CN111740633A - 一种不平衡网压条件下并网逆变器的改进数字控制方法 - Google Patents

Abstract

一种不平衡网压条件下并网逆变器的改进数字控制方法，针对电网电压不平衡条件下并网同步信息检测、数字采样、PWM输出等延时问题，研究一种基于预测占空比、零极点补偿控制以及正负序分量复数滤波器的改进控制方法，以提高并网逆变器的动态性能。本文首先引入了电网电压不平衡条件下的LCL型三相逆变器数学模型；其次，通过引入预测占空比和零极点补偿控制相结合的方法来消除数字控制带来的采样延时、PWM输出延时，利用复数滤波器快速获取并网点电压正负序分量。最后，仿真分析了不平衡电网电压条件下并网逆变器输出特性，其结果表明所提方法比传统控制方法具有更高的动态特性。

Description

一种不平衡网压条件下并网逆变器的改进数字控制方法

技术领域

本发明涉及电力***领域，尤其涉及不平衡电网电压条件下的并网逆变器的改进数字控制技术。

背景技术

近年来，随着国家大力倡导发展新型清洁能源，分布式可再生能源发电得到了快速发展，并网逆变器作为电网与可再生能源发电设备之间的接口装置。在三相电网电压不平衡情况下，由于并网同步信息的检测存在电压基波分量、谐波分量等扰动，造成了延时；同时并网逆变器采用数字控制时存在控制延时。这些因素会影响并网控制和并网同步信息检测的实时性和准确性，进而影响并网电流控制性能。目前，所提出的解决方法主要有Simth预测补偿法和增加零极点补偿延时法。前者是根据当前和过去时刻的信息估算下一时刻的信息以达到消除延时的目的；但是它对***模型的依赖性较强，存在一定的估计误差。后者只能消除零阶保持器带来的半拍调制延时，而不能消除并网控制中产生的采样延时。

针对数字控制存在的延时问题和基波信息检测存在的检测延时问题，在电网电压不平衡情况下将延时补偿方法和基于前置滤波器分离电压正负序分量的方法结合起来，以减小控制延时和检测延时，从而达到综合提高整个并网***实时性的目的。因此，研究一种提高电网电压不平衡条件下并网逆变器实时性的控制方法对于增强现代电力网络对分布式电源/网络的接纳能力，改善***电能质量都具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是解决电网电压不平衡条件下存在的控制延时和检测延时问题。

本发明是一种不平衡网压条件下并网逆变器的改进数字控制方法，其步骤为：

步骤1：通过克拉克坐标变换将三相电网电压u_ga、u_gb、u_gc转换为两相静止坐标系下的电压u_α和u_β；将采集到的LCL滤波器的网侧电流i_2a、i_2b、i_2c进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的电流i_2α与i_2β；将采集到的LCL滤波器上的电容电流i_Ca、i_Cb、i_Cc进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的电容电流i_Cα与i_Cβ；

步骤2：在两相静止坐标系下，通过前置复系数滤波器快速的提取基波电压正负序分量

利用前置复系数滤波器提取基波电压正负序分量，其频域传递函数为：

式中ω为中心频率，ω_p为剪切频率；

进一步可以得到：

步骤3：根据步骤2得到的基波电压正负序分量，利用瞬时功率理论计算并网电流的参考值

和

以有功功率恒定为控制目标时，通过瞬时功率理论计算并网电流的参考值：

以无功功率恒定为控制目标时:

式中：P^*为有功功率给定值；

步骤4：在两相静止坐标系下，将步骤3得到的并网电流参考值与电网中实际的电流值

和

作比较后得到电流误差信号，并将其通过延时补偿控制和电流调节器后作为内环电容电流的参考值；其中延时补偿控制是一种以预测占空比与零极点补偿相结合的控制方法；

以预测占空比与零极点补偿结合的延时补偿控制器的传递函数为：

电流调节器采用准比例谐振控制器QPR，它的传递函数表示为：

式中，ω₀为谐振频率，k_p为比例增益系数，k_r为比例增益系数，ω_c为截止频率，T_s为采样时间；

利用双线性法对准比例谐振控制器进行离散化处理可得：

其中：

式中，k_p为比例增益系数，k_r为谐振增益系数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率，T_s为***采样时间；

步骤5：在两相静止坐标系下，将步骤4得到的电容电流参考值减去并网逆变器的滤波电容电流的实际值，输出的误差信号即为电压的调制信号，利用该调制信号控制并网逆变器中IGBT的导通和关断。

本发明的有益之处在于：综合考虑了电网电压不平衡条件下并网同步信息检测、数字采样、PWM输出等延时问题，将预测占空比方法、零极点补偿控制以及正负序分量复数滤波法相结合后，既减小了并网逆变器数字控制过程中产生的控制延时，又能迅速提取基波电压正负序分量，减小并网同步信息获取时间，从而进一步提高了并网逆变器在电网电压不平衡条件下的实时性。

附图说明

图1是三相并网逆变器拓扑结构；图2是基波电压正负序分量检测示意图；图3是复数滤波器时域结构图；图4是延时环节补偿前后伯德图；图5是逆变器并网控制原理图；图6是不平衡电网电压波形；图7是以有功功率恒定为目标的控制方法综合改进前后功率波形；图8是以有功功率恒定为目标的控制方法综合改进前后并网电流波形；图9是以无功功率恒定为目标的控制方法综合改进前后功率波形；图10是无功功率恒定为目标的控制方法综合改进前后并网电流波形。

具体实施方式

本发明是一种不平衡网压条件下并网逆变器的改进数字控制方法，是一种提高电网电压不平衡条件下并网逆变器实时性的改进数字控制方法，其步骤为：

步骤1：通过克拉克坐标变换将三相电网电压u_ga、u_gb、u_gc转换为两相静止坐标系下的电压u_α和u_β；将采集到的LCL滤波器的网侧电流i_2a、i_2b、i_2c进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的电流i_2α与i_2β；将采集到的LCL滤波器上的电容电流i_Ca、i_Cb、i_Cc进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的电容电流i_Cα与i_Cβ；

步骤2：在两相静止坐标系下，通过前置复系数滤波器快速的提取基波电压正负序分量

利用前置复系数滤波器提取基波电压正负序分量，其频域传递函数为：

式中ω为中心频率，ω_p为剪切频率。

进一步可以得到：

步骤3：根据步骤2得到的基波电压正负序分量，利用瞬时功率理论计算并网电流的参考值

和

以有功功率恒定为控制目标时，通过瞬时功率理论计算并网电流的参考值：

以无功功率恒定为控制目标时:

式中：P^*为有功功率给定值。

步骤4：在两相静止坐标系下，将步骤3得到的并网电流参考值与电网中实际的电流值

和

作比较后得到电流误差信号，并将其通过延时补偿控制和电流调节器后作为内环电容电流的参考值；其中延时补偿控制是一种以预测占空比与零极点补偿相结合的控制方法；

以预测占空比与零极点补偿结合的延时补偿控制器的传递函数为：

电流调节器采用准比例谐振控制器QPR，它的传递函数表示为：

式中，ω₀为谐振频率，k_p为比例增益系数，k_r为比例增益系数，ω_c为截止频率，T_s为采样时间。

利用双线性法对准比例谐振控制器进行离散化处理可得：

其中：

上式中，k_p为比例增益系数，k_r为谐振增益系数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率，T_s为***采样时间。

步骤5：在两相静止坐标系下，将步骤4得到的电容电流参考值减去并网逆变器的滤波电容电流的实际值，输出的误差信号即为电压的调制信号，利用该调制信号控制并网逆变器中IGBT的导通和关断。

如图1所示为LCL型三相并网逆变器拓扑结构，它由三相桥式逆变单元、滤波器和电网三部分构成。其中，L₁为逆变器侧电感，L₂为网侧电感，C为滤波电容，U_dc为逆变器直流侧电压；i_Ca、i_Cb、i_Cc为滤波电容电流；i_2a、i_2b、i_2c为三相并网电流；u_ga、u_gb、u_gc为三相电网电压。在不平衡电网电压条件下，三相三线制配电网中忽略零序电压分量，则逆变器并网点电压表达式为：

式中，U_p，U_n，ω，θ_p，θ_n分别为正负序电网电压的幅值、频率和相位。

在两相静止坐标系下可以对三相逆变器进行有效控制，此时在αβ坐标系中进一步得到逆变器复数域数学模型为：

其中，j＝a、b、c，且

基于上述模型的电网电压不平衡条件下并网逆变器的改进控制方法具体步骤如下：

步骤1：通过克拉克坐标变换将三相电网电压u_ga、u_gb、u_gc转换为两相静止坐标系下的电压u_α和u_β；将采集到的LCL滤波器的网侧电流i_2a、i_2b、i_2c进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的电流i_2α与i_2β；将采集到的LCL滤波器上的电容电流i_Ca、i_Cb、i_Cc进行克拉克变换，转化为两相静止坐标系下的电流i_Cα与i_Cβ；

步骤2：通过前置复系数滤波器快速的提取基波电压正负序分量

其传递函数为：

式中ω为中心频率，ω_p为剪切频率。

如图2所示为基波电压正负序分量检测示意图，从示意图中可以得到：

进一步得到：

由上式可以得到复系数滤波器的时域结构如图3所示。

步骤3：根据步骤2得到的两相静止坐标系下基波电压正负序分量，再利用瞬时功率理论计算并网电流的参考值

和

以有功功率恒定为控制目标时，参考电流的计算公式如下：

以无功功率恒定为控制目标时，参考电流的计算公式如下：

其中，P^*为有功功率给定值，Q^*为有功功率给定值，并且

步骤4：采用占空比预测与零极点结合的延时补偿器的传递函数为：

如图4所示为延时部分未进行补偿和延时部分进行补偿的伯德图。其中曲线a表示未进行延时补偿，曲线b表示为进行延时补偿，可以看出采用了延时补偿方法后***的相位得到了有效补偿。

本实施例中电流调节器采用了准比例谐振控制器QPR，它的传递函数表示为：

式中，ω₀为谐振频率，k_p为比例增益系数，k_r为比例增益系数，ω_c为截止频率，T_s为采样时间。

利用双线性法对准比例谐振控制器进行离散化处理可得：

其中，

如图5所示为电网电压不平衡条件下逆变器并网改进控制框图。图6所示为电网电压不平衡下的电压波形，其中图6(a)表示三相电压在0.065s-0.16s发生单相降落，其中图6(b)表示三相电压在0.065s-0.16s发生两相降落。

从图7可以看出，电网电压在0.065s-0.16s之间发生了单相电压降落。从图7(a)可以看出，未采用延时补偿前有功功率波动了0.015s之后恢复稳定，无功功率在电网电压不平衡时间段内有二倍频波动。从图7(b)看出采用延时补偿后有功功率波动了0.005s之后恢复稳定，总体上来看实现了有功功率恒定的控制目标，同时延时补偿综合改进方法可以减小有功功率波动的响应时间，从而提高了并网控制的实时性。

图8为电网电压不平衡条件下以有功功率恒定为控制目标的控制方法综合改进前后三相并网电流波形，电网电压在0.065s-0.16s之间发生了单相电压降落。图8(a)所示为未加入延时补偿函数的三相并网电流波形，可以看出在不平衡电压出现时A相电流波动了0.01s左右后电流波形恢复稳定，并且在整个电网电压不平衡时段A相电流增大，这里也验证了有功功率恒定的控制目标的正确性。图8(b)为加入延时补偿函数的三相并网电流波形，从中可以看出在不平衡电网电压出现时A相电流波动了0.005s左右后电流波形恢复稳定。通过对比发现采用综合改进的控制方法可以减小电网电压不平衡条件下并网电流的调节时间，从而提高了整个并网***的实时性。

从图9(a)可以看出，采用延时补偿前无功功率在0.065s之后波动了0.015s之后恢复稳定，有功功率在电网电压不平衡时间段内有二倍频波动。从图9(b)可以看出采用延时补偿后无功功率在0.065s之后波动了0.005s之后恢复稳定，总体上来看实现了无功功率恒定的控制目标，同时延时补偿综合改进方法可以减小无功功率波动的响应时间，从而提高了并网控制的实时性。

图10为电网电压不平衡及畸变条件下以无功功率恒定为控制目标的控制方法综合改进前后三相并网电流波形。电网电压在0.065s-0.16s之间发生了两相电压降落，图10(a)所示为未加入延时补偿函数的三相并网电流波形，可以看出在不平衡网压下A相和B相电流波动了0.015s左右后电流波形恢复稳定，并且在整个电压不平衡时段A相和B相电流增大，这里也验证了无功功率恒定的控制目标的正确性。图10(b)为加入延时补偿函数的三相并网电流波形，可以看出在不平衡电压出现时A相和B相电流波动了0.005s左右后电流波形恢复稳定。对比发现改进的控制方法可以减小电网电压非理想条件下并网电流的调节时间，提高了整个并网控制的实时性。

以上是本发明的实施方法之一，对于本领域内的一般技术人员而言，在不花费创造性劳动的情况下，可对上述实施例进行多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是很明显，这种变化应该包含在本发明权利要求书的保护范围内。

Claims (1)

1.一种不平衡网压条件下并网逆变器的改进数字控制方法，其特征在于，其步骤为：

步骤1：通过克拉克坐标变换将三相电网电压u_ga、u_gb、u_gc转换为两相静止坐标系下的电压u_α和u_β；将采集到的LCL滤波器的网侧电流i_2a、i_2b、i_2c进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的电流i_2α与i_2β；将采集到的LCL滤波器上的电容电流i_Ca、i_Cb、i_Cc进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的电容电流i_Cα与i_Cβ；

步骤2：在两相静止坐标系下，通过前置复系数滤波器快速的提取基波电压正负序分量

利用前置复系数滤波器提取基波电压正负序分量，其频域传递函数为：

式中ω为中心频率，ω_p为剪切频率；

进一步可以得到：

步骤3：根据步骤2得到的基波电压正负序分量，利用瞬时功率理论计算并网电流的参考值

和

以有功功率恒定为控制目标时，通过瞬时功率理论计算并网电流的参考值：

以无功功率恒定为控制目标时:

式中：P^*为有功功率给定值；

步骤4：在两相静止坐标系下，将步骤3得到的并网电流参考值与电网中实际的电流值

和

作比较后得到电流误差信号，并将其通过延时补偿控制和电流调节器后作为内环电容电流的参考值；其中延时补偿控制是一种以预测占空比与零极点补偿相结合的控制方法；

以预测占空比与零极点补偿结合的延时补偿控制器的传递函数为：

电流调节器采用准比例谐振控制器QPR，它的传递函数表示为：

式中，ω₀为谐振频率，k_p为比例增益系数，k_r为比例增益系数，ω_c为截止频率，T_s为采样时间；

利用双线性法对准比例谐振控制器进行离散化处理可得：

其中：

式中，k_p为比例增益系数，k_r为谐振增益系数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率，T_s为***采样时间；

步骤5：在两相静止坐标系下，将步骤4得到的电容电流参考值减去并网逆变器的滤波电容电流的实际值，输出的误差信号即为电压的调制信号，利用该调制信号控制并网逆变器中IGBT的导通和关断。

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