CN109687745B - 一种单相逆变器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单相逆变器控制方法，属于电力电子技术领域。包含单相锁相环、幅值计算模块、无功功率‑幅值控制模块、有功功率‑频率控制模块、相位调节模块以及电磁转矩、无功功率和电动势的计算模块。其中有功功率‑频率控制模块、无功功率‑幅值控制模块以及电磁转矩、无功功率和电动势计算模块的数学模型参考同步发电机的机械、电气模型构建，以增强逆变器的惯性和阻尼，并使逆变器能够具有与同步发电机相同或相似的输出特性。该方法不需要对电压、电流进行由单相至三相或两相的拟合，直接利用实际单相电压、电流进行计算；计算过程中不涉及坐标系的转化；相较于现有技术，该方法具有较快的动态响应速度，且具有良好的整体稳定性。

Description

一种单相逆变器控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及单相逆变器的控制技术。
背景技术
从全球形势看，能源革命的趋势不可逆转，而《能源发展“十三五”规划》的发布，也标志着中国进入能源转型加速期，“绿色、低碳”的理念必将引领一场新的能源革命。在中国清洁能源总装机不断提升，至2017年三季度末，中国水电、风电、光伏和核电装机量已经分别达到3.39、1.57、1.20和0.36亿千瓦，占电力总装机量比例分别达到20％、9％、7％和2％，其地位已从补充能源上升为替代能源；其他各国对清洁能源的应用与推广都非常重视，其中哥斯达黎加清洁能源发电量比重已达99.68％，其中可再生能源发电量占比高达98.15％。而分布式能源在能源的输送和利用上通过分片布置的方式可以减少能源在长距离输送过程的折损，有效地提高了能源利用的安全性和灵活性。故而清洁能源与分布式能源的应用与推广是能源革命中的中坚力量。
而电力电子变换器可以发挥其对电能灵活地转换和控制能力，转化清洁能源与分布式能源的能量，将其并入电网，并对其进行有效管理。目前对于与可再生能源配套的逆变器控制中主要可分为电流源型和电压源型两种类型。其中电流源型控制方案能够实现最大能量的利用与注入，但其不利于新能源与分布式能源的大量汇入和使用，可能会导致电力系统的整体稳定性下降。而电压源型逆变器控制方法能够以电压源的形式注入电网，这一点与传统发电机一致，因而有利于清洁能源和分布式系统在电网中的推广。在目前的研究中，有学者提出通过模拟同步发电机的机电模型，建立虚拟同步控制方案，从而让逆变器成为同步逆变器，使逆变器具有与传统同步发电机的相同或相似的输出特性，进而提高电力系统整体的稳定性与能量平衡能力。
而对于牵引网和部分工业中应用的单相系统而言，如果能够应用清洁能源和分布式发电系统，则可在一定条件下实现专网专用。这样就可以可大幅降低对电力系统尤其是三相输配电系统的电能质量影响，能够更加便捷有效地实现牵引网的全线贯通，其灵活性、经济性与适用性等特点也可以得到提升。因此，对于单相逆变器的控制方法研究同样具有重要的意义和作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相逆变器控制方法，它能有效地将单相逆变器控制成电压源形式的单相电源，并使之具有传统同步发电机的部分特性。本发明提出的单相逆变器控制方法具有良好的稳定性与动态响应性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种单相逆变器控制方法，包括单相锁相环、幅值计算模块、无功功率-幅值控制模块、有功功率-频率控制模块，通过赋予所述模块功能参数来实现对单相逆变器的控制，具体步骤如下：
步骤一、首先通过单相锁相环确定网侧电压vg的相位ωgt，再通过幅值计算模块来计算网侧电压vg的幅值Vg；其中，该计算需要借助低通滤波器完成；
其计算公式为：Vg＝2*LPF[vg*sin(ωgt)]，式中，LPF代表低通滤波器，由其对括号内的输入数据进行处理，输出结果只保留小于截止频率的部分；
步骤二、设置无功功率-幅值控制模块，该模块包含幅值跟踪部分和无功参与调节部分，其涉及参数包含电压下垂参数Dq和参数K，电压下垂参数Dq设置在幅值跟踪部分，它影响幅值的跟踪速度以及在网侧电压幅值发生波动时的逆变器的动态特性和无功功率变化程度，同时使逆变器具有幅值下垂特性，参数K是转动惯量的等效参数J的对偶量，它影响无功功率-幅值模块的整体响应性能；
步骤三、设置有功功率-频率控制模块，该模块包含频率跟踪部分和有功参与调节部分，其涉及频率下垂参数Dp和转动惯量的等效参数J，参考电力系统中的摇摆方程构建，并在频率跟踪部分设置一个包含PI控制器的反馈回路以提高频率跟踪精度，频率下垂参数Dp设置在频率跟踪部分，相当于同步发电机模型中的摩擦系数，既能实现频率下垂，也具有一定的阻尼功能；同时频率下垂参数Dp也是一个重要的动态参数，它影响逆变器输出电压频率的跟踪速度以及在网侧电压频率发生波动时的逆变器输出的动态特性和有功功率变化程度，而转动惯量的等效参数J影响有功功率-频率控制模块输出量角频率ω的动态性能，继而影响有功功率-频率控制模块整体响应性能；
步骤四、设置相位调节模块，该模块利用一个积分器和一个PI控制器构建相位调节的闭环回路，在频率稳定跟踪后，通过相位调节模块调整逆变器的输出相位ωt，使之能够与网侧电压的相位ωgt一致；相位调节模块中积分器的输入为有功功率-频率控制模块所得的角频率ω和PI控制器的输出之和，输出为相位ωt；PI控制器的输入为网侧电压的相位ωgt与计算所得相位ωt之差
Figure GDA0002552018240000021
步骤五、参考同步发电机的机械和电气模型构建电磁转矩Te、无功功率Q和电动势e的计算方法，单相同步电机中Te、Q和e的计算原理如下所示：
Te＝Mfif*LPF[is*sin(ωt)]
Q＝-Mfif*ω*LPF[is*cos(ωt)]
e＝Mfif*ω*sin(ωt)
式中，LPF代表低通滤波器，表示对括号内的输入数据进行处理，其处理结果只保留小于截止频率的部分；Mf if代表虚拟的励磁绕组与定子线圈之间最大互感Mf和转子励磁电流if的乘积，是无功功率-幅值控制模块的输出量；ω代表角频率，是有功功率-频率控制模块的输出量；ωt代表相位，是相位调节模块的输出量；is为采集到的变换器输出电流；
Te、Q和e为计算结果；其中，Te和Q分别参与有功功率-频率控制模块和无功功率-幅值控制模块的控制，而e则通过归一化处理后成为调制波，配合调制策略生成逆变器内各个功率器件的驱动信号。
2、上述单相逆变器控制器策略中相位调节模块的计算结果只与角频率ω、网侧电压的相位ωgt两个输入量和本模块中PI控制器的参数设置有关。
本发明公开的一种单相逆变器控制方法，与现有的单相逆变器控制方法相比，其有益效果体现在：
1、本发明不需要对电压、电流进行由单相至三相的拟合，直接利用实际单相电压、电流进行计算，且计算过程中不涉及坐标系的转化，简化了控制方法的计算复杂度，同时可以提升动态调整性能；
2、本发明提出了一种单相逆变器相位跟踪控制方法。相较于已有的相位跟踪方法，本发明设计的相位调节方法对相位进行直接调整，不涉及其他控制模块的计算、输出结果，不需要通过其他部分的计算、控制进行间接调整，因此本发明的控制方法具有较快的响应速度，且具有良好的整体稳定性。
附图说明
图1为本发明的无功功率-幅值控制模块示意图。
图2为本发明的有功功率-频率控制模块和本发明提出的相位调节模块示意图。
图3为本发明结合采用中性点二极管箝位结构的单相三电平逆变器进行电压电流采集点说明示意图。
图4为本发明所提控制方法的整体示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明具体内容与实现方式。
首先以网侧电压vg为例对幅值计算(Amplitude calculation,AMP)过程进行说明。将网侧电压vg以vg＝Vg*sin(ωgt)的形式表达，其中Vg为网侧电压vg的幅值，ωg t为其相位。
需要通过单相锁相环(Phase Locked Loop,PLL)检测采集网侧电压的相位ωgt，通过正弦函数发生器得到与网侧电压同相位的正弦输出sin(ωg t)，将vg与sin(ωg t)相乘，其计算结果为：
Figure GDA0002552018240000031
由此可见计算结果仅包含二倍频分量和直流分量，通过低通滤波器(Low PassFilter,LPF)，设置低通滤波器的截止频率为60Hz，小于网侧电压频率fg的两倍，则可通过低通滤波器去除输入量中的二倍频分量只保留直流分量，则低通滤波器的输出结果为幅值Vg的一半，故而放大一倍后可以得到网侧电压的幅值Vg。
如图1所示为无功功率-幅值控制模块示意图。需要调用前面提及的幅值计算模块，其输入量包括网侧电压vg，计算量逆变器输出无功功率Q，两个参考值：电压幅值参考值Vref和无功功率给定值Qset，Vref可根据并网需求调节，按照网侧电压幅值可设置为380V、38.89kV或者其他网侧幅值，Qset根据实际需求设置；两个调节参数：电压下垂参数Dq和K。其中拉普拉斯算子
Figure GDA0002552018240000032
代表积分计算。
电压幅值参考值Vref与网侧电压的幅值Vg之差与电压下垂参数Dq相乘作为幅值控制的一支调节参数；而无功功率给定值Qset与逆变器输出无功功率Q之差，作为幅值调节的另一支。两支相加，除以参数K再通过积分器积分可以得到虚拟的励磁绕组与定子线圈之间的最大互感Mf和转子励磁电流if的乘积Mf if。Mf if是一个会参与电磁转矩、无功功率、电动势计算的重要计算量。在某一稳定运行状态下，Mf if基本为一恒定值。本部分的控制目标为与有功功率-频率控制模块一起达到并网要求的电压幅值一致。
如图2所示为有功功率-频率控制模块和本发明提出的相位调节模块示意图。
有功功率-频率调节模块包含计算量电磁转矩Te，两个参考值：有功功率给定值Pset和角频率参考值ωn，Pset根据实际需求设置；两个调节参数：频率下垂参数Dp和虚拟转动惯量拟合参数J；设有一个PI控制器以提高频率跟踪精度，其中PI控制器涉及两个控制参数Kp和Ki，本例中设置Kp＝0.25，Ki＝1，其具体设置可根据对精度与响应速度的需求调整。
另外，本模块的构建参考了电力系统中的摇摆方程：
Figure GDA0002552018240000041
其中Tm代表虚拟机械转矩，可由Pset和ωn相除计算得到，而ω代表本模块的输出量角频率。具体控制思路如图2所示。同样，普拉斯算子
Figure GDA0002552018240000042
代表积分计算。本部分的控制目标为达到并网要求的逆变器输出电压频率与网侧一致，所述频率取工频50Hz；同时与无功功率-幅值控制模块一起达到并网要求的电压幅值一致。
相位调节模块中积分器的输入为有功功率-频率控制模块所得的角频率ω和PI控制器的输出之和，输出为相位ωt；PI控制器的输入为网侧电压的相位ωg t与计算所得相位ωt之差
Figure GDA0002552018240000043
在有功功率-频率控制模块输出的ω稳定之后，与网侧电压的角频率ωg大小相同，则若存在相位差
Figure GDA0002552018240000044
则其为一恒定值，将
Figure GDA0002552018240000045
做为PI控制器的输入，PI控制器的输出量与ω之和一起参与积分。同样的，PI控制器涉及两个控制参数Kp和Ki，本例中设置Kp＝2，Ki＝0.5，其具体设置可根据实际需求进行调整。
当ω与ωg大小相等时，假设相位ωg t超前于相位ωt，则有：
Figure GDA0002552018240000046
此时PI的输出也为一负值，积分器输入小于ω，输出相位的斜率减小，相位ωg t保持不变，则相位差
Figure GDA0002552018240000047
减小，但仍为负，依次类推，直至
Figure GDA0002552018240000048
减小为0，相位一致。
同样的，假设相位ωg t滞后于相位ωt，也可通过相位调节模块跟踪到网侧相位，达到并网要求：电压相位一致。
本发明中需要对虚拟的电磁转矩Te、无功功率Q和电动势e进行计算，其原理与同步发电机一致。电磁转矩Te、无功功率Q和电动势e的计算过程中输入量包括有功功率-频率控制模块所得的角频率ω、相位调节模块输出相位ωt、无功功率-幅值控制模块输出的虚拟励磁互感和励磁电流乘积Mf if以及采集的变换器输出电流is；输出量为电磁转矩Te、无功功率Q和电动势e。其中电动势e通过归一化处理后成为调制波，配合调制策略生成逆变器内各个功率器件的驱动信号。
按照同步机发电机电气模型可知对于极对数为1的三相系统而言，在三相稳定输出的状态下有：
Figure GDA0002552018240000051
Figure GDA0002552018240000052
Figure GDA0002552018240000053
其中
Figure GDA0002552018240000054
为电压与电流之间的相位差，Is为变换器输出电流的幅值，
Figure GDA0002552018240000055
Figure GDA0002552018240000056
如果假定励磁电流if的大小恒定，则电动势的计算可化简为：
Figure GDA0002552018240000057
那么对于单相同步发电机而言，数学模型如下所示：
Figure GDA0002552018240000058
Figure GDA0002552018240000059
e＝Mfif*ω*sin(ωt)
其中，低通滤波器LPF的截止频率理论设计数值小于2倍的网侧电压频率fg即可，一般截止频率设置为60Hz，目的同样为去除在单相计算过程中无法消除的2倍频分量，只保留直流分量。
图3为结合采用中性点二极管箝位结构的单相三电平逆变器进行电压、电流采集点说明的示意图。依据控制需求采集变换器输出电压、输出电流和网侧电压。其中C1和C2为直流侧的支撑电容；Sa1至Sb4为带反并联二极管的IGBT功率器件；P为保险丝，可根据实际运行情况进行电流保护；J1和J2为继电器，根据运行需求设置保护参数；KM1为多路开关，与逆变器输出和单相电网相连，当KM1闭合时，变换器输出经LCL滤波器与单相电网并联；Ks为决定本地负载X是否接入的开关。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种单相逆变器控制方法，包括单相锁相环、幅值计算模块、无功功率-幅值控制模块、有功功率-频率控制模块，通过赋予所述模块功能参数来实现对单相逆变器的控制，具体步骤如下：
步骤一、首先通过单相锁相环确定网侧电压vg的相位ωgt，再通过幅值计算模块来计算网侧电压vg的幅值Vg；其中，该计算需要借助低通滤波器完成；
其计算公式为：Vg＝2*LPF[vg*sin(ωgt)]，式中，LPF代表低通滤波器，由其对括号内的输入数据进行处理，输出结果只保留小于截止频率的部分；
步骤二、设置无功功率-幅值控制模块，该模块包含幅值跟踪部分和无功参与调节部分，其涉及参数包含电压下垂参数Dq和参数K，电压下垂参数Dq设置在幅值跟踪部分，它影响幅值的跟踪速度以及在网侧电压幅值发生波动时的逆变器的动态特性和无功功率变化程度，同时使逆变器具有幅值下垂特性，参数K是转动惯量的等效参数J的对偶量，它影响无功功率-幅值模块的整体响应性能；
步骤三、设置有功功率-频率控制模块，该模块包含频率跟踪部分和有功参与调节部分，其涉及频率下垂参数Dp和转动惯量的等效参数J，参考电力系统中的摇摆方程构建，并在频率跟踪部分设置一个包含PI控制器的反馈回路以提高频率跟踪精度，频率下垂参数Dp设置在频率跟踪部分，相当于同步发电机模型中的摩擦系数，既能实现频率下垂，也具有一定的阻尼功能；同时频率下垂参数Dp也是一个重要的动态参数，它影响逆变器输出电压频率的跟踪速度以及在网侧电压频率发生波动时的逆变器输出的动态特性和有功功率变化程度，而转动惯量的等效参数J影响有功功率-频率控制模块输出量角频率ω的动态性能，继而影响有功功率-频率控制模块整体响应性能；
步骤四、设置相位调节模块，该模块利用一个积分器和一个PI控制器构建相位调节的闭环回路，在频率稳定跟踪后，通过相位调节模块调整逆变器的输出相位ωt，使之能够与网侧电压的相位ωgt一致；相位调节模块中积分器的输入为有功功率-频率控制模块所得的角频率ω和PI控制器的输出之和，输出为相位ωt；PI控制器的输入为网侧电压的相位ωgt与计算所得相位ωt之差
Figure FDA0001944047720000011
步骤五、参考同步发电机的机械和电气模型构建电磁转矩Te、无功功率Q和电动势e的计算方法，单相同步电机中Te、Q和e的计算原理如下所示：
Te＝Mfif*LPF[is*sin(ωt)]
Q＝-Mfif*ω*LPF[is*cos(ωt)]
e＝Mfif*ω*sin(ωt)
式中，LPF代表低通滤波器，表示对括号内的输入数据进行处理，其处理结果只保留小于截止频率的部分；Mfif代表虚拟的励磁绕组与定子线圈之间最大互感Mf和转子励磁电流if的乘积，是无功功率-幅值控制模块的输出量；ω代表角频率，是有功功率-频率控制模块的输出量；ωt代表相位，是相位调节模块的输出量；is为采集到的变换器输出电流；
Te、Q和e为计算结果；其中，Te和Q分别参与有功功率-频率控制模块和无功功率-幅值控制模块的控制，而e则通过归一化处理后成为调制波，配合调制策略生成逆变器内各个功率器件的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的一种单相逆变器控制方法，其特征在于：所述相位调节模块的计算结果只与角频率ω、网侧电压的相位ωgt两个输入量和本模块中PI控制器的参数设置有关。
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