CN106300411B - 一种虚拟同步坐标系电流解耦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坐标系电流解耦的电压源逆变器控制方法，在虚拟同步旋转坐标系中通过对逆变器输出的dq轴电流进行误差PI调节和解耦补偿计算后，可直接生成交流输出电压指令；本发明控制方案可消除以检测电网电压旋转矢量相位和频率为目标的锁相环环节，同时该控制方案对于频率偏差具有明显的自适应能力，此外该控制方案亦可作为基于电网电压定向的矢量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。本发明消除了电网电压锁相环，简化了电压源逆变器的控制设计，并降低了系统计算负担与实现复杂度。

Description

一种虚拟同步坐标系电流解耦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坐标系电流解耦的电压源逆变器控制方法。

背景技术

目前，电压源逆变器，作为可再生能源分布式发电接入电网的关键接口设备，由于其效率高、成本低、便于集成等优势，在可再生能源分布式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，电压源逆变器最常用的控制技术为矢量控制(vector control,VC)。矢量控制技术。其基本特征是采用电流闭环控制结构，根据功率指令计算相应的有功、无功电流指令，并通过线性PI调节器对有功、无功电流误差进行调节。

对于电压源逆变器矢量控制系统而言，基于电网电压矢量定向的矢量控制方案，由于其结构简单、实现方便，因而得到了大量的应用。其中，J.W.Choi,S.K.Sul在标题为“Fast Current Controller in Three-Phase AC/DC Boost Converter Using d-q AxisCross Coupling(IEEE Transactions on Power Electronics,1998,19(1):179-185)”的文献中，讨论了基于电网电压矢量定向的电压源逆变器控制方案，其核心内容可概括为：采用锁相环检测电网电压矢量的相位角，并将电网电压矢量固定在同步旋转坐标系d轴，然后，结合电网电压矢量的相位角对三相电压、三相电流进行坐标变换，以获取同步旋转坐标系中电压、电流的dq轴分量，根据有功、无功指令并利用电压的dq轴分量计算逆变器输出电流的dq轴指令，并分别由输出电流的dq轴误差信号经过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，并结合有功、无功指令P_Ref、Q_Ref经过电流指令计算模块8，可得输出电流dq轴指令i_gdRef、i_gqRef；然后，在与逆变器输出电流I_gdq比较获得相应的误差信号Δi_gd和Δi_gq，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)结构以获取电网电压的相位角，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矢量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、无功电流进行调节，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坐标系电流解耦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坐标系电流解耦的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；通过对所述的三相电网电压和三相输出电流进行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)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和有功、无功功率指令P_gRef、Q_gRef，利用瞬时功率理论，计算在虚拟同步坐标系中逆变器dq轴电流指令i_gdRef、i_gqRef；

步骤(4)结合在虚拟同步旋转坐标系中的实际输出电流矢量I_gdq，通过误差调节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_gαβ，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dq轴电流指令i_gdRef、i_gqRef：

其中：P_gRef和Q_gRef分别为给定的逆变器有功功率参考值、无功功率参考值，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，U_g为电网电压矢量U_gdq的幅值；

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

计算Q_gRef值，Q_gRef>0表示电压源逆变器提供容性无功功率，Q_gRef<0表示电压源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，使给定的目标电流指令i_gdRef和i_gqRef分别减去逆变器输出电流dq轴分量i_gd、i_gq，对应得到电流误差信号Δi_gd和Δi_gq；

然后，对电流误差信号Δi_gd和Δi_gq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′_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电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq。

进一步的，根据以下算式对电流误差信号Δi_gd和Δi_gq进行PI调节：

v'_gd＝C_PI(s)Δi_gd

v'_gq＝C_PI(s)Δi_gq

其中：v′_gd和v′_gq分别为PI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。

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：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PI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。

本发明消除了电网电压锁相环，简化了电压源逆变器的控制设计，并降低了系统计算负担与实现复杂度。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，此外，可广泛应用于可再生能源分布式发电的电力电子接口设备控制系统。

附图说明

图1为常规电压源逆变器基于电网电压矢量定向的控制流程示意图。

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正常电网频率(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正常电网频率(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600V；

图2给出了虚拟同步坐标系电流解耦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)利用电流指令计算模块8，根据以下算式计算电压源逆变器的dq轴电流指令i_gdRef、i_gqRef：

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，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，U_g为电网电压矢量U_gdq的幅值，P_gRef>0表示电压源逆变器向电网输出有功功率，P_gRef<0表示电压源逆变器从电网吸收有功功率，Q_g>0表示电压源逆变器提供容性无功功率(超前)，Q_g<0表示电压源逆变器提供感性无功功率(滞后)。

然后，与逆变器输出的电流dq分量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；

Δi_gd＝i_gdRef-i_gd

Δi_gq＝i_gqRef-i_gq

其中：i_gdref和i_gqref分别为逆变器有功电流、无功电流指令，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＝5，K_i＝10。

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坐标系电流解耦的电压源逆变器控制方法仿真结果，其中有功功率在0.05s时下降为5kW、0.25s时增加到7kWpu，而无功功率在0.15s时阶跃为4kVar(容性)，在0.35s时阶跃为2kVar(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，逆变器输出电流在虚拟同步旋转坐标系中呈现为3Hz低频交流分量的形式。由于PI调节器仍可对着一类低频交流分量提供足够的幅值增益，故PI调节器可以用来调节这一类低频交流分量。因此，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旋转矢量相位和频率为目标的锁相环环节，同时该控制方案对于频率偏差具有明显的自适应能力，此外该控制方案亦可作为基于电网电压定向的矢量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 (6)

1.一种基于虚拟同步坐标系电流解耦的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；通过对所述的三相电网电压和三相输出电流进行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)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和有功、无功功率指令P_gRef、Q_gRef，利用瞬时功率理论，计算在虚拟同步坐标系中逆变器dq轴电流指令i_gdRef、i_gqRef；

步骤(4)结合在虚拟同步旋转坐标系中的实际输出电流矢量I_gdq，通过误差调节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_gαβ，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(3)中根据以下算式计算电压源逆变器的dq轴电流指令i_gdRef、i_gqRef：

其中：P_gRef和Q_gRef分别为给定的逆变器有功功率参考值、无功功率参考值，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，U_g为电网电压矢量U_gdq的幅值；

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

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

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，使给定的目标电流指令i_gdRef和i_gqRef分别减去逆变器输出电流dq轴分量i_gd、i_gq，对应得到电流误差信号Δi_gd和Δi_gq；

然后，对电流误差信号Δi_gd和Δi_gq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′_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电压源逆变器交流输出电压指令V_gdq。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步坐标系电流解耦的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，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电流解耦的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3所述基于虚拟同步坐标系电流解耦的电压源逆变器控制方法，其特征在于：根据以下算式对电流误差信号Δi_gd和Δi_gq进行PI调节：

v'_gd＝C_PI(s)Δi_gd

v'_gq＝C_PI(s)Δi_gq

其中：v′_gd和v′_gq分别为PI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。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步坐标系电流解耦的电压源逆变器控制方法，其特征在于：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PI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，R_g为逆变器进线电感等效电阻，L_g为电压源逆变器网侧进线电感值，ω＝100π。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟同步坐标系电流解耦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。