，i_gα和i_gβ分别为输出电流矢量I_gαβ的α轴分量和β轴分量。

特别的，所述的步骤(3)中根据以下算式计算电压源逆变器的输出有功功率P_g、无功功率Q_g：

P_g＝1.5(u_gdi_gd+u_gqi_gq)

Q_g＝1.5(u_gqi_gd-u_gdi_gq)

其中：u_gd和u_gq分别为电网电压矢量U_gdq的d轴分量和q轴分量，i_gd和i_gq分别为输出电流矢量I_gdq的d轴分量和q轴分量；

计算P_g值，P_g>0表示电压源逆变器向电网输出有功功率，P_g<0表示电压源逆变器从电网吸收有功功率；

计算Q_g值，Q_g>0表示电压源逆变器提供容性无功功率，Q_g<0表示电压源逆变器提供感性无功功率。

特别的，所述的步骤(4)中通过误差调节解耦补偿算法计算电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq的具体方法如下：

首先，使给定的目标功率指令P_ref和Q_ref分别减去输出有功功率P_g、无功功率Q_g，对应得到功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g；

然后，对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行PI调节与计算，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量V_PQ；

最后，对电压调节矢量V_PQ进行解耦补偿，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq。

特别的，根据以下算式对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行PI调节：

v_P＝C_PI(s)ΔP_g

v_Q＝C_PI(s)ΔQ_g

其中：v_P和v_Q分别为PI调节器输出的电压调节矢量V_PQ的d轴分量和q轴分量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子。

特别的，根据以下算式对电压调节矢量V_PQ进行计算解耦补偿：

其中：u_gd和u_gq分别为电网电压矢量U_gdq的d轴分量和q轴分量，v_P和v_Q分别为PI调节器输出的电压调节矢量V_PQ的d轴分量和q轴分量，v_gd和v_gq分别为电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq的d轴分量和q轴分量，L_g为电压源逆变器网侧进线电感值，ω＝100π。

进一步的，所述的步骤(5)中根据以下算式对电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq进行Park反变换：

其中：v_gd和v_gq分别电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq的d轴分量和q轴分量，V_gα和V_gβ分别为电压源逆变器交流输出电压指令V_gαβ的α轴分量和β轴分量。

本发明去除了实时检测电压相角的锁相环环节，使得电压源逆变器控制方法得到简化；采用本发明可有效降低设计的复杂性，削减系统计算负担；本发明亦可作为既有数学模型在相位检测不准确条件下的有效补充；本发明可应用于太阳能、生物质能并网逆变装置和交流传动设备等各类形式的PWM电力变换器中。

附图说明

图1为现有电压源逆变器直接功率控制方法的流程示意图。

图2为本发明电压源逆变器控制方法的流程示意图。

图3为采用本发明控制方法在理想电网频率(50Hz)下电压源逆变器运行的仿真波形图。

图4为采用本发明控制方法在非理想电网频率(47Hz，-6％)下电压源逆变器运行的仿真波形图。

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的技术方案进行详细说明。

本实施方式以一台容量为10kW、额定电压为380V的两电平电压源逆变器为例，其中直流侧电压为650V；图2给出了虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制方法，包括如下步骤：

(1)首先，利用一组(3个)电压霍尔传感器2采集电压源逆变器的三相电网电压u_ga～u_gc，利用一组(3个)电流霍尔传感器3分别采集电压源逆变器的三相输出电流i_ga～i_gc；

利用Clarke变换模块4分别对三相电网电压u_ga～u_gc、三相输出电流i_ga～i_gc进行Clarke变换得到三相电网电压的α轴分量u_gα和β轴分量u_gβ、三相输出电流的α轴分量i_gα和β轴分量i_gβ；Clarke变换的表达式如下：

(2)利用Park变换模块5，根据由周期为20ms幅值为2π的锯齿波产生的虚拟相位角θ＝ωt(ω＝100π)分别对u_gα～u_gβ和i_gα～i_gβ进行Park变换得到三相电网电压的d轴分量u_gd和q轴分量u_gq、三相输出电流的d轴分量i_gd和q轴分量i_gq；

Park变换的表达式如下：

(3)首先，利用功率计算模块8，根据以下算式计算出电压源逆变器的输出有功功率P_g、无功功率Q_g：

P_g＝1.5(u_gdi_gd+u_gqi_gq)

Q_g＝1.5(u_gqi_gd-u_gdi_gq)

然后，与相应的有功、无功功率指令比较得出相应的误差，并利用模块9对其比例-积分调节，最后经过解耦补偿模块10后，可得逆变器交流输出电压指令d轴矢量v_gd和输出电压指令q轴矢量v_gq；

v_P＝C_PI(s)ΔP_g

v_Q＝C_PI(s)ΔQ_g

ΔP_g＝P_Ref-P_g

ΔQ_g＝Q_Ref-Q_g

其中：P_Ref和Q_Ref分别为给定的逆变器有功功率参考值、无功功率参考值，R_g、L_g分别为逆变器进线电感等效电阻、电感；本实施方式中L_g＝3mH，Rg＝0.05ohm，K_p＝3，K_i＝12。

根据虚拟相位角对电压源逆变器交流输出电压指令d轴矢量v_gd和输出电压指令q轴矢量v_gq，进行反Park变换，可得电压源逆变器交流输出电压指令α轴矢量v_gα和输出电压指令β轴矢量v_gβ，

其中：v_gd和v_gq分别电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq的d轴分量和q轴分量，u_gα和u_gβ分别为电压源逆变器交流输出电压指令V_gαβ的α轴分量和β轴分量。

最后，根据电压源逆变器交流输出电压α轴电压指令v_gα和电压源逆变器交流输出电压β轴电压指令v_gβ，通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号S_a～S_c以对电压源逆变器1进行控制。

图3为所发明的在虚拟同步旋转坐标系下无锁相环电压源逆变器控制策略仿真结果，其中有功功率在0.05s时下降为0.5pu、0.25s时增加到0.7pu，而无功功率在0.15s时阶跃为0.4pu(容性)，在0.35s时阶跃为0.2pu(容性)。从图中可见，本实施方式可确保电压源逆变器对功率指令的有效响应与快速追踪，并保持逆变器运行的稳定。

图4为在非理想电网频率(47Hz，6％)条件下，采用本发明的仿真结果，其中仿真环境与图3保持一致。可见，在实际电网频率与虚拟电网频率(50Hz)存在偏差时，与图3相对比没有明显区别，故采用本实施方式仍能对有功、无功功率保持良好的调节能力，同时也证明本发明具有对频率偏差的适应能力。

综上，本发明所提出的在虚拟同步旋转坐标系下电压源逆变器控制方案，可消除以检测电网电压实时相位以及频率的锁相环，简化控制系统设计，而对于频率偏差具有自适应能力。此外，本发明所给出的控制方案，亦可作为现有基于电网电压定向的直接功率控制方案，在电压相位与频率检测存在偏差条件下的补充与拓展。

尽管已经结合相关实施例对本发明进行了详细描述，但是对于本领域技术人员而言，在不背离本发明精神和实质的情况下所做的各做修改、替换和形变，均落入本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)采集电压源逆变器的三相电网电压、三相输出电流、直流侧电压；通过对所述的三相电网电压和三相电网电流进行Clarke变换，对应得到静止α-β坐标系下的电网电压矢量U_gαβ和输出电流矢量I_gαβ；

步骤(2)利用虚拟相位角θ对电网电压矢量U_gαβ和输出电流矢量I_gαβ进行Park变换，对应得到以虚拟相位角θ为基础的同步旋转坐标系下的电网电压矢量U_gdq和输出电流矢量I_gdq；

步骤(3)根据所述的电网电压矢量U_gdq和输出电流矢量I_gdq，计算电压源逆变器的输出有功功率P_g、无功功率Q_g；

步骤(4)根据输出有功功率P_g、无功功率Q_g，考虑逆变器参数的影响，采用实系数调节器进行误差调节，并基于逆变器的实际参数进行解耦补偿算法计算得到虚拟同步旋转坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq；

步骤(5)根据虚拟相位角θ对电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq进行Park反变换，得到静止α-β坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令V_rαβ，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电压源逆变器进行控制；

所述的步骤(4)中通过误差调节解耦补偿算法计算电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq的具体方法如下：

首先，使给定的目标功率指令P_ref和Q_ref分别减去输出有功功率P_g、无功功率Q_g，对应得到功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g；

然后，对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行PI调节与计算，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量V_PQ；

最后，对电压调节矢量V_PQ进行解耦补偿，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq；

根据以下算式对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行PI调节：

v_P＝C_PI(s)ΔP_g

v_Q＝C_PI(s)ΔQ_g

其中：v_P和v_Q分别为PI调节器输出的电压调节矢量V_PQ的d轴分量和q轴分量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子；

根据以下算式对电压调节矢量V_PQ进行计算解耦补偿：

其中：u_gd和u_gq分别为电网电压矢量U_gdq的d轴分量和q轴分量，v_P和v_Q分别为PI调节器输出的电压调节矢量V_PQ的d轴分量和q轴分量，v_gd和v_gq分别为电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq的d轴分量和q轴分量，L_g为电压源逆变器网侧进线电感值，ω＝100π。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，其特征在于：所述的虚拟相位角θ是一周期为20ms幅值为2π的锯齿波状的相角信号，表示为θ＝ωt(ω＝2π×50＝100π)。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中根据以下算式对电网电压矢量U_gαβ和输出电流矢量I_gαβ进行Park变换：

其中：u_gd和u_gq分别为电网电压矢量U_gdq的d轴分量和q轴分量，i_gd和i_gq分别为输出电流矢量I_gdq的d轴分量和q轴分量，u_gα和u_gβ分别为电网电压矢量U_gαβ的α轴分量和β轴分量，i_gα和i_gβ分别为输出电流矢量I_gαβ的α轴分量和β轴分量。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中根据以下算式计算电压源逆变器的输出有功功率P_g、无功功率Q_g：

P_g＝1.5(u_gdi_gd+u_gqi_gq)

Q_g＝1.5(u_gqi_gd-u_gdi_gq)

其中：u_gd和u_gq分别为电网电压矢量U_gdq的d轴分量和q轴分量，i_gd和i_gq分别为输出电流矢量I_gdq的d轴分量和q轴分量；

计算P_g值，P_g>0表示电压源逆变器向电网输出有功功率，P_g<0表示电压源逆变器从电网吸收有功功率；

计算Q_g值，Q_g>0表示电压源逆变器提供容性无功功率，Q_g<0表示电压源逆变器提供感性无功功率。

5.根据权利要求1所述的电压源逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中根据以下算式对电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq进行Park反变换：

其中：v_gd和v_gq分别电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq的d轴分量和q轴分量，V_gα和V_gβ分别为电压源逆变器交流输出电压指令V_gαβ的α轴分量和β轴分量。