CN112260310A - 一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法 - Google Patents

一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法。步骤1：将采样后的并网点电压通过级联延迟信号消除算法进行幅值单位化处理，滤除掉谐波以及直流分量的扰动；步骤2：将单位幅值的电压信号通过锁频算法计算出电网频率；步骤3：将电网频率乘2π得到角频率，并对角频率的积分进行正弦函数运算，进而将得到的信号作为在不平衡电网下跟踪每相电压相位角的参考信号；步骤4：计算每一相电压的能量以及每一相电压和参考信号之间的能量交叉积，计算出每一相电压的相位角，将其与电网角频率的积分加和，为每一相创建同步信号。本发明在含有谐波和直流偏置的不平衡电网下，仍然能够快速、准确且简便地得到电网的频率与相位信息。

Description

一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法
技术领域
本发明属于光伏并网逆变器控制技术领域；具体涉及一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法。
背景技术
在电网实际运行过程中，大量分布式电源的接入、三相负载不平衡、单相负荷容量的大幅度变化或电网中的不对称故障都会导致电网电压不平衡或产生失真。在这种情况下，并网逆变器必须具备足够的能力以保持与电网可靠同步，否则会对大电网电能质量带来影响和冲击、加剧电网的失真。因此，同步控制算法在并网逆变器的控制中至关重要，当逆变器连接到电网时，同步控制必须实时准确地计算电网电压的频率和相角，保证逆变器与电网同步过程中并网发电系统控制回路的准确性和稳定性。
目前在不平衡和失真电网环境下的同步控制方法中，存在的第一个问题是部分方法通过减少控制回路的带宽来改善同步性能，此时的动态恢复时间将大大延长。第二个问题是部分方法需要对不平衡电压信号以及含有谐波的信号进行重塑，过程繁琐，不易实现。第三个问题是有些锁频方法实现过程中需要调节滤波器参数，实现过程复杂，并且此类方法和电压相位有关，在相位不平衡时对锁频准确性影响很大。第四个问题绝大多数同步方法均针对幅值不平衡的问题，在相位不平衡时进行分析与控制的较少。但是在相位不平衡时，仍能保持逆变器与电网同步具有十分重要的意义。因此，在电网幅值和相位不平衡条件下(包括谐波失真和直流偏置)，如何设计出能够对电网的频率和相位进行快速、准确锁定且实现过程简便的同步方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明为了在含有谐波和直流偏置的不平衡电网下，仍然能够快速、准确且简便地得到电网的频率与相位信息，提出了一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，所述三相逆变器同步控制方法包括如下步骤：
步骤1：将采样后的并网点电压通过级联延迟信号消除算法进行幅值单位化处理，滤除掉谐波以及直流分量的扰动，同时消除不平衡电网下电压幅值不平衡对同步控制的不利影响；
步骤2：将步骤1得到的单位幅值的电压信号通过基于能量算子的锁频算法计算出电网频率；
步骤3：将步骤2得到的电网频率乘以2π得到角频率，并对角频率的积分进行正弦函数运算，进而将得到的信号作为在不平衡电网下跟踪每相电压相位角的参考信号；
步骤4：计算每一相电压的能量以及每一相电压和参考信号之间的能量交叉积，进而计算出每一相电压的相位角，然后将其与电网角频率的积分加和，为每一相创建同步信号。
进一步的，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：级联延迟信号消除算法的整体幅度响应是所有组成延迟信号消除算子的幅度响应的乘积，将所有使用的延迟信号消除算符都配置为在基波处具有单位增益，而在每个谐波处具有交错的零增益，构造级联延迟信号消除算子来消除电网中的谐波和直流偏置；
步骤1.2：对每一相电压的幅值单位化是分别进行的且对三相电压分别进行了三个相同的操作利用级联延迟信号消除算法输出的正交电压，来得到每一相基频电压的幅值，进而利用该幅值将各相电压进行单位化，获得幅值平衡的三相电压；
步骤1.3：将并网点的三相电压以10kHz的采样频率进行采样，进而将并网点电压样本通过级联延迟信号消除算法进行幅值单位化处理，滤除掉谐波以及直流分量的扰动，同时消除不平衡电网下电压幅值不平衡对同步控制的不利影响。
进一步的，所述步骤1.2中的幅值单位化处理具体为，
采样数为n、采样时间间隔为Ts的三相电网电压表示为：
Figure BDA0002713452080000021
其中，Aa、Ab和Ac分别是三相基波电压的幅值；ω＝2πf是基波角频率，f是电网基波频率；电压va、vb和vc的瞬时相位分别为φa＝ωnTs，φb＝ωnTs-2π/3-Δθb和φc＝ωnTs+2π/3+Δθc，Ts是采样周期；dc offset是电网电压直流偏置，harmonics是电网电压谐波；Δθb是B相电压的相位偏移角度，Δθc是C相电压的相位偏移角度。
由式(1)得级联延迟信号消除算法输出的三相正交电压分别为：
Figure BDA0002713452080000031
其中，q是正交比例系数，va*是A相正弦电压分量，vb*是B相正弦电压分量，vc*是C相正弦电压分量。
因此，得到三相电压的基波电压幅值为：
Figure BDA0002713452080000032
将电压幅值式(3)用于单位化每一相电压分量，即获得幅值平衡的三相电压，幅值平衡的三相电压表示为：
Figure BDA0002713452080000033
其中，va'是单位化后的A相电压，vb'是单位化后的B相电压，vc'是单位化后的C相电压。
进一步的，所述步骤2中基于能量算子的锁频算法仅使用幅值平衡的基频电压的3个连续采样点，即能计算得到电网的频率；在利用级联延迟信号消除算法得到单位化后的电网电压信号后，用vx(n)来代表幅值平衡的三相电压的信号样本，x表示a′相、b′相或c′相；
则此时能量算子表示为：
Figure BDA0002713452080000034
其中，E代表能量算子运算函数，n、n+1、n-1分别表示第n、n+1、n-1次采样；实际的电网电压频率f(n)即可利用能量算子的概念计算得出：
f(n)＝f0+Δf(n) (6)
其中，f0是标准的基波频率，基波频率为50Hz；Δf是频率偏差，
Figure BDA0002713452080000041
其中C0＝cos(ω0Ts)是常量；S0＝sin(ω0Ts)是常量；ω0＝2πf0是基波角频率。
进一步的，所述步骤4中对于任意的两个信号vx和vy，它们的能量交叉积表示为：
E[vxy(n)]＝vx(n)vy(n)-vx(n+1)vy(n-1) (7-1)
E[vyx(n)]＝vy(n)vx(n)-vy(n+1)vx(n-1) (7-2)
其中，E[vxy(·)]为vx对vy的能量交叉积，E[vyx(·)]为vy对vx的能量交叉积，vx和vy定义为：
vx(n)＝sin(ωnTs+φx) (8-1)
vy(n)＝sin(ωnTs+φy) (8-2)
其中，φx和φy是任意初始相位。
计算得出两个电压之间的相位角差θxy＝φx-φy：
Figure BDA0002713452080000042
进一步的，在利用所述步骤4中能量交叉积的概念计算得到三相电压与参考电压之间的相角差后，分别将每一相的相角差补偿回参考信号当中，从而每一相均生成独立的电流环同步参考信号。
本发明的有益效果是：
本发明能消除不平衡的电网电压幅值以及相位对于同步控制的影响，在不平衡以及失真的电网下仍然可以准确获得电网信息，进而实现逆变器与电网快速、准确的同步；此外，该控制方法简便，计算效率高，无需参数调节，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明三相光伏并网逆变器总体控制框图；
图2为本发明级联延迟信号消除算法控制框图；
图3为本发明延迟信号消除算子和级联延迟信号消除算子的幅频特性图，其中(a)为DSC＝2时的幅频特性图，(b)为DSC＝4时的幅频特性图，(c)为DSC＝8时的幅频特性图，(d)为DSC＝16时的幅频特性图，(e)为DSC＝32时的幅频特性图，(f)为CDSC＝2、4、8、16和32时的幅频特性图，(g)为CDSC＝2、4、8、16和32时的相频特性图；
图4为本发明生成幅值平衡的三相电压的控制框图；
图5为本发明不平衡电网下基于能量算子的同步控制方法具体实现过程图；
图6为本发明含有谐波和直流偏置时的电网电压及采用SRF-PLL得到的并网电流图，其中，(a)为含有谐波和直流偏置时的电网电压图，(b)为采用SRF-PLL得到的并网电流图；
图7为本发明含有谐波和直流偏置时的电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流图；其中，(a)为含有谐波和直流偏置时的电网电压图，(b)为基于能量算子同步方法得到的并网电流图；
图8为本发明电网幅值不平衡时的电网电压及采用SRF-PLL得到的并网电流图；其中，(a)为电网幅值不平衡时的电网电压图，(b)为采用SRF-PLL得到的并网电流图；
图9为本发明电网幅值不平衡时A相电网电压及采用SRF-PLL得到的A相并网电流图；
图10为本发明电网幅值不平衡时电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流图；其中，(a)为电网幅值不平衡时电网电压图，(b)为基于能量算子同步方法得到的并网电流图；
图11为本发明电网幅值不平衡时电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流放大图；其中，(a)为图(d)局部放大示意图，(b)为图(d)局部放大示意图，(c)为图(d)局部放大示意图，(d)为电网幅值不平衡时电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流放大图；
图12为本发明电网相位不平衡时的电网电压及采用SRF-PLL得到的并网电流图；
图13为本发明电网相位不平衡时A相电网电压及采用SRF-PLL得到的A相并网电流图；
图14为本发明相位不平衡时的电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流图；其中，(a)为图(d)局部放大示意图，(b)为图(d)局部放大示意图，(c)为图(d)局部放大示意图，(d)相位不平衡时的电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流图；
图15为本发明电网相位不平衡时A相电网电压及基于能量算子同步方法得到的A相并网电流图。
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。
一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，其特征在于，所述三相逆变器同步控制方法在含有谐波和直流偏置的不平衡电网下，仍然能够快速、准确且简便地得到电网的频率与相位信息，无需任何参数调节或对信号进行复杂的重塑，所述三相逆变器同步控制方法包括如下步骤：
步骤1：将采样后的并网点电压通过级联延迟信号消除算法进行幅值单位化处理，滤除掉谐波以及直流分量的扰动，同时消除不平衡电网下电压幅值不平衡对同步控制的不利影响；
步骤2：将步骤1得到的单位幅值的电压信号通过基于能量算子的锁频算法计算出电网频率；
步骤3：将步骤2得到的电网频率乘以2π得到角频率，并对角频率的积分进行正弦函数运算，进而将得到的信号作为在不平衡电网下跟踪每相电压相位角的参考信号，该信号的相位与各相电压均无关；
步骤4：计算每一相电压的能量以及每一相电压和参考信号之间的能量交叉积，进而计算出每一相电压的相位角，然后将其与电网角频率的积分加和，为每一相创建同步信号。
进一步的，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：级联延迟信号消除算法的整体幅度响应是所有组成延迟信号消除算子的幅度响应的乘积，将所有使用的延迟信号消除算符都配置为在基波处具有单位增益，而在每个谐波处具有交错的零增益，构造级联延迟信号消除算子来消除电网中的谐波和直流偏置；级联延迟信号消除算法的框图如图2所示，是通过级联5个延迟信号消除算子形成的。图3所示是延迟信号消除算子和级联延迟信号消除算子的幅频特性，可以看到延迟因子不同的延迟信号消除算子可以消除不同次数的谐波，将几个延迟信号消除算子级联使用，便可以构造级联延迟信号消除算法，从输入电压中消除所有低阶奇数和偶数次谐波。此外，从图3(g)所示的相位响应可以看出，该算法在基频处不会引入任何相位误差；
步骤1.2：图4显示了用于生成幅值平衡的三相电压的控制框图。可以看出，对每一相电压的幅值单位化是分别进行的且对三相电压分别进行了三个相同的操作利用级联延迟信号消除算法输出的正交电压(包括抑制直流偏移和每一相电压中的任意谐波)，来得到每一相基频电压的幅值，进而利用该幅值将各相电压进行单位化，获得幅值平衡的三相电压；
步骤1.3：将并网点的三相电压以10kHz的采样频率进行采样，进而将并网点电压样本通过级联延迟信号消除算法进行幅值单位化处理，滤除掉谐波以及直流分量的扰动，同时消除不平衡电网下电压幅值不平衡对同步控制的不利影响。
进一步的，所述步骤1.2中的幅值单位化处理具体为，
采样数为n、采样时间间隔为Ts的三相电网电压表示为：
Figure BDA0002713452080000071
其中，Aa、Ab和Ac分别是三相基波电压的幅值；ω＝2πf是基波角频率，f是电网基波频率；电压va、vb和vc的瞬时相位分别为φa＝ωnTs，φb＝ωnTs-2π/3-Δθb和φc＝ωnTs+2π/3+Δθc，Ts是采样周期；dc offset是电网电压直流偏置，harmonics是电网电压谐波；Δθb是B相电压的相位偏移角度，Δθc是C相电压的相位偏移角度。
由式(1)得级联延迟信号消除算法输出的三相正交电压分别为：
Figure BDA0002713452080000072
其中，q是正交比例系数，va*是A相正弦电压分量，vb*是B相正弦电压分量，vc*是C相正弦电压分量。
因此，得到三相电压的基波电压幅值为：
Figure BDA0002713452080000073
将电压幅值式(3)用于单位化每一相电压分量，即获得幅值平衡的三相电压，幅值平衡的三相电压表示为：
Figure BDA0002713452080000081
其中，va'是单位化后的A相电压，vb'是单位化后的B相电压，vc'是单位化后的C相电压。
进一步的，所述步骤2中基于能量算子的锁频算法仅使用幅值平衡的基频电压的3个连续采样点，即能计算得到电网的频率；在利用级联延迟信号消除算法得到单位化后的电网电压信号后，用vx(n)来代表幅值平衡的三相电压的信号样本，x表示a′相、b′相或c′相；
则此时能量算子表示为：
E[vx(n)]＝vx2(n)-vx(n+1)vx(n-1) (5)
＝sin2(ωTs)
其中，E代表能量算子运算函数，n、n+1、n-1分别表示第n、n+1、n-1次采样；实际的电网电压频率f(n)即可利用能量算子的概念计算得出：
f(n)＝f0+Δf(n) (6)
其中，f0是标准的基波频率，基波频率为50Hz；Δf是频率偏差，
Figure BDA0002713452080000082
其中C0＝cos(ω0Ts)是常量；S0＝sin(ω0Ts)是常量；ω0＝2πf0是基波角频率。
进一步的，所述步骤4中对于任意的两个信号vx和vy，它们的能量交叉积表示为：
E[vxy(n)]＝vx(n)vy(n)-vx(n+1)vy(n-1) (7-1)
E[vyx(n)]＝vy(n)vx(n)-vy(n+1)vx(n-1) (7-2)
其中，E[vxy(·)]为vx对vy的能量交叉积，E[vyx(·)]为vy对vx的能量交叉积，vx和vy定义为：
vx(n)＝sin(ωnTs+φx) (8-1)
vy(n)＝sin(ωnTs+φy) (8-2)
其中，φx和φy是任意初始相位。
计算得出两个电压之间的相位角差θxy＝φx-φy。
Figure BDA0002713452080000083
进一步的，在利用所述步骤4中能量交叉积的概念计算得到三相电压与参考电压之间的相角差后，分别将每一相的相角差补偿回参考信号当中，从而每一相均生成独立的电流环同步参考信号。
图5中展示了上述基于能量算子的同步控制方法的具体实现过程。
为进一步详细说明本发明方法的正确性和可行性，结合具体的实例对本发明方法进行仿真验证，并将本发明方法与最常用的同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)同步方法进行对比。该实例中的仿真参数为：直流输入电压Vdc为700V，三相平衡时电网各相电压有效值为220V，逆变器有功功率为1kW，开关频率为10kHz。
图6所示为含有谐波和直流偏置时的电网电压及采用SRF-PLL得到的并网电流，图7为含有谐波和直流偏置时的电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流。从图中可以看到本发明方法的响应速度更快，基于能量算子的同步方法可以在0.015s后完全消除了谐波及直流偏置的影响，输出正弦度良好的三相电流，不仅动态响应速度优于SRF-PLL而且得到的并网电能质量更高。
图8所示为电网电压幅值不平衡时，采用SRF-PLL方法得到的电网电压和并网电流的波形，图9是为了更清楚地展示SRF-PLL方法的同步性能，选取A相电网电压和A相并网电流进行放大的波形，可见在幅值不平衡情况下SRF-PLL方法得到的并网电流同步不准确，过零点处无法准确跟踪电网电压。图10是电网幅值不平衡时电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流，图11同样是为了更清楚的展示，将电网幅值不平衡时的电网电压及基于能量算子的同步方法得到的并网电流进行放大得到的波形。可以看到，虽然此时的电网电压幅值不平衡，但通过本发明方法，逆变器在0.015s后，仍能输出平衡的三相电流，波形正弦度良好且动态响应速度优于SRF-PLL。此外，即便在幅值不平衡情况下，本文的同步方法仍然可以准确跟踪电网电压的频率和相位，同步性能优越。
图12是电网相位不平衡时的电网电压及采用SRF-PLL得到的并网电流，图13是电网相位不平衡时A相电网电压及SRF-PLL得到的A相并网电流，可以看到在过零点处SRF-PLL得到的并网电流与电网电压之间存在偏差，同步不准确。图14是相位不平衡时的电网电压及基于能量算子同步方法得到的并网电流，图15是电网相位不平衡时A相电网电压及基于能量算子同步方法得到的A相并网电流，可以看到本发明方法得到的并网电流在每个过零点处均可以准确跟踪电网电压的频和相位而且并网电流正弦度良好。
综上，该实例证明了本发明方法在含有谐波及直流偏置、幅值不平衡及相位不平衡的电网场景下，均可以快速准确的得到电网信息并与之同步，而且并网电流正弦度良好，进而说明了本发明方法在不平衡电网下的同步控制中具有良好的应用前景。

Claims (6)

1.一种不平衡电网下基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，其特征在于，所述三相逆变器同步控制方法包括如下步骤：
步骤1：将采样后的并网点电压通过级联延迟信号消除算法进行幅值单位化处理，滤除掉谐波以及直流分量的扰动，同时消除不平衡电网下电压幅值不平衡对同步控制的不利影响；
步骤2：将步骤1得到的单位幅值的电压信号通过基于能量算子的锁频算法计算出电网频率；
步骤3：将步骤2得到的电网频率乘以2π得到角频率，并对角频率的积分进行正弦函数运算，进而将得到的信号作为在不平衡电网下跟踪每相电压相位角的参考信号；
步骤4：计算每一相电压的能量以及每一相电压和参考信号之间的能量交叉积，进而计算出每一相电压的相位角，然后将其与电网角频率的积分加和，为每一相创建同步信号。
2.根据权利要求1所述基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：级联延迟信号消除算法的整体幅度响应是所有组成延迟信号消除算子的幅度响应的乘积，将所有使用的延迟信号消除算符都配置为在基波处具有单位增益，而在每个谐波处具有交错的零增益，构造级联延迟信号消除算子来消除电网中的谐波和直流偏置；
步骤1.2：对每一相电压的幅值单位化是分别进行的且对三相电压分别进行了三个相同的操作利用级联延迟信号消除算法输出的正交电压，来得到每一相基频电压的幅值，进而利用该幅值将各相电压进行单位化，获得幅值平衡的三相电压；
步骤1.3：将并网点的三相电压以10kHz的采样频率进行采样，进而将并网点电压样本通过级联延迟信号消除算法进行幅值单位化处理，滤除掉谐波以及直流分量的扰动，同时消除不平衡电网下电压幅值不平衡对同步控制的不利影响。
3.根据权利要求2所述基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，其特征在于，所述步骤1.2中的幅值单位化处理具体为，
采样数为n、采样时间间隔为Ts的三相电网电压表示为：
Figure FDA0002713452070000011
其中，Aa、Ab和Ac分别是三相基波电压的幅值；ω＝2πf是基波角频率，f是电网基波频率；电压va、vb和vc的瞬时相位分别为φa＝ωnTs，φb＝ωnTs-2π/3-Δθb和φc＝ωnTs+2π/3+Δθc，Ts是采样周期；dc offset是电网电压直流偏置，harmonics是电网电压谐波；Δθb是B相电压的相位偏移角度，Δθc是C相电压的相位偏移角度。
由式(1)得级联延迟信号消除算法输出的三相正交电压分别为：
Figure FDA0002713452070000021
其中，q是正交比例系数，va*是A相正弦电压分量，vb*是B相正弦电压分量，vc*是C相正弦电压分量。
因此，得到三相电压的基波电压幅值为：
Figure FDA0002713452070000022
将电压幅值式(3)用于单位化每一相电压分量，即获得幅值平衡的三相电压，幅值平衡的三相电压表示为：
Figure FDA0002713452070000023
其中，va'是单位化后的A相电压，vb'是单位化后的B相电压，vc'是单位化后的C相电压。
4.根据权利要求1所述基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，其特征在于，所述步骤2中基于能量算子的锁频算法仅使用幅值平衡的基频电压的3个连续采样点，即能计算得到电网的频率；在利用级联延迟信号消除算法得到单位化后的电网电压信号后，用vx(n)来代表幅值平衡的三相电压的信号样本，x表示a′相、b′相或c′相；
则此时能量算子表示为：
Figure FDA0002713452070000031
其中，E代表能量算子运算函数，n、n+1、n-1分别表示第n、n+1、n-1次采样；
实际的电网电压频率f(n)即可利用能量算子的概念计算得出：
f(n)＝f0+Δf(n) (6)
其中，f0是标准的基波频率，基波频率为50Hz；Δf是频率偏差，
Figure FDA0002713452070000032
其中C0＝cos(ω0Ts)是常量；S0＝sin(ω0Ts)是常量；ω0＝2πf0是基波角频率。
5.根据权利要求1所述基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，其特征在于，所述步骤4中对于任意的两个信号vx和vy，它们的能量交叉积表示为：
E[vxy(n)]＝vx(n)vy(n)-vx(n+1)vy(n-1) (7-1)
E[vyx(n)]＝vy(n)vx(n)-vy(n+1)vx(n-1) (7-2)
其中，E[vxy(·)]为vx对vy的能量交叉积，E[vyx(·)]为vy对vx的能量交叉积，vx和vy定义为：
vx(n)＝sin(ωnTs+φx) (8-1)
vy(n)＝sin(ωnTs+φy) (8-2)
其中，φx和φy是任意初始相位；
计算得出两个电压之间的相位角差θxy＝φx-φy；
Figure FDA0002713452070000033
6.根据权利要求1所述基于能量算子的三相逆变器同步控制方法，其特征在于，在利用所述步骤4中能量交叉积的概念计算得到三相电压与参考电压之间的相角差后，分别将每一相的相角差补偿回参考信号当中，从而每一相均生成独立的电流环同步参考信号。
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