专利名称：无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法
技术领域：
本发明涉及一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，属于电能变换领域。
背景技术：
并网逆变器作为可再生能源发电系统的关键组成部分，其控制性能直接影响并网电能质量和并网效率。现有并网逆变控制策略中，大多采用直接电流控制或电压定向矢量控制等。直接电流控制存在抗电网扰动能力差的问题，电压定向矢量控制则需要大量的旋转坐标变换等控制算法，实现系统复杂，对处理器的性能有较高要求。尤其是，目前采用电压定向矢量控制的逆变器均采用交流电压传感器来检测电压的同步相位角，这虽然能使系统以较高的功率因数运行，但是却使系统体积增大，而且一旦交流电压传感器失效，则造成整个系统逆变失败。直接功率控制(DPC)策略以系统输出功率作为被控量，无需电流环，同时由于有功和无功功率的天然解耦性质，避免了坐标变换等复杂算法，它的控制手段更加直接，使得系统具有更高的可靠性。而基于虚拟磁链的直接功率控制(VF-DPC)方法通过引入虚拟磁链的概念来计算瞬时功率，在省去交流电压传感器的同时，无需计算逆变电流的微分，避免了外部高频干扰的引入；同时方法中积分环节的引入还具有抑制电压、电流谐波干扰的优点。但是传统虚拟磁链观测方法中使用的不定积分环节，在启动时需要知道虚拟磁链的初值，该值若选取不当会使观测结果产生直流漂移，并且虚拟磁链初值的选取不能依赖于电网电压直接获得，因此不能直接应用于工程实际。目前对传统虚拟磁链观测方法的改进采用了惯性环节来取代纯积分，它无需知道虚拟磁链的初值，但它最终的观测结果只是一个近似值，用于直接功率控制时，会产生瞬时功率计算偏差，这会使系统动态性能变坏，逆变效率下降，严重的会使电压、电流相位产生大幅偏离，导致系统无法正常工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，它解决了现有方法由于网侧电压矢量的虚拟磁链观测器中的积分器初始值选取不当，而造成的并网逆变器无法正常工作的问题。
本发明的控制方法为 一、将滤波器连接于并网逆变器的输出端对输出电流进行滤波，将并网逆变器输出端的三相电流值进行三相-两相坐标变换，得到并网逆变器输出端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量iα和iβ；在并网逆变器的输入端并联直流电容，将并网逆变器的控制电压给定值在两相静止坐标系下的分量usα*和usβ*分别与直流电容两端的电压Udc相乘，得到当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ； 二、将一中得到的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ分别通过一个带有积分限幅反馈环节的积分器进行积分处理，分别获得积分结果为ψuα和ψuβ，通过公式计算得出网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量ψα和ψβ，式中L为滤波器的电感值； 三、由瞬时功率计算公式式中ω为网侧交流电压角频率，得到并网逆变器瞬时输出的有功功率p和无功功率q，将所述有功功率p与并网逆变器的有功功率给定值相比较，获得比较结果，将所述无功功率q与并网逆变器的无功功率给定值相比较，获得比较结果，将上述两个比较结果分别通过一个闭环调节器调节后获得两个电压值，将所述两个电压值作为新的并网逆变器控制电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp*和usq*； 四、由公式根据网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量ψα和ψβ计算得出虚拟磁链矢量的向量角θψ，再将所述向量角θψ与三中得到的并网逆变器控制电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp*和usq*经过旋转-静止坐标变换，得到新的并网逆变器的控制电压给定值在两相静止坐标系下的分量usα*和usβ*，将新的usα*和usβ*经过电压空间矢量控制算法计算，获得并网逆变器各个功率器件的控制信号，实现对并网逆变器的直接功率控制。
本发明的优点是 本发明解决了传统方法中存在的因积分器中初始值选取不当而造成系统无法正常工作的问题。它无需检测电网电压，降低了成本，提高了可靠性；无电流控制环，无需计算电流的微分值，算法相对简单，抗干扰能力强；所采用的功率估算方法不依赖于积分器初始值，大幅提高控制性能；同时对并网逆变器的瞬时输出有功功率和无功功率直接控制，动态响应快。
图1是本发明控制方法的信号走向示意图；图2是三相六开关并网逆变器的等效电路图；图3是带有积分限幅反馈环节的积分器的原理图；图4是实施方式二的控制方法信号走向示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的控制方法为 一、将滤波器连接于并网逆变器的输出端对输出电流进行滤波，将并网逆变器输出端的三相电流值进行三相-两相坐标变换，得到并网逆变器输出端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量iα和iβ；在并网逆变器的输入端并联直流电容，将并网逆变器的控制电压给定值在两相静止坐标系下的分量usα*和usβ*分别与直流电容两端的电压Udc相乘，得到当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ； 二、将一中得到的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ分别通过一个带有积分限幅反馈环节的积分器进行积分处理，分别获得积分结果为ψuα和ψuβ，通过公式计算得出网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量ψα和ψβ，式中L为滤波器的电感值； 三、由瞬时功率计算公式式中ω为网侧交流电压角频率，得到并网逆变器瞬时输出的有功功率p和无功功率q，将所述有功功率p与并网逆变器的有功功率给定值相比较，获得比较结果，将所述无功功率q与并网逆变器的无功功率给定值相比较，获得比较结果，将上述两个比较结果分别通过一个闭环调节器调节后获得两个电压值，将所述两个电压值作为新的并网逆变器控制电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp*和usq*； 四、由公式根据网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量ψα和ψβ计算得出虚拟磁链矢量的向量角θψ，再将所述向量角θψ与三中得到的并网逆变器控制电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp*和usq*经过旋转-静止坐标变换，得到新的并网逆变器的控制电压给定值在两相静止坐标系下的分量usα*和usβ*，将新的usα*和usβ*经过电压空间矢量控制算法计算，获得并网逆变器各个功率器件的控制信号，实现对并网逆变器的直接功率控制。
所述并网逆变器输入端的两相电流值ia、ib通过电流传感器检测得到，第三相电流值根据三相电流相加和为零获得。
二中所述的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ分别通过一个带有积分限幅反馈环节的积分器进行积分处理，分别获得积分结果为ψsα和ψsβ，是通过公式计算得到，式中s为复频域中的复参变量，Zα、Zβ为ψuα和ψuβ经过限幅环节后的输出值，Zα、Zβ的初始值均为零。
工作原理 图2所示，为三相六开关无交流电压传感器并网逆变器的主电路图，包括滤波器、半桥逆变器和直流电容。为了取消交流电压传感器，引入虚拟磁链的概念，用于计算瞬时有功功率和无功功率。将图2中逆变器左侧部分等效为一个交流电动机，网侧电压1等效为由虚拟磁链产生。在两相静止坐标系下，定义虚拟磁链矢量
为(公式一)，式中
为网侧电压矢量，(公式二)，uα和uβ为网侧电压矢量在两相静止坐标系下的电压分量，则有(公式三)。
定义网侧输入电流矢量
为(公式四)，式中ia、ib为网侧逆变相电流。并网逆变器的输出电压矢量
为(公式五)，usα和usβ分别为并网逆变器输出电压在两相静止坐标系下的分量。
在两相静止坐标系下，三相并网逆变器的网侧电压矢量在两相静止坐标系下的电压分量的数学模型为(公式六)，将公式六代入公式三，得到(公式七)，则网侧电压矢量为 (公式八)，式中ψ为网侧电压的虚拟磁链幅值。
瞬时有功和无功功率的表达式为(公式九)，式中
为逆变电流的共轭，对于三相平衡系统，dψ/dt＝0，因此将公式二和公式八代入公式九，得到(公式十)，由公式七和公式十可知，通过检测瞬时交流并网逆变电流和并网逆变器输出电压即可计算瞬时功率，无需检测网侧交流电压，并避免了计算电流的微分，同时该算法无需同步旋转坐标变换，简化了算法。
带有积分限幅反馈环节的虚拟磁链观测 由上述分析可知，瞬时功率准确计算的关键是虚拟磁链的观测。公式七是虚拟磁链观测的基础，由于式中含有积分项，如果积分初值选取不当会出现不同程度的直流偏移，观测出来的磁链圆轨迹圆心将不在坐标原点；此外，如果被积分项含有直流量，会导致积分值出现漂移现象，很容易造成积分饱和，进而产生瞬时功率计算偏差。为避免上述问题，本发明方法提出一种改进的虚拟磁链观测器(IVF)，即采用带有积分限幅反馈环节的积分器，如图3所示，来代替纯积分环节。其中usα，usβ由公式五计算获得，图3中限幅环节的限幅值必须合理设置，这里设置为虚拟磁链的幅值ψmax，该值可以通过已知的网侧电压幅值计算获得。两相静止坐标系下，积分器的输出为 式中Zα、Zβ为ψuα、ψuβ经过限幅环节后的输出值； 当积分输出小于限幅值，即则有此时，上式与纯积分环节的结果相同；当积分输出大于限幅值时，则有虚拟磁链观测结果为 瞬时功率的估算与控制 基于改进虚拟磁链观测器的瞬时有功、无功功率由公式估算得到。对并网逆变器的瞬时有功功率和无功功率分别进行闭环控制，有功功率给定值根据并网逆变器的容量人为给定，为使并网逆变器以单位功率因数运行，无功功率给定为零。有功功率和无功功率控制环的调节器均采用比例-积分PI调节器。
逆变器输出电压控制信号的产生 瞬时有功和无功功率控制环调节器的输出usp*和usq*为并网逆变器控制电压给定量在旋转坐标系下的分量，对其进行旋转-静止坐标系的坐标变换，获得新的逆变器控制电压给定值在两相静止坐标系下的分量usα*和usβ*，变换公式为 具体实施方式
二下面结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一中并网逆变器的有功功率和无功功率的给定值的计算进一步说明三中所述的并网逆变器的有功功率给定值p*是通过下述方法获得的将直流电容的输出电压Udc与直流电容的给定电压Udc*比较，然后将获得的比较结果经PI闭环调节器调节，再将PI闭环调节器调节后的输出值与直流电容的输出电压Udc相乘获得到有功功率给定值p*。三中所述的并网逆变器的无功功率给定值为0。
本实施方式采用直流电容电压外环、并网功率内环的双闭环控制结构，其控制方法流程如图4所示，选定并网逆变器的无功功率给定值为0，以保证并网逆变器以单位功率因数运行。
权利要求
1.一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，其特征在于它的控制方法为
一、将滤波器连接于并网逆变器的输出端对输出电流进行滤波，将并网逆变器输出端的三相电流值进行三相-两相坐标变换，得到并网逆变器输出端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量iα和iβ；在并网逆变器的输入端并联直流电容，将并网逆变器的控制电压给定值在两相静止坐标系下的分量usα*和usβ*分别与直流电容两端的电压Udc相乘，得到当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ；
二、将一中得到的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ分别通过一个带有积分限幅反馈环节的积分器进行积分处理，分别获得积分结果为ψuα和ψuβ，通过公式计算得出网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量ψα和ψβ，式中L为滤波器的电感值；
三、由瞬时功率计算公式式中ω为网侧交流电压角频率，得到并网逆变器瞬时输出的有功功率p和无功功率q，将所述有功功率p与并网逆变器的有功功率给定值相比较，获得比较结果，将所述无功功率q与并网逆变器的无功功率给定值相比较，获得比较结果，将上述两个比较结果分别通过一个闭环调节器调节后获得两个电压值，将所述两个电压值作为新的并网逆变器控制电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp*和usq*；
四、由公式根据网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量ψα和ψβ计算得出虚拟磁链矢量的向量角θψ，再将所述向量角θψ与三中得到的并网逆变器控制电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp*和usq*经过旋转-静止坐标变换，得到新的并网逆变器的控制电压给定值在两相静止坐标系下的分量usα*和usβ*，将新的usα*和usβ*经过电压空间矢量控制算法计算，获得并网逆变器各个功率器件的控制信号，实现对并网逆变器的直接功率控制。
2.根据权利要求1所述的无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，其特征在于所述并网逆变器输入端的两相电流值ia、ib通过电流传感器检测得到，第三相电流值根据三相电流相加和为零获得。
3.根据权利要求1所述的无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，其特征在于二中所述的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ分别通过一个带有积分限幅反馈环节的积分器进行积分处理，分别获得积分结果为ψuα和ψuβ，是通过公式计算得到，式中s为复频域中的复参变量，Zα、Zβ为ψuα和ψuβ经过限幅环节后的输出值，Zα、Zβ的初始值均为零。
4.根据权利要求1所述的无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，其特征在于三中所述的并网逆变器的有功功率给定值p*是通过下述方法获得的将直流电容的输出电压Udc与直流电容的给定电压Udc*比较，然后将获得的比较结果经PI闭环调节器调节，再将PI闭环调节器调节后的输出值与直流电容的输出电压Udc相乘获得到有功功率给定值p*。
5.根据权利要求1所述的无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，其特征在于三中所述的并网逆变器的无功功率给定值为0。
全文摘要
无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，属于电能变换领域。它解决了现有方法由于网侧电压矢量的虚拟磁链观测器中的积分器初始值选取不当，而造成的并网逆变器无法正常工作的问题。它首先经过变换得到三相电流值在两相静止坐标系下的分量iα和iβ；再计算获得当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量usα和usβ；再由积分器积分后计算网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量ψα和ψβ；计算并网逆变器的瞬时输出有功功率p和无功功率q，得到新的并网逆变器控制电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp*和usq*；最后获得并网逆变器各个功率器件的控制信号。本发明用于并网逆变器的直接功率控制。
文档编号H02M7/5387GK101771361SQ201010109338
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月11日 优先权日2010年2月11日
发明者吴凤江, 赵克, 孙力, 王有琨 申请人:哈尔滨工业大学