专利名称：一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法
技术领域：
本发明涉及电压源变换器的控制方法，特别是一种并网三相电压源变换器 的不对称直接功率控制方法。
背景技术：
三相电压源变换器(vsc)以其功率可双向流动、电流正弦度高、功率因
素及直流母线电压可调等优点，在工业生产中得到了广泛的应用，特别是在分 布式能源并网、高压直流输电、伺服电机驱动等领域应用极为普遍。目前对
vsc的控制大多停留在理想电网条件下，但是由于实际电网中经常有各类对
称、不对称故障发生，而且在电网故障下vsc的一些优点很难实现，因此必
须开展电网故障下的运行控制研究并提出相应控制技术。相较于对称电网故
障，电网不对称故障更为频繁、几率更大，若在vsc的控制系统中未曾考虑
电网电压的不对称，则很小的不对称电压将造成从电网输入的有功、无功功率 发生振荡，进而引起直流母线电压的剧烈波动，影响到供给负载的电能质量以 及直流母线电容的寿命和安全。在分布式能源特别是风力发电领域，电网规范
从电网安全角度出发要求风电机组能承受最大达2%的稳态和相对较大瞬态不
对称电压而不退出电网，以防引发后续的更大电网故障。这就要求作为风电机
组重要组成部分的vsc能在一定程度的不对称电网电压故障下具有持续运行
的能力。目前，国内、外已经兴起了对这种不对称电网电压条件下vsc控制 方法与实施方案的研究。检索到vsc不对称电网条件下运行控制的相关文献
有
I. 何鸣明，贺益泉潘再平，"不对称电网故障下PWM整流器的控制"，电 力系统及其自动化学报，2007,19 (4): 13-17.
II. Song, H.S., Nam, K., "Dual current control scheme for PWM converter under unbalanced input voltage conditions," !Tra肌/wd ￡7ec/row.， vol. 46, no. 5， pp. 953-959， 1999.
III. Yongsug, S.， Lipo, T.A., "Control scheme in hybrid synchronous stationary frame for PWM AC/DC converter under generalized unbalanced operating conditions," 7V狐M柳/" vol. 42， no. 3， pp. 825-835, 2006.
IV. Etxeberria-Otadui， I.， Viscarret， U., Caballero, M.， Rufer, A., Bacha, S., "New optimized PWM VSC control structures and strategies under unbalancedvoltage transients,"腿五7>鍾.嵐五/ec加w., vol. 54, no. 5, pp. 2902-2914， 2007.
V. Yin, B., Oruganti, R.， Panda, S.K.， Bhat， A.K.S.， "An output-power-control strategy for a three-phase PWM rectifier under unbalanced supply conditions," Trara. 五/e"raw., vol. 55， no. 5, pp. 2140-2151, 2008.
不对称电网电压条件下，上述文献提出的方法都是基于对称分量理论的矢 量控制方法。这些方法的核心思想是将VSC电流分解为正序和负序分量，通 过分别控制VSC电流的正序和负序分量来控制VSC的输出功率，其原理可用 图1来说明。由IGBT开关管组成的三相全桥整流电路1通过三相滤波电感5 连接到三相电源，整流电路的输出端连接到直流母线电容2。两个比例积分调 节器17-2和17-3分别对VSC的正、负序电流作独立控制；但为实现对正、负 序VSC电流的分别调节，必须首先获得VSC反馈电流的正、负序分量，其处 理过程是利用三相电压霍尔传感器6和三相电流霍尔传感器7分别采集电网 三相电压C/^和VSC的三相电流4^;采集得到的三相电网电压信号J7^和 VSC电流信号/^分别经过静止三相到二相坐标变换模块8，得到包含正、负 序分量的电网电压综合矢量^一和VSC电流综合矢量/^; l/^与/^分别通过 正、反转同步速旋转坐标变换模块16、 13，得到在电网电压不对称条件下正、 反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2^交流量之和的电压、电流综 合矢量C/"、 C^和/;、；；然后采用2^频率陷波器21 (或低通滤波器、1/4 电网电压基波周期延时等方法)来滤除t/;、 t^， /"、 中2^频率的交流 成分，从而获得其正、负序分量C^+、利用单相霍尔电压 传感器3采集直流母线电压信号^ ， VSC的输入参考有功信号《通过PI调节 器17-1对直流母线参考电压与实际电压的误差进行调节得到；利用t/; 、 t;以 及VSC的输入参考有功、无功功率信号P:、《，根据电网电压不对称条件下 VSC不同的控制目标由VSC电流指令值计算模块22计算获得VSC的参考电 流指令《+、《_，并与VSC反馈电流信号/;、；—比较获得电流误差信号， 然后分别在正、反转同歩速旋转坐标系中采用比例积分器17-2和17-3对误差 信号作比例-积分调节，调节得到的信号经反馈补偿解耦模块23补偿解耦获得 正、反转同步速旋转坐标系中的正、负序VSC输出电压参考值tc+、 f/J;， 分别通过反、正转同步速旋转坐标变换模块13、 16转换得到定子坐标系中的 正、负序转子电压参考值1/;+ 、 ，并相加后得到空间矢量脉宽调制SVPWM 模块14的参考信号t/;，经过SVPWM模块14调制获得VSC的开关信号 以控制VSC运行，实现不对称电网电压条件下VSC正、负序电流在正、反转同步旋转坐标系中的独立闭环控制，达到所要求的控制目标。此外，该方
法采用软件锁相环24对电网电压的频率和相位进行检测，在检测过程中，同 样需要对三相电网电压进行正、负序分解，从而引入一定的检测误差。
由上述分析过程可见，电网电压不对称条件下VSC传统控制方法的实质 是将不对称系统分解成正、负序对称分量系统后，再分别在正、反转同步旋转 坐标系中实现正、负序d、 q轴的解耦控制。虽然VSC正、负序电流在正、反 转同步旋转坐标系中各自表现为直流量，分别采用两个PI调节器即可实现无 静差独立跟踪控制，但控制实施的前提是己实现对釆集电流的正、负序分离。 图l所示传统控制方法中正、负序分离普遍采用了2化频率陷波器16 (或低通 滤波器、1/4电网电压基波周期延时等方法)，分离中除引入延时外，控制系统 带宽将受到影响，会造成动态跟踪误差，动态控制效果不理想。更有甚者，该 方法无法区分电网电压是否对称，如果VSC运行在严格电网电压平衡状态下， 控制系统仍将采用陷波器来分离电压、电流信号，这将给系统正常控制带来不 必要的延时，严重影响了系统的动态控制性能。此外，由于传统VSC控制方 法仅有电流的正序d、 q轴分量和负序d、 q轴分量四个可控量，因此只能在控 制VSC输入有功、无功功率平均值之外，再有选择地控制有功或者无功功率 中的二倍频振荡，而不能同时控制有功、无功功率中的二倍频振荡，更难以消 除直流母线电压中的二倍频波动。
综上所述，亟需探索一种无需正负序分解、又能消除电网电压不对称引起 的VSC直流母线电压波动的控制方法，以适应电网对称与不对称条件下VSC 的运行控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种并网三相电压源变换器vsc的不对称直接功率
控制方法，该方法无需进行任何正、负序分解，免除了由正、负序分解操作而 引入控制延时，并且能消除电网电压不对称引起的无功功率与直流母线电压波
动，从而有效提高vsc在电网电压故障条件下的运行控制性能，确保供电电能 质量和vsc的运行稳定性及安全。
本发明的技术解决方案，并网三相电压源变换器vsc的不对称直接功率控
制方法，包括以下步骤
(i)利用单相电压霍尔传感器采集直流母线电容两端的直流母线电压信
号^;利用三相电压霍尔传感器采集电网三相电压信号t^e，利用三相电流霍 尔传感器采集三相电压源变换器VSC输入的流过滤波电感的三相电流信号
6(ii) 利用不对称锁相环检测三相电网电压信号仏^的角频率信号化和相
位信号《；
(iii) 将采集得到的电网三相电压信号仏^和VSCC输入三相电流信号 经过静止三相到二相坐标变换模块，得到静止坐标系中包含正、负序分量的电 网电压综合矢量t/^和VSC输出电流综合矢量/^ ;
(iv) 将得到的静止坐标系中定子电压综合矢量r^、 VSC电流综合矢量 j一经过VSC有功、无功功率计算模块得到VSC从电网输入的瞬时有功功率信 号^和无功功率信号0";
(v) 将直流母线电压参考信号《与采集得到的直流母线电压信号^经过 减法器计算得到直流母线电压误差信号，利用比例积分-谐振调节器对"到的 误差信号作比例-积分-谐振调节，调节器输出得到VSC有功功率参考信号《；
(vi) 将VSC输入的有功功率信号&和无功功率信号仏与其参考有功功
率信号《和无功功率信号Gi:经过减法器计算得到VSC输入有功误差信号A^ 和无功功率误差信号A&;
(vii) 将得到的有功功率误差信号《和无功功率误差信号A込通过比例 谐振调节器作比例-谐振调节；调节后的输出信号以及三相电网电压的角频率 信号化经过反馈补偿解耦模块实现同步速旋转坐标系中交-直轴间的交叉解耦 和动态反馈补偿，获取同步速旋转坐标系中的VSC输出电压信号CC,;
(viii) VSC输出电压信号f/;经过输出电压限幅模块，得到VSC输出电
压参考信号ic;;
(ix) 利用反向同步速旋转坐标变换模块和三相电网电压相位信号《对 VSC输出的电压参考信号t/:进行坐标变换，获得脉宽调制模块调制所需的静 止坐标系中VSC输出电压参考信号CA;，该信号经过空间矢量脉宽调制后获得 控审ljVSC运行的开关信号&，&,&，控制三相全桥整流电路中IGBT开关管的开 通与关断；
上述的不对称锁相环检测三相电网电压信号l/^的角频率信号^和相位 信号《，步骤如下 '
(i) 利用反馈相位信号《对三相定子电压信号进行正向同步速旋转坐 标变换，得到正转坐标系中含有直流量与两倍频2^交流量之和的电压综合矢
(ii) 将得到的正转坐标系中电压综合矢量C^的g轴分量R,经过比例积分调节器得到三相定子电压正序分量的频率^;
(iii) 将得到的频率信号^经过积分器积分得到电压正序分量的相位信号
《；
(iv) C^经过两倍频2^谐振调节器调节后的输出信号与电压正序分量的 相位信号《相加，得到反馈相位信号《。
本发明提出的控制方法比传统的正、负序双d、 q解耦控制方法大为简化, 消除了电流内环控制环节，同时比例谐振调节器可直接对有功、无功功率的平 均值和二倍频振荡分量实施控制，无需进行正、负序分解，因此不会引入分解 延时，有效提高VSC电网故障下的稳态和动态控制能力。
本发明方法适用于除VSC之外的其他采用高频开关自关断器件构成的各类 形式PWM控制的三相或单相逆变装置在平衡与不对称电网电压条件下的有效 控制，如太阳能、燃料电池发电系统的并网逆变装置，柔性输电系统的电力电 子逆变装置即以电力调速传动中的双馈电动机或发电机变流装置的有效控制。
图l是不对称电网电压条件下三相电压源变换器的传统控制方法的原理图。
图2是本发明的并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法的原理图。
图3是三相电压源变换器的结构图。
图4为电网电压瞬态不对称条件下的仿真效果图，图(A)为未采用本发明 方法，图(B)采用本发明方法。图(A)和图(B)中，(a)电网三相电压(V);
(b) VSC输入三相电流(A); (c) VSC输入有功功率参考信号(W); (d) VSC 输入有功功率(W); (e) VSC输入无功功率(Var) (f)直流母线电压(V)。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图2是本发明提出的一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方 法。以一台3kWVSC为例，VSC的结构如图3所示，包括电网电源25、线路电 阻26、滤波电感5、 IGBT开关管28组成的三相全桥整流电路、直流母线电容2 和负载电阻27。并网三相电压源变换器VSC的不对称直接功率控制方法，包括 以下步骤
(i)利用单相电压霍尔传感器3采集直流母线电容2两端的直流母线电 压信号^;利用三相电压霍尔传感器6采集电网三相电压信号l/^，利用三相电流霍尔传感器7采集三相电压源变换器VSC输入的流过滤波电感5的三相 电流信号/*;
(ii)利用不对称锁相环20检测三相电网电压信号仏^的角频率信号w,和 相位信号《；
(m)将采集得到的电网三相电压信号和VSC三相输出电流信号 经过静止三相到二相坐标变换模块8，得到静止坐标系中包含正、负序分量的 电网电压综合矢量t/一和VSC输入电流综合矢量/一；以电网三相电压为例，静 止三相到二相坐标变换如下式表达
(iv)将得到的静止坐标系中定子电压综合矢量r一、 VSC电流综合矢量 / ,经过VSC有功、无功功率计算模块9得到VSC从电网输入的瞬时有功功率信 号^和无功功率信号仏；其计算方法如下式表达
(v)将直流母线电压参考信号与采集得到的直流母线电压信号r&经过 减法器计算得到直流母线电压误差信号，利用比例积分-谐振调节器15对得到 的误差信号作比例-积分-谐振调节，调节器输出得到VSC有功功率参考信号《； 其计算方法如下式表达
其中比例积分-谐振调节器的频域表达式C^W为
其中，、,K分别为比例、积分、谐振调节器的系数。 (vi)将VSC输入的有功功率信号4和无功功率信号0"与其参考有功功
率信号《和无功功率信号o:经过减法器计算得到VSC输入有功误差信号A/L
和无功功率误差信号A0";
(viO将得到的有功功率误差信号和无功功率误差信号通过比例 谐振调节器10作比例-谐振调节；调节后的输出信号以及三相电网电压的角频 率信号化经过反馈补偿解耦模块11实现同步速旋转坐标系中交-直轴间的交叉 解耦和动态反馈补偿，获取同步速旋转坐标系中的VSC输出电压信号r二 ； t^。
《=。)(《-。可用下式表达
"二
52 +2fflcls + (2<ys):
+ 2" + (2<HS):
其中比例-谐振调节器的频域表达式Cra W为
d。 )一Mp
、i^/n d力卩 3[/ "
其中，、A分别为比例、谐振调节器的系数。 (viii) VSC输出电压信号t/;经过输出电压限幅模块12，得到VSC输出 电压参考信号tC,;电压限幅可用下式表达
《
^y+, — w cmax
其中，^_为vsc的最大输出电压。
(ix)利用反向同步速旋转坐标变换模块13和三相电网电压相位信号《对
vsc输出的电压参考信号c/:;进行坐标变换，获得脉宽调制模块14调制所需
的静止坐标系中VSC输出电压参考信号t/;，该信号经过空间矢量脉宽调制后 获得控制VSC运行的开关信号S。,&,&，控制三相全桥整流电路1中IGBT开 关管的开通与关断；其中反向同步速旋转坐标变换模块13如下式表达
《
cos《 sin《 —sin^。 cos0
上述的不对称锁相环20检测三相电网电压信号的角频率信号％和相 位信号《，步骤如下
(i)利用反馈相位信号《对三相定子电压信号进行正向同步速旋转坐 标变换16，得到正转坐标系中含有直流量与两倍频2化交流量之和的电压综合 矢量C/^;正转坐标变换如下式表达
《—2cos《sin《
_ _一l-sin《cos《
i」 一丄
2 2
0並洹
2 2 .
(ii)将得到的正转坐标系中电压综合矢量t^的《轴分量f^经过比例积
10分调节器17得到三相定子电压正序分量的频率^ ;
(iii) 将得到的频率信号A经过积分器18积分得到电压正序分量的相位 信号《；
(iv) f^经过两倍频2化谐振调节器19调节后的输出信号与电压正序分量 的相位信号《相加，得到反馈相位信号《。两倍频2化谐振调节器19的频域表 达式为
其中，^为谐振调节器的系数。
参照图4 (A)，若不采用本发明方法，则在电压不对称条件下(0.05-0.15 sec)， VSC的输入有功、无功功率、参考有功功率以及直流母线电压之中都出 现明显的两倍频2化振荡。
参照图4 (B)，采用本发明方法之后，VSC输入无功功率以及直流母线 电压之中的两倍频2化振荡被很快抑制；参考有功功率中出现明显的两倍频2化 振荡，而且实际有功功率对参考有功功率进行了良好的跟踪，实际有功功率中 的两倍频2化振荡用来抵消滤波电抗在电网电压不平衡时消耗的瞬时有功功 率，从而保持直流母线电压的稳定。通过图4 (A)和图4 (B)的对比，可见 采用本发明的并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法之后，实现消 除输入无功功率及直流母线电压波动控制目标。
综上所述，本发明公开的一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控 制方法无需任何正、负序分解，结构简单，动态响应块，稳态性能好；在电网 电压不对称的情况下，可以消除直流母线电压的振荡，避免直流母线电容受到 损坏。本方法可增强电网不对称故障情况下对VSC的控制能力，实现了VSC 在电网不对称故障下的穿越运行。
权利要求
1. 一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法，其特征在于包括以下步骤(i)利用单相电压霍尔传感器(3)采集直流母线电容(2)两端的直流母线电压信号Vdc；利用三相电压霍尔传感器(6)采集电网三相电压信号Usabc，利用三相电流霍尔传感器(7)采集三相电压源变换器VSC输入的流过滤波电感(5)的三相电流信号Isabc；(ii)利用不对称锁相环(20)检测三相电网电压信号Usabc的角频率信号ωs和相位信号θs；(iii)将采集得到的电网三相电压信号Usabc和VSC输入三相电流信号Isabc经过静止三相到二相坐标变换模块(8)，得到静止坐标系中包含正、负序分量的电网电压综合矢量Usαβ和VSC输出电流综合矢量Isαβ；(iv)将得到的静止坐标系中定子电压综合矢量Usαβ、VSC电流综合矢量Isαβ经过VSC有功、无功功率计算模块(9)得到VSC从电网输入的瞬时有功功率信号Pin和无功功率信号Qin；(v)将直流母线电压参考信号与采集得到的直流母线电压信号Vdc经过减法器计算得到直流母线电压误差信号，利用比例积分-谐振调节器(15)对得到的误差信号作比例-积分-谐振调节，调节器输出得到VSC有功功率参考信号(vi)将VSC输入的有功功率信号Pin和无功功率信号Qin与其参考有功功率信号和无功功率信号经过减法器计算得到VSC输入有功误差信号ΔPin和无功功率误差信号ΔQin；(vii)将得到的有功功率误差信号ΔPin和无功功率误差信号ΔQin通过比例谐振调节器(10)作比例-谐振调节；调节后的输出信号以及三相电网电压的角频率信号ωs经过反馈补偿解耦模块(11)实现同步速旋转坐标系中交-直轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取同步速旋转坐标系中的VSC输出电压信号(viii)VSC输出电压信号经过输出电压限幅模块(12)，得到VSC输出电压参考信号(ix)利用反向同步速旋转坐标变换模块(13)和三相电网电压相位信号θs对VSC输出的电压参考信号进行坐标变换，获得脉宽调制模块(14)调制所需的静止坐标系中VSC输出电压参考信号该信号经过空间矢量脉宽调制后获得控制VSC运行的开关信号sa，sb，sc，控制三相全桥整流电路(1)中IGBT开关管的开通与关断。上述的不对称锁相环(20)检测三相电网电压信号Usabc的角频率信号ωs和相位信号θs，步骤如下(i)利用反馈相位信号对三相定子电压信号Usabc进行正向同步速旋转坐标变换(16)，得到正转坐标系中含有直流量与两倍频2ωs交流量之和的电压综合矢量Usdq；(ii)将得到的正转坐标系中电压综合矢量Usdq的q轴分量Usq经过比例积分调节器(17)得到三相定子电压正序分量的频率ωs；(iii)将得到的频率信号ωs经过积分器(18)积分得到电压正序分量的相位信号θs；(iv)Usq经过两倍频2ωs谐振调节器(19)调节后的输出信号与电压正序分量的相位信号θs相加，得到反馈相位信号
全文摘要
本发明公开的并网三相电压源变换器(VSC)的不对称直接功率控制方法。通过采集三相电网电压和VSC的输入电流信号，计算VSC从电网输入的瞬时有功和无功功率，并利用一个比例谐振调节器调节瞬时有功、无功功率与给定有功、无功功率之间的误差信号，调节器的输出信号经过反馈补偿解耦后获得同步速旋转坐标系中的VSC输出参考电压信号，经空间矢量脉宽调制生成控制VSC运行状况的开关信号。本发明方法可消除电网电压不对称引起的直流母线电压和瞬时无功功率的两倍频波动，且无需进行正负序分量的分解，避免引入分解延时和误差，从而可提高电网不对称故障情况下VSC的动态响应和稳态运行能力。
文档编号H02M7/12GK101534065SQ20091009787
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月20日 优先权日2009年4月20日
发明者鹏 周, 丹 孙, 玮 章, 贺益康 申请人:浙江大学