本发明涉及一种三相并网逆变器的控制方法。
背景技术：
：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。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，准确度较高。T.Noguchi等人在文献“DirectpowercontrolofPWMconverterwithoutpower-sourcevoltagesensors”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“Sensorlesscontrolstrategiesforthree-phasePWMrectifiers”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。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。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。由于二阶广义积分器(SecondOrderGeneralizedIntegrator，SOGI)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(QuadratureFilter，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。专利CN201410403708.1提出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，利用二阶广义积分器构建正交滤波器，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，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。专利CN201410404273.2进一步构建可变频率的正交滤波器，从而使逆变器的无交流电压传感器控制对电压频率变化具有适应性。专利CN201410404275.1则在正交滤波器中引入参数自适应控制策略，使逆变器的无交流电压传感器控制对逆变器并网阻抗参数变化具有适应性。以上专利所述的基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法，能够在电网电压对称情况下实现逆变器的无交流电压传感器控制，而针对电网电压不对称情况，则上述专利中所述方法无论是滤波器的构建还是逆变器的控制策略，均需要进一步的改进和完善。技术实现要素：本发明的目的一方面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、初值敏感及算法复杂等问题，另一方面是克服现有基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制无法适应电网电压不对称情况的问题，提出一种电网电压不对称时的三相并网逆变器无交流电压传感器控制方法。本发明基于正交滤波器构建不对称电压观测器，实现不对称电网电压的观测，并同步实现正负序分离，进一步结合负序补偿算法，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等问题，具有快速、无静差、对初值不敏感等优势，使常规基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制能够适应电网电压不对称情况，并提高逆变器在不对称电网条件下的动态响应速度。本发明基于二阶广义积分器(SOGI)构建可变频率的正交滤波器，然后基于该正交滤波器构建适用于不对称电网电压条件下的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；然后采用基于正交滤波器输出量进行正负序分离的方法，使正负序分离与电网电压观测同步进行。将此电压观测器及正负序分离方法应用于三相并网逆变器的控制器中，结合在两相静止坐标系下的PR控制，并采用负序补偿算法，实现逆变器在电网电压不对称条件下的无交流电压传感器控制。具体包括以下步骤：步骤1、构建基于二阶广义积分器(SOGI)的可变频率正交滤波器(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。该可变频率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。滤波器输入信号为v，滤波器的输出信号和是一对正交信号，与v同相位，比v滞后90°，同时作为输出反馈信号，滤波器增益系数为k。ωv为待观测交流信号的角频率，为可变量，通过对电网电压频率信息的观测获得。交流输入信号v进入滤波器后，与反馈的输出信号的偏差，经过滤波器增益系数k，然后进入二阶广义积分器，频率输入信号也进入二阶广义积分器，二阶广义积分器输出和步骤2、基于步骤1所述的正交滤波器构建适用于电网电压不对称条件的电压观测器，对交流电网电压进行观测。以iαβ和vαβ作为电压观测器的输入，其中iαβ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，vαβ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；电压观测器的输出为和其中为观测的电网电压在两相静止坐标系的分量，为的正交量。逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量iαβ和逆变器控制器桥端控制电压在两相静止坐标系的分量vαβ分别进入步骤1所述的正交滤波器，得到输出的和和其中为逆变器交流侧电流在两相静止坐标系分量的观测量，为的正交量，为变器控制器输出的桥端控制电压在两相静止坐标系分量的观测量，为的正交量，然后基于三相并网逆变器的数学模型推导得到电网电压在两相静止坐标系的分量及其正交量步骤3、基于步骤2所述的电压观测器输出的电网电压在两相静止坐标系的分量及其正交量对观测得到的电网电压进行正负序分离，以适应电网电压不对称条件下的控制需求。本发明采用延迟法进行正负序分离，延迟时间1/4周期；因电网电压在两相静止坐标系分量的正交量滞后于电网电压在两相静止坐标系的分量90°，在稳态时相当于延迟了1/4周期。步骤4、将基于步骤2和步骤3的电压观测器以及正负序分离方法应用于三相并网逆变器在αβ坐标系下的PR控制器，并结合负序补偿算法实现逆变器在电网电压不对称条件下的无电压传感器控制。所述PR控制器包括基于PI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，分别用于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αβ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；另一方面电网电压在两相静止坐标系的分量及其正交量用于电网电压的正负序分离，得到电网正序电压电网正序电压用于dq坐标系到αβ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αβ坐标系下的电流参考值。进一步结合电网电压不对称条件下的负序电流补偿控制，从而实现基于本发明所述方法的三相并网逆变器在电网电压不对称时的无交流电压传感器控制。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，同时能够克服常规基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法无法适应电网电压不对称情况的问题。该正交滤波器具有频率自适应性，本发明基于该正交滤波器实现不对称电网电压条件下的电压观测以及电网电压的正负序分离，结合负序补偿算法，实现三相并网逆变器在无交流电压传感器条件下的运行控制。本发明在电网电压不对称条件下具有快速的动态响应速度，在电网频率变化时具有良好的适应性。附图说明图1可变频率的正交滤波器(QF)结构图；图2适用于不对称电网电压条件的电压观测器结构框图；图3不对称电网电压条件下的三相并网逆变器无交流电压传感器控制框图；图4电网电压不对称故障条件的仿真时序波形图，其中图4a为电压量的仿真时序波形图，图4b为电流量和功率量的仿真时序波形图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。本发明基于二阶广义积分器(SOGI)构建可变频率的正交滤波器，然后基于该正交滤波器并引入锁相环控制，构建适用于不对称电网电压条件的电网电压观测器，将此电压观测器结合正负序分离方法，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。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：uαuβ=Lddtiαiβ+Riαiβ+vαvβ---(1)]]>其中，uα和uβ为电网电压在两相静止坐标系的分量，iα和iβ为逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量，vα和vβ为逆变器桥臂输出电压在两相静止坐标系的分量，L为逆变器输出侧等效电感，R为逆变器输出侧等效电阻。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。本发明的基于二阶广义积分器提出一种具有频率自适应特性的正交滤波器，使用该正交滤波器构建电网电压观测器，可以较好地解决电流微分运算问题，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，对电网电压频率变化具有良好的适应性。以下详细说明本发明控制方法的实施步骤：步骤1：首先基于二阶广义积分器(SOGI)构建可变频率的正交滤波器(QF)。二阶广义积分器能够实现对特定频率交流量的跟踪，最早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)，该正交滤波器能够适应交流信号频率的变化，其结构如图1所示。如图1所示，该可变频率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，和为滤波器的输出信号，和是一对正交信号，其中与v同相位，比v滞后90°，k为滤波器增益系数。ωv为待观测交流信号的角频率，为可变量，通过对电网电压频率信息的观测获得。交流输入信号v进入滤波器后，与反馈的输出信号的偏差，经过滤波器增益系数k，然后进入二阶广义积分器，频率输入信号也进入二阶广义积分器，二阶广义积分器输出和在实际中，电网电压频率可能会偏离额定值，这种现象在容量较小的配电网中更加容易出现。当为固定的电网频率参数时，当电网频率发生偏移后，正交滤波器的滤波效果将急剧下降，从而难以得到正确的电网电压信息。虽然增加滤波器的增益系数k可以扩大通频带，但同时也会增加超调量，并使得控制系统对电压谐波更加敏感。因此，该正交滤波器中考虑为可变量，从而改进该正交滤波器的频率适应性。该正交滤波器能够对频率变化的交流量进行跟踪，其传递函数为：GQF1=v^v=kω^vss2+kω^vs+ω^v2---(2)]]>GQF2=v^⊥v=kω^v2s2+kω^vs+ω^v2---(3)]]>其中s为拉普拉斯变换中的复数，GQF1为从v到的传递函数，GQF2为从v到的传递函数。可以计算得到正交滤波器改进后的幅频和相频响应如下：|GQF1(jωv)|=kω^vωv(kω^vωv)2+(ω^v2-ωv2)2∠GQF1(jωv)=arctan(ω^v2-ωv2kω^vωv)---(4)]]>|GQF2(jωv)|=ω^vωv|G^QF1(jωv)|∠GQF2(jωv)=∠G^QF1(jωv)-π2---(5)]]>在稳态时由式(4)和式(5)可得|GQF1(jωv)|＝|GQF2(jωv)|＝1，∠GQF1(jωv)＝0，∠GQF2(jωv)＝-π/2。说明滤波器可以对任意频率的信号进行无静差跟踪，并输出同频率的一对正交的信号和其中与v同相位，比v滞后90°；且控制器参数与输入信号频率无关，方便了控制器参数的整定。可变频率正交滤波器的品质因数始终保持为：步骤2：基于步骤1的可变频率的正交滤波器构建适用于电网电压不对称条件的电压观测器。由于正弦信号的正交信号相当于其微分的同相或反相信号，因此可以基于公式(1)推导得到下式：u^αu^β=Lddti^αi^β+Ri^αi^β+v^αv^β=-Li^α⊥i^β⊥+Ri^αi^β+v^αv^β=-GQF2Liαiβ+GQF1(Riαiβ+vαvβ)=GVOiαiβvαvβT---(7)]]>其中，与与为iα、iβ经过步骤1所述正交滤波器后的输出量，上标“^”表示观测量，其中与与互为正交信号；与和为vα、vβ经过步骤1所述正交滤波器后的输出量，其中与和互为正交信号；为电压观测器输出的电网电压在两相静止坐标系的分量。GVO为电网电压观测器的传递函数。为便于在电网电压不对称条件下进行正负序分离，进一步对公式(7)进行改进，以得到所观测电网电压的正交量。u^α⊥u^β⊥=Lddti^α⊥i^β⊥+Ri^α⊥i^β⊥+u^α⊥v^β⊥=Li^αi^β+Ri^α⊥i^β⊥+u^α⊥v^β⊥=GQF1LiαiβGQF2(Riαiβ+vαvβ)---(8)]]>其中与和互为正交信号。基于公式(7)和(8)的电压观测器的控制框图，如图2所示，实现电网电压不对称条件下对交流电网电压的观测。如果在不对称条件下进行频率自适应控制，则需要对电网电压的正序分量进行锁相，并得到正序频率在一般情况下可以将正序频率设为工频，即100π。步骤3：采用步骤2的电压观测器输出的电网电压在两相静止坐标系的分量及其正交量对观测所得的电网电压进行正负序分离。采用延迟法进行正负序分离，延迟时间1/4周期。将三相不对称信号写作如下的矢量形式：eαβ=e+dqpejωt+e-dqne-jωt---(9)]]>其中p表示正序，n表示负序。延迟1/4周期，并假定e只含稳定的基频分量，则三相不对称分量的正序和负序分量可以表示为：eαβp=12[eαβ(t)+jeαβ(t-T4)]---(10)]]>eαβn=12[eαβ(t)-jeαβ(t-T4)]---(11)]]>在不对称条件下，公式(10)和(11)可以写成矩阵形式如下：eαpeβpeαneβn=12100-10110100101-10eαeβeα⊥eβ⊥=Cpneαeβeα⊥eβ⊥---(12)]]>其中，eα、eβ为不对称信号e在两相静止坐标系下的分量，与为eα、eβ经过步骤1所述正交滤波器后的输出量，分别为eα的正序分量和负序分量，分别为eβ的正序分量和负序分量。由于步骤2输出的滞后于90°，在稳态时相当于延迟了1/4周期。因此可以基于公式(12)计算得到所观测电网电压的正负序分量。步骤4：将步骤2构建的电压观测器和步骤3的正负序分离方法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，并结合负序补偿算法实现逆变器在电网电压不对称条件下的无交流电压传感器控制。将电压观测器及正负序分离方法应用于三相并网逆变器在αβ坐标系下的控制器中，并结合负序电流补偿控制方法，即可实现三相并网逆变器在电网电压不对称条件下的无交流电压传感器控制。如图3所示，其中的电压观测器VOpn为步骤2所提出的适用于不对称电网电压条件的电压观测器，是在两相静止坐标系下，利用测量得到的电网侧电流信号以及逆变器控制器输出的桥端参考电压信号，对电网电压信息进行观测。其中LPF为低通滤波器；Cpn为正负序分离模块；负序补偿算法则根据不同的控制目标以及正序电流参考值确定负序电流参考值；KC为电流控制器，本发明使用常规PR控制器。为了验证本发明无交流电压传感器控制的稳定性，在MATLAB中建立了三相并网逆变器及其控制系统的非线性模型，控制框图如图3所示。在0.35s时刻令电网a相发生接地故障，a相电压降到接近0。图4为时域仿真结果，图4中从上到下依次是：电网电压(Uabc)；α轴的电网电压(Ug)与观测器输出电压(Uob)；β轴的电网电压(Ug)与观测器输出电压(Uob)；直流电压(Udc)；三相并网电流(Iabc)；α轴的电流参考值(Iref)与并网电流(I)；β轴的电网电压(Iref)与并网电流(I)；瞬时输入有功功率(P)与瞬时输入无功功率(Q)。该仿真采用的负序电流补偿方式为输出有功功率对称，控制目标为消除瞬时输出有功功率中的二倍频波动分量。从图中可见在电压跌落前后，直流电压都较为平滑，其动态特性仅由控制带宽较小的电压环决定；而观测器输出电压与并网电流的畸变也较小。注意到，此时观测器输出电压实为桥端电压。这种控制方式可有有效减小不对称电网条件下直流电容的充放电电流，从而延长其工作寿命。基于仿真验证了本发明所提电网电压不对称时逆变器无交流电压传感器控制方法的有效性。当前第1页1 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