具有頻率自適應特性的逆變器無交流電壓傳感器控制方法
【專利摘要】一種具有頻率自適應特性的逆變器無交流電壓傳感器控制方法。首先利用二階廣義積分器對特定頻率交流信號的無差跟隨特性構建可變頻率的正交濾波器，然后使用該正交濾波器構建具有頻率自適應特性的三相并網逆變器的電壓觀測器，在兩相靜止坐標系下，以測量得到的電網側電流信號與逆變器控制器輸出橋端電壓參考信號作為電壓觀測器的輸入，對電網電壓進行觀測；并結合三相并網逆變器在兩相靜止坐標系下的PR控制，實現逆變器在無交流電壓傳感器條件下的運行控制。該方法能夠在保持逆變器控制穩定性的情況下，避免常規無交流電壓傳感器控制中可能出現的積分飽和、初值敏感、靜態誤差等問題，并且在電網電壓頻率變化時具有良好的適應性。
【專利說明】具有頻率自適應特性的逆變器無交流電壓傳感器控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種三相并網逆變器的控制方法。
【背景技術】
[0002] 可再生能源并網發電系統近年來發展迅速，當其接入電網末端或網架結構較為薄 弱的配電網時，可能存在并網點短路容量較小，電網穩定性較差，電網存在較為嚴重的電壓 波動、閃變、對稱或不對稱電壓跌落故障等問題。可再生能源自身的間歇性與隨機性有可能 進一步惡化所接入電力系統的電壓穩定性，并反過來影響自身的穩定運行。為了實現可再 生能源發電系統的并網功率與電流控制，現有的并網變流器或逆變器中一般采用鎖相環得 到電網電壓信息，但這類鎖相環控制容易受到電網電壓波動的影響，容易降低可再生能源 并網發電系統的電能質量。因此，近年來國內外一些研究者開始研究不依賴電網電壓信號 的無交流電壓傳感器控制，以提高逆變器并網控制的魯棒性。
[0003] 與有電壓傳感器控制類似，在無電壓傳感器控制算法中，重構的電壓/虛擬磁鏈 信號可以是顯式的，并進行矢量控制；也可以是隱式的，并進行直接功率控制。現有的電網 電壓/虛擬磁鏈重構方法大致可以分為兩類，一是基于復功率估計的電網電壓/虛擬磁鏈 重構方法，屬于開環估計方法，精確度不高，并且由于含有電流微分項，因而容易引起干擾； 二是基于網側電流偏差調節的電網電壓/虛擬磁鏈重構方法，屬于閉環估計方法，準確度 較聞。
[0004] T. Noguchi 等人在文獻 "Direct power control of PWM converter without power-source voltage sensors"中提出了基于無電壓傳感器的直接功率控制方法，這種 方法首先使用濾波器電感電流及其微分項估算得到交流側有功無功功率，然后進行電網電 壓重構。為了減小微分項引起的誤差，這種方法需要較大的電感值與采樣頻率；另外，當電 流較小時，電壓估計精度會受到較大影響。Malinowski等人在文獻"Sensorless control strategies for three-phase PWM rectifiers"中提出改用積分運算，觀測電網"虛擬磁 鏈";然而純積分器方法存在積分飽和與零點漂移等問題，且對初始值較為敏感。
[0005] 專利CN201010109338. 2提出一種無交流電壓傳感器并網逆變器的直接功率控制 方法，解決現有方法由于網側電壓矢量的虛擬磁鏈觀測器中的積分器初始值選取不當，而 造成并網逆變器無法正常工作的問題。專利CN201010207412. 4提出一種無交流電壓傳感 器高壓直流輸電變流器的控制方法，通過計算系統虛擬磁鏈矢量，實現無交流電壓傳感器 控制。
[0006] 上述文獻和專利中所述的無交流電壓傳感器控制方法通常使用基于磁鏈觀測器 的方案：在同步坐標系下對電流進行積分，從而得到"虛擬磁鏈"，并間接計算出電網電壓角 度。為了減小干擾、提高觀測精度，一般需要使用低通濾波器，但低通濾波器本身存在著零 點漂移、積分飽和、穩態誤差以及初值敏感等問題；另外在電網電壓不對稱時，磁鏈觀測與 正負序分離的級聯算法增加了延遲時間，降低了系統的動態響應速度。
[0007] 由于二階廣義積分器（Second Order Generalized Integrator，S0GI)能夠對特 定頻率的交流量進行積分運算，因此常被用來構建靜止坐標系下的鎖相環，用于單相或三 相電壓源型逆變器的并網同步控制。實際上，二階廣義積分器可用來構建一種正交濾波器 (Quadrature Filter, QF)，輸出一對正弦的正交信號，并用于電網電壓的重構，從而實現無 交流電壓傳感器控制，其優點是快速、無靜差、對初值不敏感，同時該正交濾波器構建的電 壓觀測器能夠適應電網頻率的變化，從而很好地解決了現有無交流電壓傳感器控制中存在 的問題。另外，利用正交信號還可以同步地實現正負序分離，從而提高逆變器在不對稱電網 條件下的動態性能。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是克服現有逆變器無交流電壓傳感器控制中可能存在的零點漂移、 積分飽和、穩態誤差以及初值敏感等問題，并使逆變器無交流電壓傳感器控制能夠適應電 網頻率的波動，提出一種具有頻率自適應特性的三相并網逆變器無交流電壓傳感器控制方 法。本發明能夠在保持逆變器控制穩定性的情況下，避免常規無交流電壓傳感器控制中可 能出現的積分飽和等問題，具有快速、無靜差、對初值不敏感等優勢，同時對電網電壓頻率 變化具有良好的適應性。
[0009] 本發明的一種具有頻率自適應特性的逆變器無交流電壓傳感器控制方法，基于二 階廣義積分器（S0GI)構建可變頻率的正交濾波器，然后基于該正交濾波器并引入鎖相環 控制構建具有頻率自適應特性的電網電壓觀測器，將此電壓觀測器應用于三相并網逆變器 的控制器中，實現逆變器的無交流電壓傳感器控制。具體包括以下步驟 ：
[0010] 1、構建基于二階廣義積分器（S0GI)的可變頻率正交濾波器（QF)，該二階廣義積 分器包含了正弦信號的二階諧振環節，可以對正弦交流量進行"積分"運算，能對特定頻率 的交流信號實現無靜差跟蹤控制。該可變頻率正交濾波器中包括輸入輸出信號、濾波器增 益系數、二階廣義積分器、輸出反饋等部分，其中v為濾波器輸入信號，和護為濾波器的 輸出信號，^和Ρ是一對正交信號，其中?與ν同相位，以比ν滯后90°，k為濾波器增益系 數；ω ν*待觀測交流信號的角頻率，?,為可變量，通過對電網電壓頻率信息的觀測獲得。 交流輸入信號ν進入濾波器后，與反饋的輸出信號i)的偏差，經過濾波器增益系數k，然后 進入二階廣義積分器，頻率輸入信號戎也進入二階廣義積分器，二階廣義積分器輸出f和
[0011] 2、基于步驟1所述的可變頻率正交濾波器構建具有頻率自適應特性的電壓觀測 器，對交流電網電壓進行觀測。電壓觀測器的輸入為i ae和να0，其中iae為測量得到的 逆變器交流側電流在兩相靜止坐標系的分量，v ae為逆變器控制器輸出的橋端控制電壓在 兩相靜止坐標系的分量；輸出為觀測得到的電網電壓在兩相靜止坐標系的分量。逆變 器交流側電流在兩相靜止坐標系的分量i a e和逆變器控制器橋端控制電壓在兩相靜止坐 標系的分量vae分別進入步驟1所述的可變頻率正交濾波器，得到輸出的'和^?、和 ^然后基于三相并網逆變器的數學模型，，推導得到電網電壓 ναβ, 卜，」 Lb」Lv 在兩相靜止坐標系的分量Gga/?。
[0012] 基于步驟1中所述的可變頻率正交濾波器，命為可變量，因此引入鎖相環（PLL)控 制。將電壓觀測器輸出電網電壓在兩相靜止坐標系的分量輸入鎖相環控制器，通過鎖 相環控制獲取電網電壓的頻率信息，將此電網電壓的頻率信息作為可變頻率正交濾波器的 輸入，從而跟蹤電網電壓頻率的變化，使基于可變頻率正交濾波器構建的電壓觀測器具有 頻率自適應特性。
[0013] 3、將基于步驟1和步驟2的具有頻率自適應特性的電壓觀測器應用于三相并網逆 變器在α β坐標系下的PR控制器。該PR控制器包括基于PI的功率外環和基于PR的電 流內環、PWM調制等環節，其中功率外環包括直流側電壓外環和無功功率外環，分別控制直 流側電壓和無功功率，直流側電壓外環輸出逆變器控制的有功參考電流，無功功率外環輸 出逆變器控制的無功參考電流；電流內環為α β兩相靜止坐標系下的PR控制器。電壓觀 測器輸出的電網電壓在兩相靜止坐標系的分量用于逆變器控制的以下方面：①用于 計算得到三相并網逆變器的實際無功功率值，作為無功功率外環的反饋值；②用于dq坐標 系到α β坐標系的坐標變換，將功率外環PI控制器輸出的dq坐標系下的電流參考值變換 為α β坐標系下的電流參考值；③用于電壓觀測器中的鎖相環控制，以獲取電網電壓的頻 率信息。從而實現基于本發明所述方法的三相并網逆變器無交流電壓傳感器控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1可變頻率的正交濾波器（QF)結構框圖；
[0015] 圖2具有頻率自適應特性的電壓觀測器結構框圖；
[0016] 圖3具有頻率自適應特性的三相并網逆變器無交流電壓傳感器控制框圖；
[0017] 圖4使用具有頻率自適應特性的電網電壓觀測器的仿真結果，其中圖4a為實際電 網電壓，圖4b為觀測器輸出電壓，圖4c為電壓頻率，圖4d為并網電流，圖4e為直流側電壓， 圖4f為輸入瞬時有功和無功功率；
[0018] 圖5使用固定頻率電網電壓觀測器的仿真結果，其中圖4a為實際電網電壓，圖4b 為觀測器輸出電壓，圖4c為電壓頻率，圖4d為并網電流，圖4e為直流側電壓，圖4f為輸入 瞬時有功和無功功率。
【具體實施方式】
[0019] 以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0020] 與常規三相并網逆變器控制方法比較，本發明所提出的無交流電壓傳感器控制方 法不使用交流電壓傳感器，而使用基于正交濾波器構建的電壓觀測器獲取電網電壓信息， 同時該正交濾波器具有頻率自適應性，從而實現三相并網逆變器在無交流電壓傳感器條件 下的運行控制，并且該無交流電壓傳感器控制方法在電網頻率變化時具有良好的適應性。
[0021] 本發明基于二階廣義積分器（S0GI)構建可變頻率的正交濾波器，然后基于該正 交濾波器并引入鎖相環控制，構建具有頻率自適應特性的電網電壓觀測器，將此電壓觀測 器應用于三相并網逆變器的控制器中，實現逆變器的無交流電壓傳感器控制。
[0022] 所述的電壓觀測器可以根據三相并網逆變器的模型推導得出，如下式所示：
[0023]
【權利要求】
1. 一種具有頻率自適應特性的逆變器無交流電壓傳感器控制方法，其特征在于，所述 控制方法首先基于二階廣義積分器（SOGI)構建可變頻率的正交濾波器，然后基于該正交 濾波器構建具有頻率自適應特性的電網電壓觀測器，將所述的電壓觀測器應用于三相并網 逆變器在兩相靜止坐標系下的PR控制器中，實現逆變器的無交流電壓傳感器控制。
2. 根據權利要求1所述的逆變器無交流電壓傳感器控制方法，其特征在于，所述的二 階廣義積分器包含正弦信號的二階諧振環節，能夠對正弦交流量進行"積分"運算，能夠對 特定頻率的交流信號實現無靜差跟蹤控制。
3. 根據權利要求1所述的逆變器無交流電壓傳感器控制方法，其特征在于，所述的可 變頻率的正交濾波器包括輸入輸出信號、濾波器增益系數、二階廣義積分器和輸出反饋；交 流輸入信號v進入可變頻率的正交濾波器后，與反饋的輸出信號的偏差，經過濾波器增益 系數k，然后進入二階廣義積分器，頻率輸入信號戎也進入二階廣義積分器，二階廣義積分 器輸出?)和鏟；頻率輸入信號為待觀測交流信號的角頻率，為可變量，通過對電網電壓頻 率息的觀測獲得。
4. 根據權利要求1或3所述的逆變器無交流電壓傳感器控制方法，其特征在于，基于 所述的可變頻率正交濾波器構建具有頻率自適應特性的電壓觀測器對交流電網電壓進行 觀測；電壓觀測器的輸入為i ae和να0，其中iae為測量得到的逆變器交流側電流在兩相 靜止坐標系的分量，v ae為逆變器控制器輸出的橋端控制電壓在兩相靜止坐標系的分量； 為電壓觀測器輸出的電網電壓在兩相靜止坐標系的分量； i a e和va e分別通過所述的可變頻率正交濾波器，得到輸出的。和^?、和，然 u ? v Γ1 Γ Z ? Γν 后基于三相并網逆變器的數學模型：，+ :推導得到電網電壓在兩相 靜止坐標系的分量七#;基于所述的可變頻率正交濾波器，引入鎖相環（PLL)控制，將電壓 觀測器輸出的電網電壓在兩相靜止坐標系的分量 輸入鎖相環控制器，通過鎖相環控制 獲取電網電壓的頻率信息，將此電網電壓的頻率信息作為該可變頻率正交濾波器的輸入， 從而跟蹤電網電壓頻率的變化，使基于可變頻率正交濾波器構建的電壓觀測器具有頻率自 適應特性。
5. 根據權利要求1所述的逆變器無交流電壓傳感器控制方法，其特征在于，將所述的 具有頻率自適應特性的電壓觀測器應用于三相并網逆變器在α β坐標系下的PR控制器 中，該控制器包括基于ΡΙ的功率外環和基于PR的電流內環；電壓觀測器輸出的用于逆 變器控制的以下方面：①用于計算得到三相并網逆變器的實際無功功率值，作為無功功率 外環的反饋值；②用于dq坐標系到α β坐標系的坐標變換，將功率外環ΡΙ控制器輸出的 dq坐標系下的電流參考值變換為α β坐標系下的電流參考值；③用于電壓觀測器中的鎖 相環控制，以獲取電網電壓的頻率信息，從而實現對三相并網逆變器的無交流電壓傳感器 控制。
【文檔編號】H02J3/01GK104143836SQ201410404273
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】胡書舉, 龔文明 申請人:中國科學院電工研究所