一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法及系统与流程

本发明属于电网技术领域，具有涉及一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法及系统。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，各种非线性负载及不平衡负载的应用越来越普遍，常要求逆变器具有带不平衡负载或非线性负载的能力。为了对此类负载供电，常采用的方法是在传统三相逆变器和负载之间加一个Δ/Y变压器，从而使这种电源体积较大，成本较高；另一种方案是采用分裂电容式三相逆变拓扑，三相逆变器等效为3个独立单相半桥，控制较简单，但存在直流电压利用率低、直流侧电容寿命短、需要对分离电容电压进行平衡控制等缺点。三相四桥臂拓扑是近几年来研究较广泛的一种逆变拓扑结构，它直接对中性电流进行控制，具有控制灵活，无需大直流电容和直流电压，利用率高等优点。

然而，三相四桥臂逆变器控制复杂，目前常用的控制方法有电流滞环控制，中性点控制，正序负序零序控制，PI控制，特定谐波消除法，内膜控制法和模糊控制等。这些控制方法在一定的程度上解决了带三相不平衡负载的问题，但具有输出负载的电流谐波含量大及三相输出电压平衡度控制慢、不具有类似于同步发电机的外特性，不可以实现有功功率和无功功率的自动调节，且这些三相四线逆变器控制复杂且实现困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法及系统，采用该控制方法的三相四桥臂逆变器具有带不平衡负载或非线性负载的能力，并且具有类似于同步发电机的外特性，可以对有功功率和无功功率的自动调节。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制系统，所述系统包括：

相序分离模块，用于采用正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量；

参考电压计算模块，用于根据分离出来的正序、负序以及零序的电压和电流分量计算得到正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压；

脉冲信号产生模块，用于将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加并进行调制后，产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

进一步,所述相序分离模块具体用于：采用基于降阶谐振器的正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量。

进一步,所述参考电压计算模块具体包括零序控制器、负序控制器、正序控制模块；

所述正序控制模块，包括瞬时功率计算控制器、VSG控制器以及正序控制器，用于采用虚拟同步发电机控制算法对分离出来的正序电压信号和负序电流信号进行计算，得到正序参考电压；

所述负序控制器，用于采用双同步旋转坐标系下的闭环控制算法对分离出来的负序电压信号和负序电流信号进行计算，得到负序参考电压；

所述零序控制器，用于采用准比例谐振调节器对分离出来的零序电压信号和零序电流信号进行计算，得到零序参考电压。

进一步,所述脉冲信号产生模块具体包括dq0/abc的变换器以及3D-SVPWM控制器；

所述dq0/abc的变换器，用于将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加之后的电压信号从d轴q轴的dq0状态变换为三相abc状态，并将输送至所述3D-SVPWM控制器；

所述3D-SVPWM控制器，用于根据所述dq0/abc的变换器输送的三相电压信号产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

另一方面，提供一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法，所述方法包括：

S1、采用正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量；

S2、根据分离出来的正序、负序以及零序的电压和电流分量计算得到正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压；

S3、将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加并进行调制后，产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

进一步,所述S1具体包括：采用基于降阶谐振器的正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量。

进一步,所述S2具体包括：采用虚拟同步发电机控制算法对分离出来的正序电压信号和负序电流信号进行计算，得到正序参考电压；

采用双同步旋转坐标系下的闭环控制算法对分离出来的负序电压信号和负序电流信号进行计算，得到负序参考电压；

采用准比例谐振调节器对分离出来的零序电压信号和零序电流信号进行计算，得到零序参考电压。

进一步,所述S3具体包括：将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加并输入至基于abc坐标系下的三维空间矢量调制进行处理后，产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

本发明的有益效果：本发明提供的一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法及系统，采用基于虚拟同步机的三相四桥臂逆变器控制方法的三相四桥臂逆变器具有带不平衡负载或非线性负载的能力，通过将正序电压、电流代入虚拟同步发电机控制算法，使三相四桥臂逆变器具有类似于同步发电机的外特性，可以对有功功率和无功功率的自动调节；负序电压、电流信号通过双同步旋转坐标系下的闭环控制算法，可以有效地抑制负序电压在正序同步旋转坐标系下产生的二倍基频脉动，通过基于准比例谐振调节器的双闭环控制简化零轴控制，并以基波频率脉动的零序电压进行抑制。

附图说明

图1为一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法流程图；

图2为基于虚拟同步机的三相四桥臂逆变器控制框图；

图3为基于降阶谐振的正负序分离方法；

图4为虚拟同步发电机控制算法；

图5为正负序控制框图；

图6为零序控制框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法。下面结合图1至图6对本实施例提供的方法进行详细说明。

参见图1至图6，本发明采用基于虚拟同步机的三相四桥臂逆变器控制方法的三相四桥臂逆变器具有带不平衡负载或非线性负载的能力。一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制方法，所述方法包括：S1、采用正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量。

具体的，采用基于降阶谐振器的正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量。

具体的，降阶谐振器只有一个极点，可实现对特定频率下的正序或者负序分量单独控制，运算简单，易于数字化实现，其传递函数如下：

为提髙正负序分量的提取速度，减少运算量，采用基于降阶谐振器的正负序分离方法，其控制框图如图3所示。图中，ω_o为基波频率(50Hz)，u_αβ为反馈电压，上标±分别对应正序与负序分量，系数k用于调节分离速度。由图可得u_αβ⁺、u_αβ^-分别与u_αβ之间的传递函数关系，如下式(2)所示：

该方法利用ROR具有频率极性选择的特点，提取正序分量时，在50Hz处呈现带通特性，同时在-50Hz处呈现陷波特性，因此可以准确的得到正序分量。在提取负序分量时，也具有相同的特性，在-50Hz处呈现带通特性，在50Hz处呈现陷波特性。可以看出，该方法无需对输入信号延迟90°，加快了正负序分离速度，而且谐波频率处的幅值趋向于-50dB，较好的抑制了基波相序分离中谐波的影响。

可见，采用基于ROR的正负序分离方法，无需构造额外的参量以及相移运算，直接对电压电流的正序与负序分量进行分离，实现简单，有效减少运算。

S2、根据分离出来的正序、负序以及零序的电压和电流分量计算得到正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压。

采用虚拟同步发电机控制算法对分离出来的正序电压信号和负序电流信号进行计算，得到正序参考电压。采用双同步旋转坐标系下的闭环控制算法对分离出来的负序电压信号和负序电流信号进行计算，得到负序参考电压。采用准比例谐振调节器对分离出来的零序电压信号和零序电流信号进行计算，得到零序参考电压。

具体的，所述虚拟同步发电机控制算法，借鉴了同步发电机的二阶经典方程及调速器和励磁控制器，设计了VSG控制算法，其数学方程如下：

上式中：T_set、T_e为给定转矩和电磁转矩；P_set、Q_set为有功和无功功率给定；D_p、D_q为有功-频率和无功-电压下垂系数；θ为电角度；Δω为电角速度差，Δω＝ω_n-ω；ω_n、ω为额定电角速度和实际电角速度；Δu为输出电压差，Δu＝u_n-u_o；u_n、u_o为额定电压有效值和输出电压有效值；J为转动惯量；K为惯性系数；其中，同步逆变器输出的瞬时电磁功率P_e和Q_e可以由下式得到：

由于正序电压矢量和负序电压矢量分别以角频率ω和-ω以相反方向旋转，若将负序电压变换至正序旋转坐标系下，则以的2ω脉动存在，故采用图5的控制策略，PI调节器无法对负序电压分量进行有效的控制。若沿着正序电压和负序电压分别建立同步旋转坐标系，则正序电压和负序电压将在各自的同步旋转坐标系下成为直流量。

正序和负序坐标系下的控制方程分别如公式(7)和公式(8)：

当负载不平衡时，零序电压与电流分量呈现基波频率的脉动，而调节器常用于直流参考量与反馈量的无静差控制，其对交流分量的抑制能力有限，且会带来幅值与相位的误差。因此，在零轴调节器中使用调节器并不能很好的抑制零序电压，虽然通过增大比例环节能够减小误差，但是比例系数过大极易导致系统的不稳定。为此，采用准比例谐振调节器对零序分量进行控制，其传递函数为：

与正负序分量控制结构类似，零轴控制同样釆用负载电压外环与电感电流内环的控制策略，电压与电流控制均采用准调节器，其控制框图如图5所示，采用比例谐振调节器的零轴控制结构得到了显著的简化，无需坐标变换，并减少了控制器的数量。

S3、将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加并进行调制后，产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

具体的，将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加并输入至基于abc坐标系下的三维空间矢量调制进行处理后，产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

通过将正序电压、电流代入虚拟同步发电机控制算法，使三相四桥臂逆变器具有类似于同步发电机的外特性，可以对有功功率和无功功率的自动调节；负序电压、电流信号通过双同步旋转坐标系下的闭环控制算法，可以有效地抑制负序电压在正序同步旋转坐标系下产生的二倍基频脉动，通过基于准比例谐振调节器的双闭环控制简化零轴控制，并以基波频率脉动的零序电压进行抑制。

实施例2、一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制系统。下面结合图2至图6对本实施例提供的系统进行详细说明。

参见图2至图6，一种基于虚拟同步机的三相四臂逆变器控制系统，其特征在于，所述系统包括：相序分离模块、参考电压计算模块以及脉冲信号产生模块。

相序分离模块，用于采用正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量。

具体的，所述相序分离模块具体用于：采用基于降阶谐振器的正负序分离方法把三相四桥臂逆变电源输出的三相不对称电压和电流矢量分解成正序、负序以及零序的电压和电流分量。

参考电压计算模块，用于根据分离出来的正序、负序以及零序的电压和电流分量计算得到正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压。

具体的，所述参考电压计算模块具体包括零序控制器、负序控制器、正序控制模块。

所述正序控制模块，包括瞬时功率计算控制器、VSG控制器以及正序控制器，用于采用虚拟同步发电机控制算法对分离出来的正序电压信号和负序电流信号进行计算，得到正序参考电压。

所述负序控制器，用于采用双同步旋转坐标系下的闭环控制算法对分离出来的负序电压信号和负序电流信号进行计算，得到负序参考电压。

所述零序控制器，用于采用准比例谐振调节器对分离出来的零序电压信号和零序电流信号进行计算，得到零序参考电压。

脉冲信号产生模块，用于将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加并进行调制后，产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

具体的，所述脉冲信号产生模块具体包括dq0/abc的变换器以及3D-SVPWM控制器。

所述dq0/abc的变换器，用于将所述正序参考电压、负序参考电压以及零序参考电压相加之后的电压信号从d轴q轴的dq0状态变换为三相abc状态，并将输送至所述3D-SVPWM控制器。

所述3D-SVPWM控制器，用于根据所述dq0/abc的变换器输送的三相电压信号产生控制三相四桥臂逆变的脉冲信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。