專利名稱：電壓型并網(wǎng)逆變器的不對稱直接功率控制的功率補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力電子領域內的電壓型逆變器PWM控制技術，尤其涉及一種電壓型 并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不對稱條件下增強直接功率控制的功率補償方法。
背景技術：
電壓型PWM逆變器以其優(yōu)秀的輸入、輸出特性廣泛地應用于風力發(fā)電、光伏發(fā)電 等新能源發(fā)電以及高壓直流輸電等領域。矢量控制(VC)和直接功率控制(DPC)是電壓型 PWM逆變器的主要控制策略。關于正常電網(wǎng)條件下的電壓型PWM逆變器的直接功率控制研 究已經(jīng)較為完備。但是由于風能和太陽能豐富的地區(qū)多較為偏遠，遠離核心大電網(wǎng)，電網(wǎng) 較為脆弱容易發(fā)生對稱跌落和不對稱跌落故障，故障電網(wǎng)條件下電壓型PWM逆變器的輸入 電流諧波明顯增大以至于難以滿足電網(wǎng)諧波規(guī)范，因此故障電網(wǎng)條件下電壓型PWM逆變器 的直接功率控制研究具有實用意義。近年來國際上研究多集中在電網(wǎng)對稱故障下的運行控 制，但電網(wǎng)不對稱故障更為頻繁、幾率更大，因此，對電壓型PWM逆變器的研究方向已從對 稱故障向不對稱故障延伸。中國的電網(wǎng)規(guī)范允許電網(wǎng)存在2%的穩(wěn)態(tài)不對稱和更大的瞬態(tài) 不對稱，這也就要求電壓型PWM逆變器需要在這種不對稱條件下仍然能夠取得良好的輸入 輸出特性。對于矢量控制在不對稱電網(wǎng)條件下的控制策略已經(jīng)有所研究，而直接功率控制 在不對稱電網(wǎng)條件下的控制策略研究鮮有見聞。檢索到電壓型PWM逆變器不對稱電網(wǎng)條件下運行控制的相關專利和研究文章有I. Song, H. S, Nam, K. , "Dual current control scheme for PWM converter underunbalanced input voltage conditions," IEEE Trans. Ind. Electron., vol.46, no. 5，pp.953-959，1999.II. Yongsug, S. , Lipo, Τ. A. , "Control scheme in hybrid synchronous stationary frame forPWM AC/DC converter under generalized unbalanced operating conditions,，，IEEETrans. Ind. App 1. , vol. 42, no. 3, pp. 825-835, 2006.III. Etxeberria-Otadui, I. , Viscarret, U. , Caballero, Μ. , rufer, A. Bacha, S. , "Newoptimized PWM VSC control structures and strategies under unbalanced voltagetransients,，，IEEE Trans. Ind. Electron. , vol. 54, no. 5, pp. 2902-2914, 2007.IV. Yin, B. , Oruganti, R. , Panda, S. K. , Bhat, A. K. S. , "An output-power-control strategyfor a three-phase PffM rectifier under unbalanced supply conditions,，，IEEE Trans. Ind. Electron. , vol. 55, no. 5, pp. 2140-2151, 2008.不對稱電網(wǎng)電壓條件下，上述文獻提出的方法都是基于對稱分量理論的矢量控制 方法。這些方法的核心思想是將VSC電流分解為正序和負序分量，然后通過分別控制正、負 序分量來控制有功、無功功率，其原理可以用圖1說明。由IGBT開關管組成的電壓型三相 并網(wǎng)逆變器電路1通過三相濾波電抗器2連接到三相電網(wǎng)，直流側接有直流母線電容和等 效直流電源(逆變能量的來源)。其控制過程如下利用三相電壓霍爾傳感器5和三相電流 霍爾傳感器6分別采集電網(wǎng)三相電網(wǎng)電壓Uab。和電網(wǎng)電流信號Iab。；將采集得到的三相電網(wǎng)電壓信號Uabc和三相電網(wǎng)電流信號Iab。經(jīng)過兩相靜止坐標變換，得到包含正、負序分量的電 網(wǎng)電壓綜合矢量Ua e，以及包含正、負序和零序(直流)分量的電網(wǎng)電流綜合矢量Ia e ；將得 到的電網(wǎng)電壓綜合矢量U a e和電網(wǎng)電流綜合矢量I a 0分別通過正反轉坐標變換模塊9、10， 得到正、反轉同步速旋轉(Park)坐標系中含有直流分量與以2 3頻率波動的交流分量的 電壓、電流綜合矢量^；、U。/；. 然后采用2 頻率陷波器11 (或者低通濾波器等 方法)來濾除2 3頻率波動的交流分量，從而獲得其正、負序分量W,+、U-dg_、7；+、/； _; 利用^；+、K,-和有功、無功功率參考信號以及控制目標由電流指令值計算模塊12計算獲 得參考電流指令&+'、V，并與電流反饋信號、比較得到電流誤差信號，然后分別 在正、反轉同步速旋轉(Park)坐標系中分別采用比例積分器對電流誤差信號進行調節(jié)，將 調節(jié)得到的信號經(jīng)反饋補償解耦模塊獲得正反轉同步速旋轉(Park)坐標系中的輸出電壓 參考信號KV'、U-^q:；分別通過反、正轉同步速到兩相靜止坐標變換模塊15、16得到正、負 序電壓參考信號CC^、并相加后得到空間電壓矢量調制模塊17的參考信號，經(jīng)過 SVPWM模塊17調制獲得VSC的開關信號Sa、Sb、Sc以控制VSC運行。 由上述分析過程可見，電網(wǎng)電壓不對稱條件下VSC傳統(tǒng)控制方法的實質就是將不 對稱系統(tǒng)分解成正、負序對稱分量系統(tǒng)后，再分別在正、負轉同步速旋轉(Park)坐標系中 實現(xiàn)正、負序d、q軸的解耦控制。雖然VSC正、負序電流在正、反轉同步速坐標系中各自表 現(xiàn)為直流量，分別用兩個PI就可以無靜差跟蹤，但此控制需要在控制內環(huán)內提取出正、負 序分量，這樣將極大的限制系統(tǒng)的控制帶寬，影響系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)定響應。因此，亟需探索一種無需在控制內環(huán)提取正、負序，又能消除電網(wǎng)電壓不對稱引起 的VSC輸入電流畸變和功率波動的控制方法，以適應電網(wǎng)對稱和不對稱條件下VSC的運行 控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種電壓型并網(wǎng)逆變器的不對稱直接 功率控制的功率補償方法，該方法使得在不對稱電網(wǎng)電壓條件下，三相電壓型并網(wǎng)逆變器 無需同步速旋轉(Park)坐標變換的直接功率策略能夠獲得良好的運行特性，可以消除有 功功率的波動，或者消除無功功率的波動，或者消除負序的電網(wǎng)電流、得到正弦對稱的電網(wǎng) 電流，從而確保供電質量和VSC的運行的安全性與穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術解決方案，電網(wǎng)電壓不對稱條件下，三相電壓型并網(wǎng)逆變器直接功 率控制的功率補償方法，包括以下步驟(a)利用單相電壓傳感器測量直流母線電壓信號Vd。；利用三相電壓霍爾傳感器采 集電網(wǎng)三相電壓信號Uab。；利用三相電流霍爾傳感器采集電壓源型并網(wǎng)逆變器(VSC)輸入 的三相電流信號Iabc ；(b)將采集得到的三相電網(wǎng)電壓信號Uab。和三相電流信號Iab。經(jīng)過Clarke坐標變 換，得到包含正、負序分量的電網(wǎng)電壓綜合矢量U…以及包含正、負序分量的電網(wǎng)電流綜
合矢量Iae ；(c)將得到的靜止坐標系下電網(wǎng)電壓綜合矢量Uae和電網(wǎng)電流綜合矢量Iae經(jīng)過 計算得到VSC從電網(wǎng)輸入的瞬時有功、無功功率信號P、Q ；(d)將得到的靜止坐標系下電網(wǎng)電壓綜合矢量U a e和電網(wǎng)電流綜合矢量I a e采用Τ/4延時的方法或陷波器的方法，得到負序的電網(wǎng)電壓矢量tC,和正序的電網(wǎng)電流矢量C(e)將得到的負序的電網(wǎng)電壓矢量〃；《和正序的電網(wǎng)電流矢量/&經(jīng)過計算得到有
功、無功功率的補償信號P。。mp、Qcomp ；
⑴將得到的有功、無功功率的補償信號P。。mp、Q。。mp加入到有功、無功功率參考信號 中，得到新的有功、無功功率參考信號PMf—n、Qref_n ；(g)將得到的新的有功、無功功率參考信號PMf—n、Qref—n與瞬時功率信號比較，得到 有功、無功功率的誤差信號Pm 、Qerror ；(h)將得到的電網(wǎng)電壓綜合矢量U α e、電網(wǎng)電流綜合矢量I α e、有功、無功功率誤差 信號Pm 、Qerror以及母線電壓信號vd。送入傳統(tǒng)的直接功率控制策略中，得到開關信號Sa、 Sb、(i)將得到開關信號Sa、Sb、Sc經(jīng)過驅動模塊驅動IGBT。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明方法適用于增強無需同步速旋轉(Park)坐標變換 的直接功率控制策略在不對稱電網(wǎng)條件下的控制能力。采用了本發(fā)明方法的直接功率控制 策略不僅適用于VSC而且還適用于其他采用高頻開關自關斷器件構成的各類形式PWM控制 的三相逆變裝置在對稱和不對稱電網(wǎng)條件下的有效控制，如光伏、燃料電池發(fā)電、風力發(fā)電 網(wǎng)側變換器、柔性輸電系統(tǒng)的電力電子逆變裝置的有效控制。


圖1是電網(wǎng)電壓不對稱條件下三相電壓型并網(wǎng)逆變器的傳統(tǒng)控制方法的原理圖。圖2是本發(fā)明的三相電壓型并網(wǎng)逆變器的不對稱直接功率控制的功率補償方法 的原理圖。圖3三相電壓型并網(wǎng)逆變器拓撲結構。圖4基于陷波器提取正、負序分量的方法。圖5在不對稱電網(wǎng)條件下，三種不同的直接功率控制策略在添加功率補償和不添 加功率補償時的仿真效果，其中，(a)為LUT-DPC，(b)為SMC-DPC，(c)為P-DPC。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。圖2是本發(fā)明提出的一種電壓型并網(wǎng)逆變器(GC-VSI)在電網(wǎng)電壓不對稱條件下 直接功率控制的功率補償方法。以一臺2kW VSC為例，VSC主電路的結構如圖3所示，包括 電網(wǎng)14，線路電感2，線路電阻12，IGBT開關管19及其驅動(或者IPM模塊)組成的三相 全控橋1，直流母線電容20以及直流回路等效電源4?？刂苹芈钒刂菩酒?、三相電壓 霍爾傳感器5、三相電流霍爾傳感器6、單相電壓霍爾傳感器3?？刂菩酒ǔ２捎肈SP(如 TI公司的TMS320LF2812等)，DSP中實現(xiàn)的控制過程如圖2中陰影框所示。三相電壓型并 網(wǎng)逆變器的不對稱直接功率控制功率補償方法，包括如下步驟(a)利用單相電壓傳感器3測量直流母線電壓信號Vd。；利用三相電壓霍爾傳感器 5采集電網(wǎng)三相電壓信號Uabc ；利用三相電流霍爾傳感器6采集電壓源型并網(wǎng)逆變器(VSC) 輸入的三相電流信號Iabc ；(b)采集得到的三相電網(wǎng)電壓信號Uab。和三相電網(wǎng)電流信號Iab。經(jīng)過Clarke坐標變換7，得到包含正、負序分量的電網(wǎng)電壓綜合矢量Ua e，以及包含正、負序和零序(直流)
分量的電網(wǎng)電流綜合矢量Iae ；以電網(wǎng)電壓為例，Clarke坐標變換的表達式如式(1)所示。
<formula>formula see original document page 6</formula>(c)將得到的靜止坐標系下電網(wǎng)電壓綜合矢量Uae和電網(wǎng)電流綜合矢量Iae經(jīng)過 9得到VSC從電網(wǎng)輸入的瞬時有功、無功功率信號P、Q看。瞬時有功、無功功率計算公式如 式(2)所示。Ρ = ~(Μα α+Μβ β)ρ=|(-ΜΛ+ν·β)(d)將得到的靜止坐標系下電網(wǎng)電壓綜合矢量Uae和電網(wǎng)電流綜合矢量Iae經(jīng)過 正負序分離8 (采用T/4延時方法或陷波器的方法)，得到負序的電網(wǎng)電壓矢量K,和正序的 電網(wǎng)電流矢量延時提取正負序分量的方法，以電網(wǎng)電壓為例，如式(3)表達<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>U}~~ψ———基于陷波器提取正負序的方法，以提取正負電壓為例，如圖4表達。將(a)中采集 得到的三相電網(wǎng)電壓信號Uabc經(jīng)過Clarke坐標變換模塊7，得到U…將得到的兩相靜止坐 標下電壓信號Ua 0經(jīng)過同步速旋轉(Park)坐標變換9-1，得到電壓信號Uq，再將得到的電壓 信號Uq先經(jīng)過2 s陷波器再經(jīng)過比例積分(PI)調節(jié)13，得到電網(wǎng)角頻率信號ω3，將得到 的角頻率信號經(jīng)過積分環(huán)節(jié)16可以得到相位角θ s;將得到的相位角分別作為同步速 旋轉(Park)坐標變換9-1和9_2坐標變換的角度信號；將9_2得到的UtnUq分別經(jīng)過2 ω s 陷波器濾除2倍頻波動成分，就可以得到電網(wǎng)電壓正序分量W,；再將得到的正序分量〃<；經(jīng) 過同步速到兩相靜止坐標變換15得到所需要的。(e)將得到的負序的電網(wǎng)電壓矢量和正序的電網(wǎng)電流矢量經(jīng)過有功、無功功 率補償計算模塊得到有功、無功功率的補償信號P。。mp、Qcomp ；為消除有功功率波動所需要的功率補償項如式(4)表達 _4] Pcomp = 0Qcomp=^-U-J;+υβι)為消除無功功率波動所需要的功率補償項如式(5)表達Pramp = 3 (Ua Ia+U010)(5) _8]Qcomp = 0為消除負序電流獲得正弦對稱的電網(wǎng)電流所需要的功率補償項如式(6)表達
(f)將得到的有功、無功功率的補償信號P。。mp、Q。。mp注入到有功、無功功率參考信號 Pref、Qref中，得到新的有功、無功功率參考信號n、Qref—n ；如式⑵表達 (g)將得到的新的有功、無功功率參考信號PMf—n、Qref—n與瞬時功率信號比較，得到 有功、無功功率的誤差信號Pm 、Qerror ；(h)將得到的電網(wǎng)電壓綜合矢量U α e、電網(wǎng)電流綜合矢量I α e、有功、無功功率誤差 信號1\_、(^ 以及母線電壓信號1送入傳統(tǒng)的直接功率控制11，得到開關信號^、5。； 開關信號的具體獲取參見無需同步速旋轉(Park)坐標變換的直接功率控制策略，如預測 直接功率控制(P-DPC)如Predictive Direct PowerControl-A New Control Strategy for DC-AC Converters、基于滑模變結構的直接功率控制(SMVS-DPC)如三相電壓型并網(wǎng)逆變 器滑模變結構直接功率控制研究、基于查詢開關表的直接功率控制(LUT-DPC)如Improved Direct PowerControl of Grid-Connected DC-AC Converters。(i)將得到的開關信號Sa、Sb、Sc驅動三相全控橋1。參照圖5㈧、⑶、(C)可以看出，在不對稱電網(wǎng)條件下，三種不同的直接功率控制 策略在添加功率補償時可以獲得良好的電網(wǎng)電流，避免過大的電流諧波污染電網(wǎng)。綜上所述，本發(fā)明公開的一種電壓型并網(wǎng)逆變器的不對稱直接功率控制的功率補 償方法無需對原直接功率控制方法做本質上的更改，控制結構簡單，功率補償以及正負序 提取均在功率外環(huán)進行，動、靜態(tài)性能良好；在電網(wǎng)電壓不對稱情況下，可以很好的抑制輸 入電流的諧波，避免大量低次的電流諧波嚴重污染電網(wǎng)，降低電能質量。本方法可以增強電 網(wǎng)不對稱情況下對VSC的控制能力，實現(xiàn)了 VSC在電網(wǎng)不對稱故障下的穿越運行。
權利要求
一種電壓型并網(wǎng)逆變器的不對稱直接功率控制的功率補償方法，其特征在于，包括以下步驟(a)利用三個電壓霍爾傳感器(5)三相電網(wǎng)電壓信號Uabc；利用三個電流霍爾傳感器(6)采集三相電壓型并網(wǎng)逆變器(1)的三相電網(wǎng)電流信號Iabc；(b)采集得到的三相電網(wǎng)電壓信號Uabc和三相電網(wǎng)電流信號Iabc經(jīng)過兩相靜止坐標變換(Clarke變換)(7)，得到包含正、負序分量的電網(wǎng)電壓綜合矢量Uαβ，以及包含正、負序分量的電網(wǎng)電流綜合矢量Iαβ；(c)電網(wǎng)電壓綜合矢量Uαβ和電網(wǎng)電流綜合矢量Iαβ利用有功、無功功率計算模塊(9)得到并網(wǎng)逆變器輸出的瞬時有功、無功功率信號P、Q；(d)將得到的靜止坐標系中電網(wǎng)電壓綜合矢量Uαβ經(jīng)過正、負序分解(T/4延時方法或者陷波器方法等)得到靜止坐標系中負序電網(wǎng)電壓矢量(e)將得到的靜止坐標系中電網(wǎng)電流綜合矢量Iαβ經(jīng)過正、負序分解(T/4延時方法或者陷波器方法等)得到靜止坐標系中負序電網(wǎng)電流矢量(f)將得到的兩相靜止坐標系中負序電網(wǎng)電壓矢量和兩相靜止坐標系中負序電網(wǎng)電流矢量經(jīng)過有功、無功功率補償項計算單元(10)得到不同控制目標下有功、無功功率補償信號Pcomp、Qcomp；(g)將有功、無功功率補償信號Pcomp、Qcomp加入到有功、無功功率參考信號Pref、Qref中，得到新的有功、無功功率參考信號Pref_n、Qref_n；(h)將新的有功、無功功率參考信號Pref_n、Qref_n與瞬時有功、無功功率信號P、Q比較，得到有功、無功功率的誤差信號Perror、Qerror；(i)通過直流電壓測量模塊3，得到直流母線電壓Vdc；(j)將得到的電網(wǎng)電壓綜合矢量Uαβ、電網(wǎng)電流綜合矢量Iαβ、有功、無功功率的誤差信號Perror、Qerror以及直流母線電壓Vdc送入傳統(tǒng)的直接功率控制模塊(11)，得到開關信號Sa、Sb、Sc。(k)將得到開關信號Sa、Sb、Sc經(jīng)過驅動模塊驅動IGBT或者直接送給IPM模塊。FSA00000163670900011.tif,FSA00000163670900012.tif,FSA00000163670900013.tif,FSA00000163670900014.tif
2.根據(jù)權利要求1電壓型并網(wǎng)逆變器的不對稱直接功率控制的功率補償方法，其特征 在于，所述步驟(f)中，所說的控制目標或保持GC-VSI輸出有功功率恒定，或保持GC-VSI 輸出無功功率恒定，或保持GC-VSI輸出三相電網(wǎng)電流對稱、正弦，不含有負序電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電壓型并網(wǎng)逆變器的不對稱直接功率控制的功率補償方法，該方法適用于無同步速旋轉坐標變換的直接功率控制(傳統(tǒng)的直接功率控制)。通過采集三相電網(wǎng)的電壓和電流信號，提取負序電壓和正序電流信號，根據(jù)所選擇的控制目標計算有功、無功功率的補償項。本發(fā)明方法根據(jù)所需的控制目標，在傳統(tǒng)的直接功率控制的功率參考信號中注入有功、無功功率的補償項，以分別消除電網(wǎng)電壓不對稱引起的電網(wǎng)負序電流，有功功率的二倍頻波動以及無功功率的二倍頻波動，以適應不同的應用場合。增強電壓型并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)不對稱故障情況下的控制能力和不間斷運行能力。
文檔編號H02J3/18GK101847875SQ20101020385
公開日2010年9月29日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權日2010年6月18日
發(fā)明者孫丹, 尚磊 申請人:浙江大學