单相并网逆变器无功调节方法、系统和计算机存储介质与流程

1.本发明涉及电力参数计量领域，更具体地说，涉及一种单相并网逆变器无功调节方法、系统和计算机存储介质。


背景技术：

2.在并网逆变器应用领域，对无功功率的准确计算以及功率因数的精确调节是衡量并网逆变器性能的一个重要指标。目前，因无功功率难以快速准确地计算，对无功功率补偿或功率因数调节，一般还是采用开环无功功率控制策略，其实现原理相对简单，即通过纯粹的人工测试得到各功率等级的无功功率补偿数据，再根据该数据进行开环补偿。但是，该方式对逆变器硬件参数敏感，无功功率控制误差大，并难以适应需要功率因数调节的应用场合。
3.在单相并网系统中，无功功率计算方案主要有两类。第一类通过坐标变换计算有功功率与无功功率：首先，对电网电压、电网电流分别构造虚拟的β轴，得到电网电压、电网电流αβ坐标变换参数，或再经dq变换得到相应的dq坐标参数；然后，根据αβ坐标参数或dq坐标参数计算有功功率和无功功率。该方案需要构造单相虚拟坐标系，极耗芯片资源且运算复杂。第二类是利用视在功率和有功功率，计算无功功率。第二类方案无法判断无功功率的类型，难以闭环实现功率因数的超前或滞后。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种单相并网逆变器无功调节方法和计算机存储介质，其通过简单的计算方法就可以准确获得无功功率，而通过利用该无功功率可以提高功率因数的调节精度。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单相并网逆变器无功调节方法，包括：
6.s1、控制单相并网逆变器进入并网运行状态，并基于电网电压、电网电流、单位余弦信号和单位正弦信号分别计算电网电压余弦分量、电网电压正弦分量、电网电流余弦分量、电网电流正弦分量；
7.s2、基于所述电网电压余弦分量、所述电网电压正弦分量、所述电网电流余弦分量、所述电网电流正弦分量分别计算有功功率和无功功率；
8.s3、基于所述有功功率和所述无功功率的正负判断所述有功功率和所述无功功率的类型；
9.s4、基于所述无功功率调节或补偿所述单相并网逆变器。
10.在本发明所述的单相并网逆变器无功调节方法中，所述步骤s1进一步包括：
11.s11、采集电网电压和电网电流，以提取与所述电网电压同频率的单位余弦信号cosωt与单位正弦信号sinωt或提取单相电网电压通过锁相环输出的与所述电网电压同频率同相位的单位余弦信号cosωt以及与所述电网电压正交的单位正弦信号sinωt；
12.s12、基于所述电网电压和所述单位余弦信号cosωt计算所述电网电压余弦分量，并基于所述电网电压和所述单位正弦信号sinωt计算所述电网电压正弦分量；
13.s13、基于所述电网电流和所述单位余弦信号cosωt计算所述电网电流余弦分量，并基于所述电网电流和所述单位正弦信号sinωt计算所述电网电流正弦分量。
14.在本发明所述的单相并网逆变器无功调节方法中，在所述步骤s12中，基于以下等式计算所述电网电压余弦分量s
up
：
[0015][0016]
∴
[0017]
∴
[0018]
∴
[0019]
基于以下等式计算所述电网电压正弦分量s
uq
：
[0020][0021]
∴
[0022]
∴
[0023]
∴
[0024]
其中，电网电压其中u
rms
为电网电压有效值，ω为电网电压角速度，为电网电压初相角，t＝2π/ω为电网电压周期。
[0025]
在本发明所述的单相并网逆变器无功调节方法中，在所述步骤s13中，基于以下等式计算所述电网电流余弦分量s
ip
：
[0026][0027]
∴
[0028]
∴
[0029]
∴
[0030]
基于以下等式计算所述电网电流正弦分量s
iq
[0031][0032]
∴
[0033]
∴
[0034]
∴
[0035]
其中，电网电流其中i
rms
为电网电流有效值，为电网电流初相角。
[0036]
在本发明所述的单相并网逆变器无功调节方法中，在所述步骤s2中，基于以下等式计算有功功率p：
[0037][0038]
∴
[0039]
∴
[0040]
∴p＝2
·
(s
up
·sip
+s
uq
·siq
)；
[0041]
基于以下等式计算无功功率q：
[0042][0043]
∴
[0044]
∴
[0045]
∴q＝2
·
(s
up
·siq-s
uq
·sip
)。
[0046]
在本发明所述的单相并网逆变器无功调节方法中，在所述步骤s3中，若所述有功功率p＞0，判定逆变器向电网馈电；若所述有功功率p＜0，逆变器消耗电网能量；若所述无功功率q＞0，判定所述电网电压超前所述电网电流，电网消耗感性无功；若所述无功功率q
＜0，判定所述电网电压滞后所述电网电流，电网消耗容性无功。
[0047]
在本发明所述的单相并网逆变器无功调节方法中，当所述电网电压不经过锁相环处理时，所述电网电压余弦分量、所述电网电压正弦分量、所述电网电流余弦分量、所述电网电流正弦分量为一个周期内的平均值；当所述电网电压经过锁相环处理时，所述电网电压余弦分量、所述电网电压正弦分量、所述电网电流余弦分量、所述电网电流正弦分量为按照锁相环输出电网电压相角以360度为周期循环的平均值。
[0048]
在本发明所述的单相并网逆变器无功调节方法中，所述步骤s4进一步包括：
[0049]
s41、基于设置的功率因数参考值计算无功功率参考值，并基于所述无功功率参考值和所述无功功率做闭环pi以获得无功电流参考值；
[0050]
s42、将所述无功电流参考值加入并网控制器以作用于电网电流内环，以调节或补偿所述单相并网逆变器。
[0051]
本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是构造一种单相并网逆变器无功调节系统，包括逆变电路和处理器，所述处理器中存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的单相并网逆变器无功调节方法。
[0052]
本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是构造一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现前述任意一种单相并网逆变器无功调节方法。
[0053]
实施本发明的单相并网逆变器无功调节方法、系统和计算机存储介质，可以准确计算无功功率，且易于实现、运算简单且能区分无功功率类型，并便于推广；并且由于计算的无功功率准确，而通过利用该无功功率可以提高功率因数的调节精度。
附图说明
[0054]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0055]
图1是本发明的单相并网逆变器无功调节方法的第一优选实施例的流程图；
[0056]
图2是本发明的单相并网逆变器无功调节方法的第二优选实施例的流程图；
[0057]
图3是本发明的单相并网逆变器无功调节方法的第三优选实施例的流程图；
[0058]
图4是本发明的单相并网逆变器无功调节方法对单相并网逆变器的无功功率控制框图；
[0059]
图5是本发明的单相并网逆变器无功调节方法对单相并网逆变器的有功功率控制框图；
[0060]
图6是本发明的单相并网逆变器无功调节方法对单相并网逆变器的电网内环pi控制框图；
[0061]
图7是本发明的单相并网逆变器无功调节方法适用的单相并网逆变器电路的示意图。
具体实施方式
[0062]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0063]
本发明涉及一种单相并网逆变器无功调节方法，包括控制单相并网逆变器进入并网运行状态，并基于电网电压、电网电流、单位余弦信号和单位正弦信号分别计算电网电压余弦分量、电网电压正弦分量、电网电流余弦分量、电网电流正弦分量；基于所述电网电压余弦分量、所述电网电压正弦分量、所述电网电流余弦分量、所述电网电流正弦分量分别计算有功功率和无功功率；基于所述有功功率和所述无功功率的正负判断所述有功功率和所述无功功率的类型；基于所述无功功率调节或补偿所述单相并网逆变器。实施本发明的单相并网逆变器无功调节方法，计算无功功率的理论原理清晰、物理意义明确、运算简单且准确，其易于实现且能区分无功功率类型，并便于推广；并且由于计算的无功功率准确，而通过利用该无功功率可以提高功率因数的调节精度。
[0064]
图1是本发明的单相并网逆变器无功调节方法的第一优选实施例的流程图。如图1所示，在步骤s1中，控制单相并网逆变器进入并网运行状态，并基于电网电压、电网电流、单位余弦信号和单位正弦信号分别计算电网电压余弦分量、电网电压正弦分量、电网电流余弦分量、电网电流正弦分量。在此说明如下，本发明的单相并网逆变器无功调节方法适用于所有单相并网逆变器无功功率补偿或功率因数调节的场合。图7是本发明的单相并网逆变器无功调节方法适用的单相并网逆变器电路的示意图，其中示出了其适用的双向充放电装置(v2g，vehicle to grid)的单相并网逆变器。当然在本发明的其他优选实施例，任何有单相并网逆变器应用的系统均适用。
[0065]
在本发明的优选实施例中，可以使用单相电网电压通过锁相环输出与电网电压同频率同相位的单位余弦信号以及与电网电压正交的单位正弦信号或可以直接使用与电网电压同频率的单位余弦信号与单位正弦信号。
[0066]
具体如下，采集电网电压和电网电流，以提取与所述电网电压同频率的单位余弦信号cosωt与单位正弦信号sinωt或提取单相电网电压通过锁相环输出的与所述电网电压同频率同相位的单位余弦信号cosωt以及与所述电网电压正交的单位正弦信号sinωt。
[0067]
假设采集电网电压和电网电流可知，电网电压其中u
rms
为电网电压有效值，ω为电网电压角速度，为电网电压初相角，t＝2π/ω为电网电压周期。电网电流其中i
rms
为电网电流有效值，为电网电流初相角。功率因数角可表示为若即电网电压超前电网电流；若判定所述电网电压滞后所述电网电流。提取与所述电网电压同频率的单位余弦信号cosωt与单位正弦信号sinωt或提取单相电网电压通过锁相环输出的与所述电网电压同频率同相位的单位余弦信号cosωt以及与所述电网电压正交的单位正弦信号sinωt，此时等效
[0068]
随后，基于所述电网电压和所述单位余弦信号cosωt计算所述电网电压余弦分量，并基于所述电网电压和所述单位正弦信号sinωt计算所述电网电压正弦分量。然后，基于所述电网电流和所述单位余弦信号cosωt计算所述电网电流余弦分量，并基于所述电网电流和所述单位正弦信号sinωt计算所述电网电流正弦分量。
[0069]
具体计算过程如下：根据三角函数特性，在一个周期内的积分值满足以下公式：其中m、n为整数。
[0070]
a：基于以下等式计算所述电网电压余弦分量s
up
：
[0071][0072]
∴
[0073]
∴
[0074]
∴
[0075]
其中，电网电压其中u
rms
为电网电压有效值，ω为电网电压角速度，为电网电压初相角，t＝2π/ω为电网电压周期。
[0076]
b：基于以下等式计算所述电网电压正弦分量s
uq
：
[0077][0078]
∴
[0079]
∴
[0080]
∴
[0081]
其中，电网电压其中u
rms
为电网电压有效值，ω为电网电压角速度，为电网电压初相角，t＝2π/ω为电网电压周期。
[0082]
c.基于以下等式计算所述电网电流余弦分量s
ip
：
[0083][0084]
∴
[0085]
∴
[0086]
∴
[0087]
其中，电网电流其中i
rms
为电网电流有效值，为电网电流初相角，ω为电网电压角速度，t＝2π/ω为电网电压周期。
[0088]
d.基于以下等式计算所述电网电流正弦分量s
iq
[0089][0090]
∴
[0091]
∴
[0092]
∴
[0093]
其中，电网电流其中i
rms
为电网电流有效值，为电网电流初相角，ω为电网电压角速度，t＝2π/ω为电网电压周期。
[0094]
需要说明的是，前述电网电压余弦分量s
up
、电网电压正弦分量s
uq
、电网电流余弦分量s
ip
和电网电流正弦分量s
iq
的计算可以按照任何顺序执行，比如同时执行，按照a、b、c、d顺序执行，逆序执行，或者任意两者或者三者同时执行均可，这均落入本发明的保护范围。
[0095]
在步骤s2中，基于所述电网电压余弦分量、所述电网电压正弦分量、所述电网电流余弦分量、所述电网电流正弦分量分别计算有功功率和无功功率。
[0096]
根据电气参数的定义，满足以下关系式：
[0097]
无功功率表达式：
[0098]
有功功率表达式：
[0099]
功率因数表达式：
[0100]
有功功率与无功功率的关系：
[0101]
根据三角函数特性，在一个周期内的积分值满足以下公式：其中m、n为整数。
[0102]
功率因数角可表示为功率因数角可表示为为电网电流初相角，为电网电压初相角。
[0103]
因此，基于以下等式计算有功功率p：
[0104][0105]
∴
[0106]
∴
[0107]
∴p＝2
·
(s
up
·sip
+s
uq
·siq
)。
[0108]
又基于以下等式计算无功功率q：
[0109][0110]
∴
[0111]
∴
[0112]
∴q＝2
·
(s
up
·siq-s
uq
·sip
)。
[0113]
当所述电网电压不经过锁相环处理时，所述电网电压余弦分量s
up
、电网电压正弦分量s
uq
、电网电流余弦分量s
ip
和电网电流正弦分量s
iq
为一个周期内的平均值；当所述电网电压经过锁相环处理时，所述电网电压余弦分量s
uq
、电网电压正弦分量s
uq
、电网电流余弦分量s
ip
和电网电流正弦分量s
iq
为按照锁相环输出电网电压相角以360度为周期循环的平均值。
[0114]
因此，可以基于前述电网电压余弦分量s
up
、电网电压正弦分量s
uq
、电网电流余弦分量s
ip
和电网电流正弦分量s
iq
分别计算有功功率p和无功功率q。因此，通过简单的计算方法就可以准确获得无功功率，计算无功功率的理论原理清晰、物理意义明确、运算简单且准确。
[0115]
在步骤s3中，基于所述有功功率和所述无功功率的正负判断所述有功功率和所述无功功率的类型。具体地，若所述有功功率p＞0，判定逆变器向电网馈电；若所述有功功率p＜0，逆变器消耗电网能量；若所述无功功率q＞0，判定所述电网电压超前所述电网电流，电网消耗感性无功；若所述无功功率q＜0，判定所述电网电压滞后所述电网电流，电网消耗容性无功。因此，直接通过所述有功功率和所述无功功率的正负判断所述有功功率和所述无功功率的类型，判断简单可靠。
[0116]
在步骤s4中，基于所述无功功率调节或补偿所述单相并网逆变器。
[0117]
具体地，在本发明的优选实施例中，首先基于设置的功率因数参考值计算无功功率参考值，并基于所述无功功率参考值和所述无功功率做闭环pi以获得无功电流参考值。
[0118]
优选的，若上位机设置的功率因数参考值为则无功功率参考值假设λ
ref
＞0，表示电网电压超前电网电流；λ
ref
＜0，表示电网电压滞后电网电流。由三角函数特性可得进而
[0119]
可求得：随即可以推导出∴最后，将无功功率参考值q
ref
与所得无功功率q做闭环pi控制，得到无功电流参考值i
qref
。此外，将所得的无功电流参考值i
qref
加入并网逆变器控制系统中，并作用于电网电流内环，以实现对单相并网逆变器无功功率的补偿或功率因数的调节。
[0120]
具体的控制过程可以参见图4-6所示的实施例。图4是本发明的单相并网逆变器无功调节方法对单相并网逆变器的无功功率控制框图。图5是本发明的单相并网逆变器无功调节方法对单相并网逆变器的有功功率控制框图。图6是本发明的单相并网逆变器无功调节方法对单相并网逆变器的电网内环pi控制框图。当然，在本发明的其他优选示例中，还可以采用任何已知的补偿调节方法，只要其使用的是本发明的方法所计算的无功电流参考值即可。在此，本发明巧妙的利用计算所得的无功功率与有功功率，对电网无功功率或功率因数进行闭环调节，可以提高无功功率补偿的准确度或功率因数调节的精度。
[0121]
图7是本发明的单相并网逆变器无功调节方法适用的单相并网逆变器电路的示意图。图2是本发明的单相并网逆变器无功调节方法的第二优选实施例的流程图。图3是本发明的单相并网逆变器无功调节方法的第三优选实施例的流程图。其中图2涉及电网电压不经过锁相环处理的流程，而图3涉及电网电压经过锁相环处理的流程。
[0122]
下面将结合图2和图7对本发明的优选实施例说明如下。如图7所示，所述单相并网逆变器电路为v2g逆变电路，所述v2g逆变电路包括v2g母线电容100、与所述v2g母线电容100并联的v2g并网逆变器200、与所述v2g并网逆变器200串联的滤波电感300、与所述滤波电感300串联的电网500，以及并联于电网500两端的滤波电容400。
[0123]
假设：以tr为周期对电网电压与电网电流进行采样以及控制，其控制载波比n＝t/tr(例如电网频率50hz、采样频率20khz，则n＝20khz/50hz＝400)；ω为电网电压角速度，为电网电压初相角，t＝2π/ω为电网电压周期。在一个电网周期t内，第k时刻的采样电网电压值为u(k)，采样电网电流值为i(k)。
[0124]
首先，提取与电网电压同频率的单位余弦信号cosωk与单位正弦信号sinωk；或使用单相电网电压通过锁相环输出与电网电压同频率同相位的单位余弦信号cosωk以及与电网电压正交的单位正弦信号sinωk，此时等效
[0125]
其次，在逆变器进入并网状态后，计算有功功率实际值与无功功率实际值。
[0126]
在一个电网周期内，累加电网电压u(k)以及与其同频的单位余弦函数cosωk的积，并求取平均值：
[0127]
在一个电网周期内，累加电网电压u(k)以及与其同频的单位正弦函数sinωk的积，并求取平均值：
[0128]
在一个电网周期内，累加电网电流i(k)以及与电网电压同频的单位余弦函数cosωk的积，并求取平均值：
[0129]
在一个电网周期内，累加电网电流i(k)以及与电网电压同频的单位正弦函数sinωk的积，并求取平均值：
[0130]
计算有功功率实际值：
[0131]
计算无功功率实际值：
[0132]
电网电压不经过锁相环处理，直接计算有功功率实际值与无功功率实际值的程序流程，如图2所示。即当所述电网电压不经过锁相环处理时，所述电网电压余弦分量s
uq
、
电网电压正弦分量s
uq
、电网电流余弦分量s
ip
和电网电流正弦分量s
iq
为一个周期内的平均值。
[0133]
电网电压经过锁相环处理，再计算有功功率实际值与无功功率实际值。此时，等效的电网电压初相角电网电压经锁相环输出电网电压相角θ以360度为周期进行循环；当θ大于等于360度时，完成一个电网电压周期循环，并将θ清零。因此，若选取θ＝0
°
时刻，为k开始计数的起点(即k＝0)：当θ≥360
°
时，则k完成一个电网电压周期计数(即k＝n，n为载波比)。此时，计算有功功率实际值与无功功率实际值的程序流程，如图3所示。即当所述电网电压经过锁相环处理时，所述电网电压余弦分量s
up
、电网电压正弦分量s
uq
、电网电流余弦分量s
ip
和电网电流正弦分量s
iq
为按照锁相环输出电网电压相角以360度为周期循环的平均值。
[0134]
此后，若上位机设置功率因数参考值为则无功功率参考值假设表示电网电压超前电网电流；表示电网电压滞后电网电流。由三角函数特性可得进而可求得：因此，无功功率参考值为：
[0135][0136]
最后，将无功功率参考值与所得无功功率实际值做闭环pi控制，得到无功电流参考值此外，将所得的无功电流参考值加入并网逆变器控制系统中，并作用于电网电流内环pi控制。从而，实现对单相并网逆变器无功功率的补偿或功率因数的调节。单相并网逆变器无功功率控制框图，如图4所示。单相并网逆变器有功功率控制框图，如图5所示。单相并网逆变器电网电流内环pi控制，并加入电网电压前馈的控制框图，如图6所示。
[0137]
当然，在本发明的其他优选示例中，还可以采用任何已知的补偿调节方法，只要其使用的是本发明的方法所计算的无功电流参考值即可。在此，本发明巧妙的利用计算所得的无功功率与有功功率，对电网无功功率或功率因数进行闭环调节，可以提高无功功率补偿的准确度或功率因数调节的精度。
[0138]
本发明的进一步的优选实施例涉及一种单相并网逆变器无功调节系统，包括逆变电路和处理器，所述处理器中存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的单相并网逆变器无功调节方法。所述逆变电路可以是本领域中任何已知的单相并网逆变器电路，包括但不限于图2所示的电路。所述处理器可以任何处理芯片，电路，模块，其上可以存储计算机程序，并且所述计算机程序被处理器执行时实现所述的单相并网逆变器无功调节方法。
[0139]
本发明的进一步的优选实施例涉及一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的单相并网逆变器无功调节方法。
[0140]
本发明可以通过软件或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系
统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现本发明方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行程序控制计算机系统，使其按本发明方法运行。
[0141]
本发明还涉及计算机存储介质，其上存储有计算机程序，程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。
[0142]
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
[0143]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。