CN112039123B - 一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法，包括：根据并网逆变器的d轴、q轴电流状态方程分别构建d轴、q轴的扩张状态观测器；实时采集并网逆变器的输出电流的d轴、q轴分量以及输出电压的d轴、q轴分量，利用扩张状态观测器获取电网电压的估计值并完成锁相；根据电流指令值、误差比例系数以及扩张状态观测器的输出计算并网逆变器的输出电压的控制量，基于控制量计算逆变器各桥臂开关管的驱动信号，将开关管驱动信号输入并网逆变器对并网电流的d轴、q轴分量进行矢量控制；本发明在估计电网电压时没有涉及直接的微分或积分运算，从而不需要考虑测量噪声、积分初值等对角度估计的影响，能获得较为理想的锁相和并网电流控制效果。

Description

一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法

技术领域

本发明属于并网逆变器控制技术领域，更具体地，涉及一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法。

背景技术

逆变器能将直流电能转变为交流电能，是新能源并网发电系统中的核心设备。在并网逆变器的多种拓扑结构中，L滤波的电压源型三相逆变器因具备结构简单、能量双向流动、向电网输送三相平衡功率等优点得到大量应用。由于并网功率因数直接取决于逆变器输出电流和电网电压的相位关系，为实现对并网有功和无功功率的控制，需要对电网电压的相位进行实时检测。

一般的并网逆变器系统中，需配备直流电压传感器、交流电流传感器和交流电压传感器以实现母线电压外环、并网电流内环的双环控制。众多的传感器不仅增加了系统硬件成本，还可能出现因传感器故障而影响系统可靠性的问题。相比于省去直流电压传感器或交流电流传感器的方案，无电网电压传感器技术得到了最为广泛的研究。

实现无电网电压传感器控制的关键是对电网电压进行实时估计，传统的电压估计算法大都直接基于电流状态方程或其积分形式对电网电压或虚拟磁链进行估计，前者需改进微分计算方法以解决噪声放大的问题，而后者需解决积分运算中的初值问题。专利CN201410403708.1提出了一种基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法，其利用二阶广义积分器构造正交滤波器对电流信号进行等效微分运算，以避免直接微分运算可能造成的测量噪声放大，然而正交滤波器本质上是带通滤波器和低通滤波器，构造滤波器时需要用到电网的频率信息，当电网频率变化时估计效果会变差。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其目的在于解决测量噪声、积分初值或电网频率等因素影响电网电压实时估计精度的问题，进而提升并网逆变器的锁相动态性能和稳态精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法，包括以下步骤：

S1：根据并网逆变器的d轴、q轴电流状态方程分别构建d轴、q轴各自对应的扩张状态观测器；

S2：实时采集并网逆变器的输出电流的d轴分量i_d、q轴分量i_q以及输出电压的d轴分量u_d、q轴分量u_q，采用d轴的扩张状态观测器跟踪获取输出电流的d轴分量i_d的估计值z_1d和扩张状态变量x_2d的估计值z_2d；

以及，采用q轴的扩张状态观测器跟踪获取输出电流的q轴分量i_q的估计值z_1q和扩张状态变量x_2q的估计值z_2q；

S3：根据输出电流d轴分量的估计值z_1d和x_2d的估计值z_2d，以及预设的d轴电流的指令值

与所述估计值z_1d之间的误差比例系数计算d轴的控制量

根据输出电流的q轴分量i_q的估计值z_1q和x_2q的估计值z_2q，以及预设的q轴电流的指令值

与估计值z_1q之间的误差比例系数计算q轴的控制量

S4：基于d轴、q轴的控制量

计算逆变器各桥臂开关管的驱动信号，将所述开关管驱动信号输入并网逆变器对并网电流的d轴、q轴分量进行矢量控制。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法还包括：

根据扩张状态观测器输出的x_2q的估计值z_2q计算电网电压的q轴分量的估计值

将电网电压的q轴分量的估计值

输入锁相环，通过闭环调节使估计值

趋近预设的电网电压的q轴分量的目标值

完成锁相并输出电网电压合成矢量角度的估计值

基于所述估计值

对采样的三相电流i_a,i_b,i_c实施坐标变换，得到并网逆变器的输出电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q，返回步骤S2；

基于直流母线电压值U_dc、逆变器开关状态以及所述估计值

进行电压重构，得到并网逆变器的输出电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q，返回步骤S2。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法，所述电网电压合成矢量角度的估计值

的获取过程具体为：

计算q轴分量的估计值

与目标值

之间的误差并输入PI调节器，将所述PI调节器的输出叠加到偏置频率ω_ff上以获取电网频率的估计值，对所述电网频率的估计值进行积分得到电网电压合成矢量角度的估计值

所述估计值

为：

其中，s为拉普拉斯运算符；k_p,k_i分别为PI调节器的比例、积分系数；ω_ff表示偏置频率，ω_ff与电网基波频率f相关，ω_ff＝2πf(rad/s)。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法，所述电网电压的q轴分量的估计值

的计算方法为：

其中，R,L,ω分别为交流侧线路电阻值、电感值，以及该dq坐标系的旋转角速度。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法，所述d轴的控制量

的计算方法为：

其中，k_id为d轴电流控制器的误差比例系数；b₀＝1/L为控制增益；

所述q轴的控制量

的计算方法为：

其中，k_ip为q轴电流控制器的误差比例系数。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法，步骤S4中，根据d轴、q轴的控制量

计算逆变器各桥臂开关管的驱动信号具体为：

将d轴、q轴的控制量

通过反Park变换转换为两相静止坐标系中的控制量

对转换后的控制量

进行脉宽调制得到开关管驱动信号。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法，所述并网逆变器的输出电压的d轴分量u_d、q轴分量u_q的计算方法为：

其中，T_2s/2r表示两相静止坐标到两相旋转坐标的变换矩阵；T_s表示开关周期；t_a,t_b,t_c分别表示上一个开关周期中A,B,C三相桥臂的上开关管导通时间。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法，所述并网逆变器的d轴、q轴电流状态方程的获取方法为：

以电网电压合成矢量的方向为d轴正方向对并网逆变器在自然坐标下的电流状态方程进行坐标变换，分别得到d轴、q轴电流状态方程，分别为：

其中，e_d,e_q分别为电网电压的d轴、q轴分量；R,L,ω分别为交流侧线路电阻值、电感值，以及该dq坐标系的旋转角速度。

优选的，上述并网逆变器无交流电压传感器控制方法，所述并网逆变器的d轴、q轴各自对应的扩张状态观测器具体为：

将(-R/L)i_q-ωi_d-e_q/L整体作为q轴的扩张状态观测器的状态变量x_2q，构建的扩张状态观测器为：

其中，b₀＝1/L为控制增益；β₁,β₂是误差增益系数；z_1q,z_2q分别跟踪i_q和x_2q；函数g(e_1q)取e_1q本身或关于e_1q的非线性形式；

将(-R/L)i_d+ωi_q-e_d/L整体作为d轴的扩张状态观测器的状态变量x_2d，构建的扩张状态观测器为：

其中，β₃,β₄是误差增益系数；z_1d,z_2d分别跟踪i_d和x_2d；函数g(e_1d)取e_1d本身或关于e_1d的非线性形式。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，将扩张状态观测器的输出的状态估计值作为控制量的一部分，从而达到dq轴解耦和网压前馈的效果，改善电流动态响应；采用误差比例系数和扩张状态观测器输出的状态估计值计算d轴、q轴的控制量，将被控对象转化为纯积分器串联型系统，仅采用电流的误差比例控制即可实现对指令信号的无静差跟踪，能够简化电流控制器设计、降低调参难度。

(2)本发明提供的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，利用扩张状态观测器对电网电压进行估计，并结合锁相环解决了无交流电压传感器情况下电网电压合成矢量角度的获取问题，由于在估计电网电压时不涉及直接的微分或积分运算，从而不需要考虑测量噪声、积分初值等对角度估计的影响，在任意电网频率下都能获得较好的锁相动态性能和稳态精度，为并网电流及功率控制提供精准的定向角度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的并网逆变器控制系统的整体框图；

图3是本发明实施例提供的锁相环控制的流程框图；

图4是本发明实施例提供的q轴电流控制的流程框图；

图5是本实施例在初始相位角

分别取0，2π/3，4π/3时电网电压合成矢量角度估计误差θ_e的仿真结果示意图；

图6是本实施例提供的并网逆变器三相输出电流的仿真波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例提供的一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法的流程图，图2是本实施例提供的并网逆变器控制系统的整体框图；参见图1、2，该控制方法主要包括以下步骤：

S1：根据并网逆变器的d轴、q轴电流状态方程分别构建d轴、q轴各自对应的扩张状态观测器；

首先，根据L型三相并网逆变器在自然坐标下的标准数学模型，利用三相静止到两相旋转的坐标变换关系，得到其在任意dq坐标系中的电流状态方程为：

其中，i_d,i_q分别为并网逆变器输出电流的d轴、q轴分量；e_d,e_q分别为电网电压的d轴、q轴分量；u_d,u_q分别是逆变器输出电压的d轴、q轴分量；R,L,ω分别为交流侧线路电阻值、电感值，以及该dq坐标系的旋转角速度。

将电流状态方程的坐标系从自然坐标系转换成dq坐标系，可以把原来自然坐标系中的基波交流量转换成直流量，方便控制器设计；并且以电网电压合成矢量的方向为d轴正方向可以很容易地实现对并网有功功率和无功功率的解耦控制，即电流的d轴分量控制并网的有功功率，电流的q轴分量控制并网的无功功率。

然后，基于q轴电流状态方程，将(-R/L)i_q-ωi_d-e_q/L整体作为q轴的扩张状态观测器的状态变量x_2q，构建的扩张状态观测器为：

其中，b₀＝1/L为控制增益；β₁,β₂是误差增益系数；z_1q,z_2q分别跟踪i_q和x_2q，分别为输出电流的q轴分量i_q、状态变量x_2q的估计值；函数g(e_1q)可以取e_1q本身或关于e_1q的非线性形式；

基于d轴电流状态方程，将(-R/L)i_d-ωi_q-e_d/L整体作为d轴的扩张状态观测器的状态变量x_2d，构建的扩张状态观测器为：

其中，β₃,β₄是误差增益系数；z_1d,z_2d分别跟踪i_d和x_2d，分别为输出电流的d轴分量i_d、状态变量x_2d的估计值；函数g(e_1d)取e_1d本身或关于e_1d的非线性形式。

S2：实时采集并网逆变器的输出电流的d轴分量i_d、q轴分量i_q以及输出电压的d轴分量u_d、q轴分量u_q，采用d轴的扩张状态观测器跟踪获取输出电流的d轴分量i_d的估计值z_1d和扩张状态变量x_2d的估计值z_2d；采用q轴的扩张状态观测器跟踪获取输出电流的q轴分量i_q的估计值z_1q和扩张状态变量x_2q的估计值z_2q；

进一步的，本方案结合锁相环来获取无交流电压传感器情况下电网电压合成矢量角度，将估计值

输入锁相环，利用锁相环的闭环调节作用使其输出的电网电压合成矢量角度不断接近真实值；

图3是本实施例提供的锁相环控制的流程框图，如图3所示，首先，根据扩张状态观测器输出的x_2q的估计值z_2q，以及输出电流的d轴分量i_d、q轴分量i_q计算电网电压q轴分量的估计值

电网电压q轴分量的估计值

的计算方法为：

其次，将电网电压的q轴分量的估计值

输入锁相环，通过设置合适的偏置频率和锁相环PI参数使估计值

趋近预设的电网电压的q轴分量的目标值

完成锁相并输出电网电压合成矢量角度的估计值

对锁相的具体过程进行说明：

将q轴分量的估计值

与目标值

进行比较，计算两者之间的误差并将误差输入PI调节器，将PI调节器的输出叠加到偏置频率ω_ff上以获取电网频率的估计值，对电网频率的估计值进行积分，即可得到电网电压合成矢量角度的估计值

该估计值

为：

其中，s为拉普拉斯运算符；k_p,k_i分别为PI调节器的比例、积分系数；ω_ff表示偏置频率，ω_ff与电网基波频率f相关，ω_ff＝2πf(rad/s)。

得到电网电压合成矢量角度的估计值

之后，基于该估计值

对采样的三相电流i_a,i_b,i_c实施坐标变换，得到并网逆变器的实时的输出电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q，并输入扩张状态观测器；

此外，基于直流母线电压值U_dc、逆变器开关状态以及估计值

进行电压重构，得到并网逆变器的实时的输出电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q，并输入扩张状态观测器；具体的，并网逆变器的输出电压的d轴分量u_d、q轴分量u_q的计算方法为：

其中，T_2s/2r表示两相静止坐标到两相旋转坐标的变换矩阵，估计值

提供电压重构法中T_2s/2r变换矩阵所需的角度信息；T_s表示开关周期；t_a,t_b,t_c分别表示上一个开关周期中A,B,C三相桥臂的上开关管导通时间。

采用电压重构的方法获取逆变器输出电压的d轴、q轴分量，这种方法可以保证扩张状态观测器中使用的电压始终为实际值，可以保证变量的估计效果和电流的控制效果不受逆变器输出饱和的影响。

本方案中，根据实时采集的并网逆变器在某一时刻的输出电流、输出电压的q轴分量i_q、u_q，再结合q轴状态观测器就可以得到电网电压在当前时刻的一个实时的q轴分量e_q的估计值

虽然此过程中涉及的电网频率ω_ff与真实的电网频率存在差异，计算得到的角度估计值

也偏离真实值，但是，通过将估计值

输入锁相环并调节估计的电网频率，最终使电网频率趋于真实值，估计值

趋近于目标值0；锁相的过程本质上是利用扩张状态观测器对电网电压的估计值

替代实际检测值，并保证扩张状态观测器的估计误差最终收敛。

S3：根据预置的电流指令值、误差比例系数以及扩张状态观测器的输出计算并网逆变器的输出电压的控制量；

图4是本实施例提供的q轴电流控制的流程框图，参见图4，通过将扩张状态观测器的输出叠加到控制量上，达到了电流控制中的dq轴解耦和网压前馈的效果，并且被控对象转化为纯积分器串联型系统，仅采用电流的误差比例控制即可实现对指令信号的无静差跟踪。

具体的，根据输出电流的q轴分量i_q的估计值z_1q和状态变量x_2q的估计值z_2q，以及预设的q轴电流的指令值

与估计值z_1q之间的误差比例系数计算q轴的控制量

该控制量

的计算方法为：

其中，k_ip为q轴电流控制器的误差比例系数；

类似的，根据输出电流的d轴分量i_d的估计值z_1d和状态变量x_2d的估计值z_2d，以及预设的d轴电流的指令值

与估计值z_1d之间的误差比例系数计算d轴的控制量

该控制量

的计算方法为：

其中，k_id为d轴电流控制器的误差比例系数。

S4：基于并网逆变器的输出电压的控制量计算逆变器各桥臂开关管的驱动信号，将开关管驱动信号输入并网逆变器对并网电流的d轴、q轴分量进行矢量控制；

其中，根据d轴、q轴的控制量

计算逆变器各桥臂开关管的驱动信号具体为：

将d轴、q轴的控制量

通过反Park变换转换为两相静止坐标系中的控制量

采用SPWM或SVPWM调制算法对转换后的控制量

进行脉宽调制即可得到开关管驱动信号。

如图2所示，本方案在省去交流电压传感器的情况下，仅采样直流母线电压和输出电流就能实现锁相和控制并网电流的目的。

表1为本实施例提供的并网逆变器主电路和控制系统的基本相关参数，在MATLAB/SIMULINK软件中对锁相及电流控制方法进行相应的仿真验证；

表1逆变器主电路和控制系统的基本相关参数

参数	取值
		扩张状态观测器参数β<sub>1</sub>	8000
扩张状态观测器参数β<sub>2</sub>	16000000
		电流控制器系数k<sub>ip</sub>、k<sub>id</sub>	2000
锁相环比例系数k<sub>p</sub>	5
		锁相环积分系数k<sub>i</sub>	300
电感值LmH	3
		电阻值RΩ	0.1
直流母线电压U<sub>dc</sub>V	500
		交流线电压幅值U<sub>l</sub>V	345
开关频率f<sub>s</sub>kHz	5

给定电流指令值

以实现单位功率因数并网；三相电网电压分别为：

电网电压基频ω_f＝314rad/s；仿真时间取0.1s。

图5是本实施例在初始相位角

分别取0，2π/3，4π/3时电网电压合成矢量角度估计误差θ_e的仿真结果；图6是本实施例的逆变器三相输出电流的仿真波形。从图5中可以看出，在不同初始条件下的角度估计误差都能快速收敛(约半个基波周期)，且达到稳态时θ_e仅为0.0157rad(约0.9度)，验证了本方案提出的锁相方法的快速性和高精度。从图6可以看出，并网电流在经过约半个基波周期的过渡后就进入稳态，稳态并网电流幅值与指令值一致，e_a,i_a保持同相位，实现了单位功率因数并网的控制目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，包括：

S1：根据并网逆变器的d轴、q轴电流状态方程分别构建d轴、q轴各自对应的扩张状态观测器；

S2：实时采集并网逆变器的输出电流的d轴分量i_d、q轴分量i_q以及输出电压的d轴分量u_d、q轴分量u_q并输入各自的扩张状态观测器，获取输出电流的d轴分量i_d的估计值z_1d和扩张状态变量x_2d的估计值z_2d，以及输出电流的q轴分量i_q的估计值z_1q和扩张状态变量x_2q的估计值z_2q；根据z_2q、i_d、i_q以及逆变器参数计算q轴电压的估计值

用于完成锁相；

S3：根据输出电流d轴分量的估计值z_1d和x_2d的估计值z_2d，以及预设的d轴电流的指令值

与所述估计值z_1d之间的误差比例系数计算d轴的控制量

根据输出电流q轴分量的估计值z_1q和x_2q的估计值z_2q，以及预设的q轴电流的指令值

与所述估计值z_1q之间的误差比例系数计算q轴的控制量

S4：基于d轴、q轴的控制量

计算逆变器各桥臂开关管的驱动信号，将所述开关管驱动信号输入并网逆变器对并网电流的d轴、q轴分量进行矢量控制。

2.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，还包括：

根据扩张状态观测器输出的x_2q的估计值z_2q计算电网电压的q轴分量的估计值

将电网电压的q轴分量的估计值

输入锁相环，通过闭环调节使估计值

趋近预设的电网电压的q轴分量的目标值

完成锁相并输出电网电压合成矢量角度的估计值

基于所述估计值

对采样的三相电流i_a,i_b,i_c实施坐标变换，得到并网逆变器的输出电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q，输入步骤S2中的扩张状态观测器；

基于直流母线电压值U_dc、逆变器开关状态以及所述估计值

进行电压重构，得到并网逆变器的输出电压的d轴分量u_d和q轴分量u_q，输入步骤S2中的扩张状态观测器。

3.如权利要求2所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述电网电压合成矢量角度的估计值

的获取过程具体为：

计算q轴分量的估计值

与目标值

之间的误差并输入PI调节器，将所述PI调节器的输出叠加到偏置频率ω_ff上以获取电网频率的估计值，对所述电网频率的估计值进行积分得到电网电压合成矢量角度的估计值

所述估计值

为：

其中，s为拉普拉斯运算符；k_p,k_i分别为PI调节器的比例、积分系数；ω_ff表示偏置频率，ω_ff与电网基波频率f相关，ω_ff＝2πf(rad/s)。

4.如权利要求2所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述电网电压的q轴分量的估计值

的计算方法为：

其中，R,L,ω分别为交流侧线路电阻值、电感值，以及dq坐标系的旋转角速度。

5.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述d轴的控制量

的计算方法为：

其中，k_id为d轴电流控制器的误差比例系数；b₀＝1/L为控制增益；

所述q轴的控制量

的计算方法为：

其中，k_ip为q轴电流控制器的误差比例系数。

6.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，步骤S4中，根据d轴、q轴的控制量

计算逆变器各桥臂开关管的驱动信号具体为：

将d轴、q轴的控制量

通过反Park变换转换为两相静止坐标系中的控制量

对转换后的控制量

进行脉宽调制得到开关管驱动信号。

7.如权利要求2所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述并网逆变器的输出电压的d轴分量u_d、q轴分量u_q的计算方法为：

其中，T_2s/2r表示两相静止坐标到两相旋转坐标的变换矩阵；T_s表示开关周期；t_a,t_b,t_c分别表示上一个开关周期中A,B,C三相桥臂的上开关管导通时间。

8.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述并网逆变器的d轴、q轴电流状态方程的获取方法为：

以电网电压合成矢量的方向为d轴正方向对并网逆变器在自然坐标下的电流状态方程进行坐标变换，分别得到d轴、q轴电流状态方程，分别为：

其中，e_d,e_q分别为电网电压的d轴、q轴分量；R,L,ω分别为交流侧线路电阻值、电感值，以及dq坐标系的旋转角速度。

9.如权利要求8所述的并网逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述并网逆变器的d轴、q轴各自对应的扩张状态观测器具体为：

将(-R/L)i_q-ωi_d-e_q/L整体作为q轴的扩张状态观测器的状态变量x_2q，构建的扩张状态观测器为：

其中，b₀＝1/L为控制增益；β₁,β₂是误差增益系数；z_1q,z_2q分别跟踪i_q和x_2q；函数g(e_1q)取e_1q本身或关于e_1q的非线性形式；

将(-R/L)i_d+ωi_q-e_d/L整体作为d轴的扩张状态观测器的状态变量x_2d，构建的扩张状态观测器为：

其中，β₃,β₄是误差增益系数；z_1d,z_2d分别跟踪i_d和x_2d；函数g(e_1d)取e_1d本身或关于e_1d的非线性形式。

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