单相逆变控制方法及系统与流程

本发明涉及逆变控制技术，特别是涉及一种单相逆变控制方法及系统。

背景技术：

目前，新能源越来越受到关注，但大部分新能源装置的频率和电压不稳定，不能直接并入电网或直接给负载供电。因此，逆变控制技术是更好的使用新能源发电的一项重要部分。逆变控制技术主要有：无差拍控制、重复控制、比例积分(pi)控制等，其中，应用最为广泛的是pi控制器(proportionalintegralcontroller)。对于交流逆变器，其给定的信号和反馈量是交流量，采用pi控制器不能实现误差跟随，且pi控制器对周期干扰信号没有抗干扰能力，从而导致输出稳态误差大，使逆变器输出电压的谐波增大，降低电能质量。针对pi控制器存在的以上缺点，一般的解决方案为直接将三相逆变器输出的三相交流量通过相应变换，得到旋转坐标系中的直流分量，将直流分量直接利用pi控制器进行控制。

而在单相逆变器中只有一相交流量，无法直接利用上述变换得到旋转坐标系中的直流分量，对于单相逆变器存在的这种问题，传统技术一般通过时间滞后或相移技术，构造出虚拟两相交流信号或三相交流信号，但在实现过程中，发明人发现传统技术至少存在如下问题：首先，直接的进行相位滞后并不能保证严格的相位相差90°或120°；其次，直接将输出的交流量进行坐标变换从而得到直流量的方法，对频率变化及谐波都非常敏感，容易使输出的直流分量含有较多的纹波。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种单相逆变控制方法及系统。

为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种单相逆变控制方法，可以包括以下步骤：

获取单相逆变器输出的电压信号和电流信号，并根据正弦跟踪算法，分别生成电压信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电压信号vα、vβ以及电流信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电流信号iα、iβ；

通过派克变换，分别获取两相电压信号的直流电压分量vd、vq和两相电流信号的直流电流分量id、iq；

根据预设的参考电压vd_ref、vq_ref和直流电压分量vd、vq，获取电压误差evd和evq，并通过pi控制器处理电压误差evd和evq，得到参考电流信号id_ref、iq_ref；

根据参考电流信号id_ref、iq_ref和直流电流分量id、iq，得到电流误差信号eid和eiq；

依次通过pi控制器和派克逆变换处理电流误差信号eid和eiq，得到对单相逆变器进行控制的控制量。

另一方面，本发明实施例还提供了一种单相逆变控制系统，可以包括：

两相信号获取单元，用于获取单相逆变器输出的电压信号和电流信号，并根据正弦跟踪算法，分别生成电压信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电压信号vα、vβ以及电流信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电流信号iα、iβ；

直流分量提取单元，用于通过派克变换，分别获取两相电压信号的直流电压分量vd、vq和两相电流信号的直流电流分量id、iq；

处理单元，用于根据预设的参考电压vd_ref、vq_ref和直流电压分量vd、vq，获取电压误差evd和evq，并通过pi控制器处理电压误差evd和evq，得到参考电流信号id_ref、iq_ref；以及根据参考电流信号id_ref、iq_ref和直流电流分量id、iq，得到电流误差信号eid和eiq；

控制量获取单元，用于依次通过pi控制器和派克逆变换处理电流误差信号eid和eiq，得到对单相逆变器进行控制的控制量。

本发明具有如下优点和有益效果：

本发明单相逆变控制方法及系统，与传统直接根据逆变器输出的交流量进行反馈控制不同，本发明采用正弦跟踪算法sta从单相逆变器的输出交流电压以及电流中提取相互垂直的两相交流量，然后通过park变换(即派克变换)得到坐标系下的直流量，再用pi控制器控制单相逆变器的输出电压波形，从而构造基于直流分量的双闭环控制器的方法。本发明通过sta算法和park变换得到直流分量，并利用直流分量的反馈控制逆变器的输出电压波形，充分发挥了pi控制器对直流量的无差跟踪能力；本发明从谐波污染的信号中提取出基波分量的同时，估计出基波幅值、相角和频率，因此对频率变化和谐波污染不敏感，可以得到谐波小、抗干扰能力强的单相逆变电压波形。

附图说明

图1为本发明单相逆变控制方法实施例1的流程示意图；

图2为本发明单相逆变控制方法一具体实施例的流程示意图；

图3为本发明单相逆变控制方法中根据正弦跟踪算法获取两相信号流程示意图；

图4为单相逆变控制系统实施例1的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明单相逆变控制方法及系统一具体应用场景以及技术术语解释说明：

本发明可以应用在大功率电源以及单相逆变器等相关产品中，其中，大功率电源可以包括功率大于等于10kw的逆变、整流、直流、交流、单相、三相等电源。而单相逆变器包括直流逆变器和交流逆变器；在一个具体的实施例中，本发明的方法可以适用于单相交流逆变器。

正弦跟踪算法：正弦跟踪算法可以包括不同的名称，例如正弦跟踪算法sta(sinusoidaltrackingalgorithm)或相角幅值模型apm(amplitudephasemodel)等。sta可在提取基波分量信号的同时，估计出幅值、相角和频率；

park变换(派克变换：parktransformation)：两相静止坐标系αβ和两相旋转坐标系dq之间的变换；其中，本发明各实施例中提到的park变换表示从两相静止坐标系αβ变换到两相旋转坐标系dq；本发明各实施例中提到的park逆变换表示从两相旋转坐标系dq变换到两相静止坐标系αβ。

本发明单相逆变控制方法实施例1：

为了解决传统技术对单相逆变器直接的进行相位滞后并不能保证严格的相位相差，且易使输出的直流分量含有较多的纹波，即通过传统技术无法准确获取单相逆变器的直流分量的问题，本发明提供了一种单相逆变控制方法实施例1；图1为本发明单相逆变控制方法实施例1的流程示意图；如图1所示，可以包括以下步骤：

步骤s110：获取单相逆变器输出的电压信号和电流信号，并根据正弦跟踪算法，分别生成电压信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电压信号vα、vβ以及电流信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电流信号iα、iβ；

步骤s120：通过派克变换，分别获取两相电压信号的直流电压分量vd、vq和两相电流信号的直流电流分量id、iq；

步骤s130根据预设的参考电压vd_ref、vq_ref和直流电压分量vd、vq，获取电压误差evd和evq，并通过pi控制器处理电压误差evd和evq，得到参考电流信号id_ref、iq_ref；以及根据参考电流信号id_ref、iq_ref和直流电流分量id、iq，得到电流误差信号eid和eiq；

步骤s140：依次通过pi控制器和派克逆变换处理电流误差信号eid和eiq，得到对单相逆变器进行控制的控制量。

具体而言，本发明各实施例中采用的相角幅值模型，即正弦跟踪算法sta，本发明各实施例与传统直接根据逆变器输出的交流量进行反馈控制不同，本发明采用正弦跟踪算法sta从单相逆变器的输出交流电压以及电流中提取相互垂直的两相交流量，然后通过park变换(即派克变换)得到坐标系下的直流量，再用pi控制器控制单相逆变器的输出电压波形，从而构造基于直流分量的双闭环控制器的方法。

在一个具体的实施例中，根据正弦跟踪算法，分别生成电压信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电压信号vα、vβ以及电流信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电流信号iα、iβ的步骤包括：

根据正弦跟踪算法，分别提取电压信号、电流信号的基波分量信号，并根据基波分量信号估计基波幅值、相角和频率，对应生成两相电压信号vα、vβ和两相电流信号iα、iβ。

具体而言，单相逆变器输出的电压信号反馈到正弦跟踪算法(sta)模块(即执行正弦跟踪算法)，在sta模块中通过提取电压基波分量，估计基波幅值、相角和频率，从而产生两相静止坐标系上的相互正交的两相信号，同理单相逆变器的反馈电流也通过sta模块产生相互正交的两相电流信号；本发明从谐波污染的信号中提取出基波分量的同时，估计出基波幅值、相角和频率，因此本发明各实施例对频率变化和谐波污染不敏感，可以得到谐波小、抗干扰能力强的单相逆变电压波形。

在一个具体的实施例中，可以基于以下公式获取电压信号：

其中，v(t)表示电压信号，n(t)表示电压信号的噪声，vmi表示第i次电压谐波分量的幅值，θgi表示第i次电压谐波分量的相角，m表示幅值，i表示第i次电压谐波分量，t表示时间。

在一个具体的实施例中，可以基于以下公式估计基波分量信号的基波幅值、相角和频率：

其中，e(t)表示根据正弦跟踪算法估计到的基波分量信号，e(t)表示估计的基波幅值；

其中，w(τ)表示估计的角频率，表示θ(t)的微分；

θ(t)表示估计的相角，τ表示时间的自变量，dτ表示积分算子，δ(t)表示初始相位；

可以基于以下公式生成两相电压信号：

w＝w(τ)

θ＝θ(t)

e＝e(t)

v＝v(t)

其中，w表示估计的角频率，θ表示估计的相角，e表示估计的基波幅值，d表示电压信号与两相电压信号的差值，v表示电压信号，u1、u2、u3表示常数。

具体而言，设sta的状态向量ψ(t)＝[e(t)w(t)δ(t)]，其中，ψ(t)是自定义的一个状态向量，该状态向量表示一个sta的特征。设计sta的关键就在于找到最优的ψ(t)使得以下成本函数最小：

j(ψ(t)，t)＝[v(t)-e(t)]²

根据梯度下降法可以得到如下微分方程组：

w＝w(τ)

θ＝θ(t)

e＝e(t)

v＝v(t)

其中，w表示估计的角频率，θ表示估计的相角，e表示估计的基波幅值，d表示电压信号与两相电压信号的差值，v表示电压信号，u1、u2、u3表示常数。

在一个具体的实施例中，依次通过pi控制器和派克逆变换处理电流误差信号eid和eiq，得到对单相逆变器进行控制的控制量的步骤包括：

通过pi控制器处理电流误差信号eid和eiq，得到两相旋转坐标系下的控制量ud、uq；

根据派克逆变换处理控制量ud、uq，得到两相静止坐标系下的控制量uα、uβ；

剔除掉与电压信号为正交关系的控制量uβ，将uα作为对单相逆变器进行控制的控制量。

具体而言，电流误差信号分别经过pi控制器得到两相旋转坐标系下的控制量ud、uq，对ud和uq进行park得到相互垂直的两相静止坐标系下的控制量uα、uβ。因为uβ与逆变器的输出电压是正交关系，所以只用uα作为单相逆变器的控制量可以得到较好的控制效果。而本发明通过sta算法和park变换得到直流分量，并利用直流分量的反馈控制逆变器的输出电压波形，充分发挥了pi控制器对直流量的无差跟踪能力；

本发明单相逆变控制方法一具体实施例：

为了进一步阐述本发明的技术方案，同时为了解决传统技术对单相逆变器直接的进行相位滞后并不能保证严格的相位相差，且易使输出的直流分量含有较多的纹波，即通过传统技术无法准确获取单相逆变器的直流分量的问题，特以大功率电源，例如单相交流逆变器为例，说明本发明各实施例的具体实现过程：

图2为本发明单相逆变控制方法一具体实施例的流程示意图；图2所示的控制框图采用了电压电流双环控制模式(即双闭环控制)，与传统直接根据逆变器输出的交流量进行反馈控制不同，本专利采用通过sta算法和park变换，得到单相逆变器输出的电压、电流的直流分量，再进行双闭环控制。

单相逆变器输出的电压信号v(即v(t))反馈到正弦跟踪算法(sta)模块，在sta模块中通过提取电压基波分量，估计基波幅值、相角和频率，从而产生两相静止坐标系αβ上的相互正交的两相信号vα、vβ，同理单相逆变器的反馈电流i也通过sta模块产生相互正交的两相电流信号iα、iβ。电压和电流信号分别经过park变换后，得到直流分量vd、vq和id、iq。其中，d表示有功分量，q表示无功分量。根据给定的参考电压vd_ref、vq_ref得到电压误差：evd＝vd_ref-vd和evq＝vq_ref-vq。将电压误差分别经过pi控制器得到参考电流信号id_ref、iq_ref，从而进入电流环。根据参考电流与反馈电流信号可以得到电流误差信号：eid＝id_ref-id和eiq＝iq_ref-iq。电流误差信号分别经过pi控制器得到dq坐标系下的控制量ud、uq，对ud和uq进行park得到相互垂直的两相静止坐标系αβ下的控制量uα、uβ。因为uβ与逆变器的输出电压是正交关系，所以只用uα作为单相逆变器的控制量可以得到较好的控制效果。

图2中，park变换表示从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，其变换矩阵为：

其中，c2s/2r表示从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换矩阵，θ表示相位，2s表示两相静止坐标系，2r表示两相旋转坐标系；

park逆变换表示从两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，其变换矩阵为：

其中，c2r/2s表示表示从两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵，θ表示相位，2s表示两相静止坐标系，2r表示两相旋转坐标系；

其中，需要说明的是电气领域有最常用的三个坐标系：三相静止坐标系abc、两相静止坐标系αβ和两相旋转坐标系dq，而处于两相静止坐标系上的两个信号是正交的。图2中，pi指的是pi控制器，sta指的是sta算法；其中sta算法、park变换、pi控制器可以作为独立的处理过程，本发明的各实施例依照图2所示的流程顺序处理单相逆变器输出的电压信号。图2中的表示和或差运算，是自动控制中的惯用用法。

而图2中的正选跟踪算法的具体实现可以如图3所示，图3为本发明单相逆变控制方法中根据正弦跟踪算法获取两相信号流程示意图；如图3所示，电压信号v(t)可以表示为：

其中，v(t)表示电压信号，n(t)表示电压信号的噪声，vmi表示第i次电压谐波分量的幅值，θgi表示第i次电压谐波分量的相角，m表示幅值，i表示第i次电压谐波分量，t表示时间。

假设通过sta估计到的基波信号为：

其中，e(t)表示根据正弦跟踪算法估计到的基波分量信号，e(t)表示估计的基波幅值，表示估计的角频率，表示估计的相角，τ表示时间的自变量，dτ表示积分算子，δ(t)表示初始相位，表示θ(t)的微分；其中，相位的微分等于角频率。

设sta的状态向量ψ(t)＝[e(t)w(t)δ(t)]，其中，ψ(t)是自定义的一个状态向量，该状态向量表示一个sta的特征。设计sta的关键就在于找到最优的ψ(t)使得以下成本函数最小：

j(ψ(t)，t)＝[v(t)-e(t)]²

根据梯度下降法可以得到如下微分方程组：

其中，w＝w(τ)表示估计的角频率，θ＝θ(t)表示估计的相角，e＝e(t)表示估计的基波幅值，d＝v-vα表示电压信号与输出电压信号的差值，v＝v(t)表示电压信号，vα、vβ表示电压信号相互正交的两相电压信号，u1、u2、u3表示常数。

由以上微分方程组可以得到如图3所示的sta算法框图。图3中，v表示输入电压(即电压信号)，vα、vβ表示在αβ坐标系下的两相电压信号，表示基波电压额定频率，θ表示相位，s表示两相静止坐标系，r表示两相旋转坐标系；图3中的以及是自动控制领域的常用符号。表示和或差运算，如果旁边有负号则表示差运算，如图3从左到右第一个表示v-vα，否则表示和运算；表示乘积运算，表示将两个输入信号相乘。而△表示增益，例如若输入信号是a，三角形中的数是u1，那么输出信号则是a·u1。

本发明的双闭环控制与传统技术中的控制方法相比，不同点可以体现在：1)一般双闭环控制器是用交流量作为反馈信号，而本发明各实施例使用的输出电压、电流的直流量作为双闭环控制的反馈量；2)本发明产生直流量的方法是用sta算法，而不是通过电压或电流信号的滞后来实现。传统技术仅仅适用于频率变化不大、谐波较小的情况，而本发明的双闭环控制使得本发明各实施例对频率变化和谐波污染不敏感，可以得到谐波小、抗干扰能力强的单相逆变电压波形。

本发明单相逆变控制方法的各实施例，与传统直接根据逆变器输出的交流量进行反馈控制不同，本发明采用正弦跟踪算法sta从单相逆变器的输出交流电压以及电流中提取相互垂直的两相交流量，然后通过park变换(即派克变换)得到坐标系下的直流量，再用pi控制器控制单相逆变器的输出电压波形，从而构造基于直流分量的双闭环控制器的方法。本发明通过sta算法和park变换得到直流分量，并利用直流分量的反馈控制逆变器的输出电压波形，充分发挥了pi控制器对直流量的无差跟踪能力；本发明从谐波污染的信号中提取出基波分量的同时，估计出基波幅值、相角和频率，因此对频率变化和谐波污染不敏感，可以得到谐波小、抗干扰能力强的单相逆变电压波形。

单相逆变控制系统实施例1：

基于以上单相逆变控制方法各实施例的技术思想，同时为了解决传统技术对单相逆变器直接的进行相位滞后并不能保证严格的相位相差，且易使输出的直流分量含有较多的纹波，即通过传统技术无法准确获取单相逆变器的直流分量的问题，本发明还提供了一种单相逆变控制系统实施例1；图4为单相逆变控制系统实施例1的结构示意图，如图4所示，可以包括：

两相信号获取单元410，用于获取单相逆变器输出的电压信号和电流信号，并根据正弦跟踪算法，分别生成电压信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电压信号vα、vβ以及电流信号在两相静止坐标系上相互正交的两相电流信号iα、iβ；

直流分量提取单元420，用于通过派克变换，分别获取两相电压信号的直流电压分量vd、vq和两相电流信号的直流电流分量id、iq；

处理单元430，用于根据预设的参考电压vd_ref、vq_ref和直流电压分量vd、vq，获取电压误差evd和evq，并通过pi控制器处理电压误差evd和evq，得到参考电流信号id_ref、iq_ref；以及根据参考电流信号id_ref、iq_ref和直流电流分量id、iq，得到电流误差信号eid和eiq；

控制量获取单元440，用于依次通过pi控制器和派克逆变换处理电流误差信号eid和eiq，得到对单相逆变器进行控制的控制量。

在一个具体的实施例中，两相信号获取单元410可以包括：

信号处理模块412，用于根据正弦跟踪算法，分别提取电压信号、电流信号的基波分量信号；

算法处理模块414，用于根据基波分量信号估计基波幅值、相角和频率，对应生成两相电压信号vα、vβ和两相电流信号iα、iβ。

在一个具体的实施例中，两相信号获取单元410可以基于以下公式获取电压信号：

其中，v(t)表示所述电压信号，n(t)表示所述电压信号的噪声，vmi表示第i次电压谐波分量的幅值，θgi表示第i次电压谐波分量的相角，m表示幅值，i表示第i次电压谐波分量。

在一个具体的实施例中，两相信号获取单元410可以基于以下公式估计基波分量信号的基波幅值、相角和频率：

其中，e(t)表示根据正弦跟踪算法估计到的基波分量信号，e(t)表示估计的基波幅值；

其中，w(τ)表示估计的角频率，表示θ(t)的微分；

θ(t)表示估计的相角，τ表示时间的自变量，dτ表示积分算子，δ(t)表示初始相位；

两相信号获取单元410可以基于以下公式生成两相电压信号：

w＝w(τ)

θ＝θ(t)

e＝e(t)

v＝v(t)

其中，w表示估计的角频率，θ表示估计的相角，e表示估计的基波幅值，d表示电压信号与两相电压信号的差值，v表示电压信号，u1、u2、u3表示常数。

在一个具体的实施例中，控制量获取单元440可以包括：

控制模块442，通过pi控制器处理电流误差信号eid和eiq，得到两相旋转坐标系下的控制量ud、uq；

变换模块444，根据派克逆变换处理控制量ud、uq，得到两相静止坐标系下的控制量uα、uβ；

筛选模块446，剔除掉与电压信号为正交关系的控制量uβ，将uα作为对单相逆变器进行控制的控制量。

可以明确的是，单相逆变控制系统各实施例中的各单元模块，能够对应实现单相逆变控制方法各实施例中的方法步骤，此处不再详细赘述。

本发明单相逆变控制系统各实施例，与传统直接根据逆变器输出的交流量进行反馈控制不同，本发明采用正弦跟踪算法sta从单相逆变器的输出交流电压以及电流中提取相互垂直的两相交流量，然后通过park变换得到坐标系下的直流量，再用pi控制器控制单相逆变器的输出电压波形，从而构造基于直流分量的双闭环控制器的方法。本发明通过sta算法和park变换得到直流分量，并利用直流分量的反馈控制逆变器的输出电压波形，充分发挥了pi控制器对直流量的无差跟踪能力；本发明从谐波污染的信号中提取出基波分量的同时，估计出基波幅值、相角和频率，因此对频率变化和谐波污染不敏感，可以得到谐波小、抗干扰能力强的单相逆变电压波形。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括以上方法所述的步骤，所述的存储介质，如：rom/ram、磁碟、光盘等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。