本發(fā)明屬于并網(wǎng)逆變器控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于虛擬同步坐標(biāo)系的并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法。
背景技術(shù)：
：目前，并網(wǎng)逆變器，由于其效率高、成本低、便于集成等優(yōu)勢，在光伏、風(fēng)電、微型汽輪機(jī)、儲能等微分布式可再生能源發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與大量的應(yīng)用。由于近年來各國都在積極推動可再生能源的應(yīng)用，特別是風(fēng)力和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速，風(fēng)機(jī)和光伏所產(chǎn)生的可再生能源占總能源產(chǎn)出的比例快速增加。據(jù)國家能源局統(tǒng)計[10-11]，到2014年9月底，全國累計風(fēng)電并網(wǎng)容量8497萬千瓦，同比增長22％。光伏方面，截止2014年上半年，中國光伏項目累計備案(核準(zhǔn))容量為4556萬千瓦，累計并網(wǎng)容量2108萬千瓦。隨著風(fēng)力和光伏的容量不斷增加，可再生能源型分布式發(fā)電系統(tǒng)給電網(wǎng)帶來的影響將越來越大，其相關(guān)研究也不斷加深?，F(xiàn)階段，并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)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(shù)。矢量控制技術(shù)，可分為虛擬電網(wǎng)磁鏈定向(statorfluxoriented，VFO)和電網(wǎng)電壓定向(gridvoltageoriented，GVO)。其基本特征是采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為功率控制環(huán)，通過功率調(diào)節(jié)器獲得電流指令；內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，通過電流調(diào)節(jié)器獲得交流輸出電壓指令；功率、電流調(diào)節(jié)器均采用線性調(diào)節(jié)器，最常用的為PI調(diào)節(jié)器。直接功率控制技術(shù)，以有功、無功功率作為被控對象，采用滯環(huán)控制器并根據(jù)提前設(shè)定的開關(guān)表，直接選擇所需的開關(guān)狀態(tài)，這種典型控制結(jié)構(gòu)移除了電流控制內(nèi)環(huán)而簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然而，這種控制系統(tǒng)開關(guān)頻率不固定，將導(dǎo)致注入電流存在寬頻諧波，指示是根據(jù)有功、無功功率的瞬時誤差，并采用滯環(huán)控制器和開關(guān)表查詢方法產(chǎn)生開關(guān)信號，這種結(jié)構(gòu)去除了電流控制環(huán)而使控制結(jié)構(gòu)大為化簡，但由于變換器開關(guān)頻率不固定的弊病，導(dǎo)致寬頻諧波電流注入帶電網(wǎng)，造成濾波電感的設(shè)計困難。為獲取恒定不變的開關(guān)頻率，目前廣泛采用基于空間矢量調(diào)制技術(shù)(spacevectormodulation,SVM)的直接功率控制技術(shù)(SVM-DPC)。其中，ZhouP.、HeY.K.和SunD.在標(biāo)題為ImproveddirectpowercontrolofaDFIG-basedwindturbineduringnetworkunbalance(IEEETransactionsonPowerElectronics,2009,24(11):2465-2474.)的文章中討論了典型的SVM-DPC控制方法，其核心內(nèi)容可表示為：根據(jù)鎖相環(huán)檢測電網(wǎng)電壓矢量實時相位角，并將電網(wǎng)電壓矢量固定在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸；然后，根據(jù)電網(wǎng)電壓矢量相位角對并網(wǎng)逆變器輸出電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，并分別由有功、無功功率的誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)與解耦補(bǔ)償后可獲得與之相對應(yīng)的交流輸出電壓指令vgd和vgq，最后采用空間矢量調(diào)制技術(shù)可獲取實際控制開關(guān)管所需的開關(guān)信號，實現(xiàn)對并網(wǎng)逆變器的控制。具體原理如圖1所示，并可描述為：利用一組(3個)霍爾電壓傳感器2采集三相電網(wǎng)電壓Ugabc，利用一組(3個)霍爾電流傳感器3采集三相逆變器輸出電流Igabc；將三相電網(wǎng)電壓信號Ugabc、采集到的三相逆變器輸出電流信號Igabc分別經(jīng)過三相靜止/兩相靜止坐標(biāo)變換模塊4，得到電網(wǎng)電壓綜合矢量Ugαβ、輸出電流綜合矢量Igαβ；經(jīng)過兩相靜止到正轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換模塊5，得到在正轉(zhuǎn)兩相同步速坐標(biāo)系中電網(wǎng)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(wǎng)電壓、逆變器輸出電流綜合矢量經(jīng)過功率計算模塊8，可得輸出瞬時有功、無功功率Pg、Qg；然后，在與并網(wǎng)逆變器輸出瞬時有功、無功功率指令PRef、QRef比較獲得相應(yīng)的誤差信號ΔPg、ΔQg，在正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分別對誤差信號做比例-積分PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)(模塊9)，并經(jīng)過解耦補(bǔ)償計算模塊11后，可獲得在正轉(zhuǎn)兩相同步速坐標(biāo)中逆變器交流輸出電壓指令Vgdq；然后，經(jīng)過正轉(zhuǎn)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系變換(模塊13)后，得轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)系中逆變器交流輸出電壓指令Vgαβ；最后，采用控制矢量調(diào)制技術(shù)(模塊12)后，可獲得調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器4的開關(guān)信號Sa、Sb、Sc，實現(xiàn)對并網(wǎng)逆變器自身運行的控制。此外，控制系統(tǒng)采用由坐標(biāo)變換模塊5、比例-積分調(diào)節(jié)模塊6、積分模塊7構(gòu)成的軟件鎖相環(huán)(phase-lockedloop,PLL)結(jié)構(gòu)以獲取電網(wǎng)電壓矢量相位角，作為Park變換的角度依據(jù)。根據(jù)上述分析可知，現(xiàn)階段，并網(wǎng)逆變器SVM-DPC控制方法的本質(zhì)為由鎖相環(huán)獲取的電網(wǎng)電壓實時相位角作為坐標(biāo)變換基準(zhǔn)角，在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中采用比例-積分調(diào)節(jié)器對有功、無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，并經(jīng)過解耦補(bǔ)償后生成所需的逆變器交流輸出電壓指令。然后，該控制方案對鎖相環(huán)獲得的相角準(zhǔn)確度依賴性強(qiáng)，同時，由于電感處于時時變化狀態(tài)中，而無法獲取準(zhǔn)確數(shù)值，對于功率的解耦控制會造成負(fù)面效應(yīng)。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于虛擬同步坐標(biāo)系的并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法，這種控制方案實施于虛擬同步坐標(biāo)系中而無需利用鎖相環(huán)時時檢測電網(wǎng)電壓矢量相位角，同時消除與進(jìn)線電感相關(guān)的電流解耦補(bǔ)償項，降低控制系統(tǒng)對于電感參數(shù)的依賴性。具體而言，本發(fā)明提供了一種基于虛擬同步坐標(biāo)系的并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法，包括如下步驟：(1)采集并網(wǎng)逆變器的三相電網(wǎng)電壓、三相輸出電流；通過對所述三相電網(wǎng)電壓、三相輸出電流進(jìn)行Clarke變換，對應(yīng)得到靜止α-β坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓矢量Ugαβ和輸出電流矢量Igαβ；(2)利用虛擬相位角θ對電網(wǎng)電壓矢量Ugαβ和輸出電流矢量Igαβ進(jìn)行Park變換，對應(yīng)得到以虛擬相位角θ為基礎(chǔ)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓矢量Ugdq和輸出電流矢量Igdq；(3)根據(jù)所述的電網(wǎng)電壓矢量Ugdq和輸出電流矢量Igdq，計算并網(wǎng)逆變器的輸出有功功率Pg、無功功率Qg；(4)根據(jù)輸出有功功率Pg、無功功率Qg，采用PI調(diào)節(jié)器通過誤差調(diào)節(jié)、采用基于電網(wǎng)電壓矢量Ugdq的d軸分量的正序分量和負(fù)序分量、以及電網(wǎng)電壓矢量Ugdq的q軸分量的正序分量和負(fù)序分量的電壓解耦補(bǔ)償算法計算得到虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgdq；(5)根據(jù)虛擬相位角θ對并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgdq進(jìn)行Park反變換，得到靜止α-β坐標(biāo)系下的并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vrαβ，進(jìn)而通過SVPWM技術(shù)構(gòu)造得到一組PWM信號以對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。進(jìn)一步的，所述的虛擬相位角θ是周期為20ms幅值為2π的鋸齒波狀的相角信號，表示為θ＝ωt(ω＝2π×50＝100π)。進(jìn)一步的，所述的步驟(2)中根據(jù)以下算式對電網(wǎng)電壓矢量Ugαβ和輸出電流矢量Igαβ進(jìn)行Park變換：Ugdq=ugdugq=cosθsinθ-sinθcosθ·ugαugβ]]>Igdq=igdigq=cosθsinθ-sinθcosθ·igαigβ]]>其中：ugd和ugq分別為電網(wǎng)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(wǎng)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。進(jìn)一步的，所述的步驟(3)中根據(jù)以下算式計算并網(wǎng)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(wǎng)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表示并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)輸出有功功率，Pg<0表示并網(wǎng)逆變器從電網(wǎng)吸收有功功率；計算Qg值，Qg>0表示并網(wǎng)逆變器提供容性無功功率，Qg<0表示并網(wǎng)逆變器提供感性無功功率。進(jìn)一步的，所述的步驟(4)中通過誤差調(diào)節(jié)解耦補(bǔ)償算法計算并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgdq的具體方法如下：首先，使給定的目標(biāo)功率指令Pref和Qref分別減去輸出有功功率Pg、無功功率Qg，對應(yīng)得到功率誤差信號ΔPg和ΔQg；然后，采用比例-復(fù)系數(shù)積分調(diào)節(jié)器對功率誤差信號ΔPg和ΔQg進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓調(diào)節(jié)矢量V′gdq；最后，對電壓調(diào)節(jié)矢量V′gdq進(jìn)行解耦補(bǔ)償，得到虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgdq。進(jìn)一步的，根據(jù)以下算式，采用比例-復(fù)系數(shù)積分調(diào)節(jié)器對功率誤差信號ΔPg和ΔQg進(jìn)行調(diào)節(jié)：v'gd＝CP+I(s)ΔPg+CI(s)ΔQgv'gq＝CP+I(s)ΔQg+CI(s)ΔPgCP+1(s)=Kp+Kis]]>CI(s)=Kps]]>其中：v′gd和v′gq分別為比例-復(fù)系數(shù)積分調(diào)節(jié)器輸出矢量V′gdq的d軸分量和q軸分量，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子。進(jìn)一步的，根據(jù)以下算式對電壓調(diào)節(jié)矢量V′gdq進(jìn)行計算解耦補(bǔ)償：vgdvgq=ugdugq+0.667Ug2ugd+ugq+ugq+-ugd+·v′gdv′gq=ugdugq+0.667Ug2ugd+ugq+ugq+-ugd+·CP+I(s)CI(s)CI(s)CP+I(s)·ΔPgΔQg]]>Ug=ugd2+ugq2]]>其中：ugd和ugq分別為電網(wǎng)電壓矢量Ugdq的d軸分量和q軸分量，v′gd和v′gq分別為比例-復(fù)系數(shù)積分調(diào)節(jié)器輸出矢量V′gdq的d軸分量和q軸分量，vgd和vgq分別為并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgdq的d軸分量和q軸分量，Lg為并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電感值，ω＝100π。特別的，所述的步驟(5)中根據(jù)以下算式對并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgdq進(jìn)行Park反變換：Vgαβ=vgαvgβ=cosθ-sinθsinθcosθvgdvgq]]>其中：vgd和vgq分別并網(wǎng)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分別為并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgαβ的α軸分量和β軸分量。本發(fā)明提供了一種基于虛擬同步坐標(biāo)系的并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法，這種控制方案實施于虛擬同步坐標(biāo)系中，而無需利用鎖相環(huán)時時檢測電網(wǎng)電壓矢量相位角，同時消除與進(jìn)線電感相關(guān)的電流解耦補(bǔ)償項，降低控制系統(tǒng)對于電感參數(shù)的依賴性。此外，本發(fā)明可應(yīng)用于太陽能、生物質(zhì)能并網(wǎng)逆變裝置和交流傳動設(shè)備等各類形式的PWM電力變換器中。附圖說明圖1為現(xiàn)有并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明并網(wǎng)逆變器控制方法的流程示意圖。圖3為采用本發(fā)明控制方法在理想電網(wǎng)頻率(50Hz)下并網(wǎng)逆變器運行的仿真波形圖。圖4為采用本發(fā)明控制方法在非理想電網(wǎng)頻率(47Hz，-6％)下并網(wǎng)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(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。本實施方式以一臺容量為10kW、額定電壓為380V的并網(wǎng)逆變器為例；圖2給出了于虛擬同步坐標(biāo)系的并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法，包括如下步驟：(1)首先，利用一組(3個)電壓霍爾傳感器2采集并網(wǎng)逆變器的三相電網(wǎng)電壓uga～ugc，利用一組(3個)電流霍爾傳感器3分別采集并網(wǎng)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(wǎng)電壓uga～ugc、三相輸出電流iga～igc進(jìn)行Clarke變換得到三相電網(wǎng)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(dá)式如下：ugαugβ=231-12-12032-32·ugaugbugc]]>igαigβ=231-12-12032-32·igaigbigc]]>(2)利用Park變換模塊5，根據(jù)由周期為20ms幅值為2π的鋸齒波產(chǎn)生的虛擬相位角θ＝ωt(ω＝100π)分別對ugα～ugβ和igα～igβ進(jìn)行Park變換得到三相電網(wǎng)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(dá)式如下：ugdugq=cosθsinθ-sinθcosθ·ugαugβ]]>igdigq=cosθsinθ-sinθcosθ·igαigβ]]>(3)首先，利用功率計算模塊8，根據(jù)以下算式計算出并網(wǎng)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)然后，與相應(yīng)的有功、無功功率指令比較得出相應(yīng)的誤差，并利用模塊15采用比例-復(fù)系數(shù)積分調(diào)節(jié)器對功率誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后經(jīng)過電壓解耦補(bǔ)償模塊16后，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；v'gd＝CP+I(s)ΔPg+CI(s)ΔQgv'gq＝CP+I(s)ΔQg+CI(s)ΔPgCP+1(s)=Kp+Kis]]>CI(s)=Kps]]>vgdvgq=ugdugq+0.667Ug2ugd+ugq+ugq+-ugd+·v′gdv′gq=ugdugq+0.667Ug2ugd+ugq+ugq+-ugd+·CP+I(s)CI(s)CI(s)CP+I(s)·ΔPgΔQg]]>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(jìn)線電感等效電阻、電感；本實施方式中Lg＝2mH，Rg＝0.1ohm，Kp＝2，Ki＝8。(4)根據(jù)虛擬相位角對并網(wǎng)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(jìn)行反Park變換，可得并網(wǎng)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分別并網(wǎng)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分別為并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓指令Vgαβ的α軸分量和β軸分量。最后，根據(jù)并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓α軸電壓指令vgα和并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓β軸電壓指令vgβ，通過SVPWM技術(shù)構(gòu)造得到一組PWM信號Sa～Sc以對并網(wǎng)逆變器1進(jìn)行控制。圖3為所發(fā)明的虛擬同步坐標(biāo)系的并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法仿真結(jié)果，其中并網(wǎng)逆變器輸出有功功率在0.05s時由1.0p.u.(10kW)下降為0.5p.u.(5kW)、0.25s時增加到0.7p.u.(7kW)，而并網(wǎng)逆變器無功功率在0.15s時由0.0p.u.(0kVar)階躍為0.4p.u.(4kVar，容性)，在0.35s時階躍為0.2p.u.(2kVar，容性)。從圖中可見，本實施方式可確保并網(wǎng)逆變器對功率指令的有效響應(yīng)與快速追蹤，并保持逆變器運行的穩(wěn)定。圖4為在非理想電網(wǎng)頻率(47Hz，6％)條件下，由于有功、無功功率始終表現(xiàn)為直流量形式，因而采用比例-復(fù)系數(shù)積分器可實現(xiàn)對其調(diào)節(jié)。采用本發(fā)明的仿真結(jié)果，其中仿真環(huán)境與圖3保持一致。可見，在實際電網(wǎng)頻率與虛擬電網(wǎng)頻率(50Hz)存在偏差時，與圖3相對比沒有明顯區(qū)別，故采用本實施方式仍能對有功、無功功率保持良好的調(diào)節(jié)能力，同時也證明本發(fā)明具有對頻率偏差的適應(yīng)能力。綜上，本發(fā)明提供了一種基于虛擬同步坐標(biāo)系的并網(wǎng)逆變器直接功率控制方法，這種控制方案實施于虛擬同步坐標(biāo)系中，而無需利用鎖相環(huán)時時檢測電網(wǎng)電壓矢量相位角，同時消除與進(jìn)線電感相關(guān)的電流解耦補(bǔ)償項，降低控制系統(tǒng)對于電感參數(shù)的依賴性。此外，本發(fā)明可應(yīng)用于太陽能、生物質(zhì)能并網(wǎng)逆變裝置和交流傳動設(shè)備等各類形式的PWM電力變換器中。盡管已經(jīng)結(jié)合相關(guān)實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明精神和實質(zhì)的情況下所做的各做修改、替換和形變，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。當(dāng)前第1頁1 2 3