基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法

基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法
【专利摘要】一种基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法。首先利用二阶广义积分器对特定频率交流信号的无差跟随特性构建正交滤波器，然后使用该正交滤波器构建三相并网逆变器的电压观测器，在两相静止坐标系下，以测量得到的电网侧电流信号与逆变器控制器输出桥端电压参考信号作为电压观测器的输入，对电网电压进行观测；并结合三相并网逆变器在两相静止坐标系下的PR控制，实现逆变器在无交流电压传感器条件下的运行控制。该方法能够在保持逆变器控制稳定性的情况下，避免常规无交流电压传感器控制中可能出现的积分饱和、初值敏感、静态误差等问题，具有快速、无静差、对初值不敏感等优势。
【专利说明】基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三相并网逆变器的控制方法。

【背景技术】
[0002] 可再生能源并网发电系统近年来发展迅速，当其接入电网末端或网架结构较为薄 弱的配电网时，可能存在并网点短路容量较小，电网稳定性较差，电网存在较为严重的电压 波动、闪变、对称或不对称电压跌落故障等问题。可再生能源自身的间歇性与随机性有可能 进一步恶化所接入电力系统的电压稳定性，并反过来影响自身的稳定运行。为了实现可再 生能源发电系统的并网功率与电流控制，现有的并网变流器或逆变器中一般采用锁相环得 到电网电压信息，但这类锁相环控制容易受到电网电压波动的影响，容易降低可再生能源 并网发电系统的电能质量。因此，近年来国内外一些研究者开始研究不依赖电网电压信号 的无交流电压传感器控制，以提高逆变器并网控制的鲁棒性。
[0003] 与有电压传感器控制类似，在无电压传感器控制算法中，重构的电压/虚拟磁链 信号可以是显式的，并进行矢量控制；也可以是隐式的，并进行直接功率控制。现有的电网 电压/虚拟磁链重构方法大致可以分为两类，一是基于复功率估计的电网电压/虚拟磁链 重构方法，属于开环估计方法，精确度不高，并且由于含有电流微分项，因而容易引起干扰； 二是基于网侧电流偏差调节的电网电压/虚拟磁链重构方法，属于闭环估计方法，准确度 较闻。
[0004] T. Noguchi 等人在文献 "Direct power control of PWM converter without power-source voltage sensors"中提出了基于无电压传感器的直接功率控制方法，这种 方法首先使用滤波器电感电流及其微分项估算得到交流侧有功无功功率，然后进行电网电 压重构。为了减小微分项引起的误差，这种方法需要较大的电感值与采样频率；另外，当电 流较小时，电压估计精度会受到较大影响。Malinowski等人在文献"Sensorless control strategies for three-phase PWM rectifiers"中提出改用积分运算，观测电网"虚拟磁 链";然而纯积分器方法存在积分饱和与零点漂移等问题，且对初始值较为敏感。
[0005] 专利CN201010109338. 2提出一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制 方法，解决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 造成并网逆变器无法正常工作的问题。专利CN201010207412. 4提出一种无交流电压传感 器高压直流输电变流器的控制方法，通过计算系统虚拟磁链矢量，实现无交流电压传感器 控制。
[0006] 上述文献和专利中所述的无交流电压传感器控制方法通常使用基于磁链观测器 的方案：在同步坐标系下对电流进行积分，从而得到"虚拟磁链"，并间接计算出电网电压角 度。为了减小干扰、提高观测精度，一般需要使用低通滤波器，但低通滤波器本身存在着零 点漂移、积分饱和、稳态误差以及初值敏感等问题；另外在电网电压不对称时，磁链观测与 正负序分离的级联算法增加了延迟时间，降低了系统的动态响应速度。
[0007] 由于二阶广义积分器（Second Order Generalized Integrator，S0GI)能够对特 定频率的交流量进行积分运算，因此常被用来构建静止坐标系下的锁相环，用于单相或三 相电压源型逆变器的并网同步控制。实际上，二阶广义积分器可用来构建一种正交滤波器 (Quadrature Filter, QF)，输出一对正弦的正交信号，并用于电网电压的重构，从而实现无 交流电压传感器控制，其优点是快速、无静差、对初值不敏感，很好地解决了现有无交流电 压传感器控制中存在的问题。另外，利用正交信号还可以同步地实现正负序分离，从而提高 逆变器在不对称电网条件下的动态性能。


【发明内容】

[0008] 本发明的目的是克服现有逆变器无交流电压传感器控制中可能存在的零点漂移、 积分饱和、稳态误差以及初值敏感等问题，提出一种基于正交滤波器的三相并网逆变器无 交流电压传感器控制方法。本发明能够在保持逆变器控制稳定性的情况下，避免常规无交 流电压传感器控制中可能出现的积分饱和等问题，具有快速、无静差、对初值不敏感等优 势。
[0009] 本发明基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法，基于二阶广义积分 器（S0GI)构建正交滤波器，然后基于该正交滤波器构建电网电压观测器，将此电压观测器 应用于三相并网逆变器的控制器中，实现逆变器的无交流电压传感器控制。具体包括以下 步骤：
[0010] 1、构建基于二阶广义积分器（S0GI)的正交滤波器（QF)，该二阶广义积分器包含 了正弦信号的二阶谐振环节，可以对正弦交流量进行"积分"运算，能对特定频率的交流信 号实现无静差跟踪控制。所述的正交滤波器中包括输入输出信号、滤波器增益系数、二阶广 义积分器、输出反馈等部分，其中v为滤波器输入信号，彡和俨为滤波器的输出信号；!)和 浐是一对正交信号，其中f与v同相位，浐比v滞后90°，ω v为待观测交流信号的角频率， k为滤波器增益系数。交流输入信号v进入正交滤波器后，与反馈的输出信号f的偏差，经 过滤波器增益系数k，然后进入二阶广义积分器，二阶广义积分器输出彡和浐。
[0011] 2、基于步骤1所述的正交滤波器构建电压观测器，对交流电网电压进行观测。电 压观测器的输入为i ae和να0，其中iae为测量得到的逆变器交流侧电流在两相静止坐 标系的分量，vae为逆变器控制器输出的桥端控制电压在两相静止坐标系的分量；化_为 电压观测器输出的电网电压在两相静止坐标系的分量。逆变器交流侧电流在两相静止坐标 系的分量ia e和逆变器控制器桥端控制电压在两相静止坐标系的分量Va e分别进入步骤1 所述的正交滤波器，得到输出的b和f、{^和以#，然后基于三相并网逆变器的数学 模型，》+i?》+，推导得到电网电压在两相静止坐标系的分量广 _%」 Lb」LV#」 Ugap。
[0012] 3、将基于步骤1和步骤2的电压观测器应用于三相并网逆变器在α β坐标系下 的PR控制器。该PR控制器包括基于ΡΙ的功率外环和基于PR的电流内环、PWM调制等环 节，其中功率外环包括直流侧电压外环和无功功率外环，分别控制直流侧电压和无功功率， 直流侧电压外环输出逆变器控制的有功参考电流，无功功率外环输出逆变器控制的无功参 考电流；电流内环为α β两相静止坐标系下的PR控制器。电压观测器输出的电网电压在 两相静止坐标系的分量 一方面用于计算得到三相并网逆变器的实际无功功率值，作 为无功功率外环的反馈值；另一方面用于dq坐标系到α β坐标系的坐标变换，将功率外环 ΡΙ控制器输出的dq坐标系下的电流参考值变换为α β坐标系下的电流参考值。从而实现 基于本发明所述方法的三相并网逆变器无交流电压传感器控制。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 图1基于S0GI的正交滤波器（QF)结构图；
[0014] 图2基于正交滤波器的电压观测器结构框图；
[0015] 图3三相并网逆变器无交流电压传感器控制框图；
[0016] 图4仿真分析的逆变器电流环闭环传递函数波特图；
[0017] 图5仿真分析的逆变器无电压传感器控制系统的闭环极点轨迹图，其中图5a为整 体图，图5b为局部放大图。

【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0019] 与常规三相并网逆变器控制方法比较，本发明的无交流电压传感器控制方法不使 用交流电压传感器，而使用基于正交滤波器构建的电压观测器获取电网电压信息，并实现 无交流电压传感器条件下的逆变器运行控制。
[0020] 本发明首先基于二阶广义积分器（S0GI)构建正交滤波器，然后基于该正交滤波 器构建电网电压观测器，将所述的电压观测器应用于三相并网逆变器在两相静止坐标系下 的PR控制器中，实现逆变器的无交流电压传感器控制。
[0021] 所述的电压观测器可以根据三相并网逆变器的模型推导得出，如下式所示：
[0022] , +R , + ⑴ _--β _ dt ?β ^ _ yβ _
[0023] 其中，Ua和1!0、ia和i e、να和分别为电网电压、逆变器交流侧电流和逆变器 桥臂输出电压在两相静止坐标系的分量，L和R分别为逆变器输出侧等效电感和电阻。 [0024] 公式（1)中存在电流的微分项，在一般的计算中容易引入干扰。这也是通常的无 交流电压传感器控制转而采用积分运算，计算电网"虚拟磁链"并间接得到电网电压信息的 原因；但是常规"虚拟磁链"方法存在零点漂移、积分饱和、稳态误差以及初值敏感等问题， 并且动态响应较慢。本发明提出采用一种基于二阶广义积分器的正交滤波器构建电压观测 器，可以较好地解决电流微分运算问题，并能有效降低谐波干扰，且基于该电压观测器实现 的三相并网逆变器无交流电压传感器控制具有较好的动态响应速度。
[0025] 以下详细说明本发明控制方法的实施步骤：
[0026] 步骤（1):首先构建基于二阶广义积分器（S0GI)的正交滤波器（QF)。
[0027] 二阶广义积分器能够实现对特定频率交流量的跟踪，最早被用于输出一对正交的 交流量，以实现正负序分离。根据其输出信号的特点，本发明将基于二阶广义积分器构建的 滤波器称为正交滤波器（QF)，其结构如图1所示。
[0028] 如图1所示，ν为滤波器输入信号，?和俨为输出信号，上标表示观测量，ων 为待观测交流信号的角频率，k为滤波器增益系数，正交滤波器的传递函数为：

【权利要求】
1. 一种基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述控制 方法首先基于二阶广义积分器（SOGI)构建正交滤波器，然后基于该正交滤波器构建电网 电压观测器，将所述的电压观测器应用于三相并网逆变器在两相静止坐标系下的PR控制 器中，实现逆变器的无交流电压传感器控制。
2. 根据权利要求1所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述的二 阶广义积分器包含正弦信号的二阶谐振环节，能够对正弦交流量进行"积分"运算，能够对 特定频率的交流信号实现无静差跟踪控制。
3. 根据权利要求1所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述的正 交滤波器包括输入输出信号、滤波器增益系数、二阶广义积分器和输出反馈；交流输入信号 v进入正交滤波器后，与反馈的输出信号彡的偏差，经过滤波器增益系数k，然后进入二阶广 义积分器，二阶广义积分器输出彡和f。
4. 根据权利要求1所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，基于所述 的正交滤波器构建电压观测器对交流电网电压进行观测的方法如下：电压观测器的输入为 和，其中为测量得到的逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量，为逆 变器控制器输出的桥端控制电压在两相静止坐标系的分量；为电压观测器输出的电网 电压在两相静止坐标系的分量；iα e和va e分别通过所述的正交滤波器，得到输出的^^和 。丄~和，1然后基于三相并网逆变器的数学模型t 丢> +B f + >推导得 飞 αβ、ναβ ναβ' LM LZ/d LV/d 到 4?/? 〇
5. 根据权利要求1所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，将所述的 电压观测器应用于三相并网逆变器在α β坐标系下的PR控制器中，该控制器包括基于PI 的功率外环和基于PR的电流内环；电压观测器输出的 一方面用于计算得到三相并网 逆变器的实际无功功率值，作为无功功率外环的反馈值；另一方面用于dq坐标系到α β坐 标系的坐标变换，将功率外环PI控制器输出的dq坐标系下的电流参考值变换为α β坐标 系下的电流参考值；实现对三相并网逆变器无交流电压传感器控制。
【文档编号】H02J3/38GK104158215SQ201410403708
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】胡书举, 龚文明 申请人:中国科学院电工研究所