三相四桥臂光伏并网逆变器及多目标协同故障控制方法与流程

本发明涉及新能源并网发电技术领域，特别涉及一种三相四桥臂光伏并网逆变器及多目标协同故障控制方法。

背景技术：

随着大规模分布式光伏、风力等发电单元接入电网，导致发电单元与电网之间的相互影响日益显著。为了提高分布式能源接入电网运行的可靠性，现有并网导则要求电网出现短时故障时，新能源并网逆变器必须保持不脱网运行，即具备故障穿越控制能力。

现有技术大都以三相三线制并网逆变器为研究对象，重点解决输出有功功率波动、无功功率波动和输出电流谐波等问题，在保证输出电流质量的前提下分别实现有功功率波动或者无功功率波动抑制，或者在忽略输出电流质量的前提下实现有功功率波动和无功功率波动同时抑制。但是，三相三线制并网逆变器存在未引入零序电流的局限性，无法实现输出有功功率波动、无功功率波动和输出电流质量的同时控制。

技术实现要素：

本申请的目的在于解决有功功率波动、无功功率波动和输出电流质量同时控制的问题，实现多种目标之间的协同控制，减小控制算法的设计难度。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种三相四桥臂光伏并网逆变器及多目标协同故障控制方法。所述技术方案如下：

一方面，一种三相四桥臂光伏并网逆变器，所述光伏并网逆变器包括：公共耦合点、三相四桥臂并网逆变器主电路、控制系统；

所述控制系统分别获取所述公共耦合点的电压信号以及所述三相四桥臂并网逆变器的输出电流信号，并对所述电压信号和所述输出电流信号进行计算分析，得到驱动信号；

所述驱动信号，驱动三相四桥臂并网逆变器主电路工作，并进行多目标协同故障控制。

进一步的，所述三相四桥臂并网逆变器主电路包括直流侧电容电压vdc、三相半桥igbt模块s1～s6、第四桥臂igbt模块s7～s8、滤波电感lf1和lf2、电容cf；

所述控制系统包括电压传感器、电流传感器、采样调理电路、ad转换单元、dsp核心控制器、igbt驱动及保护电路。

进一步的，所述dsp核心控制器用于执行光伏并网逆变器的故障控制算法，所述dsp核心控制器包括故障检测单元、模式选择单元、序分量提取单元、无功电压计算单元、clark变换单元、参考电流计算单元、pr电流控制单元、clark反变换单元、spwm调制单元。

进一步的，所述故障检测单元用于快速获取公共耦合点电压的各相幅值；

所述模式选择单元用于根据需求选择相应的控制参数；

所述序分量提取单元用于利用对称分量法获取所述公共耦合点电压的正序分量、负序分量、零序分量；

所述无功电压计算单元用于获取所述公共耦合点电压的正序分量、负序分量、零序分量在滞后四分之一周期时对应的无功电压分量；

所述clark变换单元用于获取等功率变换后αβ0坐标系电压分量取值；

参考电流计算单元用于根据所述电压各序分量、有功参考值、无功参考值、所述控制参数、故障类型系数、不平衡度，求得所需电流的给定值；

所述pr电流控制单元用于根据所述所需电流的给定值，在αβ0坐标系下闭环控制实际输出电流；

所述clark反变换单元用于将所获得的调制波电压转换到abc坐标系下；

所述spwm调制单元用于根据调制波电压，利用dsp核心控制器分别产生相应的四桥臂驱动信号。

另一方面，一种三相四桥臂光伏并网逆变器的多目标协同故障控制方法，所述方法应用于所述三相四桥臂光伏并网逆变器，所述方法的具体步骤包括：

步骤s1，利用采样调理电路和ad转换单元实时获取所述公共耦合点电压vabc和输出电流iabc；

步骤s2，利用对称分量法分别获取所述公共耦合点电压vabc的正序分量vabc⁺、负序分量vabc^-、零序分量vz⁰，并求取各自的无功电压值；

步骤s3，利用等功率clark变换，将所述公共耦合点电压vabc及其所述无功电压值转换为αβ0坐标系分量，并将所述输出电流iabc转换为αβ0坐标系分量；

步骤s4，利用故障检测单元快速获取公共耦合点电压的各相幅值；

步骤s5，计算所述公共耦合点电压的正序分量幅值、负序分量幅值、零序分量幅值，并求得所述公共耦合点电压负序不平衡度值；

步骤s6，根据所述控制参数，实现多目标协同故障控制；

步骤s7，计算求得所述并网逆变器的参考电流表达式iαβ0ref；

步骤s8，通过所述参考电流表达式iαβ0ref，将在αβ0坐标系下分别与所述并网逆变器实际输出电流iαβ0进行比较，生成αβ0坐标系下的调制波电压eαβ0ref；

步骤s9，通过对所述调制波电压eαβ0ref反clark变换得到三相半桥igbt模块s1～s6调制波电压eabcref和第四桥臂igbt模块s7～s8调制波电压enref；

步骤s10，利用dsp核心控制器分别产生三相半桥igbt模块s1～s6和第四桥臂igbt模块s7～s8的驱动信号；

步骤s11，返回步骤s1并继续循环执行以上步骤。

进一步的，当配电网正常运行时，所述故障检测单元输出故障标志位置0；

当配电网发生故障时，所述故障检测单元输出故障标志位置1。

进一步的，步骤s6，根据所述控制参数，实现多目标协同故障控制的具体步骤包括：

设定所述控制参数为x和k；

当x＝0且k＝0时，所述并网逆变器输出电流不包括负序分量和零序分量，所述并网逆变器表现为平衡电流控制；

当x＝0或1且k＝-1时，所述并网逆变器输出正序电流和负序电流实现有功功率波动抑制，所述并网逆变器表现为有功功率波动和零序分量电流控制；

当x＝0且k＝1时，所述并网逆变器输出正序电流和负序电流实现实现无功功率波动抑制，所述并网逆变器表现为无功波动和零序分量电流控制；

当x＝1且k＝0时，所述并网逆变器输出正序电流和零序电流实现有功功率波动抑制，所述并网逆变器表现为有功波动和负序分量电流控制；

当x＝1且k＝1时，所述并网逆变器输出正序电流、负序电流和零序电流实现有功和无功功率波动抑制，所述并网逆变器表现为有功和无功功率波动控制。

进一步的，步骤s8还包括：

通过pr电流控制单元、公共耦合点电压前馈vαβ0和直流电压归一化vdcref/2进行闭环跟踪，其传递函数和控制方程公式为：

eαβ0ref＝[gpr(s)·(iαβ0ref-iαβ0)+vαβ0]/(vdcref/2)

其中，kp为比例系数，kr为谐振系数，ξ为阻尼系数，ωc为谐振角频率，vdcref为直流侧电压参考值。

进一步的，步骤s9，得到所述三相半桥igbt模块s1～s6调制波电压eabcref和第四桥臂igbt模块s7～s8调制波电压enref公式为：

enref＝earef+ebref+ecref

其中，eαβ0ref为αβ0坐标系下的调制波电压，eabcref为三相半桥igbt模块s1～s6调制波电压。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过引入额外的零序电流，一方面，可以实现三相三线制并网逆变器中不具备的控制功能，即在保证输出电流质量的前提下分别实现输出有功功率波动和无功功率波动同时抑制功能。另一方面，将三相四线制逆变器中额外的控制目标与传统三相三线制逆变器的控制目标相结合，实现多种目标之间的协同控制，进而增强故障期间光伏并网逆变器控制的灵活性，提高实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中一种三相四桥臂光伏并网逆变器结构图；

图2是本发明中一种三相四桥臂光伏并网逆变器的多目标协同故障控制方法示意图；

图3(a)是本发明中公共耦合点三相电压vabc波形图。

图3(b)是本发明中光伏并网逆变器输出三相电流iabc和中线电流in波形图图3(c)是本发明中光伏并网逆变器输出有功功率p和无功功率q波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种三相四桥臂光伏并网逆变器，包括：公共耦合点(couplingofcommonpoint，pcc)、三相四桥臂光伏并网逆变器主电路、控制系统；所述控制系统分别获取所述公共耦合点的电压信号以及所述三相四桥臂并网逆变器的输出电流信号，并对所述电压信号和所述输出电流信号进行计算分析，得到驱动信号；所述驱动信号，驱动三相四桥臂并网逆变器主电路工作，并进行多目标协同故障控制。

在实施中，三相四桥臂并网逆变器主电路包括直流侧电容电压vdc、三相半桥igbt模块s1～s6、第四桥臂igbt模块s7～s8、滤波电感lf1和lf2、电容cf，控制系统包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、采样调理电路、ad7656转换单元、dsp28335核心控制器、igbt驱动及保护电路。

在实施中，dsp28335核心控制器用于执行光伏并网逆变器的故障控制算法，dsp28335核心控制器包括故障检测单元、模式选择单元、序分量提取单元、无功电压计算单元、clark变换单元、参考电流计算单元、pr电流控制单元、clark反变换单元、spwm调制单元。

具体的，故障检测单元用于快速获取公共耦合点电压的各相幅值，模式选择单元用于根据需求选择相应的控制参数，序分量提取单元用于利用对称分量法获取所述公共耦合点电压的正序分量、负序分量、零序分量，无功电压计算单元用于获取所述公共耦合点电压的正序分量、负序分量、零序分量在滞后四分之一周期时对应的无功电压分量，clark变换单元用于获取等功率变换后αβ0坐标系电压分量取值，参考电流计算单元用于根据所述电压各序分量、有功参考值、无功参考值、所述控制参数、故障类型系数、不平衡度，求得所需电流的给定值，pr电流控制单元用于根据所述所需电流的给定值，在αβ0坐标系下闭环控制实际输出电流，clark反变换单元用于将所获得的调制波电压转换到abc坐标系下，spwm调制单元用于根据调制波电压，利用dsp28335核心控制器分别产生相应的四桥臂驱动信号。

如图2所示，本发明实施例提供了一种三相四桥臂光伏并网逆变器的多目标协同故障控制方法，所述方法应用于如图1所示的结构中，所述方法的具体步骤包括：

步骤s1，利用采样调理电路和ad7656转换单元实时获取3路pcc电压vabc和3路输出电流iabc；

步骤s2，利用对称分量法分别获取pcc电压vabc的正序分量vabc⁺、负序分量vabc^-、零序分量vz⁰，并求取各自的无功电压值。

在实施中，步骤s1和步骤s2中的计算公式如下：

vz⁰＝(va+vb+vc)/3

其中，e^-j120°、e^j120°、e^-j90°分别为对应电压滞后120度、超前120度和滞后90度，具体程序是利用寄存器变量存储进行提取相关数据。为正序分量vabc⁺的无功电压值，为负序分量vabc^-的无功电压值，为零序分量vz⁰的无功电压值。

步骤s3，利用等功率clark变换，将所述公共耦合点电压vabc及其所述无功电压值转换为αβ0坐标系分量，并将所述输出电流iabc转换为αβ0坐标系分量。

在实施中，步骤s3中的计算公式如下：

其中，vα⁺、vβ⁺为αβ0坐标系下电压的正序分量，vα^-、vβ^-为αβ0坐标系下电压的负序分量，v⁰为αβ0坐标系下电压的零序分量，为αβ0坐标系下的正序分量的无功电压值，为αβ0坐标系下的负序分量的无功电压值，v⊥⁰为αβ0坐标系下的零序分量的无功电压值。iα、iβ、i0为αβ0坐标系下的电流分量，。

步骤s4，利用故障检测单元快速获取公共耦合点电压vabc的各相幅值vabcm。

计算公式如下：

在实施中，当配电网发生短路故障时，若为单相接地故障(以a相为例)，故障类型系数m＝-1；若为两相接地故障(以bc相为例)，故障类型系数m＝1。

步骤s5，计算所述公共耦合点电压的正序分量幅值vm⁺、负序分量幅值vm^-、零序分量幅值vm⁰，并求得所述公共耦合点电压负序不平衡度值n，具体计算公式如下：

步骤s6，根据所述控制参数，实现多目标协同故障控制。

在实施中，设定所述控制参数为x和k；

当x＝0且k＝0时，所述并网逆变器输出电流不包括负序分量和零序分量，所述并网逆变器表现为平衡电流控制；

当x＝0或1且k＝-1时，所述并网逆变器输出正序电流和负序电流实现有功功率波动抑制，所述并网逆变器表现为有功功率波动和零序分量电流控制；

当x＝0且k＝1时，所述并网逆变器输出正序电流和负序电流实现功率波动抑制，所述并网逆变器表现为无功波动和零序分量电流控制；

当x＝1且k＝0时，所述并网逆变器输出正序电流和零序电流实现有功功率波动抑制，所述并网逆变器表现为有功波动和负序分量电流控制；

当x＝1且k＝1时，所述并网逆变器输出正序电流、负序电流和零序电流实现有功和无功功率波动抑制，所述并网逆变器表现为有功和无功功率波动控制。

步骤s7，计算求得所述并网逆变器的参考电流表达式iαβ0ref，计算公式如下：

其中，六个中间参数a、b、c、d、e、f的公式如下：

其中，中间参数的取值只与控制参数x和k、故障类型系数m、负序电压不平衡度n相关。

步骤s8，通过所述参考电流表达式iαβ0ref，将在αβ0坐标系下分别与所述并网逆变器实际输出电流iαβ0进行比较，生成αβ0坐标系下的调制波电压eαβ0ref。

在实施中，通过pr电流控制单元、公共耦合点电压前馈vαβ0和直流电压归一化vdcref/2进行闭环跟踪，其传递函数和控制方程公式为：

eαβ0ref＝[gpr(s)·(iαβ0ref-iαβ0)+vαβ0]/(vdcref/2)

其中，kp为比例系数，kr为谐振系数，ξ为阻尼系数，ωc为谐振角频率，vdcref为直流侧电压参考值。

步骤s9，通过对所述调制波电压eαβ0ref反clark变换得到三相半桥igbt模块s1～s6调制波电压eabcref和第四桥臂igbt模块s7～s8调制波电压enref。

在实施中，得到所述第四桥臂igbt模块s7～s8调制波电压enref公式为：

enref＝earef+ebref+ecref

其中，eαβ0ref为αβ0坐标系下的调制波电压，eabcref为三相半桥igbt模块s1～s6调制波电压。

步骤s10，利用dsp核心控制器分别产生三相半桥igbt模块s1～s6和第四桥臂igbt模块s7～s8的驱动信号；

步骤s11，返回步骤s1并继续循环执行以上步骤。

在一种具体的实施方式中，本发明实施例提供了一种三相四桥臂光伏并网逆变器的多目标协同故障控制效果对比图。

在实施中，如图3(a)所示，配电网在0.2s-0.6s之间发生a相接地故障，跌落深度为50％，如图3(b)和3(c)所示，当控制参数依次取x＝0和k＝0、x＝0或1和k＝-1、x＝0和k＝1、x＝1和k＝0、x＝1和k＝1时，五种控制目标将相继实现，即为平衡电流控制(balancedpositivesequencecurrentcontrol，bpsc)、有功波动和零序电流控制(activepoweroscillationandzerosequencecurrentcontrol，apo-zsc)、无功波动和零序电流控制(reactivepoweroscillationandzerosequencecurrentcontrol，rpo-zsc)、有功波动和负序电流控制(activepoweroscillationandnegativesequencecurrentcontrol，apo-nsc)、有功和无功波动控制(activeandreactivepoweroscillationcontrol，arpoc)。可以看出，通过本发明提出的三相四桥臂光伏并网逆变器的多目标协同故障控制方法，通过调节两个控制参数的不同取值，来快速实现多种目标之间的协同控制，实现了新能源的友好接入。

由上可见，通过引入额外的零序电流，一方面，可以实现三相三线制并网逆变器中不具备的控制功能，即在保证输出电流质量的前提下分别实现输出有功功率波动和无功功率波动同时抑制功能。另一方面，将三相四线制逆变器中额外的控制目标与传动三相三线制逆变器的控制目标相结合，实现多种目标之间的协同控制，进而增强故障期间光伏并网逆变器控制的灵活性，提高实际应用价值。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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。