CN109462326B - 一种不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法，通过过电流保护功率控制方法来调节不平衡电网下并网逆变器的输出电流和输出功率；不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法包括对不平衡电网下输出电流分析，对最大输出电流进行控制并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，能够提高并网逆变器的功率容量。
Description
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过电流保护功率控制方法。
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，而且当电网电压下降时，并网逆变器的控制策略会使诸如电流迅速增加，这可能会损坏开关器件。
现有的用于不平衡电网的控制策略，有通过修改功率参考值来直接减少电网电流避免过电流的方法，但是这种只通过降低期望输出的有功功率来避免过电流的方法会降低其功率容量；有通过注入额外的无功功率，使电网电流的峰值被限制在额定值以下，但这种方法中三角函数的计算会增加控制芯片的计算负担，而且输出功率的功率因数会变小。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有不平衡电网下并网逆变器控制策略中，过电流保护策略功率容量降低、计算量较大、功率因数降低的缺点，提供一种不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法，用计算更为简单的策略实现过电流保护功率控制的条件下，避免功率容量大幅减少，相比于同类方法有效提高过电流保护情况下的功率容量。
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过电流保护功率控制方法，该过电流保护功率控制方法包括下列步骤：
针对三电平并网逆变器，在不平衡电网下，计算出正序和负序电流峰值，调节有功功率和无功功率参考值进行过电流保护，并调节功率波动；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，并计算对应的开关序列以及占空比对逆变器的功率开关器件进行控制，而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。
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，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。
在不平衡电网的静止两相坐标系αβ下，为了实现功率调节，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，设置有功和无功功率参考值为：
其中，Pref是输出有功功率的实际期望值，而输出无功功率的实际期望值为0，(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，E-和E+是负序和正序电网电压的峰值。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，实现功率控制。
在给定有功和无功功率的条件下，输出电流峰值IF为：
计算出输出峰值电流以后，当χ小于[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时，式(III)中绝对值可以被消去，式(III)可以被化简为：
当以减少不平衡电网下并网逆变器无功功率波动为控制目标时，
其中，IN是χ的值为[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时的输出电流峰值，IR是χ的值为0时的输出电流峰值，Irated是额定电流。
当χ大于[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时，式(III)中绝对值同样可以被消去，式(III)可以被化简为：
当以减少不平衡电网下并网逆变器有功功率波动为控制目标时，
其中，IA是χ的值为1时的输出电流峰值。
当Pref的值过大时，只利用χ难以调节输出峰值电流IF在额定电流Irated以下，由此，对并网逆变器系统而言，输出功率的最大限制值为：
于是，通过调节Pref和χ，实现过电流保护功率控制。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在每个开关周期内选择逆变器输出的3个电压矢量，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＝[PrefF-P(k+1)]2+[QrefF-Q(k+1)]2+λ|uo(k+1)| (IX)
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，uo＝uc2-uc1为母线电容的电压差，C是直流侧电容的大小，viabc为逆变器的开关状态，ti是开关状态对应的作用时长，|viabc|＝{|via|,|vib|,|vic|}T,vix(x＝a,b,c)∈{-1,0,1}，iabc是所连接系统的线电流且iabc＝{ia,ib,ic}。
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过电流保护功率控制方法，相比于直接减少输出有功功率最大值来避免过电流的方法，通过调节χ的值调节有功和无功功率参考值，提高了功率容量；相对于注入额外无功功率限制电网电流的峰值的方法，本发明只需计算χ的值即可实现功率调节，有效减少了计算量，减轻了控制芯片的计算负担，提高了功率因数。
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过电流保护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过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动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过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动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过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的电流变化示意图；
图6(b)是不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的功率变化示意图；
图7(a)是不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动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过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动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过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的电流变化示意图；
图8(b)是不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的功率变化示意图。
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。
在不平衡电网的静止两相坐标系αβ下，为了实现功率调节，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，设置有功功率和无功功率参考值为：
其中，Pref是输出有功功率的实际期望值，而输出无功功率的实际期望值为0，(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。E-和E+是负序和正序电网电压的峰值，表达式为：
当式(2)中系数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，实现功率控制。
在不平衡电网以及式(2)所设置的有功和无功功率参考值下，静止坐标系αβ轴输出的正序和负序电流为：
将正序和负序电流峰值相加，得到输出电流峰值IF为：
计算出输出峰值电流以后，当χ小于[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时，式(5)中绝对值可以被消去，式(5)可以被化简为：
当以减少不平衡电网下并网逆变器无功功率波动为控制目标时，
其中，Irated是额定电流，IN是χ的值为[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时的输出电流峰值，IR是χ的值为0时的输出电流峰值，IN和IR分别为：
当χ大于[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时，式(5)中绝对值同样可以被消去，式(5)可以被化简为：
当以减少不平衡电网下并网逆变器有功功率波动为控制目标时，
其中，IA是χ的值为1时的输出电流峰值，计算公式为：
当Pref的值过大时，只利用χ难以调节输出峰值电流IF在额定电流Irated以下，由此，对并网逆变器系统而言，输出功率的最大限制值为：
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＝[PrefF-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，uo＝uc2-uc1为母线电容的电压差，C是直流侧电容的大小，viabc为逆变器的开关状态，ti是开关状态对应的作用时长，|viabc|＝{|via|,|vib|,|vic|}T,vix(x＝a,b,c)∈{-1,0,1}，iabc是所连接系统的线电流且iabc＝{ia,ib,ic}；
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，fpi和fqi是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，fpi和fqi的计算公式为：
其中，ω是电气角速度，(uα,uβ)是开关状态对应的输出电压矢量。
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，ti(i＝1～2)可以通过令代价函数J对ti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，Ep＝PrefF-P(k)，Eq＝QrefF-Q(k)，Ts是开关周期。
利用不平衡电网下并网逆变器的过电流保护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，实现过电流保护，调节有功功率和无功功率波动。
在图3中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法的流程图。流程总结如下：首先，利用式(1)分离αβ轴电压和电流的正序、负序分量，利用式(8)，式(11)式(12)求出IA，IR和PCF，判断输出有功功率期望值Pref是否大于输出功率最大限制值PCF，如果是，则重新设置有功功率期望值等于输出有功功率最大限制值，并令χ＝[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2；否则，判断是否以消除有功功率波动为目标，如果是，则进一步判断额定电流是否大于消除有功功率波动(χ＝1)时的输出电流峰值IA，如果是，则可设定χ＝1，有功功率期望值Pref不变，否则利用式(10)计算合适的χ值；如果以无功功率波动为目标，则判断额定电流是否大于消除无功功率波动(χ＝0)时的输出电流峰值IR，如果是，则可设定χ＝0，有功功率期望值Pref不变，否则利用式(8)计算合适的χ值。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，实现过电流保护，使输出的有功功率和无功功率跟踪参考功率，有效减少功率波动。从图3的流程图可以看出，不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法具有计算简单，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过电流保护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
| 参数 | 取值 |
| 滤波电感L | 9mH |
| 直流侧电容C | 1000uF |
| 直流侧电压 | 450V |
| 电网线电压 | 220V |
| 电网频率 | 50Hz |
| 采样频率 | 10kHz |
| 开关频率 | 10kHz |
| 死区时间 | 3us |
| 参考有功功率 | 3.5kW |
| 参考无功功率 | 0kVar |
| 额定电流(最大值) | 11A |
通过实验，给出不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法对三电平三相并网逆变器的控制性能。
在图5(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动情况下的输出电流；在图5(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动情况下的输出功率；在图6(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的电流变化；在图6(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少无功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的功率变化；在图7(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动情况下的输出电流；在图7(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动情况下的输出功率；在图8(a)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的电流变化；在图8(b)中，给出了不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法工作在减少有功功率波动且Pref从3kW升高到3.8kW情况下的功率变化。
图5(b)、图6(b)、图7(b)、图8(b)中(0kW/0kVar)是功率的起始线，图5(a)、图5(b)、图7(a)、图7(b)实验波形的中线处，由不含过电流保护的功率控制切换到过电流保护功率控制，从图中可以看出过电流保护功率控制方法能够对电流进行调控，例如图5(a)中A相电流峰值由11.36A减少到了11.02A，为了减少输出电流峰值，在功率调节方面会由完全消除无功功率波动的状态变成了同时减少无功和有功功率的波动；图6(a)、图6(b)、图8(a)、图8(b)实验波形中以虚线框圈出有功功率提高时输出峰值电流不变的情况，能够在保持输出电流峰值11A不变的情况下，将功率提高到3.58kW，达不到3.8kW的原因在于无法超越PCF最大功率限制值的要求。相比以往方法有效提高了功率容量。从上面的实验结果可以看出，不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法不仅结构简单，计算量小，稳态性能好，能够对电流进行有效调控，实现保护逆变器开关器件的目的；而且能够在期望输出的有功功率值提高时，在保持输出电流幅值不变的情况下，在一定范围内提高输出的有功功率，进而提高功率容量。
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 (4)
1.一种不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法，其特征在于，所述的过电流保护功率控制方法包括下列步骤：
针对三电平并网逆变器，在不平衡电网下，计算出正序和负序电流峰值，调节有功功率和无功功率参考值进行过电流保护，并调节功率波动；其中，所述的调节有功功率和无功功率参考值进行过电流保护的过程如下：
在不平衡电网的静止两相坐标系αβ下，为了实现功率调节，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，设置有功功率参考值PrefF和无功功率参考值QrefF为：
其中，Pref是输出有功功率的实际期望值，而输出无功功率的实际期望值为0，(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，E-和E+是负序和正序电网电压的峰值，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；当系数时，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，实现功率控制；
在给定有功功率和无功功率的条件下，输出电流峰值IF为：
通过调节系数χ以及Pref的值实现调节输出电流峰值；
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，并计算对应的开关序列以及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过电流保护功率控制方法，其特征在于，计算出输出电流峰值IF以后，当系数χ小于[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时，式(B)中绝对值被忽略消去，式(B)被化简为：
当以减少不平衡电网下并网逆变器无功功率波动为控制目标时，
其中，IN是系数χ的值为[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时的输出电流峰值，IR是系数χ的值为0时的输出电流峰值，Irated是额定电流；
当系数χ大于[(E+)2-(E-)2]/2(E+)2时，式(B)中绝对值同样被忽略消去，式(B)被化简为：
当以减少不平衡电网下并网逆变器有功功率波动为控制目标时，
其中，IA是系数χ的值为1时的输出电流峰值；
当Pref的值过大时，只利用系数χ难以调节输出峰值电流IF在额定电流Irated以下，由此，对并网逆变器系统而言，输出功率的最大限制值为：
于是，通过调节Pref和系数χ，实现过电流保护功率控制。
3.根据权利要求1所述的一种不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法，其特征在于，所述的模型预测功率控制的目标函数为：
J＝[PrefF-P(k+1)]2+[QrefF-Q(k+1)]2+λ|uo(k+1)| (H)
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，uo(k+1)是k+1时刻母线电容电压差，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1所述的一种不平衡电网下并网逆变器的过电流保护功率控制方法，其特征在于，计算所述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，eαβ＝eα+j eβ，T是电网基频周期，同理，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。
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