CN110048455B - 具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器及其控制方法，该逆变器由三相半桥逆变电路、AD采样及调理电路、DSP控制模块和IGBT驱动保护电路组成；DSP控制模块包括：获取PCC并网点电压相位的电网电压锁相单元，产生电网故障信号的故障检测单元，进行工作模式切换的控制模式切换单元，在下垂控制模式输出参考电压u_od ^*和相位θ_d的功率外环控制单元和输出参考电流i_ldqr的电压内环控制单元，输出调制波的电流内环控制单元，计算PCC并网点电压幅值并在电流控制模式输出参考电流的参考电流计算单元和相位θ_d的相位跟踪单元、输出参考电流i_ldqr的电流跟踪单元，坐标变换单元和PWM单元。

Description

具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器及其控制方法

技术领域

本发明属于含储能型微源的并网逆变器控制领域，涉及一种具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器及其控制方法。

背景技术

随着光伏、风电和储能等分布式发电技术的快速发展，越来越多的分布式能源通过电力电子装置连接到电网，以电压源型逆变器为并网接口的电力电子变换器渗透率不断增加，配电网也逐渐由刚性低阻抗向较大阻抗的弱电网特性转变。一方面，并网逆变器具有过流能力弱、惯性阻尼小和拓扑结构多样等特点，给电力电子化电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战，如电压频率偏移、谐波谐振失稳等问题。另一方面，配电网位于传统电力系统的末端，运行环境十分复杂，短路故障时常发生，并网逆变器容易发生过流烧毁，或者保护动作脱网而影响系统供电可靠性，严重制约了新能源并网逆变器的友好接入。

在众多的逆变器控制方法中，基于无互联线的下垂控制策略优势明显，可以实现并网模式和孤岛模式的无缝切换以及不同逆变器之间的功率均流，因而广泛应用于交流微电网中。弱电网发生短路故障时，故障穿越能力是下垂控制逆变器必须具备的重要特性，决定着逆变器自身和故障电网能否安全可靠运行。可以知道，下垂控制逆变器由于具有电压源外特性，在弱电网故障发生时容易产生2倍以上暂态及稳态冲击电流而导致逆变器发生故障，而在弱电网故障期间以及故障清除时也容易导致系统失稳、冲击电流及电压等不利影响。因此，研究具有弱电网故障穿越及可靠并网支撑能力的下垂控制逆变器控制方法十分必要。

授权公告号为CN 103956768B的发明专利，公开了一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法。该方法利用有功和无功参考电流、电压正负序分量以及调节系数生成并网参考电流；采用PR调节器和SVPWM调制模块生成开关管驱动信号。可以实现光伏并网逆变器故障穿越时有功电流和无功电流协调控制，同时并网电流始终保持在安全工作区，避免过流问题的产生，保证光伏并网逆变器实现有效的故障穿越和抑制输出过电流。

公开号为CN 108242821A的发明专利，公开了一种故障穿越控制方法和装置、风力发电机组。该故障穿越控制方法包括：根据风力发电机组并网侧的三相电压信号，得到第一目标电压值，并根据变流器网侧的三相电压信号，得到第二目标电压值；根据第一目标电压值和第一预定电压值，得到第一故障穿越信号，并根据第二目标电压值和第二预定电压值，得到第二故障穿越信号；对第一故障穿越信号和第二故障穿越信号进行逻辑运算，得到第三故障穿越信号；根据第二故障穿越信号以及第三故障穿越信号，进行故障穿越控制。能够使基于各个电网故障判断点进行故障穿越控制的时序同步。但是以上专利大都基于光伏、风机等新能源接入时功率控制型并网逆变器的情况开展相关讨论，而对于采用下垂控制的储能型并网逆变器的故障穿越控制策略研究较少。另外，现有功率控制型并网逆变器的故障穿越策略研究大都将电网看成理想情况，未考虑弱电网特性对并网逆变器的影响，故障期间容易产生失稳现象，忽略了较大阻抗弱电网带来的系统稳定性问题。

Andrew D.Paquette,and Deepak M.Divan,“Virtual Impedance CurrentLimiting for Inverters in Microgrids With Synchronous Generators,”IEEETrans.Ind.Appl.,vol.51,no.2,pp.1630-1638,Mar.2015主要研究了孤岛型微电网中逆变器与同步发电机间瞬态负载分配不当引起的过负荷时电压控制逆变器的限流问题。当电压调节器在电流基准饱和后失去控制时，使用电流基准饱和限制器会导致不稳定。在逆变器与同步发电机并联运行时，利用虚拟阻抗进行限流，可以提高限流时的暂态稳定性，然后通过小信号分析，确定了虚拟阻抗的大小和X/R比。讨论了同步电机与下垂控制微源逆变器并联时，采用虚拟暂态阻抗的方式来限制电流分配不均的问题，具有一定控制效果。但是，电网故障时下垂控制逆变器产生的冲击电流现象，属于大扰动研究范畴，相比于在负荷投切时的均流问题，其电流冲击将更加严重也更加复杂，另外，合理的虚拟阻抗设计也是一个难点，需要兼顾电流均分效果和系统动态响应。

尚磊，胡家兵，袁小明，迟永宁，汤海雁.电网对称故障下虚拟同步发电机建模与改进控制[J].中国电机工程学报，2017，37(2)：403-411以无内电流和交流电压控制环的虚拟同步发电机为研究对象，通过分析电网故障时其故障电流的基本特征和主要影响因素，将虚拟电阻和相量限流方法相结合，在保证虚拟同步发电机正常运行频率、电压动态支撑的前提下，提出适用于直接电压式虚拟同步发电机的故障电流限制方法，仿真和实验结果证明了所提出的故障电流限制方法的可行性与有效性。其针对直接电压式虚拟同步发电机的故障电流限制方法展开了研究，主要是结合虚拟阻抗和电压相量法进行限流。以上两种方法均属于直接或间接降低逆变器的内电势，进而限制逆变器的输出电流。但是，在电网发生故障瞬间，降低内电势限流的思路并不能直接控制或抑制逆变器的输出电流，如何保证暂态过程限流的快速性和可靠性成为一个关键性的难题。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器及其控制方法，解决了传统方法在下垂控制逆变器故障发生及清除瞬间，下垂控制逆变器冲击电流及冲击电压较大的问题和在弱电网故障持续期间由于锁相环及参考电流计算耦合的各自影响，导致系统稳定性变差的问题。

本发明所采用的技术方案是，具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器，是在正常运行时采用下垂控制方法的三相并网逆变器，由三相半桥逆变电路、AD采样及调理电路、DSP控制模块和IGBT驱动保护电路组成；

所述三相半桥逆变电路，用于对输入的直流电进行逆变产生电网所需的交流电；

所述AD采样及调理电路，用于采集三相半桥逆变电路直流侧电压、交流侧电压和交流侧电流；

所述DSP控制系统模块，用于依据AD采样及调理电路采集的电压和电流产生PWM信号并控制IGBT驱动保护电路；

所述IGBT驱动保护电路，用于驱动三相半桥逆变电路。

进一步的，所述三相半桥逆变电路输入端经直流侧电容C_dc与直流电源连接；所述三相半桥逆变电路输出端经交流滤波电感L_f、交流滤波电阻R_f和交流滤波电容C_f后，通过连接线路接入电网，连接线路电阻为R_g、电感为L_g；所述AD采样及调理电路由电流传感器及调理电路、电压传感器及调理电路、AD转换器1和AD转换器2组成；

所述电流传感器及调理电路，用于采集三相半桥逆变电路交流侧的两相电感电流i_lab和三相进网电流i_oabc，并将采集信息传输至DSP控制模块；所述电压传感器及调理电路，用于采集三相半桥逆变电路直流侧电压U_dc、三相电容电压u_oabc和三相PCC并网点电压u_pabc，并将采集信息传输至DSP控制模块。

进一步的，所述DSP控制模块包括电网电压锁相单元、参考电流计算单元、电网故障检测单元、控制模式切换单元、功率外环控制单元、电压内环控制单元、电流内环控制单元、坐标变换单元、相位跟踪单元、电流跟踪单元和PWM单元；

所述电网电压锁相单元，用于闭环跟踪PCC并网点电压u_pabc的相位θ_p，依次通过对PCC并网点电压u_pabc进行坐标变换、一阶惯性环节1、锁相环PI参数、参考角频率ω₀和积分器，输出相位θ_pll；

所述故障检测单元，用于实时监测进网电流i_oabc瞬时值和获取PCC并网点电压幅值u_pm，并在两者之一触发对应保护设定值后产生电网故障信号；

所述控制模式切换单元，用于进行下垂控制模式与电流控制模式间的切换，包括六组控制开关S_1～6；

所述功率外环控制单元，用于在下垂控制模式通过有功功率参考值P_o ^*、无功功率参考值Q_o ^*、额定电压幅值U₀、参考角频率ω₀、电压下垂系数n、频率下垂系数m，输出参考电压u_od ^*和相位θ_d；

所述电压内环控制单元，用于在下垂控制模式通过参考电压u_oqd ^*、反馈输出电压u_odq和前馈输出电流i_odq，u_oq ^*＝0，输出参考电流i_ldqr；

所述电压内环控制单元包括d轴和q轴两个PI控制，最终分别输出d轴参考电流i_ldr和q轴参考电流i_lqr；所以u_od ^*是作为电压内环控制单元在d轴的参考电压，而由于采用了d轴电压定向的原因，电压内环控制单元在q轴上的参考电压可以直接给0，故此处u_oq ^*＝0。

所述电流内环控制单元，用于通过参考电流i_ldq ^*、反馈输出电流i_ldq、前馈输出电压u_odq，输出调制波dq轴分量E_dq；

所述参考电流计算单元，用于计算PCC并网点电压幅值u_pm及其标幺值U_pm，并通过优先无功注入曲线要求和一阶惯性环节2，根据U_pm获取有功和无功参考电流i_dqset；

所述相位跟踪单元，用于在电流控制模式通过并网点电压相位θ_p、控制参数k_p、频率下垂系数m、参考角频率ω₀和积分器，输出为相位θ_d；

所述电流跟踪单元，用于在电流控制模式通过有功和无功参考电流i_dqset、控制参数k_c、电压环PI参数、前馈输出电流i_odq，输出参考电流i_ldqr；

所述坐标变换单元，用于进行abc坐标至dq坐标变换或dq坐标至abc坐标变换；

所述PWM单元，用于调制生成PWM控制信号。

进一步的，所述三相半桥逆变电路由IGBT管Q₁～Q₆组成；所述Q₁、Q₃和Q₅的集电极均连接至直流电源的正端，Q₂、Q₄和Q₆的发射极均连接至直流电源的负端；所述Q₁的发射极连接Q₄的集电极，Q₃的发射极连接Q₆的集电极，Q₅的发射极Q₂的集电极；所述Q₁、Q₃和Q₅的发射极还分别经一交流滤波电感L_f、交流滤波电阻R_f和交流滤波电容C_f后通过连接线接入电网；所述交流滤波电容C_f采用星型连接方式；所述电流传感器调理电路输出端、电压传感器调理电路输出端分别经AD转换器1和AD转换器2与DSP控制模块的输入端连接；所述DSP控制模块的输出端与IGBT驱动保护电路的输入端连接；所述IGBT驱动保护电路的输出端与Q₁～Q₆的栅极连接。

进一步的，所述电压传感器及调理电路采用霍尔电压传感器，所述电流传感器及调理电路采用霍尔电流传感器，所述AD转换器1和AD转换器2均采用AD7656转换器，所述DSP控制模块采用DSP28335控制器，所述三相半桥逆变电路采用三组FF450R12ME4半桥模块组成，所述IGBT驱动保护电路采用2SP0115T2A0-12驱动模块。

本发明所采用的另一技术方案是，具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制方法，具体步骤如下：

步骤S1、AD采样及调理电路实时采集12路的电压和电流信号，包括直流侧电压U_dc、两相电感电流i_lab、三相电容电压u_oabc、三相进网电流i_oabc、三相PCC并网点电压u_pabc；

步骤S2、坐标变换单元对各采集信号进行同步旋转坐标变换得到各采集信号的dq轴分量，包括两相电感电流dq轴分量i_ldq、三相电容电压dq轴分量u_odq、三相进网电流dq轴分量i_odq、三相PCC并网点电压dq轴分量u_pdq；

步骤S3、将PCC并网点电压u_pabc坐标变换所得q轴分量u_pq输入电网电压锁相单元，使u_pq依次通过一阶惯性环节1、PI控制器后，参考角频率ω₀，然后通过一个积分器后输出相位θ_pll，并将输出的相位θ_pll反馈至输入进行闭环控制；

步骤S4、参考电流计算单元对PCC并网点电压幅值u_pm进行计算并获取其标幺值U_pm，然后根据无功电流曲线和逆变器2倍电流裕量要求，分别计算无功参考电流初始值i_qset2和有功参考电流初始值i_dset2，然后经一阶惯性环节2输出无功参考电流i_qset和有功参考电流i_dset；

步骤S5、功率外环控制单元根据三相电容电压dq轴分量u_odq和三相进网电流dq轴分量i_odq计算逆变器输出的有功功率初始值p_o和无功功率初始值q_o，并经一阶滤波器输出有功功率P_o和无功功率Q_o；

步骤S6、故障检测单元判断PCC并网点电压幅值u_pm是否小于预设电压限值V^trip；同时，实时判断三相进网电流i_oabc是否大于预设电流限值I^trip，若u_pm小于V^trip或i_oabc大于I^trip，则故障检测单元输出的故障标志位Flag_f由0置1，否则故障检测单元输出的故障标志位Flag_f仍置0；

步骤S7、控制模式切换单元判断故障标志位Flag_f是否等于0，如是，控制三相并网逆变器工作于下垂控制模式，功率外环控制单元输出参考电压u_od ^*和相位θ_d，电压内环控制单元输出参考电流i_ldqr，参考相位θ等于功率外环控制单元输出相位θ_d，参考电流i_ldq ^*等于电压内环控制单元输出电流i_ldqr；

步骤S8、控制模式切换单元判断故障标志位Flag_f是否等于1，如是，控制模式切换单元控制三相并网逆变器工作于电流控制模式，参考相位θ等于电网电压锁相单元输出相位θ_p，参考电流i_ldq ^*等于参考电流计算单元输出电流i_dqset，相位跟踪单元和电流跟踪单元依次开始工作，并输出相位θ_d和电流i_ldqr备用；

步骤S9、电流内环控制单元基于参考电流i_ldq ^*生成调制波dq轴分量E_dq；

步骤S10、坐标变换单元对调制波dq轴分量E_dq进行反坐标变换生成三相调制波；

步骤S11、DSP控制模块的PWM单元进行调制生成PWM控制信号，并经过IGBT驱动保护电路，进而来驱动三相半桥逆变电路工作；

步骤S12、返回步骤S1并继续循环执行以上步骤。

进一步的，所述步骤S2中电感电流i_lab、电容电压u_oabc、进网电流i_oabc采用系统参考相位θ进行同步旋转坐标变换，PCC并网点电压u_pabc采用电网电压锁相单元输出相位θ_pll进行同步旋转坐标变换；所述步骤S3中利用单同步坐标系软件锁相环进行PCC并网点电压u_pabc跟踪，并输出相位θ_pll。

进一步的，所述步骤S7和S8中，故障标志位Flag_f初始值为0，当其由0置1时，六组控制开关S_1～6均置于0档，三相并网逆变器工作模式从下垂控制模式切换至电流控制模式；当故障标志位Flag_f由1清0时，六组控制开关S_1～6均置于1档，三相并网逆变器工作模式从电流控制模式切换至下垂控制模式；所述步骤S7中三相并网逆变器工作于下垂控制模式时，功率外环控制单元输入有功参考P_o ^*、无功参考Q_o ^*、额定电压幅值U₀、参考角频率ω₀、电压下垂系数n、频率下垂系数m，输出参考电压u_od ^*和相位θ_d；电压内环控制单元输入参考电压u_od ^*、反馈输出电压u_odq、前馈输出电流i_odq，输出参考电流i_ldqr；

所述功率外环控制单元的输出为：

其中，ω_c为一阶滤波器的截止频率；

所述电压内环控制单元的输出为：

其中，k_vp为电压内环控制单元PI控制器的比例参数，k_vi为电压内环控制单元控制器的积分参数。

进一步的，所述步骤S3中电网电压锁相单元输出为：

其中，ω_f1为一阶惯性环节1的截止频率，k_{p_pll}为电网电压锁相单元的PI控制器的比例参数，k_{i_pll}电网电压锁相单元的PI控制器的积分参数；

所述步骤S4参考电流计算单元计算PCC并网点电压幅值u_pm的公式为：

所述步骤S4中无功电流曲线要求是q轴无功电流i_qset2标幺值增加幅度与并网点电压幅值u_pm的标幺值U_pm降低幅度呈2倍关系，根据无功电流曲线和逆变器2倍电流裕量要求，计算无功参考电流初始值i_qset2和有功参考电流初始值i_dset2的公式为：

其中，i_max为三相并网逆变器最大允许电流值，i_nm为三相并网逆变器额定电流值，最大允许电流值i_max为额定电流值i_nm的2倍；

所述参考电流计算单元的输出为：

其中，ω_f2为一阶惯性环节2的截止频率。

进一步的，所述步骤S8中三相并网逆变器工作于电流控制模式时，相位跟踪单元输入并网点电压相位θ_p、频率下垂系数m、参考角频率ω₀，输出相位θ_d；电流跟踪单元输入参考电流i_dqset、前馈输出电流io_dq，输出参考电流i_ldqr；

所述相位跟踪单元的输出为：

[k_pm(θ_p-θ_d)+ω₀]/s＝θ_d；

其中，k_p为相位跟踪系数；

所述电流跟踪单元的输出为：

k_c(i_dqset-i_ldqr)(k_vp+k_vi/s)+io_dq＝i_ldqr；

其中，k_c为电流跟踪系数；

所述相位跟踪单元输出的相位θ_d和电流跟踪单元输出的电流i_ldqr，在故障清除后三相并网逆变器工作模式由电流控制模式切换至下垂控制模式时，作为电流内环控制单元的输入；

所述步骤S9中电流内环控制单元输入参考电流i_ldq ^*、反馈输出电流i_ldq、前馈输出电压uo_dq，输出调制波dq轴分量E_dq，具体输出为：

其中，k_ip为电流内环控制单元PI控制器的比例参数，k_ii为电流内环控制单元PI控制器的积分参数，三相并网逆变器处于下垂控制模式时，i_ld ^*＝i_ldr、i_lq ^*＝i_lqr，三相并网逆变器处于电流控制模式时，i_ld ^*＝i_dest、i_lq ^*＝i_qest。

当工作于下垂控制模式时，功率外环控制单元、电压内环控制单元和电流内环控制单元将成为实现下垂控制功能的主要单元，三者之间有实际的控制逻辑关系；当工作于电流控制模式时，电网电压锁相单元、参考电流计算单元和电流内环控制单元将成为实现电流控制的主要单元，三者之间同样也有实际的控制逻辑关系；可以看出，电流内环控制单元为两种模式的共用单元，因此其输入参考电流为通用表达式i_ldq ^*，在下垂控制模式时，i_ldq ^*等于电压内环控制单元输出电流i_ldqr，在电流控制模式时，i_ldq ^*等于参考电流计算单元输出电流i_dqset。而在电流控制模式工作时，相位跟踪单元和电流跟踪单元则是辅助单元，独立于上述三个单元，即独立于电网电压锁相单元、参考电流计算单元和电流内环控制单元而工作，并没有实际输出效果或者给其它单元作为控制信号输入，具体操作是对借用功率外环控制单元和电压内环控制单元(电流控制模式时两者已失效)已有环节，对功率外环输出相位θ_d和电压内环输出电流i_ldqr进行重新控制，目的是为了解决故障清除时电流控制模式反切换回下垂控制模式的冲击问题。所以输出相位θ_d和电流i_ldqr作为备用状态，也即电流i_ldqr在下垂控制模式时是由电压内环控制单元输出，并输入给电流内环控制单元闭环控制，而在电流控制模式时是由电流跟踪单元输出，但此时并不给任何其它单元作为控制输入，作为备用状态，直至故障清除反切换时才会被作为电流内环控制单元的输入。

本发明的有益效果是，提出了一种具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器及其控制方法，实施对象为下垂控制逆变器并网系统，分别针对弱电网故障发生瞬间、故障持续期间以及故障清除瞬间这三个阶段存在的问题进行解决：针对弱电网故障发生瞬间下垂控制逆变器冲击电流大的问题，提出了利用控制模式切换的快速限流方法，使下垂控制模式向电流控制模式切换，实现了短路电流的直接控制，具有很好的冲击电流限制效果，使下垂控制逆变器的冲击电流迅速降低到额定电流的2倍或以内，为三相并网逆变器安全穿越故障提供了前提条件；针对弱电网故障持续期间由于锁相环及参考电流计算耦合的各自影响导致系统稳定性变差的问题，本发明提出了具有高可靠性的故障电网无功支撑方法，通过分别在锁相环前向通路中以及参考电流计算输出之前增加一阶惯性环节，减小了弱电网中并网点电压对系统的耦合影响，提高了弱电网故障时的稳定运行和支撑能力，有效提升逆变器并网系统的稳定性，进网电流谐波含量显著降低，符合国家谐波畸变率低于5％的标准；针对弱电网故障清除瞬间下垂控制逆变器冲击电流及冲击电压较大的问题，本发明提出了无冲击的控制模式反切换方法，通过增加相位跟踪单元和电流跟踪单元，来抑制弱电网故障期间相关离线控制器的积分饱和现象，减小了电流控制模式反切换回下垂控制模式产生的冲击电压和电流，使三相并网逆变器能快速平滑恢复至电网故障前的下垂控制模式，为三相并网逆变器安全穿越故障的最后环节提供了有效保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器并网系统结构示意图；

图2是具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制框图；

图3是故障检测单元的结构框图；

图4是电网电压锁相单元的结构框图；

图5是参考电流计算单元的宫新作流程图；

图6是电网故障时三相并网逆变器的无功注入曲线要求示意图；

图7是下垂控制模式的控制框图；

图8是电流控制模式的控制框图；

图9是具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器控制流程图；

图10(a)是弱电网故障发生瞬间下垂控制逆变器产生的冲击电流现象示意图；

图10(b)是弱电网故障持续期间系统发生的失稳现象示意图；

图10(c)是弱电网故障清除瞬间下垂控制逆变器产生的冲击电流现象示意图；

图11是具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器短路电流波形示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

图1是本发明具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器并网系统结构图，主要包括电网等效电路(电网电压u_sabc、网侧等效电阻R_s和电感L_s)、公共耦合点/并网点母线(Coupling of Common Point，PCC)、并网断路器(Circuit Breaker，CB)、电阻为R_g和电感为L_g的连接线路、三相并网逆变器主电路及其控制模块。三相并网逆变器主电路由三相半桥逆变器电路Q_1～6、交流滤波电阻R_f、交流滤波电感L_f和交流滤波电容C_f组成，控制模块包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器、AD采样调理电路、2个AD7656转换器、DSP28335核心控制器、IGBT驱动及保护电路。

三相并网逆变器主电路采用下垂控制策略，包括三相半桥逆变电路、直流侧电容C_dc、交流滤波电感L_f、滤波电阻R_f、交流滤波电容C_f、AD采样及调理电路、DSP控制模块和IGBT驱动保护模块；交流滤波电容C_f采用星型连接方式。所述三相并网逆变器交流侧通过连接线路接入电网，线路电阻为R_g、线路电感为L_g，三相并网逆变器直流侧利用分布式能源和储能装置共同提供相对稳定的直流电压U_dc；所述的AD采样及调理电路输入端分别测量各直流侧电压、交流侧电压和电流，主要包括直流侧电压U_dc、AB两相电感电流i_lab、ABC三相电容电压u_oabc、ABC三相进网电流i_oabc、ABC三相PCC并网点电压u_pabc；因采样得到的是12路电压或电流信号，故两个AD7656转换器同时工作，每个转换6路。所述的DSP控制系统模块与所描述的AD采样及调理电路的输出端、驱动保护电路的输入端相连接；所述驱动保护电路产生的PWM信号用于驱动所述三相半桥逆变电路。其中，DSP控制系统模块主要包括电网电压锁相单元、参考电流计算单元、电网故障检测单元、控制模式切换单元、功率外环控制单元、电压内环控制单元、电流内环控制单元、坐标变换单元、相位跟踪单元、电流跟踪单元和PWM单元等。

器件IGBT选取FF450R12ME4半桥模块，额定电压为1200V，额定电流为450A；对应IGBT驱动保护电路选取2SP0115T2A0-12驱动模块，包含电气隔离、栅极钳位保护、实时检测V_ce来实现IGBT模块的短路保护、IGBT关断时提供过压保护、故障后阻断操作、电源欠压保护、设有死区时间设定单元等功能。

工作原理描述如下：当弱电网正常工作时，下垂控制逆变器采用自身下垂控制，对电网频率和电压进行实时调整；当弱电网发生故障时，故障检测单元通过综合判断进网电流i_oabc瞬时值和PCC并网点电压u_pabc幅值的变化情况，触发对应保护设定值后产生电网故障信号，接着控制系统模块将下垂控制模式切换为电流控制模式，实现冲击电流的有效抑制；在弱电网故障期间，电流控制模式利用无功电流注入优化策略产生电流参考值，实现弱电网故障期间的可靠支撑；当弱电网故障清除时，逆变器从电流控制模式反切换回下垂控制模式，利用故障期间对有功功率环及dq轴电压外环的积分环节进行改进，有效限制了故障清除过程的冲击电流和冲击电压现象。

图2是本发明的具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制框图，利用DSP28335核心控制器得以实施。主要包括输入为并网点电压u_pabc、输出为相位θ_p和dq轴分量u_pdq的电网电压锁相单元，输入为并网点电压dq轴分量u_pdq、输出为参考电流i_dqset的参考电流计算单元，输入为并网点电压dq轴分量u_pdq和三相进网电流i_oabc、输出为故障标志位Flag_f的电网故障检测单元，输入量为有功参考P_o ^*、无功参考Q_o ^*、额定电压幅值U₀、参考角频率ω₀、电压下垂系数n和频率下垂系数m，输出量为参考电压u_od ^*和相位θ_d的功率外环控制，输入为参考电压u_od ^*、反馈输出电压u_odq、前馈输出电流i_odq，输出为参考电流i_ldqr的电压内环控制单元，输入为参考电流i_ldq ^*、反馈输出电流i_ldq、前馈输出电压u_odq，输出为调制波dq轴分量E_dq的电流内环控制单元，将abc坐标变换至dq坐标系或dq坐标变换至abc坐标系的坐标变换单元，输入为参考锁相相位θ_p，输出为参考输出相位θ_d、电流跟踪系数k_p的相位跟踪单元，输入为参考计算电流i_dqset，输出为参考输出电流i_ldqr、相位跟踪系数k_c的电流跟踪单元等。此处参考角频率ω₀为额定角频率，取值等于2π×50rad/s，其作用可以提高锁相环PLL的动态跟踪性能。

本发明两相电感电流dq轴分量i_ldq表示两相电感电流d轴分量i_ld和两相电感电流q轴分量i_lq，三相电容电压dq轴分量u_odq表示三相电容电压d轴分量u_od和三相电容电压q轴分量u_oq，三相进网电流dq轴分量i_odq表示三相进网电流d轴分量i_od和三相进网电流q轴分量i_oq，三相PCC并网点电压dq轴分量u_pdq表示三相PCC并网点电压d轴分量u_pd和三相PCC并网点电压q轴分量u_pq。参考电流i_ldqr表示电压内环控制单元(只在下垂控制模式时被激活)或电流跟踪单元(只在电流控制模式时被激活)输出的有功参考电流i_ldr和无功参考电流i_lqr，参考电流i_ldq ^*表示电流内环控制单元输入的有功参考电流i_ld ^*和无功参考电流i_lq ^*，反馈输出电流i_ldq表示反馈输出有功电流i_ld和反馈输出无功电流i_lq，调制波dq轴分量E_dq表示调制波d轴分量E_d和调制波q轴分量E_q，有功和无功参考电流i_dqset表示参考电流计算单元输出的有功参考电流i_dset和无功参考电流i_qset，功率外环控制单元输出参考电压u^* _odq表示d轴分量u^* _od和q轴分量u^* _oq。

图3是本发明实的故障检测单元的结构框图，故障检测单元通过实时检测电网运行状态并判断是否有故障发生，进而给三相并网逆变器的故障穿越提供条件。主要包括电压幅值检测单元与瞬时电流检测单元，两者利用“或”逻辑输出故障标志位Flag_f。其中，i_oabc为三相进网电流的瞬时值，u_pd为PCC并网点电压u_pabc的d轴分量，u_pq为PCC并网点电压u_pabc的q轴分量，I^trip为电流预设值，V^trip为电压预设值。电压幅值检测单元根据PCC并网点电压幅值u_pm，并与电压预设值V^trip进行比较，瞬时电流检测单元用于将三相进网电流i_oabc的瞬时值与电流预设值I^trip进行比较，当u_pm小于V^trip或i_oabc大于I^trip时，则认为电网发生故障并置位故障标志位Flag_f，否则电网仍为正常工况。

图4是本发明的电网电压锁相元的结构框图，用于获取PCC并网点电压u_pabc的相位θ_p，主要包括dq坐标变换单元、一阶惯性环节1、PI控制器、参考角频率ω₀、积分器等。电网电压锁相单元实时获取PCC并网点电压u_pabc的相位θ_p，作为逆变器采用电流控制模式时控制系统的相位基准。其工作原理是依次经过前向通道中一阶惯性环节1、PI控制器以及积分器，使电网电压锁相单元输出的相位θ_pll闭环跟踪θ_p，最终实现并网点电压锁相的功能。另外，电网电压锁相单元在控制系统中独立工作，不受于控制系统两种运行模式的影响。值得注意的是，为了解决弱电网故障时逆变器采用电流控制模式可靠性差的问题，本发明提出了在锁相环前向通道中加入一阶惯性环节1，来降低弱电网中锁相环对系统稳定性的耦合影响。电网电压锁相单元输出如公式(1)所示：

ω_f1为一阶惯性环节1的截止频率，这里取1000rad/s；k_{p_pll}和k_{i_pll}分别为锁相环的PI控制器参数。

图5是本发明的参考电流计算单元的结构框图，输入为并网点电压dq轴分量u_pdq，计算其幅值u_pm，如公式(2)所示，并标幺化得U_pm，i_dqset2为无功注入曲线计算dq轴参考电流值，i_dqset为i_dqset2经过一阶惯性环节2后的输出值。参考电流计算单元为电网故障期间提供定量无功支撑，提高故障电网的电压和运行可靠性。其工作原理是计算PCC并网点电压u_pabc幅值u_pm的标幺值U_pm，依次通过如图6所示的优先无功注入曲线要求和一阶惯性单元，获取有功参考电流和无功参考电流值i_dqset，进而作为电流控制模式的参考输入。值得注意的是，为了解决弱电网故障时逆变器采用无功注入曲线获取参考电流值可靠性差的问题，本发明提出了在获取参考有功和无功电流值i_dqset之前引入一阶惯性环节2，来降低弱电网中参考有功和无功电流耦合对系统稳定性的影响。参考电流计算单元输出如公式(3)所示：

ω_f2为一阶惯性环节2的截止频率，这里取1000rad/s；i_max为三相并网逆变器最大允许电流值，i_nm为三相并网逆变器额定电流值，一般取最大允许电流值i_max为额定电流值i_nm的2倍。

图6是本发明满足电网无功要求的参考电流关系，即优先无功注入曲线要求，横坐标为并网点电压幅值u_pm的标幺值U_pm，纵坐标为参考d轴有功电流i_dset2标幺值和q轴无功电流i_qset2标幺值。其中，q轴无功电流i_qset2标幺值增加幅度与并网点电压幅值的标幺值U_pm降低幅度呈2倍关系，d轴有功电流i_dset2标幺值为满足逆变器2倍裕量下的计算结果，即d轴有功电流i_dset2标幺值根据优先无功注入曲线要求、逆变器2倍裕量求出。无功注入曲线要求指的是图6所示曲线，其标准是德国E.ON公司制定的新能源并网逆变器在低电压故障穿越中所具备的要求(C.T.Lee,C.W.Hsu,and P.T.Cheng.A low-voltage ride-throughtechnique for grid-connected converters of distributed energy resources[J].IEEE Transactions on Industrial Applications，2011，47(4)：1821-1832)，具有较高的业内认可度；逆变器2倍电流裕量是指电力电子装置为防止过流烧毁器件，通常在器件选型时耐流值会选择2倍及以上额定电流的IGBT，预留1倍裕量，而故障时逆变器可以选择最大电流输出以支撑故障电网。

图7是本发明的下垂控制模式的结构框图，主要在电网正常运行时实施。主要包括输入量为有功参考P_o ^*、无功参考Q_o ^*、额定电压幅值U₀、参考角频率ω₀、电压下垂系数n、频率下垂系数m，输出量为参考电压u_od ^*和相位θ_d的功率外环控制单元；输入为参考电压u_od ^*、反馈输出电压u_odq、前馈输出电流i_odq，输出为参考电流i_ldqr的电压内环控制单元；输入为参考电流i_ldq ^*、反馈输出电流i_ldq、前馈输出电压u_odq，输出为调制波dq轴分量E_dq的电流内环控制单元；abc坐标系至dq坐标系变换或dq坐标系至abc坐标系变换的坐标变换单元等。当弱电网未发生故障时，故障检测单元输出的故障标志位Flag_f清零，此时图2中六组控制开关S_1～6均置于0档，三相并网逆变器运行于下垂控制模式。此时，控制系统呈外环功率环、内环电压和电流双闭环的三级结构，通过外环功率环的下垂特性对电网频率和电压进行调节，实现分布式新能源的友好并网。下垂控制模式的功率外环控制单元、电压内环控制单元和电流内环控制单元的输出分别如公式(4)～(6)所示：

ω_c为一阶滤波器的截止频率，这里取62.8rad/s，k_vp和k_vi分别为电压控制器PI参数，k_ip和k_ii分别为电流控制器PI参数。

图8是本发明的电流控制模式的结构框图，主要在电网故障情况下实施。主要包括输入为并网点电压u_pabc，输出为相位θ_p和PCC并网点电压u_pabc的dq轴分量u_pdq的电网电压锁相单元；输入为并网点电压幅值的标幺值U_pm，输出为参考电流i_dqset的参考电流计算单元；输入为并网点电压相位θ_p、控制参数k_p、频率下垂系数m、参考角频率ω₀、积分器，输出为相位θ_d的相位跟踪单元；输入为参考电流i_dqset、控制参数k_c、电压环PI参数、前馈输出电流i_odq，输出为电流i_ldqr的电流跟踪单元；输入为参考电流i_ldq ^*、反馈输出电流i_ldq、前馈输出电压u_odq，输出为调制波dq轴分量E_dq的电流内环控制单元；坐标变换单元等。当弱电网发生故障时，故障检测单元输出的故障标志位Flag_f置1，此时图2中三组控制开关S_1～3均置于1档，三相并网逆变器运行于电流控制模式，此时控制系统中只保留电流内环控制单元，而功率外环控制单元、电压内环控制单元内环均处于离线模式；与此同时，图2中三组控制开关S_4～6均置于1档，三相并网逆变器同时启动相位跟踪单元和电流跟踪单元，使离线功率控制器的输出θ_d和离线电压控制器的输出i_ldqr仍能受控，分别继续跟踪PCC并网点电压u_pabc相位θ_p和参考有功电流和无功电流值i_dqset，避免了电流控制模式切换回下垂控制模式的冲击电压和冲击电流等问题，实现了弱电网故障清除时三相并网逆变器的平滑无冲击控制。电流控制模式下电流内环控制单元输出如公式(7)所示；相位跟踪单元输出如公式(8)所示，k_p为相位跟踪系数；电流跟踪单元输出如公式(9)所示，k_c为电流跟踪系数；电网电压锁相单元输出仍如公式(1)所示；参考电流计算单元输出仍如公式(3)所示。

[k_pm(θ_p-θ_d)+ω₀]/s＝θ_d； (8)

k_c(i_dqset-i_ldqr)(k_vp+k_vi/s)+io_dq＝i_ldqr； (9)

结合图9控制系统流程图，对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

基本控制思路描述如下：当弱电网正常运行时，储能型微源通过下垂控制逆变器实现友好并网。此时故障检测单元输出故障标志位Flag_f置0，三相并网逆变器采用下垂控制模式运行，并继续实时监测电网运行状态。当弱电网发生故障时，此时故障检测单元输出故障标志位Flag_f置1，三相并网逆变器采用电流控制模式，改进参考电流计算以满足弱电网故障无功支撑及可靠运行的要求，并且启动功率外环的相位跟踪单元与电压内环的电流跟踪单元，以保证弱电网故障清除时避免三相并网逆变器产生冲击电压和电流。当弱电网故障清除时，故障检测单元输出故障标志位Flag_f置0，三相并网逆变器则返回下垂控制模式。

具有弱电网故障穿越能力的下垂控制并网逆变器的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、实时采集12路电压、电流信号，包括直流侧电压U_dc、电感电流i_lab、电容电压uo_abc、进网电流io_abc、PCC并网点电压u_pabc，并利用同步旋转坐标变换得到各自dq轴分量电感电流i_ldq、电容电压uo_dq、进网电流io_dq、PCC并网点电压u_pdq。其中，电感电流i_lab、电容电压uo_abc、进网电流io_abc坐标变换采用系统参考相位θ，而PCC并网点电压u_pabc坐标变换采用电网电压锁相单元输出相位θ_pll。

步骤S2、利用单同步坐标系软件锁相环对PCC并网点电压u_pabc进行相位提取并输出相位θ_pll，用来作为弱电网故障后采用电流控制模式的参考相位。因锁相环目的是通过控制u_pq为0来实现相位闭环跟踪，则θ_pll近似等于θ_p。另外，锁相环前向通道中需要加入了一阶惯性环节1，来降低锁相环对弱电网稳定性的耦合影响。

步骤S3、为满足并网逆变器对故障电网无功注入要求，首先根据步骤S1获取的PCC并网点电压u_pdq计算其幅值u_pm，接着根据无功电流曲线和逆变器2倍电流裕量的要求，分别计算参考无功电流i_qset2和有功电流i_dset2，并且经过一阶惯性环节2重新获取参考无功电流i_qset和有功电流i_dset，最终用来作为弱电网故障后采用电流控制模式的参考电流。

步骤S4、根据步骤S1中获取的电容电压uo_dq和进网电流io_dq计算逆变器输出的有功功率p_o和无功功率q_o，接着经过一阶滤波环节输出有功功率P_o和无功功率Q_o。

步骤S5、根据步骤S3中获取的PCC并网点电压幅值u_pm，判断其是否小于预设电压限值V^trip；同时，实时判断三相进网电流i_oabc是否大于预设电流限值I^trip。若PCC并网点电压幅值u_pm小于预设电压限值V^trip或三相进网电流i_oabc大于预设电流限值I^trip，则故障检测单元输出的故障标志位Flag_f置1，控制系统认为电网发生故障导致了并网点电压降低或进网电流增大，此时需采取紧急措施实现并网逆变器的故障穿越。否则，故障检测单元输出的故障标志位Flag_f仍置0，控制系统认为电网为正常运行状态。

步骤S6、若步骤S5中故障标志位Flag_f置0，此时并网逆变器仍为下垂控制模式。具体操作如下：控制图2中开关S₁和S₆仍置于0档，如图7所示，功率外环控制仍为电压-无功下垂和频率-有功下垂关系，输出参考电压u_od ^*和相位θ_d，分别作为内环电压和电流双闭环的输入参考和系统参考相位θ；接着控制开关S_2～5同样置于0档，内环电压闭环控制生成i_ldqr作为内环电流控制的输入，内环电流闭环控制并经过反dq坐标变换生成三相调制波E_abc，最后利用DSP28335的PWM单元输出6路PWM波，经过IGBT驱动保护电路之后，驱动功率主电路的6个IGBT器件工作。

增加控制模式切换单元，其作用是根据Flag_f的状态来控制六组控制开关工作，进而输出对应模式下的参考相位θ和参考电流i_ldq ^*。控制开关S_1～6是为了图2中控制框图表述方便，实际编程时为if-else判断语句实现两种功能之间的选择。六组控制开关S_1～6全部置于0档或1挡才算两种模式之间完全切换成功；值得注意的是，图9所示程序执行一遍的时间非常快，通常采样频率为10kHZ，也就是完整执行完一次时间仅为100us，因此两次分开控制开关之间的影响是非常小的，只要保证一个周期内六组控制开关S_1～6全部切换成功，则影响可忽略不计。

步骤S7、若步骤S5中故障标志位Flag_f置1，此时并网逆变器将从下垂控制模式切换到电流控制模式。具体操作如下：控制图2中开关S₁和S₆置于1档，控制系统的参考相位θ将由θ_d切换至θ_p，同时频率-有功下垂关系将被中断而相位跟踪单元将被激活，利用频率-有功下垂关系中原有积分环节实现输出相位θ_d闭环跟踪θ_p；接着控制开关S_2～5置于1档，内环电流参考值i_ldq ^*将由i_ldqr切换至i_dqset，同时内环输出电压u_odq闭环控制将被中断而电流跟踪单元将被激活，利用电压控制环中原有比例积分环节实现输出电流参考i_ldqr闭环跟踪i_dqset；内环电流闭环控制并经过反dq坐标变换生成三相调制波E_abc，最后利用DSP28335的PWM单元产生驱动信号。至此，弱电网故障时并网逆变器已完成整个穿越控制过程，返回步骤一并继续循环执行以上步骤。

图10给出了下垂控制逆变器在弱电网故障过程中容易产生的冲击电流及失稳现象，相关说明如下：1)弱电网在0.4s发生短路故障，并在0.6s清除故障；2)三相进网电流I_abc均为标幺值表示，电网正常运行时设定逆变器进网电流I_abc为额定电流，其标幺值为1，电网故障时为保证最大支撑能力，设定此时逆变器进网电流I_abc为最大电流，其标幺值为2。图10(a)中，下垂控制逆变器未采用故障穿越策略，电网故障发生时逆变器进网电流I_abc明显长时间超过了2倍额定电流，容易造成并网逆变器保护动作甚至烧毁；图10(b)中，在弱电网故障期间，下垂控制逆变器采用控制模式切换的故障穿越策略，系统发生失稳现象，进网电流I_abc的谐波含量明显增加，远超国家谐波畸变率5％的标准；图10(c)中，在电网故障清除时，下垂控制逆变器采用了控制模式反切换的故障穿越策略，进网电流I_abc产生短时冲击电流现象，同样容易造成并网逆变器保护动作甚至烧毁。

图11给出了采用本发明提出的具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器控制方法的效果对比图。可以看出，在弱电网故障发生瞬间、故障持续期间以及故障清除瞬间，下垂控制逆变器均具有很好的冲击电流抑制及稳定性高的效果，保证了并网逆变器及故障电网的安全可靠运行，实现了新能源的友好并网。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制方法，其特征在于，所述具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器是在正常运行时采用下垂控制方法的三相并网逆变器，由三相半桥逆变电路、AD采样及调理电路、DSP控制模块和IGBT驱动保护电路组成；

所述三相半桥逆变电路由IGBT管Q₁～Q₆组成；用于对输入的直流电进行逆变产生电网所需的交流电，其输入端经直流侧电容C_dc与直流电源连接，输出端经交流滤波电感L_f、交流滤波电阻R_f和交流滤波电容C_f后，通过连接线路接入电网，连接线路电阻为R_g、电感为L_g；所述三相半桥逆变电路采用三组FF450R12ME4半桥模块组成；所述Q₁、Q₃和Q₅的集电极均连接至直流电源的正端，Q₂、Q₄和Q₆的发射极均连接至直流电源的负端；所述Q₁的发射极连接Q₄的集电极，Q₃的发射极连接Q₆的集电极，Q₅的发射极Q₂的集电极；所述Q₁、Q₃和Q₅的发射极还分别经一交流滤波电感L_f、交流滤波电阻R_f和交流滤波电容C_f后通过连接线接入电网；所述交流滤波电容C_f采用星型连接方式；

所述AD采样及调理电路由电流传感器及调理电路、电压传感器及调理电路、AD转换器1和AD转换器2组成；所述AD转换器1和AD转换器2均采用AD7656转换器；所述电流传感器及调理电路采用霍尔电流传感器，用于采集三相半桥逆变电路交流侧的两相电感电流i_lab和三相进网电流i_oabc，并将采集信息传输至DSP控制模块；所述电压传感器及调理电路采用霍尔电压传感器，用于采集三相半桥逆变电路直流侧电压U_dc、三相电容电压u_oabc和三相PCC并网点电压u_pabc，并将采集信息传输至DSP控制模块；

所述DSP控制模块由电网电压锁相单元、参考电流计算单元、电网故障检测单元、控制模式切换单元、功率外环控制单元、电压内环控制单元、电流内环控制单元、坐标变换单元、相位跟踪单元、电流跟踪单元和PWM单元组成；采用DSP28335控制器，其输出端与IGBT驱动保护电路的输入端连接；所述电网电压锁相单元，用于闭环跟踪PCC并网点电压u_pabc的相位θ_p，依次通过对PCC并网点电压u_pabc进行坐标变换、一阶惯性环节1、锁相环PI参数、参考角频率ω₀和积分器，输出相位θ_pll；所述故障检测单元，用于实时监测进网电流i_oabc瞬时值和获取PCC并网点电压幅值u_pm，并在两者之一触发对应保护设定值后产生电网故障信号；所述控制模式切换单元，用于进行下垂控制模式与电流控制模式间的切换，包括六组控制开关S_1～6；所述功率外环控制单元，用于在下垂控制模式通过有功功率参考值P_o ^*、无功功率参考值Q_o ^*、额定电压幅值U₀、参考角频率ω₀、电压下垂系数n、频率下垂系数m，输出参考电压u_od ^*和相位θ_d；所述电压内环控制单元，用于在下垂控制模式通过参考电压u_oqd ^*、反馈输出电压u_odq和前馈输出电流i_odq，u_oq ^*＝0，输出参考电流i_ldqr；所述电流内环控制单元，用于通过参考电流i_ldq ^*、反馈输出电流i_ldq、前馈输出电压u_odq，输出调制波dq轴分量E_dq；所述参考电流计算单元，用于计算PCC并网点电压幅值u_pm及其标幺值U_pm，并通过优先无功注入曲线要求和一阶惯性环节2，根据U_pm获取有功和无功参考电流i_dqset；所述相位跟踪单元，用于在电流控制模式通过并网点电压相位θ_p、控制参数k_p、频率下垂系数m、参考角频率ω₀和积分器，输出为相位θ_d；所述电流跟踪单元，用于在电流控制模式通过有功和无功参考电流i_dqset、控制参数k_c、电压环PI参数、前馈输出电流i_odq，输出参考电流i_ldqr；所述坐标变换单元，用于进行abc坐标至dq坐标变换或dq坐标至abc坐标变换；所述PWM单元，用于调制生成PWM控制信号；

所述IGBT驱动保护电路采用2SP0115T2A0-12驱动模块，其输出端与Q₁～Q₆的栅极连接；

具体步骤如下：

步骤S1、AD采样及调理电路实时采集12路的电压和电流信号，包括直流侧电压U_dc、两相电感电流i_lab、三相电容电压u_oabc、三相进网电流i_oabc、三相PCC并网点电压u_pabc；

步骤S2、坐标变换单元对各采集信号进行同步旋转坐标变换得到各采集信号的dq轴分量，包括两相电感电流dq轴分量i_ldq、三相电容电压dq轴分量u_odq、三相进网电流dq轴分量i_odq、三相PCC并网点电压dq轴分量u_pdq；

步骤S3、将PCC并网点电压u_pabc坐标变换所得q轴分量u_pq输入电网电压锁相单元，使u_pq依次通过一阶惯性环节1、PI控制器后，参考角频率ω₀，然后通过一个积分器后输出相位θ_pll，并将输出的相位θ_pll反馈至输入进行闭环控制；

步骤S4、参考电流计算单元对PCC并网点电压幅值u_pm进行计算并获取其标幺值U_pm，然后根据无功电流曲线和逆变器2倍电流裕量要求，分别计算无功参考电流初始值i_qset2和有功参考电流初始值i_dset2，然后经一阶惯性环节2输出无功参考电流i_qset和有功参考电流i_dset；

步骤S5、功率外环控制单元根据三相电容电压dq轴分量u_odq和三相进网电流dq轴分量i_odq计算逆变器输出的有功功率初始值p_o和无功功率初始值q_o，并经一阶滤波器输出有功功率P_o和无功功率Q_o；

步骤S6、故障检测单元判断PCC并网点电压幅值u_pm是否小于预设电压限值V^trip；同时，实时判断三相进网电流i_oabc是否大于预设电流限值I^trip，若u_pm小于V^trip或i_oabc大于I^trip，则故障检测单元输出的故障标志位Flag_f由0置1，否则故障检测单元输出的故障标志位Flag_f仍置0；

步骤S7、控制模式切换单元判断故障标志位Flag_f是否等于0，如是，控制三相并网逆变器工作于下垂控制模式，功率外环控制单元输出参考电压u_od ^*和相位θ_d，电压内环控制单元输出参考电流i_ldqr，参考相位θ等于功率外环控制单元输出相位θ_d，参考电流i_ldq ^*等于电压内环控制单元输出电流i_ldqr；

步骤S8、控制模式切换单元判断故障标志位Flag_f是否等于1，如是，控制模式切换单元控制三相并网逆变器工作于电流控制模式，参考相位θ等于电网电压锁相单元输出相位θ_p，参考电流i_ldq ^*等于参考电流计算单元输出电流i_dqset，相位跟踪单元和电流跟踪单元依次开始工作，并输出相位θ_d和电流i_ldqr备用；

步骤S9、电流内环控制单元基于参考电流i_ldq ^*生成调制波dq轴分量E_dq；

步骤S10、坐标变换单元对调制波dq轴分量E_dq进行反坐标变换生成三相调制波；

步骤S11、DSP控制模块的PWM单元进行调制生成PWM控制信号，并经过IGBT驱动保护电路，进而来驱动三相半桥逆变电路工作；

步骤S12、返回步骤S1并继续循环执行以上步骤。

2.根据权利要求1所述的具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中电感电流i_lab、电容电压u_oabc、进网电流i_oabc采用系统参考相位θ进行同步旋转坐标变换，PCC并网点电压u_pabc采用电网电压锁相单元输出相位θ_pll进行同步旋转坐标变换；

所述步骤S3中利用单同步坐标系软件锁相环进行PCC并网点电压u_pabc跟踪，并输出相位θ_pll。

3.根据权利要求1所述的具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤S7和S8中，故障标志位Flag_f初始值为0，当其由0置1时，六组控制开关S_1～6均置于0档，三相并网逆变器工作模式从下垂控制模式切换至电流控制模式；当故障标志位Flag_f由1清0时，六组控制开关S_1～6均置于1档，三相并网逆变器工作模式从电流控制模式切换至下垂控制模式；

所述步骤S7中三相并网逆变器工作于下垂控制模式时，功率外环控制单元输入有功参考P_o ^*、无功参考Q_o ^*、额定电压幅值U₀、参考角频率ω₀、电压下垂系数n、频率下垂系数m，输出参考电压u_od ^*和相位θ_d；电压内环控制单元输入参考电压u_od ^*、反馈输出电压u_odq、前馈输出电流i_odq，输出参考电流i_ldqr；

所述功率外环控制单元的输出为：

其中，ω_c为一阶滤波器的截止频率；

所述电压内环控制单元的输出为：

其中，k_vp为电压内环控制单元PI控制器的比例参数，k_vi为电压内环控制单元控制器的积分参数。

4.根据权利要求1所述的具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中电网电压锁相单元输出为：

其中，ω_f1为一阶惯性环节1的截止频率，k_{p_pll}为电网电压锁相单元的PI控制器的比例参数，k_{i_pll}电网电压锁相单元的PI控制器的积分参数；

所述步骤S4参考电流计算单元计算PCC并网点电压幅值u_pm的公式为：

所述步骤S4中无功电流曲线要求是q轴无功电流i_qset2标幺值增加幅度与并网点电压幅值u_pm的标幺值U_pm降低幅度呈2倍关系，根据无功电流曲线和逆变器2倍电流裕量要求，计算无功参考电流初始值i_qset2和有功参考电流初始值i_dset2的公式为：

其中，i_max为三相并网逆变器最大允许电流值，i_nm为三相并网逆变器额定电流值，最大允许电流值i_max为额定电流值i_nm的2倍；

所述参考电流计算单元的输出为：

其中，ω_f2为一阶惯性环节2的截止频率。

5.根据权利要求3所述的具有弱电网故障穿越能力的下垂控制逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤S8中三相并网逆变器工作于电流控制模式时，相位跟踪单元输入并网点电压相位θ_p、频率下垂系数m、参考角频率ω₀，输出相位θ_d；电流跟踪单元输入参考电流i_dqset、前馈输出电流i_odq，输出参考电流i_ldqr；

所述相位跟踪单元的输出为：

[k_pm(θ_p-θ_d)+ω₀]/s＝θ_d；

其中，k_p为相位跟踪系数；

所述电流跟踪单元的输出为：

k_c(i_dqset-i_ldqr)(k_vp+k_vi/s)+i_odq＝i_ldqr；

其中，k_c为电流跟踪系数；

所述相位跟踪单元输出的相位θ_d和电流跟踪单元输出的电流i_ldqr，在故障清除后三相并网逆变器工作模式由电流控制模式切换至下垂控制模式时，作为电流内环控制单元的输入；

所述步骤S9中电流内环控制单元输入参考电流i_ldq ^*、反馈输出电流i_ldq、前馈输出电压u_odq，输出调制波dq轴分量E_dq，具体输出为：

其中，k_ip为电流内环控制单元PI控制器的比例参数，k_ii为电流内环控制单元PI控制器的积分参数，三相并网逆变器处于下垂控制模式时，i_ld ^*＝i_ldr、i_lq ^*＝i_lqr，三相并网逆变器处于电流控制模式时，i_ld ^*＝i_dest、i_lq ^*＝i_qest。

Images