本發(fā)明屬于電壓源逆變器控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種虛擬同步坐標(biāo)系電流解耦的電壓源逆變器控制方法。
背景技術(shù)：
：目前，電壓源逆變器，作為可再生能源分布式發(fā)電接入電網(wǎng)的關(guān)鍵接口設(shè)備，由于其效率高、成本低、便于集成等優(yōu)勢，在可再生能源分布式發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與大量的應(yīng)用。根據(jù)國務(wù)院發(fā)布的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，我國按照“自用為主、富余上網(wǎng)、因地制宜、有序推進(jìn)”的基本原則，積極推動分布式可再生能源向前發(fā)展，計(jì)劃到2015年底，分布式光伏發(fā)電單元安裝容量為1000萬千瓦，建成100個(gè)以分布式可再生能源應(yīng)用為主的新能源示范城市。現(xiàn)階段，電壓源逆變器最常用的控制技術(shù)為矢量控制(vectorcontrol,VC)。矢量控制技術(shù)。其基本特征是采用電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)功率指令計(jì)算相應(yīng)的有功、無功電流指令，并通過線性PI調(diào)節(jié)器對有功、無功電流誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于電壓源逆變器矢量控制系統(tǒng)而言，基于電網(wǎng)電壓矢量定向的矢量控制方案，由于其結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便，因而得到了大量的應(yīng)用。其中，J.W.Choi,S.K.Sul在標(biāo)題為“FastCurrentControllerinThree-PhaseAC/DCBoostConverterUsingd-qAxisCrossCoupling(IEEETransactionsonPowerElectronics,1998,19(1):179-185)”的文獻(xiàn)中，討論了基于電網(wǎng)電壓矢量定向的電壓源逆變器控制方案，其核心內(nèi)容可概括為：采用鎖相環(huán)檢測電網(wǎng)電壓矢量的相位角，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，結(jié)合電網(wǎng)電壓矢量的相位角對三相電壓、三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，以獲取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電壓、電流的dq軸分量，根據(jù)有功、無功指令并利用電壓的dq軸分量計(jì)算逆變器輸出電流的dq軸指令，并分別由輸出電流的dq軸誤差信號經(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(shí)際控制開關(guān)管所需的開關(guān)信號，實(shí)現(xiàn)對電壓源逆變器的控制。具體原理如圖1所示，并可描述為：利用一組(3個(gè))霍爾電壓傳感器2采集三相電網(wǎng)電壓Ugabc，利用一組(3個(gè))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，并結(jié)合有功、無功指令PRef、QRef經(jīng)過電流指令計(jì)算模塊8，可得輸出電流dq軸指令igdRef、igqRef；然后，在與逆變器輸出電流Igdq比較獲得相應(yīng)的誤差信號Δigd和Δigq，在正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分別對誤差信號做比例-積分調(diào)節(jié)(模塊9)，并經(jīng)過解耦補(bǔ)償計(jì)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)電壓源逆變器4的開關(guān)信號Sa、Sb、Sc，實(shí)現(xiàn)對電壓源逆變器自身運(yùn)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)電壓的相位角，作為Park變換的角度依據(jù)。根據(jù)上述分析可知，既有的電壓源逆變器矢量控制方法的本質(zhì)是根據(jù)鎖相環(huán)獲得的相位角信息，在正轉(zhuǎn)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、無功電流進(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)，而為快速、準(zhǔn)確的檢測實(shí)時(shí)相角信息，需對鎖相環(huán)進(jìn)行一定的改進(jìn)，這也增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與計(jì)算負(fù)擔(dān)。技術(shù)實(shí)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)明提供了一種在虛擬同步坐標(biāo)系電流解耦的電壓源逆變器控制方法，無需檢測電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)相位角、頻率信息，計(jì)算簡單，實(shí)現(xiàn)便捷。具體而言，本發(fā)明提供了一種基于虛擬同步坐標(biāo)系電流解耦的電壓源逆變器控制方法，包括如下步驟：步驟(1)采集電壓源逆變器的三相電網(wǎng)電壓、三相輸出電流；通過對所述的三相電網(wǎng)電壓和三相輸出電流進(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；步驟(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；步驟(3)根據(jù)所述的電網(wǎng)電壓矢量Ugdq和有功、無功功率指令PgRef、QgRef，利用瞬時(shí)功率理論，計(jì)算在虛擬同步坐標(biāo)系中逆變器dq軸電流指令igdRef、igqRef；步驟(4)結(jié)合在虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的實(shí)際輸出電流矢量Igdq，通過誤差調(diào)節(jié)解耦補(bǔ)償算法計(jì)算得到虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq；步驟(5)根據(jù)虛擬相位角θ對電壓源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)系下的電壓源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信號以對電壓源逆變器進(jìn)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(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。特別的，所述的步驟(3)中根據(jù)以下算式計(jì)算電壓源逆變器的dq軸電流指令igdRef、igqRef：igdRef=0.667(ugdPgRef+ugqQgRef)/Ug2]]>igqRef=0.667(ugqPgRef-ugdQgRef)/Ug2]]>Ug=ugd2+ugq2]]>其中：PgRef和QgRef分別為給定的逆變器有功功率參考值、無功功率參考值，ugd和ugq分別為電網(wǎng)電壓矢量Ugdq的d軸分量和q軸分量，Ug為電網(wǎng)電壓矢量Ugdq的幅值；計(jì)算PgRef值，PgRef>0表示電壓源逆變器向電網(wǎng)輸出有功功率，PgRef<0表示電壓源逆變器從電網(wǎng)吸收有功功率；計(jì)算QgRef值，QgRef>0表示電壓源逆變器提供容性無功功率，QgRef<0表示電壓源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(jì)算電壓源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)電流指令igdref和igqref分別減去逆變器輸出電流dq軸分量igd、igq，對應(yīng)得到電流誤差信號Δigd和Δigq；然后，對電流誤差信號Δigd和Δigq進(jìn)行PI調(diào)節(jié)與計(jì)算，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)系下的電壓源逆變器交流輸出電壓指令Vgdq。進(jìn)一步的，根據(jù)以下算式對電流誤差信號Δigd和Δigq進(jìn)行PI調(diào)節(jié)：v'gd＝CPI(s)Δigdv'gq＝CPI(s)ΔigqCPI(s)=Kp+Kis]]>其中：v′gd和v′gq分別為PI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Vgdq進(jìn)進(jìn)行計(jì)算解耦補(bǔ)償：Vgdq=vgdvgq=v′gdv′gq+{ugdugq+Rgigdigq+ωLg-igqigd}]]>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PI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(wǎng)側(cè)進(jìn)線電感值，ω＝100π。進(jìn)一步的，所述的步驟(5)中根據(jù)以下算式對電壓源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(fā)明消除了電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)，簡化了電壓源逆變器的控制設(shè)計(jì)，并降低了系統(tǒng)計(jì)算負(fù)擔(dān)與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。本發(fā)明亦可作為既有數(shù)學(xué)模型在相位檢測不準(zhǔn)確條件下的有效補(bǔ)充，此外，可廣泛應(yīng)用于可再生能源分布式發(fā)電的電力電子接口設(shè)備控制系統(tǒng)。附圖說明圖1為常規(guī)電壓源逆變器基于電網(wǎng)電壓矢量定向的控制流程示意圖。圖2為本發(fā)明電壓源逆變器控制方法的流程示意圖。圖3為采用本發(fā)明控制方法在正常電網(wǎng)頻率(50Hz)下電壓源逆變器運(yùn)行的仿真波形圖。圖4為采用本發(fā)明控制方法在非正常電網(wǎng)頻率(47Hz，-6％)下電壓源逆變器運(yùn)行的仿真波形圖。具體實(shí)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(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)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(cè)電壓為600V；圖2給出了虛擬同步坐標(biāo)系電流解耦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(gè))電壓霍爾傳感器2采集電壓源逆變器的三相電網(wǎng)電壓uga～ugc，利用一組(3個(gè))電流霍爾傳感器3分別采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(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)利用電流指令計(jì)算模塊8，根據(jù)以下算式計(jì)算電壓源逆變器的dq軸電流指令igdRef、igqRef：igdRef=0.667(ugdPgRef+ugqQgRef)/Ug2]]>igqRef=0.667(ugqPgRef-ugdQgRef)/Ug2]]>Ug=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，ugd和ugq分別為電網(wǎng)電壓矢量Ugdq的d軸分量和q軸分量，Ug為電網(wǎng)電壓矢量Ugdq的幅值，PgRef>0表示電壓源逆變器向電網(wǎng)輸出有功功率，PgRef<0表示電壓源逆變器從電網(wǎng)吸收有功功率，Qg>0表示電壓源逆變器提供容性無功功率(超前)，Qg<0表示電壓源逆變器提供感性無功功率(滯后)。然后，與逆變器輸出的電流dq分量比較得出相應(yīng)的誤差，并利用模塊9對其比例-積分調(diào)節(jié)，最后經(jīng)過解耦補(bǔ)償模塊10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；Vgdq=CPI(s)00CPI(s)ΔigdΔigq+{ugdugq+Rgigdigq+ωLg-igqigd}]]>GPI(s)=Kp+Kis]]>Δigd＝igdRef-igdΔigq＝igqRef-igqUg=ugd2+ugq2]]>其中：igdref和igqref分別為逆變器有功電流、無功電流指令，Rg、Lg分別為逆變器進(jìn)線電感等效電阻、電感；本實(shí)施方式中Lg＝2mH，Rg＝0.1ohm，Kp＝5，Ki＝10。根據(jù)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(jìn)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。最后，根據(jù)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SVM技術(shù)構(gòu)造得到一組PWM信號Sa～Sc以對電壓源逆變器1進(jìn)行控制。圖3為所發(fā)明的在虛擬同步坐標(biāo)系電流解耦的電壓源逆變器控制方法仿真結(jié)果，其中有功功率在0.05s時(shí)下降為5kW、0.25s時(shí)增加到7kWpu，而無功功率在0.15s時(shí)階躍為4kVar(容性)，在0.35s時(shí)階躍為2kVar(容性)。從圖中可見，本實(shí)施方式可確保電壓源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(yùn)行的穩(wěn)定。圖4為在非理想電網(wǎng)頻率(47Hz，-6％)條件下，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?？梢姡趯?shí)際電網(wǎng)頻率與虛擬電網(wǎng)頻率(50Hz)存在偏差時(shí)，逆變器輸出電流在虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)為3Hz低頻交流分量的形式。由于PI調(diào)節(jié)器仍可對著一類低頻交流分量提供足夠的幅值增益，故PI調(diào)節(jié)器可以用來調(diào)節(jié)這一類低頻交流分量。因此，與圖3相對比沒有明顯區(qū)別，故采用本實(shí)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(shí)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)明所提出的在虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓源逆變器控制方案，可消除以檢測電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)矢量相位和頻率為目標(biāo)的鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，同時(shí)該控制方案對于頻率偏差具有明顯的自適應(yīng)能力，此外該控制方案亦可作為基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案在電壓相位與頻率檢測存在偏差條件下的補(bǔ)充與拓展。盡管已經(jīng)結(jié)合相關(guān)實(shí)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(shí)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