CN106253349B - 一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，这种控制方案实施于虚拟同步坐标系中，而无需利用锁相环时时检测电网电压矢量相位角，同时消除与进线电感相关的电流解耦补偿项，降低控制系统对于电感参数的依赖性，同时，本发明在电网频率偏差具有自适应能力，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；此外，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。

Description

一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法

技术领域

本发明属于并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法。

背景技术

目前，并网逆变器，由于其效率高、成本低、便于集成等优势，在光伏、风电、微型汽轮机、储能等微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。由于近年来各国都在积极推动可再生能源的应用，特别是风力和光伏产业的发展十分迅速，风机和光伏所产生的可再生能源占总能源产出的比例快速增加。据国家能源局统计[10-11]，到2014年9月底，全国累计风电并网容量8497万千瓦，同比增长22％。光伏方面，截止2014年上半年，中国光伏项目累计备案(核准)容量为4556万千瓦，累计并网容量2108万千瓦。随着风力和光伏的容量不断增加，可再生能源型分布式发电系统给电网带来的影响将越来越大，其相关研究也不断加深。

现阶段，并网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，VFO)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调节器，最常用的为PI调节器。

直接功率控制技术，以有功、无功功率作为被控对象，采用滞环控制器并根据提前设定的开关表，直接选择所需的开关状态，这种典型控制结构移除了电流控制内环而简化了控制系统结构。然而，这种控制系统开关频率不固定，将导致注入电流存在宽频谐波，指示

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。

为获取恒定不变的开关频率，目前广泛采用基于空间矢量调制技术(spacevector modulation,SVM)的直接功率控制技术(SVM-DPC)。其中，Zhou P.、He Y.K.和SunD.在标题为Improved direct power control of a DFIG-based wind turbine duringnetwork unbalance(IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(11):2465-2474.)的文章中讨论了典型的SVM-DPC控制方法，其核心内容可表示为：根据锁相环检测电网电压矢量实时相位角，并将电网电压矢量固定在同步旋转坐标系d轴；然后，根据电网电压矢量相位角对并网逆变器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，实现对并网逆变器的控制。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，在与并网逆变器输出瞬时有功、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PI调节器调节(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，可获得调节并网逆变器4的开关信号S_a、S_b、S_c，实现对并网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)结构以获取电网电压矢量相位角，作为Park变换的角度依据。

根据上述分析可知，现阶段，并网逆变器SVM-DPC控制方法的本质为由锁相环获取的电网电压实时相位角作为坐标变换基准角，在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，同时，由于电感处于时时变化状态中，而无法获取准确数值，对于功率的解耦控制会造成负面效应。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，这种控制方案实施于虚拟同步坐标系中而无需利用锁相环时时检测电网电压矢量相位角，同时消除与进线电感相关的电流解耦补偿项，降低控制系统对于电感参数的依赖性。

具体而言，本发明提供了一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，包括如下步骤：

(1)采集并网逆变器的三相电网电压、三相输出电流；通过对所述三相电网电压、三相输出电流进行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；

(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；

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

(4)根据输出有功功率P_g、无功功率Q_g，采用比例-复系数积分调节器通过误差调节、采用基于电网电压矢量U_gdq的d轴分量的正序分量和负序分量、以及电网电压矢量U_gdq的q轴分量的正序分量和负序分量的电压解耦补偿算法计算得到虚拟同步旋转坐标系下的并网逆变器交流输出电压指令V_gdq；

(5)根据虚拟相位角θ对并网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坐标系下的并网逆变器交流输出电压指令V_gαβ，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对并网逆变器进行控制。

进一步的，所述的虚拟相位角θ是周期为20ms幅值为2π的锯齿波状的相角信号，表示为θ＝ωt(ω＝2π×50＝100π)。

进一步的，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。

进一步的，所述的步骤(3)中根据以下算式计算并网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表示并网逆变器向电网输出有功功率，P_g<0表示并网逆变器从电网吸收有功功率；

计算Q_g值，Q_g>0表示并网逆变器提供容性无功功率，Q_g<0表示并网逆变器提供感性无功功率。

进一步的，所述的步骤(4)中通过误差调节解耦补偿算法计算并网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，采用比例-复系数积分调节器对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行调节，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量V′_gdq；

最后，对电压调节矢量V′_gdq进行解耦补偿，得到虚拟同步旋转坐标系下的并网逆变器交流输出电压指令V_gdq。

进一步的，根据以下算式，采用比例-复系数积分调节器对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行调节：

v'_gd＝C_P+I(s)ΔP_g+C_I(s)ΔQ_g

v'_gq＝C_P+I(s)ΔQ_g+C_I(s)ΔP_g

其中：v′gd和v′gq分别为比例-复系数积分调节器输出矢量V′gdq的d轴分量和q轴分量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，s为拉普拉斯算子。

进一步的，根据以下算式对电压调节矢量V′gdq进行计算解耦补偿：

其中：ugd和ugq分别为电网电压矢量Ugdq的d轴分量和q轴分量，v′gd和v′gq分别为比例-复系数积分调节器输出矢量V′gdq的d轴分量和q轴分量，vgd和vgq分别为并网逆变器交流输出电压指令Vgdq的d轴分量和q轴分量，u_gd ⁺表示在虚拟同步旋转坐标系中电网电压矢量U_gdq的d轴分量的幅值大小，u_gq ⁺表示在虚拟同步旋转坐标系中电网电压矢量U_gdq的q轴分量的幅值大小。特别的，所述的步骤(5)中根据以下算式对并网逆变器交流输出电压指令Vgdq进行Park反变换：

其中：v_gd和v_gq分别并网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分别为并网逆变器交流输出电压指令V_gαβ的α轴分量和β轴分量。

本发明提供了一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，这种控制方案实施于虚拟同步坐标系中，而无需利用锁相环时时检测电网电压矢量相位角，同时消除与进线电感相关的电流解耦补偿项，降低控制系统对于电感参数的依赖性。此外，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为现有并网逆变器直接功率控制方法的流程示意图。

图2为本发明并网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)下并网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％)下并网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的并网逆变器为例；图2给出了于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，包括如下步骤：

(1)首先，利用一组(3个)电压霍尔传感器2采集并网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分别采集并网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并网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15采用比例-复系数积分调节器对功率误差进行调节，最后经过电压解耦补偿模块16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'_gd＝C_P+I(s)ΔP_g+C_I(s)ΔQ_g

v'_gq＝C_P+I(s)ΔQ_g+C_I(s)ΔP_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＝2mH，R_g＝0.1ohm，K_p＝2，K_i＝8；“+”其含义是表示在虚拟同步旋转坐标中。其中u_gd ⁺表示在虚拟同步旋转坐标系中电网电压矢量U_gdq的d轴分量的幅值大小，u_gq ⁺表示在虚拟同步旋转坐标系中电网电压矢量U_gdq的q轴分量的幅值大小。

(4)根据虚拟相位角对并网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，可得并网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分别并网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分别为并网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，根据并网逆变器交流输出电压α轴电压指令v_gα和并网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以对并网逆变器1进行控制。

图3为所发明的虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法仿真结果，其中并网逆变器输出有功功率在0.05s时由1.0p.u.(10kW)下降为0.5p.u.(5kW)、0.25s时增加到0.7p.u.(7kW)，而并网逆变器无功功率在0.15s时由0.0p.u.(0kVar)阶跃为0.4p.u.(4kVar，容性)，在0.35s时阶跃为0.2p.u.(2kVar，容性)。从图中可见，本实施方式可确保并网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，由于有功、无功功率始终表现为直流量形式，因而采用比例-复系数积分器可实现对其调节。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，本发明提供了一种基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，这种控制方案实施于虚拟同步坐标系中，而无需利用锁相环时时检测电网电压矢量相位角，同时消除与进线电感相关的电流解耦补偿项，降低控制系统对于电感参数的依赖性。此外，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。

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坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)，利用一组电压霍尔传感器采集并网逆变器的三相电网电压、三相输出电流；通过Clarke变换模块对所述三相电网电压、三相输出电流进行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)，采用Park变换模块利用虚拟相位角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)，利用功率计算模块根据所述的电网电压矢量U_gdq和输出电流矢量I_gdq，计算并网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，采用比例-复系数积分调节器通过误差调节、采用基于电网电压矢量U_gdq的d轴分量的正序分量和负序分量、以及电网电压矢量U_gdq的q轴分量的正序分量和负序分量的电压解耦补偿算法计算得到虚拟同步旋转坐标系下的并网逆变器交流输出电压指令V_gdq；

步骤(5)根据虚拟相位角θ对并网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坐标系下的并网逆变器交流输出电压指令V_gαβ，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对并网逆变器进行电压控制；

在步骤(4)中，通过误差调节解耦补偿算法计算并网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，采用比例-复系数积分调节器对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行调节，得到虚拟同步旋转坐标系下的电压调节矢量V′_gdq；

最后，对电压调节矢量V′_gdq进行解耦补偿，得到虚拟同步旋转坐标系下的并网逆变器交流输出电压指令V_gdq；

根据以下算式，采用比例-复系数积分调节器对功率误差信号ΔP_g和ΔQ_g进行调节：

v'_gd＝C_P+I(s)ΔP_g+C_I(s)ΔQ_g

v'_gq＝C_P+I(s)ΔQ_g+C_I(s)ΔP_g

其中：v′_gd和v′_gq分别为比例-复系数积分调节器输出矢量V′_gdq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′_gdq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′_gd和v′_gq分别为比例-复系数积分调节器输出矢量V′_gdq的d轴分量和q轴分量，v_gd和v_gq分别为并网逆变器交流输出电压指令V_gdq的d轴分量和q轴分量，u_gd ⁺表示在虚拟同步旋转坐标系中电网电压矢量U_gdq的d轴分量，u_gq ⁺表示在虚拟同步旋转坐标系中电网电压矢量U_gdq的q轴分量。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，其特征在于：所述的虚拟相位角θ是周期为20ms幅值为2π的锯齿波状的相角信号，表示为θ＝ωt,其中，ω＝2π×50＝100π。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，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坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中根据以下算式计算并网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表示并网逆变器向电网输出有功功率，P_g<0表示并网逆变器从电网吸收有功功率；

计算Q_g值，Q_g>0表示并网逆变器提供容性无功功率，Q_g<0表示并网逆变器提供感性无功功率。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步坐标系的并网逆变器直接功率控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中根据以下算式对并网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分别并网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分别为并网逆变器交流输出电压指令V_gαβ的α轴分量和β轴分量。