CN108321808A - 一种用于对电压源型逆变器进行解耦控制的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对电压源型逆变器进行解耦控制的方法，其特征在于，采用内环电流控制和外环电压控制的双闭环控制方法对压源型逆变器进行控制，包括：在内环电流控制单元解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响；在外环电压控制单元解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响；根据电压输入值利用电压外环控制单元确定指令电流的参考值；根据所述指令电流的参考值利用电流内环控制单元对电流进行快速跟踪以及对逆变器的控制；在所述内环电流控制单元和电压外环控制单元的协同作用下，通过设置电压控制值的q轴的电压为预设阈值对单位功率因数进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及电力控制技术领域，并且更具体地，涉及一种用于对电 压源型逆变器进行解耦控制的方法及系统。
背景技术
微网作为分布式电源接入电网的主要形式，大量使用控制结构相对简 单的电流源型逆变器，在分布式电源接入越来越多的背景下，电流源型逆 变器在微网孤岛运行和电网侧无法提供电压支撑时表现出弊端，而电压源 型逆变器虽然控制结构相对电流源型逆变器要复杂，但其可在并网时参与 调节系统电压，微网孤岛运行时还可为微网提供电压支撑。而实现自同步 电压源型逆变器的协调控制就是为了实现微网并离网的平滑无缝切换，以 减少微网并离网过程对接入电网的冲击，从而促进分布式电源并网的发展。 三相电压源型逆变器的主电路拓扑结构，如图1所示。其中，三相对称负 载的逆变器主电路中滤波电感均为L，滤波电容均为C，等效电阻均为R。
(1)三相静止坐标系下的数学表达式
基于KVL和KCL定律，可得三相逆变器的电压电流方程如下：
其中：ifa，ifb，ifc是电感电流；ua，ub，uc是电容电压； iga，igb，igc是负载电流；ea，eb，ec是逆变桥输出电压。
(2)标系到两相旋转d-q坐标系的转换矩阵为：
因此，得到在d-q坐标系中的三相逆变器的电压电流方程为：
因此，电感电流和电容电压之间存在耦合。
发明内容
本发明提供了一种用于对电压源型逆变器进行解耦控制的方法及系 统，以解决如何对电压源型逆变器进行解耦控制的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种用于对电 压源型逆变器进行解耦控制的方法，其特征在于，采用内环电流控制和 外环电压控制的双闭环控制方法对压源型逆变器进行控制，包括：
在内环电流控制单元解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的 影响；
在外环电压控制单元解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的 影响；
根据电压输入值利用电压外环控制单元确定指令电流的参考值；
根据所述指令电流的参考值利用电流内环控制单元对电流进行快速 跟踪以及对逆变器的控制；
在所述内环电流控制单元和电压外环控制单元的协同作用下，通过 设置电压控制值的q轴的电压为预设阈值对单位功率因数进行控制。
优选地，其中在内环电流控制单元通过控制比例积分调节器的参数 解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响。
优选地，其中在外环电压控制单元通过控制比例积分调节器的参数 解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响。
优选地，其中利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电 流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电流，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电流的影响。
优选地，其中利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电 压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电压，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电压的影响。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于对电压源型逆变器进行 解耦控制的系统，其特征在于，所述系统包括：
第一影响解除模块，用于在内环电流控制单元解除电流交叉耦合项 对有功电流和无功电流的影响；
第二影响解除模块，用于在外环电压控制单元解除电压交叉耦合项 对有功电压和无功电压的影响；
指令电流参考值确定模块，用于根据电压输入值利用电压外环控制 单元确定指令电流的参考值；
跟踪控制模块，用于根据所述指令电流的参考值利用电流内环控制 单元对电流进行快速跟踪以及对逆变器的控制；
单位功率因数控制模块，用于在所述内环电流控制单元和电压外环 控制单元的协同作用下，通过设置电压控制值的q轴的电压为预设阈值 对单位功率因数进行控制。
优选地，其中所述第一影响解除模块，在内环电流控制单元通过控 制比例积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的 影响。
优选地，其中所述第一影响解除模块，在外环电压控制单元通过控 制比例积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的 影响。
优选地，其中所述第一影响解除模块，利用如下公式通过控制比例 积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电流，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电流的影响。
优选地，其中所述第二影响解除模块，利用如下公式通过控制比例 积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电压，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电压的影响。
本发明提供了一种用于对电压源型逆变器进行解耦控制的方法及系 统，基于电压外环和电流内环的双闭环控制器，电压外环主要作用是确 定指令电流的参考值和稳定逆变器交流侧电压的幅值，通过设置q轴的 电压指令为预设阈值来实现单位功率因数控制。而电流内环的主要作用 是按电压外环输出的指令电流进行电流控制，内环电流控制器是实现电 流的快速跟踪。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方 式：
图1为三相电压源型逆变器的主电路拓扑结构；
图2为根据本发明实施方式的用于对电压源型逆变器进行解耦控制 的方法200的流程图；
图3为根据本发明实施方式的电流内环解耦控制框图；
图4为根据本发明实施方式的电压外环解耦控制框图；
图5为根据本发明实施方式的解耦后的电压电流双环控制框图；
图6为根据本发明实施方式的用于对电压源型逆变器进行解耦控制 的系统600的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用 许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实 施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人 员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术 语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图 标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域 的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的 词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义， 而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图2为根据本发明实施方式的用于对电压源型逆变器进行解耦控制 的方法200的流程图。如图2所示，本发明的实施方式提供的用于对电 压源型逆变器进行解耦控制的方法，基于电压外环和电流内环的双闭环 控制器，电压外环主要作用是确定指令电流的参考值和稳定逆变器交流 侧电压的幅值，通过设置q轴的电压指令为预设阈值来实现单位功率因 数控制。而电流内环的主要作用是按电压外环输出的指令电流进行电流 控制，内环电流控制器是实现电流的快速跟踪。本发明实施方式的用于 对电压源型逆变器进行解耦控制的方法200采用内环电流控制和外环电 压控制的双闭环控制方法对压源型逆变器进行控制，从步骤201处开始， 在步骤201在内环电流控制单元解除电流交叉耦合项对有功电流和无功 电流的影响。
优选地，其中在内环电流控制单元通过控制比例积分调节器的参数 解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响。
优选地，其中利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电 流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电流，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电流的影响。
优选地，在步骤202在外环电压控制单元解除电压交叉耦合项对有 功电压和无功电压的影响。
优选地，其中在外环电压控制单元通过控制比例积分调节器的参数 解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响。
优选地，其中利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电 压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电压，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电压的影响。
内环电流控制单元设计电压型逆变器d-q坐标系的电流方程式：
上式表明，d、q轴电流除受控制量Vd、Vq的影响外，还受到电流 交叉耦合项ωLiq、ωLid的影响。为了消除电流耦合，采用解耦控制，电 流调节器采用PI调节器，则电压控制方程为:
式中，i*d、i*q分别为有功电流id和无功电流iq的参考值。如图3 所示。
由上述两个公式可以得到：
上式表明，引入电流反馈和电网电压前馈后，只要通过调节PI控制 器参数使之满足式上述公式，即可使id、iq分别跟踪各自参考值，产生 与控制目标对应的d、q轴电流，而且实现了d、q轴电流的解耦控制。
电压外环控制系统设计电压外环和电流内环结构是相似的，则控制 系统的设计也是相似，电压型逆变器的d-q坐标系下的电压方程方程式:
根据对电流内环的解耦控制系统研究，推得电压控制系统解耦方程 为:
由上述两个公式可以得到：
只要通过调节PI控制器参数使之满足式上述公式，即可使vd、vq 单独控制。控制框图如图4所示。
根据以上分析，可以得到解耦后的电压电流双环控制框图5。
优选地，在步骤203根据电压输入值利用电压外环控制单元确定指 令电流的参考值。
优选地，在步骤204根据所述指令电流的参考值利用电流内环控制 单元对电流进行快速跟踪以及对逆变器的控制。
优选地，在步骤205在所述内环电流控制单元和电压外环控制单元 的协同作用下，通过设置电压控制值的q轴的电压为预设阈值对单位功 率因数进行控制。
在进行电路仿真时，主电路仿真模型中直流电压源的电压为0.8kV； 滤波电感为0.044mH；滤波电感的阻值为0.0005ohm；滤波电容值为1332 μF；电网电阻为0.0017ohm，电网电感为0.0055mH；电网线电压有效值 是0.69kV。Ifabc、Igabc、分别是电感电流和并网电流；Uabc是电容电压。 在锁相环中，Ud是逆变器输出电压d轴分量，Uq是逆变器输出电压q轴分量，ωg是电网电压，ωPLL是锁相环检测出的电网电压，OPLL是锁 相环输出的锁相角，PI控制器的比例系数为0.084，积分系数为4.69，传 递函数为在有功频率控制时，ωref是参考角频率，ω是经过下垂 控制计算出的逆变器输出角频率，O是经过下垂控制计算出的逆变器输 出角度，ωPLL是网侧角频率，ωB是角频率参考值，Pref是有功参考值，Pe是逆变器输出有功功率，传递函数为在无功电压控制时，Qref 是无功功率参考值，Qe是无功功率测量值，Eo是电压参考值，E是电 压计算值；KE是电压反馈系数。PI调节器的比例系数为0.001，积分常 数为0.15。O是有功下垂控制得到的角度，E是无功下垂控制得到的电 压幅值，ea，eb，ec是合成的三相电压，Ed，Eq是是经过下垂控制得到 的电压的d，q分量。得到的电压电流dq解耦双环控制框图中Ed，Eq 是经过下垂控制得到的电压的d，q分量；ωVSM是逆变器输出频率；Ud、 Uq是逆变器输出电压测量值的d，q轴分量；ifd，ifq是电感电流的d，q 分量；电压环的PI控制器比例系数为0.59，积分常数为736；电流环的 PI控制器比例系数为1.27，积分常数为14.3；oi是直流电压标幺值；md,mq 是PWM调制信号。
图6为根据本发明实施方式的用于对电压源型逆变器进行解耦控制 的系统600的结构示意图。如图6所示，本发明实施方式的用于对电压 源型逆变器进行解耦控制的系统600包括：第一影响解除模块601、第二 影响解除模块602、指令电流参考值确定模块603、跟踪控制模块604和 单位功率因数控制模块605。在所述第一影响解除模块601，在内环电流控制单元解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响。
优选地，其中所述第一影响解除模块，在内环电流控制单元通过控 制比例积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的 影响。
优选地，其中所述第一影响解除模块，利用如下公式通过控制比例 积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电流，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电流的影响。
优选地，在所述第二影响解除模块602，在外环电压控制单元解除 电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响。
优选地，其中所述第二影响解除模块，在外环电压控制单元通过控 制比例积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的 影响。
优选地，其中所述第二影响解除模块，利用如下公式通过控制比例 积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分 别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电压，实现解除电压 交叉耦合项对d、q轴电压的影响。
优选地，在所述指令电流参考值确定模块603，根据电压输入值利 用电压外环控制单元确定指令电流的参考值。
优选地，在所述跟踪控制模块604，根据所述指令电流的参考值利 用电流内环控制单元对电流进行快速跟踪以及对逆变器的控制。
优选地，在所述单位功率因数控制模块605，在所述内环电流控制 单元和电压外环控制单元的协同作用下，通过设置电压控制值的q轴的 电压为预设阈值对单位功率因数进行控制。
本发明的实施例的用于对电压源型逆变器进行解耦控制的系统600 与本发明的另一个实施例的用于对电压源型逆变器进行解耦控制的方法 相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员 所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的 其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通 常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述 /该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个 实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公 开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (10)
1.一种用于对电压源型逆变器进行解耦控制的方法，其特征在于，采用内环电流控制和外环电压控制的双闭环控制方法对压源型逆变器进行控制，包括：
在内环电流控制单元解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响；
在外环电压控制单元解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响；
根据电压输入值利用电压外环控制单元确定指令电流的参考值；
根据所述指令电流的参考值利用电流内环控制单元对电流进行快速跟踪以及对逆变器的控制；
在所述内环电流控制单元和电压外环控制单元的协同作用下，通过设置电压控制值的q轴的电压为预设阈值对单位功率因数进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在内环电流控制单元通过控制比例积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在外环电压控制单元通过控制比例积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电流，实现解除电压交叉耦合项对d、q轴电流的影响。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电压，实现解除电压交叉耦合项对d、q轴电压的影响。
6.一种用于对电压源型逆变器进行解耦控制的系统，其特征在于，所述系统包括：
第一影响解除模块，用于在内环电流控制单元解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响；
第二影响解除模块，用于在外环电压控制单元解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响；
指令电流参考值确定模块，用于根据电压输入值利用电压外环控制单元确定指令电流的参考值；
跟踪控制模块，用于根据所述指令电流的参考值利用电流内环控制单元对电流进行快速跟踪以及对逆变器的控制；
单位功率因数控制模块，用于在所述内环电流控制单元和电压外环控制单元的协同作用下，通过设置电压控制值的q轴的电压为预设阈值对单位功率因数进行控制。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一影响解除模块，在内环电流控制单元通过控制比例积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一影响解除模块，在外环电压控制单元通过控制比例积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一影响解除模块，利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电流交叉耦合项对有功电流和无功电流的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电流，实现解除电压交叉耦合项对d、q轴电流的影响。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二影响解除模块，利用如下公式通过控制比例积分调节器的参数解除电压交叉耦合项对有功电压和无功电压的影响：
其中，通过调节比例积分调节器的参数满足上述公式，使id、iq分别跟踪各自参考值，产生与控制目标对应的d、q轴电压，实现解除电压交叉耦合项对d、q轴电压的影响。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109217687A (zh) * | 2018-08-24 | 2019-01-15 | 南京理工大学 | 基于mmc的配电网电力电子变压器及其控制方法 |
| CN117895584A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-16 | 浙江日风电气股份有限公司 | 一种变流器的软启动方法及装置 |
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2018
- 2018-03-21 CN CN201810236184.XA patent/CN108321808A/zh active Pending
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| CN117895584A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-16 | 浙江日风电气股份有限公司 | 一种变流器的软启动方法及装置 |
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