專(zhuān)利名稱(chēng)：Pcs有功無(wú)功控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇式電源并網(wǎng)及輸配技術(shù)是目前能源領(lǐng)域的發(fā)展主題之一。與此相應(yīng)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的也應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的ー個(gè)重要組成部分就是PCS (Power Conversion System,能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng))。PCS裝置已廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式發(fā)電技術(shù)中，并逐漸在飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、電池儲(chǔ)能等小容量雙向功率傳遞的儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到青睞。通過(guò)PCS可以實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)直流電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，實(shí)現(xiàn)在正?；蚬聧u運(yùn)行方式下的電氣量控制等。PCS的ー個(gè)重要作用就是在并網(wǎng)情況下，根據(jù)電網(wǎng)、負(fù)載的功率流動(dòng)情況，吸收或者輸出給定功率。例如，當(dāng)電網(wǎng)功率過(guò)剩，PCS就吸收功率；電網(wǎng)功率不足，PCS就輸出功率。其目的是始終保證儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)之間功率的動(dòng)態(tài)平衡。為此，研究PCS的有功無(wú)功控制至關(guān)重要。PCS有功無(wú)功控制主要目標(biāo)是在并網(wǎng)情況下提供期望的有功或者無(wú)功功率。傳統(tǒng)的含單電感濾器的PCS，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但濾波效果不好；含LCL濾波器的PCS濾波效果較前者好，但對(duì)于大容量情況，要求的直流側(cè)電壓較高，不利于直流側(cè)電池組件串并聯(lián)。PCS也稱(chēng)為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，顧名思義，其可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和電網(wǎng)之間的能量互動(dòng)。為增強(qiáng)PCS輸出性能，現(xiàn)大多PCS都配備了 LCL型濾波器或者隔離變壓器等裝置。為此，PCS的模型將變?yōu)楦唠A的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制不僅控制復(fù)雜，需要較多電壓電流傳感器，且增加了 PI控制器數(shù)量，調(diào)試?yán)щy，工程應(yīng)用相當(dāng)不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述已有技術(shù)中存在的不足之處，提供ー種PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及控制方法，以保證PCS在并網(wǎng)情況下穩(wěn)定輸出期望的有功和無(wú)功，實(shí)現(xiàn)功率的解耦控制，符合工程需求。本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案。PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，包括電流發(fā)生器、鎖相環(huán)、網(wǎng)側(cè)電壓變換器、三相電流變換器、電壓互感器、電流互感器、第一比例積分控制器、第二比例積分控制器、坐標(biāo)變換器和SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調(diào)制)發(fā)生器；所述電壓互感器連接在電網(wǎng)的隔離變壓器的高壓側(cè)，所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器和鎖相環(huán)均與所述電壓互感器相連接；所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器和鎖相環(huán)之間也相互連接；所述電流互感器連接在電網(wǎng)的PCS逆變器的輸出側(cè)，所述三相電流變換器與所述電流互感器相連接；所述三相電流變換器與鎖相環(huán)之間也相互連接；所述電流發(fā)生器的輸入端與所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器的輸出端相連接；所述電流發(fā)生器的兩個(gè)輸出端分別通過(guò)第一比例積分控制器和第二比例積分控制器與坐標(biāo)變換器相連接，所述三相電流變換器的兩個(gè)輸出端也分別通過(guò)第一比例積分控制器和第二比例積分控制器與坐標(biāo)變換器相連接；所述坐標(biāo)變換器的輸出端與所述SVPWM發(fā)生器相連接；所述SVPWM發(fā)生器的輸出端與電網(wǎng)的功率開(kāi)關(guān)管相連接；所述坐標(biāo)變換器還與所述鎖相環(huán)相連接。本發(fā)明還提供了ー種PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)的控制方法。PCS有功無(wú)功控制方法，其包括如下步驟:步驟1:模型降階；步驟2:采集電氣參數(shù)；電壓采樣:利用電壓互感器實(shí)時(shí)采集隔離變壓器高壓側(cè)的三相電壓Va、Vb和Vc ；電流采樣:利用電流互感器實(shí)時(shí)采集PCS逆變器輸出側(cè)的三相電流
ia、1C0步驟3:獲取采樣電壓的相位e，并將相位e分別發(fā)送給網(wǎng)側(cè)電壓變換器和三相電流變換器；步驟4:對(duì)三相采樣電壓Va、Vb、Vc和三相采樣電流ia、ib、i。進(jìn)行坐標(biāo)變換，將交流分量a、b和c變換為直流分量d和q，得到采樣電壓Va、Vb、Vc的d軸分量Vd和q軸分量Vq和采樣電流ia、ib、i。的d軸分量id和q軸分量；步驟5:產(chǎn)生參考電流；根據(jù)給定的有功功率Pref、無(wú)功功率Qref、Vd、Vq以及變壓器低壓側(cè)與高壓側(cè)之變比K，獲取外環(huán)電流控制所需的參考電流idMf和iV6f ；步驟6:外環(huán)電流控制；將步驟5中獲得的idMf減去步驟4中獲得的id后獲得的差值輸入至第一比例積 分控制器，由第一比例積分控制器輸出參量Vdr ;將步驟5中獲得的iqref減去步驟4中獲得的i,后獲得的差值輸入至第二比例積分控制器，由第二比例積分控制器輸出參量Vqr ；步驟7:dq到a ^坐標(biāo)變換；將步驟6中獲得參量Vdr和Vqr進(jìn)行dq到a旦坐標(biāo)變換，把兩個(gè)直流分量d、q轉(zhuǎn)變成兩個(gè)同步旋轉(zhuǎn)交流分量a、0，獲得參量V a和;步驟8 =SVPWM信號(hào)調(diào)制；將步驟I中獲得的Va和V P作為SVPWM發(fā)生器的輸入信號(hào)，由SVPWM發(fā)生器最終產(chǎn)生控制電網(wǎng)的功率開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及控制方法，采用LCR-型PCS拓?fù)洌粌H具有良好的濾波效果，且能降低直流側(cè)電壓的要求。但此種拓?fù)涞臄?shù)學(xué)模型階數(shù)較高，如嚴(yán)格采用其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，不僅增加控制難度，且控制性能會(huì)大幅度下降。本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及控制方法，采用簡(jiǎn)化的降階模型和電流單環(huán)控制策略，簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)的同時(shí)也能保證良好的控制性能，可顯著提高控制性能和實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制方法，包括模型降階、坐標(biāo)變換、電流外環(huán)控制以及SVPWM調(diào)制等步驟，突破了傳統(tǒng)LCR-T型PCS有功無(wú)功控制采用高階模型或功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)組成的雙環(huán)控制的局限，將高階模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，控制結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單；采用單級(jí)式的電流閉環(huán)控制，控制策略更為簡(jiǎn)化；可實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的解耦控制，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)；具有良好的控制性能:即使在直流側(cè)電壓存波動(dòng)情況下，也可實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的解耦控制，使PCS穩(wěn)定輸出或者吸收指定的有功功率和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。其具有控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、輸出并網(wǎng)電流正弦度度高等優(yōu)勢(shì)，有利于工程應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明的PCS電壓頻率控制方法的流程圖。圖3為對(duì)本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)エ況I條件下有功功率波形圖。圖4為對(duì)本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)エ況I條件下無(wú)功功率波形圖。圖5為對(duì)本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)エ況2條件下有功功率波形圖。圖6為對(duì)本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)エ況2條件下無(wú)功功率波形圖。圖7為對(duì)本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)エ況2條件下直流側(cè)電壓波形圖。圖8為對(duì)本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)エ況3條件下有功功率波形圖。圖9為對(duì)本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)エ況3條件下無(wú)功功率波形圖。圖10為L(zhǎng)CR-型PCS拓?fù)浜?jiǎn)圖。圖11為L(zhǎng)CR-T型PCS的單相等效電路模型。圖12為阻抗網(wǎng)絡(luò)的化簡(jiǎn)圖。圖13為模型降階后的LCR-T型PCS的單相等效電路模型。圖14為模型降階后的LCR-型PCS拓?fù)浜?jiǎn)圖。以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)，包括電流發(fā)生器、鎖相環(huán)、網(wǎng)側(cè)電壓變換器、三相電流變換器、電壓互感器、電流互感器、第一比例積分控制器、第二比例積分控制器、坐標(biāo)變換器和SVPWM發(fā)生器； 所述電壓互感器連接在電網(wǎng)的隔離變壓器的高壓側(cè)，所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器和鎖相環(huán)均與所述電壓互感器相連接；所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器和鎖相環(huán)之間也相互連接；所述電流互感器連接在電網(wǎng)的PCS逆變器的輸出側(cè)，所述三相電流變換器與所述電流互感器相連接；所述三相電流變換器與鎖相環(huán)之間也相互連接；所述電流發(fā)生器的輸入端與所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器的輸出端相連接；所述電流發(fā)生器的兩個(gè)輸出端分別通過(guò)第一比例積分控制器和第二比例積分控制器與坐標(biāo)變換器相連接，所述三相電流變換器的的兩個(gè)輸出端也分別通過(guò)第一比例積分控制器和第二比例積分控制器與坐標(biāo)變換器相連接；所述坐標(biāo)變換器的輸出端與所述SVPWM發(fā)生器相連接；所述SVPWM發(fā)生器的輸出端與電網(wǎng)的功率開(kāi)關(guān)管相連接；所述坐標(biāo)變換器還與所述鎖相環(huán)相連接。
電壓互感器在電網(wǎng)的隔離變壓器T的高壓側(cè)采集獲得采樣電壓Va、Vb和Vc，所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器和鎖相環(huán)均連接在電壓互感器的輸出端。網(wǎng)側(cè)電壓變換器為abc/ dq變換器，用于對(duì)三相米樣電壓Va、Vb和Vc進(jìn)行abc/dq變換,獲得米樣電壓的d軸分量Vd和q軸分量Vq，并將VcUVq傳送給電流發(fā)生器。鎖相環(huán)PLL用于跟蹤采樣電壓的相位并實(shí)時(shí)獲取采樣電壓的相位e，并將相位9分別傳送給網(wǎng)側(cè)電壓變換器和三相電流變換器。電流發(fā)生器根據(jù)給定的有功功率Pref、無(wú)功功率Qref、Vd、Vq以及變壓器低壓側(cè)與高壓側(cè)之變比K，獲取外環(huán)電流控制所需的參考電流idMf和i_f，并將所述參考電流idMf和i_f分別傳送給第一比例積分控制器和第二比例積分控制器。電流互感器連接在電網(wǎng)的PCS逆變器的輸出側(cè)，用于采集三相電流ia、ib、i。。三相電流變換器連接在電流互感器的輸出端，用于對(duì)三相采樣電流ia、ib、i。進(jìn)行abc/dq變換，獲得采樣電流的d軸分量id和q軸分量i,，并將所述d軸分量id和q軸分量i,分別傳送給第一比例積分控制器和第二比例積分控制器。第一比例積分控制器和第二比例積分控制器根據(jù)參考電流idref和ivef、id、iq計(jì)算獲得參量Vdr和Vqr，然后將參量Vdr和Vqr傳送給坐標(biāo)變換器。坐標(biāo)變換器為dq/a 3變換器，用于把兩個(gè)直流分量d、q轉(zhuǎn)變成兩個(gè)同步旋轉(zhuǎn)交流分量a和3，坐標(biāo)變換器將Vdr和Vqr轉(zhuǎn)換為參量V a和后發(fā)送給SVPWM發(fā)生器，作為SVPWM發(fā)生器的輸入信號(hào)，SVPWM采用常規(guī)的兩電平七段式方式，最終產(chǎn)生控制電網(wǎng)的功率開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PCS有功無(wú)功的解耦控制。坐標(biāo)變換器的坐標(biāo)變換過(guò)程中需使用的相位是鎖相環(huán)PLL獲取的變壓器高壓側(cè)電壓相位信息0。PCS有功無(wú)功控制方法，包括如下步驟:步驟1:模型降階；LCR-T型PCS是指含有LCR濾波器和隔離型變壓的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。一般情況下，其模型對(duì)應(yīng)為5階模型，控制相對(duì)復(fù)雜。模 型降階的數(shù)學(xué)本質(zhì)是:將LCR-T型PCS傳遞函數(shù)進(jìn)行零極點(diǎn)對(duì)消；物理本質(zhì)是:在低頻信號(hào)下，忽略濾波電容支路和激磁電感支路，并利用等效電感來(lái)代替原阻抗網(wǎng)絡(luò)，即將濾波器電感與隔離變壓器原副邊電感之和等效為ー個(gè)總電感，便于簡(jiǎn)化控制且能獲得良好的控制效果。但在控制過(guò)程中仍需考慮隔離變壓器引起的電壓電流數(shù)值變化以及電壓電流相移等特征。步驟2:采集電氣參數(shù)；電壓采樣:利用電壓互感器實(shí)時(shí)采集隔離變壓器高壓側(cè)的三相電壓Va、Vb和Vc ；電流采樣:利用電流互感器實(shí)時(shí)采集PCS逆變器輸出側(cè)的三相電流ia、ib、i。。由網(wǎng)側(cè)電壓變換器對(duì)三相電壓Va、Vb和Vc進(jìn)行abc/dq變換，獲得采樣電壓的d軸分量Vd和q軸分量Vq，并將Vd、Vq傳送給電流發(fā)生器。三相電流變換器連接在電流互感器的輸出端，用于對(duì)三相采樣電流ia、ib、i。進(jìn)行abc/dq變換，獲得采樣電流的d軸分量id和q軸分量i,，并將所述d軸分量id和q軸分量i,分別傳送給第一比例積分控制器和第ニ比例積分控制器。步驟3:獲取采樣電壓的相位e，并將相位e分別發(fā)送給網(wǎng)側(cè)電壓變換器和三相電流變換器；利用鎖相環(huán)PLL，跟蹤變壓器高壓側(cè)電壓相位，實(shí)時(shí)獲取變壓器高壓側(cè)電壓相位信息e，用于高壓側(cè)三相電壓的坐標(biāo)變換中。根據(jù)變壓器低壓側(cè)和高壓側(cè)的連接方式，可得到電壓相移小，進(jìn)而求得低壓側(cè)電壓相位信息6，用于PCS輸出側(cè)的三相電流坐標(biāo)變換中。例如，變壓器為A/Yn連接，則￠ = Ji/6，6 = 0-￠=0-Ji/6。鎖相環(huán)PLL將0直接發(fā)送給網(wǎng)側(cè)電壓變換器，通過(guò)e獲得將低壓側(cè)電壓相位信息6，將6傳送給三相電流變換器。步驟4:對(duì)三相采樣電壓Va、Vb、Vc和三相采樣電流ia、ib、i。進(jìn)行坐標(biāo)變換，將交流分量a、b和c變換為直流分量d和q，得到采樣電壓Va、Vb、Vc的d軸分量Vd和q軸分量Vq和采樣電流ia、ib、i。的d軸分量id和q軸分量；對(duì)三相電壓和三相電流進(jìn)行abc到dq坐標(biāo)變換，把三個(gè)交流分量a、b、c轉(zhuǎn)變成兩個(gè)直流分量d、q,該變換滿(mǎn)足如下式(I)數(shù)學(xué)關(guān)系:
權(quán)利要求
1.PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)，其特征是，包括電流發(fā)生器、鎖相環(huán)、網(wǎng)側(cè)電壓變換器、三相電流變換器、電壓互感器、電流互感器、第一比例積分控制器、第二比例積分控制器、坐標(biāo)變換器和SVPWM發(fā)生器； 所述電壓互感器連接在電網(wǎng)的隔離變壓器的高壓側(cè)，所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器和鎖相環(huán)均與所述電壓互感器相連接；所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器和鎖相環(huán)之間也相互連接； 所述電流互感器連接在電網(wǎng)的PCS逆變器的輸出側(cè)，所述三相電流變換器與所述電流互感器相連接；所述三相電流變換器與鎖相環(huán)之間也相互連接； 所述電流發(fā)生器的輸入端與所述網(wǎng)側(cè)電壓變換器的輸出端相連接；所述電流發(fā)生器的兩個(gè)輸出端分別通過(guò)第一比例積分控制器和第二比例積分控制器與坐標(biāo)變換器相連接，所述三相電流變換器的兩個(gè)輸出端也分別通過(guò)第一比例積分控制器和第二比例積分控制器與坐標(biāo)變換器相連接。
所述坐標(biāo)變換器的輸出端與所述SVPWM發(fā)生器相連接；所述SVPWM發(fā)生器的輸出端與電網(wǎng)的功率開(kāi)關(guān)管相連接；所述坐標(biāo)變換器還與所述鎖相環(huán)相連接。
2.PCS有功無(wú)功控制方法，其特征是，包括如下步驟: 步驟1:模型降階； 步驟2:采集電氣參數(shù)；電壓采樣:利用電壓互感器實(shí)時(shí)采集隔離變壓器高壓側(cè)的三相電壓Va、Vb和Vc ；電流采樣:利用電流互感器實(shí)時(shí)采集PCS逆變器輸出側(cè)的三相電流ia、lb、 Ic 步驟3:獲取采樣電壓的相位0，并將相位e分別發(fā)送給網(wǎng)側(cè)電壓變換器和三相電流變換器； 步驟4:對(duì)三相采樣電壓Va、Vb、Vc和三相采樣電流ia、ib、i。進(jìn)行坐標(biāo)變換，將交流分量a、b和c變換為直流分量d和q，得到采樣電壓Va、Vb、Vc的d軸分量Vd和q軸分量Vq和采樣電流ia、ib、i。的d軸分量id和q軸分量； 步驟5:產(chǎn)生參考電流；根據(jù)給定的有功功率Pref、無(wú)功功率Qref、Vd、Vq以及變壓器低壓側(cè)與高壓側(cè)之變比K，獲取外環(huán)電流控制所需的參考電流idMf和i_f ； 步驟6:外環(huán)電流控制；將步驟5中獲得的idMf減去步驟4中獲得的id后獲得的差值輸入至第一比例積分控制器，由第一比例積分控制器輸出參量Vdr ;將步驟5中獲得的減去步驟4中獲得的i,后獲得的差值輸入至第二比例積分控制器，由第二比例積分控制器輸出參量Vqr。
步驟7:dq到a ^坐標(biāo)變換；將步驟6中獲得參量Vdr和Vqr進(jìn)行dq到a ^坐標(biāo)變換，把兩個(gè)直流分量d、q轉(zhuǎn)變成兩個(gè)同步旋轉(zhuǎn)交流分量a、0，獲得參量V a和V 3 ; 步驟8:SVPWM信號(hào)調(diào)制；將步驟7中獲得的V a和VP作為SVPWM發(fā)生器的輸入信號(hào)，由SVPWM發(fā)生器最終產(chǎn)生控制電網(wǎng)的功率開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及控制方法，包括電流發(fā)生器、鎖相環(huán)、網(wǎng)側(cè)電壓變換器、三相電流變換器、電壓互感器、電流互感器、兩個(gè)比例積分控制器、坐標(biāo)變換器和SVPWM發(fā)生器，通過(guò)上述組件產(chǎn)生控制電網(wǎng)的功率開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PCS有功無(wú)功的解耦控制。控制方法包括模型降階、坐標(biāo)變換、電流外環(huán)控制以及SVPWM調(diào)制等步驟。本發(fā)明的PCS有功無(wú)功控制系統(tǒng)及控制方法，具有使PCS穩(wěn)定輸出或者吸收指定的有功功率和無(wú)功功率、實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J3/18GK103107548SQ201310067990
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者王斌, 趙豐富, 陳曉東, 鄭鳳英, 馬玉, 程蘭芳, 程建洲, 鄭天文, 崔文琦, 王捷 申請(qǐng)人:安徽省電力公司宣城供電公司, 北京華騰開(kāi)元電氣有限公司