一种单相并网变流器的控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种单相并网变流器的控制方法。

背景技术：

随着微电网技术的发展，单相并网变流器在其中有着越来越重要的作用，在各种场合得到了广泛的应用。因此，单相变流器及其控制技术成为近来的研究热点。

基于同步旋转坐标系的pi控制已经在三相系统中得到了广泛的应用。该方法可以实现有功无功独立控制，因此又称为矢量控制。通过矢量控制技术，不仅可以实现对并网电流的无静差跟踪，而且具有动态响应快、稳定性好等优点。

与三相并网逆变器相比，单相并网逆变器主电路缺少一个自由度，无法直接通过静止/旋转坐标变换将交流量转换成直流量。传统的解决方案是单相电压移相60°以构建虚拟的三相电压和单相电压移相90°以构造与实际物理量相正交的虚拟量。这两种方案分别是实际物理量延时1/6个电网周期和1/4个电网周期，给实际的控制带来不利影响，会恶化系统的动态响应。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种单相并网变流器的控制方法，该方法较传统的方法具有较好的动态响应速度，对控制性能的影响较小。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种单相并网变流器的控制方法，包括如下步骤：

1.电压定向锁相环

1)采集网端电压uac，利用新型虚构方法，虚构出虚拟的三相电压ua、ub和uc。

2)进行clarke变换将虚拟的三相电从静止的三相坐标系变换到两相静止坐标系，以得到定向角θ实现电压定向。

2.电压外环控制

1)采集h桥的直流侧电容电压udc，作为直流反馈电压值，并与给定的直流侧电压值做差比较后通过电压调节器进行调节。

2)将电压调节器的输出量作为d轴电流参考值与给定的q轴电流给定值进行clarke反变换和park反变换，得到abc坐标系下的电流参考值。

3.电流内环控制

1)只取abc坐标系其中的a相的交流电流参考值与检测得到的交流电流实际值iac进行比较，之后通过电流调节器得到单相的电压参考值。

2)使用该电压参考值进行pwm调制，以实现对h桥交流侧电流的控制。

本发明的优点：

本发明对有功和无功功率分别独立控制，控制性较高。与现有的延时60°和90°的延时1/6工频周期和1/4工频周期相比，本发明只需要超前1/12工频周期，实时性进一步提高，对控制性能的影响较小，使系统具有较好的动态响应速度。

附图说明

图1为本发明的控制结构示意图。

图中，配电网1、电抗器2、h桥3、电容4。

图2为本发明延时30°换示意图。

图3为本发明αβ坐标系和dq坐标系间的变换图。

图4为现有技术和本发明在网侧电压突变时电压幅值和无功电流在a:iq＝50，电压幅值和电流波形的比较图。

图中，(a)延时90°的电压幅值和电流波形图、(b)延时60°的电压幅值和电流波形图、(c)本发明的电压幅值和电流波形图。

图5为现有技术和本发明在网侧电压突变时电压幅值和无功电流在a:iq＝-50，电压幅值和电流波形的比较图。

图中，(a)延时90°的电压幅值和电流波形图、(b)延时60°的电压幅值和电流波形图、(c)本发明的电压幅值和电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明针对单相并网变流器缺少一个自由度的特点，根据单相交流电压信号的离散数据，利用相电压和线电压的相量关系，通过移相30°来虚构出虚拟的三相电压。利用该方法来代替现有的延时方法，使整个系统的动态响应更加迅速。

一种单相并网变流器的控制方法，包括如下步骤：

1.电压定向锁相环

1)采集网端电压uac，利用新型虚构方法，虚构出虚拟的三相电压ua、ub和uc。

2)进行clarke变换将虚拟的三相电从静止的三相坐标系变换到两相静止坐标系，以得到定向角θ实现电压定向。

2.电压外环控制

1)采集h桥3的直流侧电容电压udc，作为直流反馈电压值，并与给定的直流侧电压值做差比较后通过电压调节器进行调节。

2)将电压调节器的输出量作为d轴电流参考值与给定的q轴电流给定值进行clarke反变换和park反变换，得到abc坐标系下的电流参考值。

3.电流内环控制

1)只取abc坐标系其中的a相的交流电流参考值与检测得到的交流电流实际值iac进行比较，之后通过电流调节器得到单相的电压参考值。

2)使用该电压参考值进行pwm调制，以实现对h桥3交流侧电流的控制。

单相并网变流器的控制结构如图1所示，采集配电网1的网端电压uac，利用新型虚构方法，虚构出虚拟的三相电压ua、ub和uc；将得到的虚拟三相电压进行clarke变换将虚拟的三相电从静止的三相坐标系变换到两相静止坐标系，以得到定向角θ实现电压定向。采集h桥3的直流侧电容电压udc，作为直流反馈电压值，并与给定的直流侧电压值做差比较后通过电压调节器进行调节。将电压调节器的输出量作为d轴电流参考值与给定的q轴电流给定值进行clarke反变换和park反变换，得到abc坐标系下的电流参考值。只取abc坐标系其中的a相的交流电流参考值与检测得到的交流电流实际值iac进行比较，之后通过电流调节器得到单相的电压参考值；使用该电压参考值进行pwm调制，以实现对h桥3交流侧电流的控制。这里的h桥3的直流侧与电容4相连；其交流侧经过电抗器2并入配电网1中。

本发明的坐标变换示意图如图2所示,

令a相相电压为：则虚拟电压为：

c相相电压为：

b相相电压为：

ub＝-ua-uc

将得出的三相电压后进行clarke变换，可以采用下式表示

这样可以直接求出其在两相同步坐标系下的分量。

以三相电压为例，park变换的数学表达式为：

由数学几何关系和三角函数关系，可以得出

下面进行park逆变换

进而进行clarke逆变换

这样就可以得出在abc坐标系下的电流参考值。

αβ坐标系和dq坐标系间的变换如图3所示，电压向量在αβ静止坐标系的两个坐标轴线上的投影分别为：和由图可以得出，其在dq坐标系下的投影分别为和

将αβ坐标系下的uα和uβ进行坐标变换：

可以求出dq坐标系下的两个分量ud和uq，用低通滤波器得到直流分量ud0和uq0，即：

则基波电压的幅值和相角跳变为：

如图4、图5所示，为现有技术和本发明在网侧电压发生突变时电压幅值和无功电流的比较。被检测电压信号的数学解析表达式为：

式中ω＝2πf＝314rad/s，为工频角频率。电压uac在0.06～0.10s时间内发生了幅值暂降50％，相角60°的跳变，持续时间为2个公频周期，电压暂降的发生和结束都是瞬时的。如图4、图5所示，三种方法的延时时间与工况延时情况一样，对比可以发现，本发明的并网方法可以更快的发现电网的电压波动和无功电流波动变化；电压幅值和无功电流的延时情况是一样的，本发明的延时时间是最小的。因而具有更好的控制性能和系统动态响应能力。