一种虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种在虚拟同步旋转坐标系中无锁相环的电压源逆变器控制方法，其通过对逆变器输出的有功功率、无功功率进行误差PI调节和解耦补偿计算后，可直接生成交流输出电压指令以实现对逆变器的直接控制；采用本发明专利技术所公开的控制方案，可移除以追踪电网电压实时相位角和频率的锁相环环节，简化控制系统设计的复杂性，同时本发明专利技术在电网频率偏差具有自适应能力；本发明专利技术所公开的控制方案，亦可作为在电压相位与频率检测存在偏差条件下基于电网电压定向的直接功率控制方案的补充与拓展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电压源逆变器控制
，具体涉及一种虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制方法。
技术介绍
目前，电压源逆变器，作为将光伏、风电、微型汽轮机、储能等微电源接入电网的的关键接口设备，由于其效率高、成本低、便于集成等优势，在分布式可再生能源发电领域得到了广泛的关注与大量的应用。根据国务院发布的《能源发展“十二五”规划》，我国按照“自用为主、富余上网、因地制宜、有序推进”的基本原则，积极推动分布式可再生能源向前发展，计划到2015年底，分布式光伏发电单元安装容量为1000万千瓦，建成100个以分布式可再生能源应用为主的新能源示范城市。现阶段，电压源逆变器的控制技术主要有矢量控制(vector control,VC)和直接功率控制(direct power control,DPC)两大类具有广泛代表性的技术。矢量控制技术，可分为虚拟电网磁链定向(stator flux oriented，SFO)和电网电压定向(grid voltage oriented，GVO)。其基本特征是采用双闭环控制结构，外环为功率控制环，通过功率调节器获得电流指令；内环为电流控制环，通过电流调节器获得交流输出电压指令；功率、电流调节器均采用线性PI调节器。直接功率控制技术，是根据有功、无功功率的瞬时误差，并采用滞环控制器和开关表查询方法产生开关信号，这种结构去除了电流控制环而使控制结构大为化简，但由于变换器开关频率不固定的弊病，导致宽频谐波电流注入带电网，造成滤波电感的设计困难。为确保开关频率恒定，目前，广泛采用基于空间矢量调制技术(space vector modulation,SVM)的直接功率控制技术(SVM-DPC)，即对有功和无功功率的瞬时误差采用PI调节器直接生成所需的电压指令，然而，根据空间矢量调制技术以获得实际所需的开关信号。其中，为Zhou P、He Y.K和Sun D在标题为Improved direct power control of a DFIG-based wind turbine during network unbalance(IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(11):2465-2474.)的文献中，提出一种基于电网电压定向的SVM-DPC电压源逆变器控制方法，该方法的核心是根据锁相环检测电网电压实时相位角对所采集的三相电网电压、三相输出电流进行坐标变换，并分别由有功、无功功率的误差信号经过PI调节与解耦补偿后可获得与之相对应的交流输出电压指令vgd和vgq，最后采用空间矢量调制技术可获取实际控制开关管所需的开关信号，实现对电压源逆变器的控制。具体原理如图1所示，并可描述为：利用一组(3个)霍尔电压传感器2采集三相电网电压Ugabc，利用一组(3个)霍尔电流传感器3采集三相逆变器输出电流Igabc；将三相电网电压信号Ugabc、采集到的三相逆变器输出电流信号Igabc分别经过三相静止/两相静止坐标变换模块4，得到电网电压综合矢量Ugαβ、输出电流综合矢量Igαβ；经过两相定子静止到正转同步速旋转两相坐标变换模块5，得到在正转两相同步速坐标系中电网电压综合矢量Ugdq、逆变器输出电流综合矢量Igdq；将所获得的电网电压、逆变器输出电流综合矢量经过功率计算模块8，可得输出瞬时有功、无功功率Pg、Qg；然后，在与定子输出瞬时有功、无功功率指令PRef、QRef比较获得相应的误差信号ΔPg、ΔQg，在正转同步旋转坐标系中分别对误差信号做比例-积分调节(模块9)，并经过解耦补偿计算模块11后，可获得在正转两相同步速坐标中逆变器交流输出电压指令Vgdq；然后，经过正转两相同步旋转坐标系到转子两相静止坐标系变换(模块13)后，得转子两相静止坐标系中逆变器交流输出电压指令Vgαβ；最后，采用控制矢量调制技术(模块12)后，可获得调节电压源逆变器4的开关信号Sa、Sb、Sc，实现对电压源逆变器自身运行的控制。此外，控制系统采用由坐标变换模块5、比例积分调节模块6、积分模块7构成的软件锁相环(phase-locked loop,PLL)结构以获取定子电压的相位角角，作为Park变换的角度依据。根据上述分析可知，既有的电压源逆变器SVM-DPC控制方法的本质是根据锁相环获得的相位角信息，在正转两相同步旋转坐标系中采用比例-积分调节器对有功、无功功率进行调节，并经过解耦补偿后生成所需的逆变器交流输出电压指令。然后，该控制方案对锁相环获得的相角准确度依赖性强，而为快速、准确的检测实时相角信息，需对锁相环进行一定的改进，这也增加了系统设计的复杂性与计算负担。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种在虚拟同步旋转坐标系下无锁相环的电压源逆变器控制方法，无需检测电网电压的实时相位角、频率信息，计算简单，实现便捷。具体而言，本专利技术提供了一种基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，包括如下步骤：步骤(1)采集电压源逆变器的三相电网电压、三相输出电流、直流侧电压；通过对所述的三相电网电压和三相电网电流进行Clarke变换，对应得到静止α-β坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ；步骤(2)利用虚拟相位角θ对电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ进行Park变换，对应得到以虚拟相位角θ为基础的同步旋转坐标系下的电网电压矢量Ugdq和输出电流矢量Igdq；步骤(3)根据所述的电网电压矢量Ugdq和输出电流矢量Igdq，计算电压源逆变器的输出有功功率Pg、无功功率Qg；步骤(4)根据输出有功功率Pg、无功功率Qg，考虑逆变器参数的影响，采用实系数调节器进行误差调节，并基于逆变器的实际参数进行解耦补偿算法计算得到虚拟同步旋转坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令Vgdq；步骤(5)根据虚拟相位角θ对电压源逆变器交流输出电压指令Vgdq进行Park反变换，得到静止α-β坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令Vrαβ，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电压源逆变器进行控制。特别的，所述的虚拟相位角θ是一周期为20ms幅值为2π的锯齿波状的相角信号，表示为θ＝ωt(ω＝2π×50＝100π)。特别的，所述的步骤(2)中根据以下算式对电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ进行Park变换： U g d q = u g d u g q 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，包括如下步骤：步骤(1)采集电压源逆变器的三相电网电压、三相输出电流、直流侧电压；通过对所述的三相电网电压和三相电网电流进行Clarke变换，对应得到静止α‑β坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ；步骤(2)利用虚拟相位角θ对电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ进行Park变换，对应得到以虚拟相位角θ为基础的同步旋转坐标系下的电网电压矢量Ugdq和输出电流矢量Igdq；步骤(3)根据所述的电网电压矢量Ugdq和输出电流矢量Igdq，计算电压源逆变器的输出有功功率Pg、无功功率Qg；步骤(4)根据输出有功功率Pg、无功功率Qg，考虑逆变器参数的影响，采用实系数调节器进行误差调节，并基于逆变器的实际参数进行解耦补偿算法计算得到虚拟同步旋转坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令Vgdq；步骤(5)根据虚拟相位角θ对电压源逆变器交流输出电压指令Vgdq进行Park反变换，得到静止α‑β坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令Vrαβ，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电压源逆变器进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，包括如下步骤：步骤(1)采集电压源逆变器的三相电网电压、三相输出电流、直流侧电压；通过对所述的三相电网电压和三相电网电流进行Clarke变换，对应得到静止α-β坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ；步骤(2)利用虚拟相位角θ对电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ进行Park变换，对应得到以虚拟相位角θ为基础的同步旋转坐标系下的电网电压矢量Ugdq和输出电流矢量Igdq；步骤(3)根据所述的电网电压矢量Ugdq和输出电流矢量Igdq，计算电压源逆变器的输出有功功率Pg、无功功率Qg；步骤(4)根据输出有功功率Pg、无功功率Qg，考虑逆变器参数的影响，采用实系数调节器进行误差调节，并基于逆变器的实际参数进行解耦补偿算法计算得到虚拟同步旋转坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令Vgdq；步骤(5)根据虚拟相位角θ对电压源逆变器交流输出电压指令Vgdq进行Park反变换，得到静止α-β坐标系下的电压源逆变器交流输出电压指令Vrαβ，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电压源逆变器进行控制。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，其特征在于：所述的虚拟相位角θ是一周期为20ms幅值为2π的锯齿波状的相角信号，表示为θ＝ωt(ω＝2π×50＝100π)。3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步旋转坐标系的无锁相环电压源逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中根据以下算式对电网电压矢量Ugαβ和输出电流矢量Igαβ进行Park变换： U g d q = u g d u g q = c o s θ s i n θ - s i n θ c o s θ · u g α u g β ]]> I g d q = i g d i g q = c o s θ s i n θ - s i n θ cos θ · i g α i g β ]]>其中：ugd和ugq分别为电网电压矢量Ugdq的d轴分量和q轴分量，igd和igq分别为输出电流矢量Igdq的d轴分量和q轴分量，ugα和ugβ分别为电网...

【专利技术属性】
技术研发人员：张平，耿攀，徐林，魏华，徐正喜，陈涛，杨勇，余定峰，左超，王建勋，杨文铁，孙瑜，罗伟，李文华，郑中详，谢炜，姜波，吴浩伟，吴大立，蔡凯，余跃听，雷津，袁阳，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42