CN104143837A - 具有参数自适应特性的逆变器无交流电压传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有参数自适应特性的逆变器无交流电压传感器控制方法。首先利用二阶广义积分器对特定频率交流信号的无差跟随特性构建正交滤波器，然后使用该正交滤波器并引入参数自适应控制策略，构建具有参数自适应特性的三相并网逆变器的电压观测器，在两相静止坐标系下，以测量得到的电网侧电流信号与逆变器控制器输出桥端电压参考信号作为电压观测器的输入，观测电网电压；并结合三相并网逆变器在两相静止坐标系下的PR控制，实现逆变器在无交流电压传感器条件下的运行控制。该方法能够在保持逆变器控制稳定性的情况下，避免常规无交流电压传感器控制中可能出现的积分饱和、初值敏感、静态误差等问题，并且在逆变器并网阻抗参数变化时具有良好的适应性。

Description

具有参数自适应特性的逆变器无交流电压传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相并网逆变器的控制方法。

背景技术

可再生能源并网发电***近年来发展迅速，当其接入电网末端或网架结构较为薄弱的配电网时，可能存在并网点短路容量较小，电网稳定性较差，电网存在较为严重的电压波动、闪变、对称或不对称电压跌落故障等问题。可再生能源自身的间歇性与随机性有可能进一步恶化所接入电力***的电压稳定性，并反过来影响自身的稳定运行。为了实现可再生能源发电***的并网功率与电流控制，现有的并网变流器或逆变器中一般采用锁相环得到电网电压信息，但这类锁相环控制容易受到电网电压波动的影响，容易降低可再生能源并网发电***的电能质量。因此，近年来国内外一些研究者开始研究不依赖电网电压信号的无交流电压传感器控制，以提高逆变器并网控制的鲁棒性。

与有电压传感器控制类似，在无电压传感器控制算法中，重构的电压/虚拟磁链信号可以是显式的，并进行矢量控制；也可以是隐式的，并进行直接功率控制。现有的电网电压/虚拟磁链重构方法大致可以分为两类，一是基于复功率估计的电网电压/虚拟磁链重构方法，属于开环估计方法，精确度不高，并且由于含有电流微分项，因而容易引起干扰；二是基于网侧电流偏差调节的电网电压/虚拟磁链重构方法，属于闭环估计方法，准确度较高。

T.Noguchi等人在文献“Direct power control of PWM converter without power-sourcevoltage sensors”中提出了基于无电压传感器的直接功率控制方法，这种方法首先使用滤波器电感电流及其微分项估算得到交流侧有功无功功率，然后进行电网电压重构。为了减小微分项引起的误差，这种方法需要较大的电感值与采样频率；另外，当电流较小时，电压估计精度会受到较大影响。Malinowski等人在文献“Sensorless control strategies for three-phase PWMrectifiers”中提出改用积分运算，观测电网“虚拟磁链”；然而纯积分器方法存在积分饱和与零点漂移等问题，且对初始值较为敏感。

专利CN201010109338.2提出一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，解决现有方法由于网侧电压矢量的虚拟磁链观测器中的积分器初始值选取不当，而造成并网逆变器无法正常工作的问题。专利CN201010207412.4提出一种无交流电压传感器高压直流输电变流器的控制方法，通过计算***虚拟磁链矢量，实现无交流电压传感器控制。

上述文献和专利中所述的无交流电压传感器控制方法通常使用基于磁链观测器的方案：在同步坐标系下对电流进行积分，从而得到“虚拟磁链”，并间接计算出电网电压角度。为了减小干扰、提高观测精度，一般需要使用低通滤波器，但低通滤波器本身存在着零点漂移、积分饱和、稳态误差以及初值敏感等问题；另外在电网电压不对称时，磁链观测与正负序分离的级联算法增加了延迟时间，降低了***的动态响应速度。

由于二阶广义积分器(Second Order Generalized Integrator，SOGI)能够对特定频率的交流量进行积分运算，因此常被用来构建静止坐标系下的锁相环，用于单相或三相电压源型逆变器的并网同步控制。实际上，二阶广义积分器可用来构建一种正交滤波器(QuadratureFilter，QF)，输出一对正弦的正交信号，并用于电网电压的重构，从而实现无交流电压传感器控制，其优点是快速、无静差、对初值不敏感，同时该正交滤波器构建的电压观测器通过控制策略的改进能够适应并网阻抗参数的变化，从而能够很好地解决现有无交流电压传感器控制中存在的问题。另外，利用正交信号还可以同步地实现正负序分离，从而提高逆变器在不对称电网条件下的动态性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有逆变器无交流电压传感器控制中可能存在的零点漂移、积分饱和、稳态误差以及初值敏感等问题，并使逆变器无交流电压传感器控制能够适应并网阻抗参数的变化，提出一种具有参数自适应特性的三相并网逆变器无交流电压传感器控制方法。本发明能够在保持逆变器控制稳定性的情况下，避免常规无交流电压传感器控制中可能出现的积分饱和等问题，具有快速、无静差、对初值不敏感等优势，同时对并网阻抗参数变化具有良好的适应性。

本发明的一种具有参数自适应特性的逆变器无交流电压传感器控制方法，基于二阶广义积分器(SOGI)构建正交滤波器，然后基于该正交滤波器并引入参数自适应控制策略构建具有参数自适应特性的电网电压观测器，将此电压观测器应用于三相并网逆变器的控制器中，实现逆变器的无交流电压传感器控制。具体包括以下步骤：

1、构建基于二阶广义积分器(SOGI)的正交滤波器(QF)，该二阶广义积分器包含了正弦信号的二阶谐振环节，可以对正弦交流量进行“积分”运算，能对特定频率的交流信号实现无静差跟踪控制。该正交滤波器中包括输入输出信号、滤波器增益系数、二阶广义积分器、输出反馈等部分，其中v为滤波器输入信号，和为滤波器的输出信号，和是一对正交信号，其中与v同相位，比v滞后90°，k为滤波器增益系数。交流输入信号v进入滤波器后，与反馈的输出信号的偏差，经过滤波器增益系数k，然后进入二阶广义积分器，二阶广义积分器输出和

2、基于步骤1所述的正交滤波器并引入参数自适应控制策略，构建具有参数自适应特性的电压观测器，对交流电网电压进行观测。所述的具有参数自适应特性的电压观测器的输入为i_αβ和v_αβ，其中i_αβ为测量得到的逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量，v_αβ为逆变器控制器输出的桥端控制电压在两相静止坐标系的分量；输出为观测得到的电网电压在两相静止坐标系的分量。逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量i_αβ和逆变器控制器桥端控制电压在两相静止坐标系的分量v_αβ分别进入步骤1所述的正交滤波器，得到输出的和和然后基于三相并网逆变器的数学模型 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$ 推导得到电网电压在两相静止坐标系的分量

基于步骤1中所述的正交滤波器，引入阻抗参数自适应控制策略。所述的并网阻抗参数自适应控制策略，是在逆变器直流负载恒定时，令逆变器单位功率因数运行，以小步长改变电压观测器中的电感参数，当逆变器交流侧电流幅值最小时，认为电感参数与实际值相吻合。根据该策略设计出参数搜索程序min{|i|}，令电压观测器输入的i_αβ进入min{|i|}搜索程序，获得电流幅值最小时的阻抗值，该阻抗值即为逆变器实际的并网阻抗值。基于该方法，使得所述的电压观测器具有参数自适应特性。

3、将基于步骤1和步骤2的具有参数自适应特性的电压观测器应用于三相并网逆变器在αβ坐标系下的PR控制器。该PR控制器包括基于PI的功率外环和基于PR的电流内环、PWM调制等环节，其中功率外环包括直流侧电压外环和无功功率外环，分别控制直流侧电压和无功功率，直流侧电压外环输出逆变器控制的有功参考电流，无功功率外环输出逆变器控制的无功参考电流；电流内环为αβ两相静止坐标系下的PR控制器。电压观测器输出的电网电压在两相静止坐标系的分量用于逆变器控制的以下方面：①用于计算得到三相并网逆变器的实际无功功率值，作为无功功率外环的反馈值；②用于dq坐标系到αβ坐标系的坐标变换，将功率外环PI控制器输出的dq坐标系下的电流参考值变换为αβ坐标系下的电流参考值。从而实现基于本发明所述方法的三相并网逆变器无交流电压传感器控制。

附图说明

图1并网逆变器简化等效电路模型；

图2并网逆变器稳态运行相量图，其中图2a为电感参数比实际值大时的稳态相量图，图2b为电感参数比实际值小时的稳态相量图；

图3正交滤波器(QF)结构框图；

图4具有参数自适应特性的电压观测器结构框图；

图5具有参数自适应特性的三相并网逆变器无交流电压传感器控制框图；

图6电网电压观测器中并网阻抗参数变化时对逆变器运行情况影响的仿真结果，其中图6a为电感参数变化，图6b为电压幅值变化，图6c为电流幅值变化，图6d为逆变器输出无功功率。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

与常规三相并网逆变器控制方法比较，本发明所提出的无交流电压传感器控制方法不使用交流电压传感器，而使用基于正交滤波器构建的电压观测器获取电网电压信息，同时该电压观测器具有参数自适应性，从而实现三相并网逆变器在无交流电压传感器条件下的运行控制，并且该无交流电压传感器控制方法在逆变器并网阻抗参数发生变化时具有良好的适应性。

本发明基于二阶广义积分器(SOGI)构建正交滤波器，然后基于该正交滤波器并引入参数自适应控制策略，构建具有参数自适应特性的电网电压观测器，将此电压观测器应用于三相并网逆变器的控制器中，实现逆变器的无交流电压传感器控制。

所述的电压观测器可以根据三相并网逆变器的模型推导得出，如下式所示：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，u_α和u_β、i_α和i_β、v_α和v_β分别为电网电压、逆变器交流侧电流和逆变器桥臂输出电压在两相静止坐标系的分量，L和R分别为逆变器输出侧等效电感和电阻。

公式(1)中存在电流的微分项，在一般的计算中容易引入干扰。这也是通常的无交流电压传感器控制转而采用积分运算，计算电网“虚拟磁链”并间接得到电网电压信息的原因；但是常规“虚拟磁链”方法存在零点漂移、积分饱和、稳态误差以及初值敏感等问题，并且动态响应较慢。本发明基于二阶广义积分器构建正交滤波器，使用该正交滤波器并引入一种参数自适应控制策略构建电网电压观测器，可以较好地解决电流微分运算问题，有效降低谐波干扰，且基于该电压观测器实现的三相并网逆变器无交流电压传感器控制具有较好的动态响应速度，对并网阻抗参数变化具有一定的适应性。

观察公式(1)可以发现，要精确地观测出电网电压，不仅需要有精度较高的交流电流测量值，还需要准确的逆变器器电抗器参数。在实际运行中，电抗器的电感难以准确测量，且会随着温度等环境因素的变化而变化。另外，当逆变器并网工作时，线路的等效阻抗也经常随着潮流、网络结构等因素的变化而变化，从而影响并网点电压，对电网电压观测产生不利影响。因此本发明研究通过改进电压观测器的参数自适应特性，从而提高无交流电压传感器控制在电路参数变化时的电网适应性。

以下详细说明本发明控制方法的实施步骤：

步骤(1)：首先分析逆变器并网阻抗参数变化的影响

为了说明电路参数的影响，可以利用如图1所示的简化等效电路模型，并对该简化模型中作如下几点假设：

(1)逆变器接入强电网，电网电压u不变，即将线路阻抗与电抗器阻抗合并；

(2)忽略开关损耗以及交流侧滤波器的电阻；

(3)逆变器直流侧接一恒定电阻性负载，并控制直流侧电压U_dc保持不变，即直流侧输出功率P恒定。则根据交直流功率关系可知交流侧电流i的有功分量i_d恒定：

其中为并网点的功率因数角，I_load为直流侧电流，Const表示为某一常数。

(4)控制逆变器单位功率因数运行。当逆变器稳定运行时，逆变器控制器将观测器输出的电网电压定向到轴，即由于电流调节器的作用，电网电流就等于参考值，则经过推导可得：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_d\\ {\hat{i}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}\\ i_q^{*}\end{array}\right]=\frac{1}{{\hat{u}}_d^2+{\hat{u}}_q^2}\left[\begin{array}{cc}{\hat{u}}_d& {\hat{u}}_q\\ {\hat{u}}_q& -{\hat{u}}_d\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}^{*}\\ Q^{*}\end{array}\right]\\ =\frac{1}{{\hat{u}}_d^2}\left[\begin{array}{cc}{\hat{u}}_d& 0\\ 0& -{\hat{u}}_d\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}^{*}\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{P}^{*}/{\hat{u}}_{\mathrm{gd}}\\ 0\end{array}\right]\end{array}---\left(3\right)$

其中，为控制器在坐标系下的电网电压与电流。

由于电流可以通过互感器测量得到，因此与实际电流i重合。根据公式(3)，和i的夹角应当为零。又根据图1可以得到电感参数偏离实际值时的相量关系图，如图2所示，其中图2a为电感参数比实际值大时的稳态相量图，图2b为电感参数比实际值小时的稳态相量图。其中电网电压u、交流电流有功分量i_d为恒定值。为逆变器控制器所使用的电感参数，而L为实际电感值。从图2中可见，由于使用了不正确的电感参数，导致观测器输出的电网电压与实际电压不重合，从而实际功率因数角不为零。由于并网点的实际无功功率不为零，而有功功率只取决于直流侧，因此不论比L大还是小，实际电流都会增大。

因此当逆变器控制器使用的并网阻抗参数值与实际值不一致时，可以通过判断逆变器交流侧电流幅值，来修正并网阻抗参数。

步骤(2)：基于二阶广义积分器(SOGI)构建正交滤波器(QF)。

二阶广义积分器能够实现对特定频率交流量的跟踪，最早被用于输出一对正交的交流量，以实现正负序分离。根据其输出信号的特点，本发明将基于二阶广义积分器构建的滤波器称为正交滤波器(QF)，其结构如图3所示。

如图3所示，v为滤波器输入信号，和为输出信号，上标“^”表示观测量，ω_v为交流电压信号的角频率，k为滤波器增益系数。

步骤(3)：基于步骤(2)的正交滤波器并引入参数自适应控制策略，构建具有参数自适应特性的电压观测器。

由于正弦信号的正交信号相当于其微分的同相或反相信号，因此可以基于公式(1)推导得到下式：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\hat{u}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{u}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\hat{v}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{v}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\\ =-L\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}^{\⊥}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}^{\⊥}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\hat{v}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{v}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\\ =-G_{\mathrm{QF}2}L\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+G_{\mathrm{QF}1}(R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right])\\ =G_{\mathrm{VO}}{\left[\begin{array}{cccc}{i}_{\mathrm{\α}}& i_{\mathrm{\β}}& i_{\mathrm{\α}}& i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]}^T\end{array}---\left(4\right)$

其中i_α、i_β为测量得到的逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量，v_α、v_β为逆变器控制器输出的桥端控制电压在两相静止坐标系的分量；输出为观测得到的电网电压在两相静止坐标系的分量。与与为i_α、i_β经过步骤(2)所述正交滤波器后的输出量，上标“^”表示观测量，其中与与互为正交信号；与和为v_α、v_β分别经过步骤(2)所述正交滤波器后的输出量，其中与和互为正交信号；G_VO为电网电压观测器的传递函数。

同时结合步骤(2)中所述的可正交滤波器，引入阻抗参数自适应控制策略。所述的参数自适应控制策略，是在逆变器直流负载恒定时，令逆变器单位功率因数运行，以小步长改变电压观测器中的电感参数，当逆变器交流侧电流幅值最小时，认为电感参数与实际值相吻合。根据该策略设计出参数搜索程序min{|i|}，令电压观测器输入的i_αβ进入min{|i|}搜索程序，获得电流幅值最小时的阻抗值，该阻抗值即为实际的并网阻抗值。基于该方法，使得所述的电压观测器对于并网阻抗的变化具有参数自适应特性。

基于公式(4)并引入阻抗参数自适应控制策略的电压观测器的控制框图，如图4所示，能够实现对交流电网电压的观测，同时针对逆变器并网阻抗参数的变化具有一定的适应性。

步骤(4)：将步骤(3)的具有参数自适应特性的电压观测器应用于三相并网逆变器在两相静止坐标系下的PR控制器中，实现逆变器的无交流电压传感器控制。

将电压观测器代入三相并网逆变器在αβ坐标系下的控制框图，即可实现三相并网逆变器的无交流电压传感器控制，如图5所示。其中的电压观测器PAVO为步骤(3)所提出的一种具有参数自适应特性的的电压观测器，在两相静止坐标系下，利用测量得到的电网侧电流信号以及逆变器控制器输出的桥端参考电压信号，对电网电压信息进行观测。如图5中所示，K_C为电流控制器，本发明使用常规PR控制器。

为验证本发明所述控制方法的有效性，在MATLAB中建立了逆变器时域仿真模型，所采用的控制框图如图5所示，仿真结果如图6所示。保持直流电压稳定，逆变器的有功功率负载约为0.5p.u.，无功功率参考值设为0。令电压观测器中的电感参数呈三角形变化，如图6a所示，则逆变器器输出电流与无功功率也将出现周期性变化，如图6b～6d所示，其中图6b为实际电网电压幅值(U)与电压观测器输出电压幅值(U.ob)的比较；图6c为逆变器器输出电流幅值；图6d为逆变器输出无功功率。通过比较可知，逆变器输出电流最小值出现在电感接近额定值的时刻，无功功率变化周期与电感变化周期相同，而电流与观测电压的幅值变化周期为电感变化周期的两倍。仿真结果与理论分析一致。

Claims (5)

1.一种具有参数自适应特性的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述控制方法首先基于二阶广义积分器(SOGI)构建正交滤波器，然后基于该正交滤波器并引入参数自适应控制策略构建具有参数自适应特性的电网电压观测器，将所述的电压观测器应用于三相并网逆变器在两相静止坐标系下的PR控制器中，实现逆变器的无交流电压传感器控制。

2.根据权利要求1所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述的二阶广义积分器包含正弦信号的二阶谐振环节，能够对正弦交流量进行“积分”运算，能够对特定频率的交流信号实现无静差跟踪控制。

3.根据权利要求1所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述的正交滤波器包括输入输出信号、滤波器增益系数、二阶广义积分器和输出反馈；交流输入信号v进入所述的正交滤波器后，与反馈的输出信号的偏差，经过滤波器增益系数k，然后进入二阶广义积分器，二阶广义积分器输出和

4.根据权利要求1或3所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，所述的具有参数自适应特性的电压观测器的输入为i_αβ和v_αβ，其中i_αβ为测量得到的逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量，v_αβ为逆变器控制器输出的桥端控制电压在两相静止坐标系的分量；为电压观测器输出的电网电压在两相静止坐标系的分量。

将测量得到的逆变器交流侧电流在两相静止坐标系的分量i_αβ和逆变器控制器输出的桥端控制电压在两相静止坐标系的分量v_αβ分别通过所述的正交滤波器，得到输出的和 和然后基于下述三相并网逆变器的数学模型：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

推导得到电网电压在两相静止坐标系的分量

所述的参数自适应控制策略，是在直流负载恒定时，令逆变器单位功率因数运行，以小步长改变电压观测器中的电感参数，当逆变器交流侧电流幅值最小时，认为电感参数与实际值相吻合；根据该策略设计出参数搜索程序，使得电压观测器对于并网阻抗的变化具有参数自适应特性。

5.根据权利要求1所述的逆变器无交流电压传感器控制方法，其特征在于，将所述的具有参数自适应特性的电压观测器应用于三相并网逆变器在αβ坐标系下的PR控制器中，该控制器包括基于PI的功率外环和基于PR的电流内环；电压观测器输出的用于逆变器控制的以下方面，实现对三相并网逆变器的无交流电压传感器控制：

①用于计算得到三相并网逆变器的实际无功功率值，作为无功功率外环的反馈值；

②用于dq坐标系到αβ坐标系的坐标变换，将功率外环PI控制器输出的dq坐标系下的电流参考值变换为αβ坐标系下的电流参考值。