一種虛擬同步旋轉坐標系下無鎖相環的電壓源逆變器控制方法與流程

2023-06-03 01:27:26 2

本發明屬於電壓源逆變器控制
技術領域：
，具體涉及一種虛擬同步旋轉坐標系下無鎖相環的電壓源逆變器控制方法。
背景技術：
：目前，電壓源逆變器，作為將光伏、風電、微型汽輪機、儲能等微電源接入電網的的關鍵接口設備，由於其效率高、成本低、便於集成等優勢，在分布式可再生能源發電領域得到了廣泛的關注與大量的應用。根據國務院發布的《能源發展「十二五」規劃》，我國按照「自用為主、富餘上網、因地制宜、有序推進」的基本原則，積極推動分布式可再生能源向前發展，計劃到2015年底，分布式光伏發電單元安裝容量為1000萬千瓦，建成100個以分布式可再生能源應用為主的新能源示範城市。現階段，電壓源逆變器的控制技術主要有矢量控制(vectorcontrol,VC)和直接功率控制(directpowercontrol,DPC)兩大類具有廣泛代表性的技術。矢量控制技術，可分為虛擬電網磁鏈定向(statorfluxoriented，SFO)和電網電壓定向(gridvoltageoriented，GVO)。其基本特徵是採用雙閉環控制結構，外環為功率控制環，通過功率調節器獲得電流指令；內環為電流控制環，通過電流調節器獲得交流輸出電壓指令；功率、電流調節器均採用線性PI調節器。直接功率控制技術，是根據有功、無功功率的瞬時誤差，並採用滯環控制器和開關表查詢方法產生開關信號，這種結構去除了電流控制環而使控制結構大為化簡，但由於變換器開關頻率不固定的弊病，導致寬頻諧波電流注入帶電網，造成濾波電感的設計困難。為確保開關頻率恆定，目前，廣泛採用基於空間矢量調製技術(spacevectormodulation,SVM)的直接功率控制技術(SVM-DPC)，即對有功和無功功率的瞬時誤差採用PI調節器直接生成所需的電壓指令，然而，根據空間矢量調製技術以獲得實際所需的開關信號。其中，為ZhouP、HeY.K和SunD在標題為ImproveddirectpowercontrolofaDFIG-basedwindturbineduringnetworkunbalance(IEEETransactionsonPowerElectronics,2009,24(11):2465-2474.)的文獻中，提出一種基於電網電壓定向的SVM-DPC電壓源逆變器控制方法，該方法的核心是根據鎖相環檢測電網電壓實時相位角對所採集的三相電網電壓、三相輸出電流進行坐標變換，並分別由有功、無功功率的誤差信號經過PI調節與解耦補償後可獲得與之相對應的交流輸出電壓指令vgd和vgq，最後採用空間矢量調製技術可獲取實際控制開關管所需的開關信號，實現對電壓源逆變器的控制。具體原理如圖1所示，並可描述為：利用一組(3個)霍爾電壓傳感器2採集三相電網電壓Ugabc，利用一組(3個)霍爾電流傳感器3採集三相逆變器輸出電流Igabc；將三相電網電壓信號Ugabc、採集到的三相逆變器輸出電流信號Igabc分別經過三相靜止/兩相靜止坐標變換模塊4，得到電網電壓綜合矢量Ugαβ、輸出電流綜合矢量Igαβ；經過兩相定子靜止到正轉同步速旋轉兩相坐標變換模塊5，得到在正轉兩相同步速坐標系中電網電壓綜合矢量Ugdq、逆變器輸出電流綜合矢量Igdq；將所獲得的電網電壓、逆變器輸出電流綜合矢量經過功率計算模塊8，可得輸出瞬時有功、無功功率Pg、Qg；然後，在與定子輸出瞬時有功、無功功率指令PRef、QRef比較獲得相應的誤差信號ΔPg、ΔQg，在正轉同步旋轉坐標系中分別對誤差信號做比例-積分調節(模塊9)，並經過解耦補償計算模塊11後，可獲得在正轉兩相同步速坐標中逆變器交流輸出電壓指令Vgdq；然後，經過正轉兩相同步旋轉坐標繫到轉子兩相靜止坐標系變換(模塊13)後，得轉子兩相靜止坐標系中逆變器交流輸出電壓指令Vgαβ；最後，採用控制矢量調製技術(模塊12)後，可獲得調節電壓源逆變器4的開關信號Sa、Sb、Sc，實現對電壓源逆變器自身運行的控制。此外，控制系統採用由坐標變換模塊5、比例積分調節模塊6、積分模塊7構成的軟體鎖相環(phase-lockedloop,PLL)結構以獲取定子電壓的相位角角，作為Park變換的角度依據。根據上述分析可知，既有的電壓源逆變器SVM-DPC控制方法的本質是根據鎖相環獲得的相位角信息，在正轉兩相同步旋轉坐標系中採用比例-積分調節器對有功、無功功率進行調節，並經過解耦補償後生成所需的逆變器交流輸出電壓指令。然後，該控制方案對鎖相環獲得的相角準確度依賴性強，而為快速、準確的檢測實時相角信息，需對鎖相環進行一定的改進，這也增加了系統設計的複雜性與計算負擔。技術實現要素：針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提供了一種在虛擬同步旋轉坐標系下無鎖相環的電壓源逆變器控制方法，無需檢測電網電壓的實時相位角、頻率信息，計算簡單，實現便捷。具體而言，本發明提供了一種基於虛擬同步旋轉坐標系的無鎖相環電壓源逆變器控制方法，包括如下步驟：步驟(1)採集電壓源逆變器的三相電網電壓、三相輸出電流、直流側電壓；通過對所述的三相電網電壓和三相電網電流進行Clarke變換，對應得到靜止α-β坐標系下的電網電壓矢量Ugαβ和輸出電流矢量Igαβ；步驟(2)利用虛擬相位角θ對電網電壓矢量Ugαβ和輸出電流矢量Igαβ進行Park變換，對應得到以虛擬相位角θ為基礎的同步旋轉坐標系下的電網電壓矢量Ugdq和輸出電流矢量Igdq；步驟(3)根據所述的電網電壓矢量Ugdq和輸出電流矢量Igdq，計算電壓源逆變器的輸出有功功率Pg、無功功率Qg；步驟(4)根據輸出有功功率Pg、無功功率Qg，考慮逆變器參數的影響，採用實係數調節器進行誤差調節，並基於逆變器的實際參數進行解耦補償算法計算得到虛擬同步旋轉坐標系下的電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq；步驟(5)根據虛擬相位角θ對電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq進行Park反變換，得到靜止α-β坐標系下的電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vrαβ，進而通過SVPWM技術構造得到一組PWM信號以對電壓源逆變器進行控制。特別的，所述的虛擬相位角θ是一周期為20ms幅值為2π的鋸齒波狀的相角信號，表示為θ＝ωt(ω＝2π×50＝100π)。特別的，所述的步驟(2)中根據以下算式對電網電壓矢量Ugαβ和輸出電流矢量Igαβ進行Park變換：Ugdq=ugdugq=cosθsinθ-sinθcosθugαugβ]]>Igdq=igdigq=cosθsinθ-sinθcosθigαigβ]]>其中：ugd和ugq分別為電網電壓矢量Ugdq的d軸分量和q軸分量，igd和igq分別為輸出電流矢量Igdq的d軸分量和q軸分量，ugα和ugβ分別為電網電壓矢量Ugαβ的α軸分量和β軸分量，igα和igβ分別為輸出電流矢量Igαβ的α軸分量和β軸分量。特別的，所述的步驟(3)中根據以下算式計算電壓源逆變器的輸出有功功率Pg、無功功率Qg：Pg＝1.5(ugdigd+ugqigq)Qg＝1.5(ugqigd-ugdigq)其中：ugd和ugq分別為電網電壓矢量Ugdq的d軸分量和q軸分量，igd和igq分別為輸出電流矢量Igdq的d軸分量和q軸分量；計算Pg值，Pg>0表示電壓源逆變器向電網輸出有功功率，Pg0表示電壓源逆變器提供容性無功功率，Qg其中：vP和vQ分別為PI調節器輸出矢量VPQ的d軸分量和q軸分量，Kp為比例係數，Ki為積分係數，s為拉普拉斯算子。特別的，根據以下算式對電壓調節矢量VPQ進行計算解耦補償：Vgdq=vgdvgq=0.667Ug2ugdugqugq-ugd×vPvQ+{ugdugq+Rgigdigq+ωLg-igqigd}]]>Ug=ugd2+ugq2]]>其中：ugd和ugq分別為電網電壓矢量Ugdq的d軸分量和q軸分量，vP和vQ分別為PI調節器輸出矢量VPQ的d軸分量和q軸分量，vgd和vgq分別為電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq的d軸分量和q軸分量，Lg為電壓源逆變器網側進線電感值，ω＝100π。進一步的，所述的步驟(5)中根據以下算式對電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq進行Park反變換：Vgαβ=vgαvgβ=cosθ-sinθsinθcosθvgdvgq]]>其中：vgd和vgq分別電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq的d軸分量和q軸分量，Vgα和Vgβ分別為電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgαβ的α軸分量和β軸分量。本發明去除了實時檢測電壓相角的鎖相環環節，使得電壓源逆變器控制方法得到簡化；採用本發明可有效降低設計的複雜性，削減系統計算負擔；本發明亦可作為既有數學模型在相位檢測不準確條件下的有效補充；本發明可應用於太陽能、生物質能併網逆變裝置和交流傳動設備等各類形式的PWM電力變換器中。附圖說明圖1為現有電壓源逆變器直接功率控制方法的流程示意圖。圖2為本發明電壓源逆變器控制方法的流程示意圖。圖3為採用本發明控制方法在理想電網頻率(50Hz)下電壓源逆變器運行的仿真波形圖。圖4為採用本發明控制方法在非理想電網頻率(47Hz，-6％)下電壓源逆變器運行的仿真波形圖。具體實施方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案進行詳細說明。本實施方式以一臺容量為10kW、額定電壓為380V的兩電平電壓源逆變器為例，其中直流側電壓為650V；圖2給出了虛擬同步旋轉坐標系下無鎖相環的電壓源逆變器控制方法，包括如下步驟：(1)首先，利用一組(3個)電壓霍爾傳感器2採集電壓源逆變器的三相電網電壓uga～ugc，利用一組(3個)電流霍爾傳感器3分別採集電壓源逆變器的三相輸出電流iga～igc；利用Clarke變換模塊4分別對三相電網電壓uga～ugc、三相輸出電流iga～igc進行Clarke變換得到三相電網電壓的α軸分量ugα和β軸分量ugβ、三相輸出電流的α軸分量igα和β軸分量igβ；Clarke變換的表達式如下：ugαugβ=231-12-12032-32ugaugbugc]]>igαigβ=231-12-12032-32igaigbigc]]>(2)利用Park變換模塊5，根據由周期為20ms幅值為2π的鋸齒波產生的虛擬相位角θ＝ωt(ω＝100π)分別對ugα～ugβ和igα～igβ進行Park變換得到三相電網電壓的d軸分量ugd和q軸分量ugq、三相輸出電流的d軸分量igd和q軸分量igq；Park變換的表達式如下：ugdugq=cosθsinθ-sinθcosθugαugβ]]>igdigq=cosθsinθ-sinθcosθigαigβ]]>(3)首先，利用功率計算模塊8，根據以下算式計算出電壓源逆變器的輸出有功功率Pg、無功功率Qg：Pg＝1.5(ugdigd+ugqigq)Qg＝1.5(ugqigd-ugdigq)然後，與相應的有功、無功功率指令比較得出相應的誤差，並利用模塊9對其比例-積分調節，最後經過解耦補償模塊10後，可得逆變器交流輸出電壓指令d軸矢量vgd和輸出電壓指令q軸矢量vgq；Vgdq=vgdvgq=0.667Ug2ugdugqugq-ugd×vPvQ+{ugdugq+Rgigdigq+ωLg-igqigd}]]>vP＝CPI(s)ΔPgvQ＝CPI(s)ΔQgCPI(s)=Kp+Kis]]>ΔPg＝PRef-PgΔQg＝QRef-QgUg=ugd2+ugq2]]>其中：PRef和QRef分別為給定的逆變器有功功率參考值、無功功率參考值，Rg、Lg分別為逆變器進線電感等效電阻、電感；本實施方式中Lg＝3mH，Rg＝0.05ohm，Kp＝3，Ki＝12。根據虛擬相位角對電壓源逆變器交流輸出電壓指令d軸矢量vgd和輸出電壓指令q軸矢量vgq，進行反Park變換，可得電壓源逆變器交流輸出電壓指令α軸矢量vgα和輸出電壓指令β軸矢量vgβ，Vgαβ=vgαvgβ=cosθ-sinθsinθcosθvgdvgq]]>其中：vgd和vgq分別電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq的d軸分量和q軸分量，ugα和ugβ分別為電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgαβ的α軸分量和β軸分量。最後，根據電壓源逆變器交流輸出電壓α軸電壓指令vgα和電壓源逆變器交流輸出電壓β軸電壓指令vgβ，通過SVPWM技術構造得到一組PWM信號Sa～Sc以對電壓源逆變器1進行控制。圖3為所發明的在虛擬同步旋轉坐標系下無鎖相環電壓源逆變器控制策略仿真結果，其中有功功率在0.05s時下降為0.5pu、0.25s時增加到0.7pu，而無功功率在0.15s時階躍為0.4pu(容性)，在0.35s時階躍為0.2pu(容性)。從圖中可見，本實施方式可確保電壓源逆變器對功率指令的有效響應與快速追蹤，並保持逆變器運行的穩定。圖4為在非理想電網頻率(47Hz，6％)條件下，採用本發明的仿真結果，其中仿真環境與圖3保持一致。可見，在實際電網頻率與虛擬電網頻率(50Hz)存在偏差時，與圖3相對比沒有明顯區別，故採用本實施方式仍能對有功、無功功率保持良好的調節能力，同時也證明本發明具有對頻率偏差的適應能力。綜上，本發明所提出的在虛擬同步旋轉坐標系下電壓源逆變器控制方案，可消除以檢測電網電壓實時相位以及頻率的鎖相環，簡化控制系統設計，而對於頻率偏差具有自適應能力。此外，本發明所給出的控制方案，亦可作為現有基於電網電壓定向的直接功率控制方案，在電壓相位與頻率檢測存在偏差條件下的補充與拓展。儘管已經結合相關實施例對本發明進行了詳細描述，但是對於本領域技術人員而言，在不背離本發明精神和實質的情況下所做的各做修改、替換和形變，均落入本發明的保護範圍之中。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp