一种单相逆变器控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种单相逆变器控制系统，将将同步发电机的数学模型引入单相逆变器控制系统，单相逆变器输出电压电流经移相技术分别均移相1200和240°构造出另外两相虚拟电压和虚拟电流。合成的三相虚拟电压和三相虚拟电流经过dq变换，得到转子旋转坐标系下的电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq。然后经过同步发电机的数学模型计算出单相逆变器交流端参考电压Vtd和Vtq，此参考电压与实测的输出电压即dq变换单元输出的电压dq分量Vd、Vq进行比较，然后通过PI控制器得到最终控制信号。控制信号经过dq反变换之后得到虚拟三相PWM波调制信号，取其中的a相调制信号，由此产生PWM波经过驱动电路来控制单相逆变器桥路开关管的导通和关断，使得单相逆变器具有同步发电机的特性。

【技术实现步骤摘要】
一种单相逆变器控制系统
本专利技术属于逆变器控制
，更为具体地讲，涉及一种将单相逆变器控制成具有模拟同步发电机特性的控制系统。
技术介绍
作为一种直流电转换为交流电的设备，单相逆变器在微电网、分布式发电中有着广泛的应用。单相逆变器的性能跟其控制系统有着直接的关系，因此对单相逆变器控制系统的研究对微电网和分布式发电的稳定性分析及其控制有着重要的意义。图1给出了典型的单相逆变器的结构框图。如图1所示，单相逆变器通过机端电压电流测量得到机端电压U以及机端电流i，然后送入单相逆变器控制系统中，得到PWM调制信号送入PWM (Pulse Width Modulation,脉宽调制)信号发生器，输出的PWM信号通过驱动电路驱动后，驱动逆变桥电路功率开关管S1?S4的导通和关断，将电压为Udc的直流电源转变为单相交流电，输出经过LC低通滤波后接负载/或并网(并网时，接通开关KM与微电网馈线连接)。单相逆变器控制系统可以控制单相逆变器的输出功率、机端电压、输出电流以及电网频率具有某种特性。一般而言，可以分为三种:PI控制、电流滞环比较控制、无差拍控制。各类控制特性的工作原理如下:1、PI 控制PI控制器是目前单相逆变器中应用最广泛的控制系统。利用单相逆变器的输出电压或者输出电流反馈，与给定的参考信号进行比较，产生的误差输入PI控制环节，其输出信号作为调制波，与三角载波比较产生SPWM波来控制单相逆变器开关管的通断，通过电流环和电压环的双闭环控制来实现单相逆变器并网电压的控制和输出功率的控制。2、电流滞环比较控制该方法的基本思想是，将单相逆变器的实际并网电流与指令电流进行比较，二者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制逆变器开关管通断的PWM信号。滞环控制的基本原理是通过设定滞环比较器的上下限，使得逆变器的输出电流准确跟踪参考电流。3、无差拍控制无差拍控制是基于离散数学模型实现的PWM方案。将实际输出采样同参考指令进行比较，根据本周期以前的采样值，用模型计算出下一个周期要达到的指定值，通过二者的差值计算开关器件的导通时间，使得下一个周期的实际输出等于参考指令。但现有的控制，不能有效抑制负荷变化带来的频率波动，不利于微电网的稳定运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单相逆变器控制系统，其基本思想是利用采集的单相逆变器输出的单相电压和单相电流，通过移相的方法，构造出一个虚拟的三相逆变器，使得输入到控制系统内部的电压和电流是三相的。通过在单相逆变器控制系统中引入同步发电机的数学模型，使单相逆变器能够模拟同步发电机特性，有效抑制负荷变化带来的频率波动，以增强微电网的稳定性。为实现以上目的，本专利技术单相逆变器控制系统，其特征在于，包括:一移相单元，通过移相技术将单相逆变器实际输出的电压U、电流i分别均移相1200和2400构造出另外两相虚拟电压ub、U。和虚拟电流ib、i。，最终合成对称的虚拟三相电压ua、ub、u。和对称的虚拟三相电流ia、ib、i。；其中，电压Ua、电流ia为没有移相的电压电流，即单相逆变器实际输出的电压U、电流i ;一 dq变换单元,用于对合成的虚拟三相电压ua、ub、uc和虚拟三相电流ia、ib、ic分别进行dq变换，变换所需的电角度Θ由同步发电机机电暂态单元提供，这样，虚拟三相电压ua、Ub> U。和虚拟三相电流ia、ib、i。转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量Vd、Vq和电流dq 分量 id、iq ；—有功功率计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq计算出虚拟三相逆变器输出有功功率Ptjut,然后输入到有功控制模块中；一有功控制模块，将设定的单相逆变器有功功率Psrt扩大三倍，并减去有功功率Pout,然后进行PI控制，得到机械功率Pml ； 一频率控制模块，将同步发电机机电暂态单元输出的电角速度ω除以2 31，得到单相逆变器输出的实际频率，然后作为同步发电机实际频率f，与额定频率fn做差，得到的频率偏差Af=fn-f，然后乘以下垂系数Dp进行比例计算，得到功率差值ΛΡ，再将功率差值Δ P与参考有功功率PMf进行相加，得到机械功率Pm2，其中参考有功功率Pref根据分布式能源的状态事先给定；在进行频率无差调节时，还需要将频率偏差进行积分，得到值加入到比例计算得到的功率差值ΛΡ中；有功-频率控制开关SW1，用于选择有功或频率控制；当选择有功控制时，选择机械功率Pml作为同步发电机的机械功率Pm输入到同步发电机机电暂态单元，当选择频率控制时，选择机械功率Pm2作为同步发电机的机械功率Pm输入到同步发电机机电暂态单元。同步发电机机电暂态单元，用于接收来自有功-频率控制开关SW1选择输出的同步发电机机械功率Pm以及来自同步发电机电磁暂态单元输出的电磁功率Py由以下方程解出电角度Θ、电角速度ω:Pm~P' -DAoj = J(I) ωdtΔ ω = ω-ωη (2)^- = ω(3) at其中，Δ ω为电角速度差，ωη为额定电角速度；D为定常阻尼系数,在设置时可以忽略阻尼的影响，设为0，公式(I)可以转换为:r ? Pfn-Pc I d 匕(0—- = J——ωdt其中，J为转子转动惯量，为需要单相逆变器进行拟模拟的同步发电机的参数；一无功功率计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq计算出虚拟三相逆变器输出的无功功率Qtjut ；一无功控制模块，用于将设定的单相逆变器无功功率Qsrt扩大三倍，并减去无功功率Qtjut，然后进行PI控制，得到的值再与设定的参考电压Uref相加，得到励磁电压Efl，其中，参考电压UMf可以设为单相逆变器的额定电压；一电压幅值计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq计算出虚拟三相逆变器输出电压幅值Vrat (计算得到的Vrat是相电压幅值)，其值等于单相逆变器实际输出电压的幅值；一电压控制模块，将设定的单相逆变器输出端电压Vsrt减去虚拟三相逆变器输出电压幅值Vrat，然后进行PI控制，得到励磁电压Ef2 ；无功-电压控制开关SW2，用于选择无功或电压控制；当选择无功控制时，选择励磁电压Efl作为同步发电机的励磁电压Ef输入到同步发电机电磁暂态单元，当选择电压控制时，选择励磁电压Ef2作为同步发电机的励磁电压Ef输入到同步发电机电磁暂态单元；同步发电机电磁暂态单元，用于接收dq变换单元输出的电流dq分量id、，然后根据选择输入励磁电压Ef，由以下方程解出同步发电机的电磁功率P6以及虚拟三相逆变器的机端参考电压Vtd和Vtq:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相逆变器控制系统，其特征在于，包括：一移相单元，通过移相技术将单相逆变器实际输出的电压u、电流i分别均移相120°和240°构造出另外两相虚拟电压ub、uc和虚拟电流ib、ic，最终合成对称的虚拟三相电压ua、ub、uc和对称的虚拟三相电流ia、ib、ic；其中，电压ua、电流ia为没有移相的电压电流，即单相逆变器实际输出的电压u、电流i；一dq变换单元，用于对合成的虚拟三相电压ua、ub、uc和虚拟三相电流ia、ib、ic分别进行dq变换，变换所需的电角度θ由同步发电机机电暂态单元提供，这样，虚拟三相电压ua、ub、uc和虚拟三相电流ia、ib、ic转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq；一有功功率计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq计算出虚拟三相逆变器输出有功功率Pout，然后输入到有功控制模块中；一有功控制模块，将设定的单相逆变器有功功率Pset扩大三倍，并减去有功功率Pout，然后进行PI控制，得到机械功率Pm1；一频率控制模块，将同步发电机机电暂态单元输出的电角速度ω除以2π，得到单相逆变器输出的实际频率，然后作为同步发电机实际频率f，与额定频率fn做差，得到的频率偏差Δf=fn?f，然后乘以下垂控制系数Dp进行比例计算，得到功率差值ΔP，再将功率差值ΔP与参考有功功率Pref进行相加，得到机械功率Pm2，其中参考有功功率Pref根据分布式能源的状态事先给定；在进行频率无差调节时，还需要将频率偏差Δf进行积分，得到值加入到比例计算得到的功率差值ΔP中；有功?频率控制开关SW1，用于选择有功或频率控制；当选择有功控制时，选择机械功率Pm1作为同步发电机的机械功率Pm输入到同步发电机机电暂态单元，当选择频率控制时，选择机械功率Pm2作为同步发电机的机械功率Pm输入到同步发电机机电暂态单元；同步发电机机电暂态单元，用于接收来自有功?频率控制开关SW1选择输出的同步发电机机械功率Pm以及来自同步发电机电磁暂态单元输出的电磁功率Pe，由以下方程解出电角度θ、电角速度ω：Pm-Peω-DΔω=JdΔωdt---(1)Δω=ω?ωn???（2）dθdt=ω---(3)其中，Δω为电角速度差，ωn为额定电角速度；D为定常阻尼系数，在设置时可以忽略阻尼的影响，设为0；J为转子转动惯量，为需要单相逆变器进行拟模拟的同步发电机的参数；一无功功率计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq计算出虚拟三相逆变器输出的无功功率Qout；一无功控制模块，用于将设定的单相逆变器无功功率Qset扩大三倍，并减去无功功率Qout，然后进行PI控制，得到的值再与设定的参考电压Uref相加，得到励磁电压Ef1。其中，参考电压Uref可以设为单相逆变器输出的额定电压；一电压幅值计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq计算出虚拟三相逆变器输出电压幅值Vout(计算得到的Vout是相电压幅值)，其值等于单相逆变器输出电压的幅值；一电压控制模块，将设定的单相逆变器输出端电压Vset减去虚拟三相逆变器输出电压幅值Vout，然后进行PI控制，得到励磁电压Ef2；无功?电压控制开关SW2，用于选择无功或电压控制；当选择无功控制时，选择励磁电压Ef1作为同步发电机的励磁电压Ef输入到同步发电机电磁暂态单元，当选择电压控制时，选择励磁电压Ef2作为同步发电机的励磁电压Ef输入到同步发电机电磁暂态单元；同步发电机电磁暂态单元，用于接收dq变换单元输出的电流dq分量id、iq，然后根据选择输入励磁电压Ef，由以下方程解出同步发电机的电磁功率Pe以及虚拟三相逆变器的机端参考电压Vtd和Vtq：T′d0E′q=Ef?E′q+(xd?x′d)id???（4）T′q0E′d=?[E′d+(xq?x′q)iq]（5）Pe=[E′q+(x′d?x′q)id]iq+E′did???（6）Vtd=E′d+x′qiq+Rsid???（7）Vtq=E′q+x′did+Rsiq???（8）其中，E′q、E′d为同步发电机q、d轴暂态电动势，T′d0和T′q0为同步发电机d、 q轴暂态时间常数，xd和xq为同步发电机的d、q轴同步电抗，x′d和x′q为同步发电机的d、q轴暂态电抗，Rs为同步发电机定子电阻，T′d0、T′q0、xd、xq、x′d、x′q、Rs分量是需要单相逆变器进行拟模拟的同步发电机的参数；解出的同步发电机的电磁功率Pe输入到同...

【技术特征摘要】
1.一种单相逆变器控制系统，其特征在于，包括: 一移相单元，通过移相技术将单相逆变器实际输出的电压U、电流i分别均移相120°和240°构造出另外两相虚拟电压ub、U。和虚拟电流ib、i。，最终合成对称的虚拟三相电压ua、ub、u。和对称的虚拟三相电流ia、ib、i。；其中，电压Ua、电流込为没有移相的电压电流，即单相逆变器实际输出的电压U、电流i ; 一 dq变换单元,用于对合成的虚拟三相电压ua、ub、u。和虚拟三相电流ia、ib、i。分别进行dq变换，变换所需的电角度Θ由同步发电机机电暂态单元提供，这样，虚拟三相电压ua、ub、u。和虚拟三相电流ia、ib、i。转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量 id、iq ； 一有功功率计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq计算出虚拟三相逆变器输出有功功率Ptjut,然后输入到有功控制模块中； 一有功控制模块，将设定的单相逆变器有功功率Psrt扩大三倍，并减去有功功率Pwt，然后进行PI控...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昌华，王刚，罗曼，廉静如，黄琦，左琳，陈树恒，刘群英，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
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