CN109274284A - 一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，通过柔性功率控制方法来调节不平衡电网下并网逆变器的有功和无功功率波动；不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法包括对不平衡电网下有功功率和无功功率二倍频分量的分析，计算出合理的有功功率和无功功率参考值调节功率波动，然后通过模型预测功率控制选择三个矢量，并调节其占空比来对三电平逆变器的各个开关器件进行控制。本发明方法可以实现柔性功率控制，减少不平衡电网下的有功和无功功率波动，而且本发明方法控制的逆变器稳态性能表现良好，能够有效减少输出电流谐波含量。

Description

一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法。

背景技术

随环境问题和能源危机的日益严重，利用太阳能、风能等可再生能源的分布式发电技术受到越来越广泛的关注。而逆变器是分布式发电系统与电网的接口，它的控制性能的优劣会决定供电质量。实际电网由于一系列不确定因素会导致电网不平衡，不考虑电网不平衡的传统控制策略会降低并网逆变器输出电流质量，带来功率震荡等负面影响。

现有的用于不平衡电网的控制策略，有采用两组PI控制器独立对正序和负序电流进行调节，实现消除有功功率或无功功率二倍频波动，或者消除负序电流，但是控制策略中正序和负序分量的提取以及PARK变换等极大地增加了控制策略的复杂性；除此之外，还有基于扩展瞬时功率理论的不平衡电网下逆变器的控制策略，尽管这种控制策略结构较为简单，能够消除功率波动以及获得正弦电网电流，但是这种控制策略无法实现消除负序电流的功能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中不平衡电网下并网逆变器控制策略结构复杂、计算量较大的缺点，提供一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，用结构更为简单的策略实现柔性功率控制，即能够在实现调节有功和无功的功率波动、消除负序电网电流三者当中进行切换，并能根据控制目标优化，结合三者的优点进行功率控制，还能有效减少输出电流谐波含量。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，所述柔性功率控制方法包括下列步骤：

针对三电平三相并网逆变器，在不平衡电网下，计算合理的有功功率和无功功率参考值来调节功率波动；

利用模型预测功率控制的目标函数从备选的矢量组合中选择合适的三个矢量，并计算对应的占空比对逆变器的功率开关器件进行控制，其中，所有备选的矢量组合由三电平逆变器空间电压矢量图中每个小三角形的顶点对应的矢量构成，当小三角形包含零矢量时，选择共模电压最小的OOO矢量，每个小三角形都包含两个小矢量，两个小矢量对中点电压影响不一样，于是空间电压矢量图中24个小三角形包含48个矢量组合。

进一步地，所述的在不平衡电网下，计算合理的有功功率和无功功率参考值来调节功率波动的具体步骤如下：

在不平衡电网下，αβ坐标系下电网电压正序和负序分量(e⁺ _α，e⁺ _β)和(e^-α，e^- _β)的计算公式为：

其中，e⁺ _αβ＝e⁺ _α+j e⁺ _β，e^-αβ＝e^- _α+j e^-β，e_αβ＝e_α+j e_β，T是电网基频周期，而αβ坐标系下电网电流正序和负序分量只需将式(I)中电压分量变为电流分量即可通过相同的方法获得。

在不平衡电网下，求出在静止两相坐标系αβ下，三电平逆变器输出有功功率和无功功率表达式：

其中，ω表示电气角速度，t为时间，P₀和Q₀分别代表有功功率和无功功率的直流分量，P_c，P_s代表有功功率的二倍频分量，Q_c，Q_s代表无功功率的二倍频分量。有功功率和无功功率的这些分量可表示为：

其中，

式(III)和式(IV)中(e⁺α，e⁺β)和(e^-α，e^-β)是αβ坐标系下电网电压的正序和负序分量，(i⁺α，i⁺β)和(i^-α，i^-β)是αβ坐标系下电网电流的正序和负序分量。为了消除有功功率的二倍频波动，并且让有功和无功功率的直流分量跟踪参考值，对P₀和Q₀以及k₁和k₂进行如下设置：

其中，P_ref是给定的有功功率值。将式(V)代入式(III)和式(IV)后，解出能够消除有功功率二倍频波动时，有功和无功功率参考值应设置为：

其中，E^-和E⁺是负序和正序电网电压的峰值，表达式为：

同理，为了消除无功功率的二倍频波动，将k₃和k₄设置为0，P₀和Q₀的设置与式(V)相同，解出有功和无功功率参考值为：

为了实现柔性功率调节，对有功功率和无功功率二倍频波动进行调节，引入一个系数χ，且0≤χ≤1，结合式(VI)和式(VIII)，得到有功和无功功率参考值的设置为：

当系数χ＝0时，可以完全消除无功功率波动；当系数χ＝1时，可以完全消除有功功率波动；当时，可以完全消除电网电流中的负序分量。通过调整χ的值，还可以对有功和无功功率波动幅度进行调整，实现柔性功率控制。

计算出合理有功功率和无功功率参考值以后，利用模型预测功率控制来选择逆变器输出的电压矢量，进而实现对功率的跟踪控制，模型预测功率控制的目标函数为：

J＝[P_refF-P(k+1)]²+[QrefF-Q(k+1)]²+λ|uo(k+1)|(X)

其中，P(k+1)和Q(k+1)分别是k+1时刻的有功功率和无功功率；λ的取值为0.1，为模型预测功率控制中实现三电平逆变器中点电压平衡的系数，中点电压方程为：

其中，u_o＝u_c2-u_c1为母线电容的电压差，C是直流侧电容的大小，v_iabc为逆变器的开关状态，t_i是开关状态对应的作用时长，|v_iabc|＝{|v_ia|,|v_ib|,|v_ic|}^T,v_ix(x＝a,b,c)∈{-1,0,1}，i_abc是所连接系统的线电流且i_abc＝{i_a,ib,i_c}；

模型预测功率控制的目标函数中，k+1时刻的有功和无功功率计算公式为：

f_pi和f_qi是只考虑滤波电感L，不考虑滤波器电阻影响的情况下，三电平逆变器27个开关状态对应的有功和无功功率的导数，当逆变器开关状态为v_i时，逆变器在静止两相坐标系αβ下输出的电压为u_i(u_αi,u_βi)，由此得到

在每个开关周期输出三个开关状态，其作用时间为t₁，t₂和t₃，t_i(i＝1～2)可以通过令目标函数对t_i求导，并令其等于0得到，再利用t₁，t₂，t₃之和为开关周期得到t₃。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明在模型预测功率控制的基础上，采用不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，相比于正序、负序电流独立PI调制，实现了结构简单，易于实施的特点，有效地调节不平衡电网下并网逆变器的功率输出波动和负序电流大小，提高了三电平逆变器在不平衡电网下的稳定性；相对于基于扩展瞬时功率理论的不平衡电网下逆变器的控制策略，能够实现消除负序电流，以及通过改变χ的值实现柔性功率控制的功能。

附图说明

图1是三电平并网逆变器电路图；

图2是三电平逆变器空间电压矢量图；

图3是本发明中不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法的流程图；

图4是不平衡电网下并网逆变器的实验主电路图；

图5(a)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除有功功率二倍频波动(χ＝1)情况下的输出电流示意图；

图5(b)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除有功功率二倍频波动(χ＝1)情况下的输出功率示意图；

图6(a)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除无功功率二倍频波动(χ＝0)情况下的输出电流示意图；

图6(b)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除无功功率二倍频波动(χ＝0)情况下的输出功率示意图；

图7(a)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除负序电流(χ＝[(E⁺)²-(E^-)²]/2(E⁺)²)情况下的输出电流示意图；

图7(b)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除负序电流(χ＝[(E⁺)²-(E^-)²]/2(E⁺)²)情况下的输出功率示意图；

图8(a)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法中χ的值从0变化到1时电流变化示意图；

图8(b)是不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法χ的值从0变化到1时有功和无功功率变化示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

在图1中，给出了三电平并网逆变器电路图，三电平三相逆变器通过滤波电感L以及等效电阻R与电网相连。

αβ坐标系下电网电压正序和负序分量(e⁺ _α，e⁺β)和(e^- _α，e^-β)的计算公式为：

其中，e⁺αβ＝e⁺α+j e⁺β，e^-αβ＝e^-α+j e^-β，eαβ＝eα+j eβ，T是电网基频周期，而αβ坐标系下电网电流正序和负序分量(i⁺α，i⁺β)和(i^-α，i^-β)只需将式(1)中电压分量变为电流分量即可通过相同的方法获得。

网侧电压复矢量e和电流复矢量i在dq坐标系下可以表示为：

其中，e⁺dq和e^-dq代表dq轴坐标系下的电网正序和负序电压矢量，i⁺dq和i^-dq代表dq轴坐标系下的电网正序和负序电流矢量。

而复功率的计算公式为：

在不平衡电网下，先求出在旋转两相dq坐标系下，三电平逆变器输出有功功率和无功功率表达式：

其中，ω表示电气角速度，t为时间，P₀和Q₀分别代表有功功率和无功功率的直流分量，P_c，P_s代表有功功率的二倍频分量，Q_c，Q_s代表无功功率的二倍频分量。有功功率和无功功率的这些分量可表示为：

用αβ坐标系下的电压和电流的正序以及负序分量来替换式(5)中dq坐标系下的电压和电流的正序以及负序分量，得到静止两相αβ坐标系下P₀，Q₀，P_c，P_s以及Q_c，Q_s的表达式：

其中，

为了消除有功功率的二倍频波动，并且让有功和无功功率的直流分量跟踪参考值，对P₀和Q₀以及k₁和k₂进行如下设置：

其中，P_ref是给定的有功功率值。将式(8)代入式(7)和式(6)后，解出能够消除有功功率二倍频波动时，有功和无功功率参考值应设置为：

其中，E^-和E⁺是负序和正序电网电压的峰值，表达式为：

同理，为了消除无功功率的二倍频波动，将k₃和k₄设置为0，P₀和Q₀的设置与式(8)相同，解出有功和无功功率参考值为：

为了实现柔性功率调节，对有功功率和无功功率二倍频波动进行调节，引入一个系数χ，且0≤χ≤1，结合式(9)和式(11)，得到有功和无功功率参考值的设置为：

当系数χ＝0时，可以完全消除无功功率波动；当系数χ＝1时，可以完全消除有功功率波动；当时，可以完全消除电网电流中的负序分量。通过调整χ的值，还可以对有功和无功功率波动幅度进行调整，实现柔性功率控制。

计算出合理有功功率和无功功率参考值以后，利用模型预测功率控制来选择逆变器输出的电压矢量，进而实现对功率的跟踪控制。

在图2中，给出了27个开关状态对应的空间电压矢量，每一个开关状态都对应着响应的逆变器输出的电压矢量。可以看出图中有24个小三角形扇区，考虑到中点电压平衡，每个三角形扇区可以选出两组包含不同小矢量的开关序列，小矢量为(POO,ONN)，(PPO,OON)，(OPO,NON)，(OPP,NOO)，(OOP,NNO)和(POP,ONO)，当开关序列包含零矢量时，选择共模电压最小的OOO矢量，于是总共有48组开关序列。需要对这48组开关序列进行模型预测功率控制，选择模型预测功率控制的目标函数为：

J＝[P_refF-P(k+1)]²+[QrefF-Q(k+1)]²+λ|uo(k+1)|(13)

其中，P(k+1)和Q(k+1)分别是k+1时刻的有功功率和无功功率；λ的取值为0.1，为模型预测功率控制中实现三电平逆变器中点电压平衡的系数，中点电压方程为：

其中，u_o＝u_c2-u_c1为母线电容的电压差，C是直流侧电容的大小，v_iabc为逆变器的开关状态，t_i是开关状态对应的作用时长，|v_iabc|＝{|v_ia|,|v_ib|,|v_ic|}^T,v_ix(x＝a,b,c)∈{-1,0,1}，i_abc是所连接系统的线电流且i_abc＝{i_a,i_b,i_c}；

模型预测功率控制的目标函数中，k+1时刻的有功和无功功率计算公式为：

f_pi和f_qi是只考虑滤波电感L，不考虑滤波器电阻影响的情况下，三电平逆变器27个开关状态对应的有功和无功功率的导数，当逆变器开关状态为v_i时，逆变器在静止两相坐标系αβ下输出的电压为u_i(u_αi,u_βi)，由此得到

在每个开关周期输出三个开关状态，其作用时间为t₁，t₂和t₃，t_i(i＝1～2)可以通过令代价函数J对t_i求导，并令其等于0得到，得到每个开关状态作用时间的计算公式为：

其中，E_p＝P_refF-P(k),E_q＝Q_refF-Q(k)，T_s是开关周期。

利用不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法输出开关序列对三电平并网逆变器进行功率控制，调节有功功率和无功功率二倍频波动，实现柔性功率控制，此外，还能实现负序电流消除的功能。

在图3中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法的流程图。程序总结如下：首先，利用式(1)分离αβ轴电压和电流的正序、负序分量，求出式(9)和式(11)中的有功功率和无功功率(P_refA,Q_refA)和(P_refR,Q_refR)，按照消除有功功率二倍频波动、消除无功功率二倍频波动或者消除负序电流等要求对χ进行设置；然后，根据式(12)计算参考有功和无功功率P_refF，Q_refF；最后结合式(13-17)进行模型预测功率控制，最后将得到的令目标函数J最小的开关序列及其对应占空比用于控制逆变器的开关器件工作，使其有功功率和无功功率跟踪参考功率，实现柔性功率控制。从图3的流程图可以看出，不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法具有结构简单，易于实施的特点。

在图4中，给出了不平衡电网下并网逆变器的实验主电路图。在实验主电路图中在电网侧串联了3个电阻，通过开关S的关闭来模拟电网三相不平衡的情况。

不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法的整个实验平台包括控制板，采样板，功率板和驱动板，在控制板由数字信号处理(DSP，TMS320F28335)和复杂可编程逻辑器件(CPLD，EPM570T144C5)组成，采样板将直流母线电压，电网电压和电流信号转换为与控制板输入接口兼容的电压信号。主电路放置在功率板上，其开关器件为IGBT(IKW50N60T)。实验的系统参数如表1所示，其中网侧线电压220V经过Y/Δ隔离变压器得到。

表1.系统参数表

通过实验，给出不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法对三电平三相并网逆变器的控制性能。仿真中，在给定时刻，将模拟电网由三相平衡状态变为三相不平衡状态，即实验中开关S闭合的状态。

在图5(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除有功功率二倍频波动(χ＝1)情况下的输出电流；在图5(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除有功功率二倍频波动(χ＝1)情况下的输出功率；在图6(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除无功功率二倍频波动(χ＝0)情况下的输出电流；在图6(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除无功功率二倍频波动(χ＝0)情况下的输出功率；在图7(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除负序电流(χ＝[(E⁺)²-(E^-)²]/2(E⁺)²)情况下的输出电流；在图7(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法工作在消除负序电流(χ＝[(E⁺)²-(E^-)²]/2(E⁺)²)情况下的输出功率；在图8(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法中χ的值从0变化到1时电流变化；在图8(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法χ的值从0变化到1时有功和无功的功率变化。在实验波形图中以粗竖线分割电网的平衡状态和不平衡状态，图中THD代表总谐波含量，从上面的实验结果可以看出，不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法不仅结构简单，易于实施，输出电流谐波含量少，稳态性能好；而且可以实现柔性功率控制，即能够在不平衡电网下，实现在调节有功和无功的功率波动，消除负序电网电流当中三者当中进行切换，并能根据控制目标优化，结合三者的优点进行功率控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，其特征在于，所述的柔性功率控制方法包括下列步骤：

针对三电平三相并网逆变器，在不平衡电网下，计算合理的有功功率和无功功率参考值来调节功率波动；

利用模型预测功率控制的目标函数从备选的矢量组合中选择合适的三个矢量，并计算对应的占空比对逆变器的功率开关器件进行控制，其中，所述的备选的矢量组合由三电平逆变器空间电压矢量图中每个小三角形的顶点对应的矢量构成。

2.根据权利要求1所述的一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，其特征在于，其特征在于，所述的计算合理的有功功率和无功功率参考值来调节功率波动的过程如下：

在不平衡电网下，求出在静止两相坐标系αβ下，三电平逆变器输出有功功率和无功功率表达式：

其中，ω表示电气角速度，t为时间，P₀和Q₀分别代表有功功率和无功功率的直流分量，P_c和P_s分别代表有功功率的二倍频分量，Q_c和Q_s分别代表无功功率的二倍频分量，其中有功功率和无功功率的各分量表示为：

其中，

式(B)和式(C)中(e⁺α，e⁺β)和(e^-α，e^-β)是αβ坐标系下电网电压的正序和负序分量，(i⁺α，i⁺β)和(i^-α，i^-β)是αβ坐标系下电网电流的正序和负序分量，为了消除有功功率的二倍频波动，并且让有功和无功功率的直流分量跟踪参考值，对P₀和Q₀以及k₁和k₂进行如下设置：

其中，P_ref是给定的有功功率值，将式(D)代入式(B)和式(C)后，解出能够消除有功功率二倍频波动时，有功和无功功率参考值应设置为：

其中，E^-和E⁺是负序和正序电网电压的峰值，表达式为：

同理，为消除无功功率的二倍频波动，将k₃和k₄设置为0，P₀和Q₀的设置与式(D)相同，解出有功和无功功率参考值为：

为实现柔性功率调节，对有功功率和无功功率二倍频波动进行调节，引入一个系数χ，且0≤χ≤1，结合式(D)和式(G)，得到有功和无功功率参考值的设置为：

当系数χ＝0时，完全消除无功功率波动；当系数χ＝1时，完全消除有功功率波动；当时，完全消除电网电流中的负序分量；通过调整χ的值，对有功和无功功率波动幅度进行调整，实现柔性功率控制。

3.根据权利要求2所述的一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，其特征在于，所述的模型预测功率控制的目标函数为：

J＝[P_refF-P(k+1)]²+[Q_refF-Q(k+1)]²+λ|u_o(k+1)|(I)

其中，P(k+1)和Q(k+1)分别是k+1时刻的有功功率和无功功率，λ为模型预测功率控制中实现三电平逆变器中点电压平衡的系数，且λ≤1。

4.根据权利要求3所述的一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，其特征在于，所述的模型预测功率控制的目标函数中，k+1时刻的有功和无功功率计算公式为：

其中，f_pi和f_qi是只考虑滤波电感L，不考虑滤波器电阻影响的情况下，三电平逆变器27个开关状态对应的有功和无功功率的导数，当逆变器开关状态为v_i时，逆变器在静止两相坐标系αβ下输出的电压为u_i(u_αi,u_βi)，由此得到

在每个开关周期输出三个开关状态，其作用时间为t₁，t₂和t₃，当i＝1～2时，t_i通过令目标函数对t_i求导，并令其等于0得到，再利用t₁，t₂，t₃之和为开关周期得到t₃。

5.根据权利要求3所述的一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，其特征在于，所述的三电平逆变器中点电压方程为：

其中，u_o＝u_c2-u_c1为母线电容的电压差，C是直流侧电容的大小，v_iabc为逆变器的开关状态，t_i是开关状态对应的作用时长，|v_iabc|＝{|v_ia|,|v_ib|,|v_ic|}^T,v_ix∈{-1,0,1}，x＝a,b,c，i_abc是所连接系统的线电流且i_abc＝{i_a,i_b,i_c}。

6.根据权利要求1所述的一种不平衡电网下并网逆变器的柔性功率控制方法，其特征在于，计算合理的有功功率和无功功率参考值时，αβ坐标系下电网电压正序和负序分量(e⁺ _α，e⁺ _β)和(e^- _α，e^- _β)的计算公式为：

其中，e⁺ _αβ＝e⁺ _α+j e⁺ _β，e^- _αβ＝e^- _α+j e^- _β，e_αβ＝e_α+j e_β，T是电网基频周期，而αβ坐标系下电网电流正序和负序分量只需将式(M)中电压分量变为电流分量即可通过相同的方法获得。