无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法

1、(19)中民*CN101771361A*(12)发明专利申请(10)申请公布号 CN 101771361(43)申请公布日 2010.07.07A(21)申请号201010109338.2(22)申请日2010.02.11(71)申请人哈尔滨工业大学地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街 92 号(72)发明人吴凤江赵克孙力王有琨(74)专利机构 哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109牟永林人(51)Int.Cl.H02M 7/5387 (2007.01)权利要求书 2 页说明书 5 页附图 3 页(54) 发明名称无交流电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法(57) 摘要无交流

2、电压传感器并网逆变器的直接功率控制方法，属于电能变换领域。它解决了现有方法由于网侧电压矢量的虚拟磁链观测器中的器初始值选取不当，而造成的并网逆变器无法正常工作的问题。它首先经过变换得到三相电流值在两相静止坐标系下的分量 i和 i ；再计算获得当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量us和u s；再由器后计算网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量 和；计算并网逆变器的瞬时输出有功功率 p 和无功功率 q，得到新的并网逆变器电压给定值*在两相旋转坐标系下的分量usp 和u sq ；最后获得并网逆变器各个功率器件的信号。本发明用于并网逆变器的直接功率。CN 101771361 A权利要

3、求书CN 101771361 A1/2 页1. 一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率法为 ：方法，其特征在于 ：它的方一、将滤波器连接于并网逆变器的输出端对输出电流进行滤波，将并网逆变器输出端的三相电流值进行三相 - 两相坐标变换，得到并网逆变器输出端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量i 和i ；在并网逆变器的输入端并联直流电容，将并网逆变器的电压*给定值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us 分别与直流电容两端的电压 Udc 相乘，得到当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us ；二、将一中得到的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量us 和us分

4、别通过一个带有限幅反馈环节的器进行处理，分别获得结果为u 和u，通过公式计算得出网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量 和 ，式中 L 为滤波器的电感值 ；三、由瞬时功率计算公式式中 为网侧交流电压角频率，得到并网逆变器瞬时输出的有功功率p 和无功功率q，将所述有功功率p 与并网逆变器的有功功率给定值相比较，获得比较结果，将所述无功功率 q 与并网逆变器的无功功率给定值相比较，获得比较结果，将上述两个比较结果分别通过一个闭环调节器调节后获得两个电压值，*将所述两个电压值作为新的并网逆变器电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp 和* ；usq四、由公式根据网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系

5、下的分量 和 计算得出虚拟磁链矢量的向量角 ，再将所述向量角 与三中得到的并网*逆变器电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp 和usq 经过旋转- 静止坐标变换，得*到新的并网逆变器的电压给定值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us ，将新的 us*和 us 经过电压空间矢量对并网逆变器的直接功率算法计算，获得并网逆变器各个功率器件的。信号，实现2. 根据权利要求 1 所述的无交流电压传感器并网逆变器的直接功率方法，其特征在于 ：所述并网逆变器输入端的两相电流值 ia、ib 通过电流传感器检测得到，第三相电流值根据三相电流相加和为零获得。3. 根据权利要求 1 所述的无交流电压传感器并网逆

6、变器的直接功率方法，其特征在于 ：二中所述的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us 分别通过一个带有限幅反馈环节的器进行处理，分别获得结果为 u 和u，是通过公式计算得到，式中 s 为复频域中的复参变量，Z、Z 为 u 和 u 经过限幅环节后的输出值，Z、Z 的初始值均为零。2权利要求书CN 101771361 A2/2 页4. 根据权利要求 1 所述的无交流电压传感器并网逆变器的直接功率方法，其特征在于 ：三中所述的并网逆变器的有功功率给定值 p* 是通过下述方法获得的 ：将直流电容的*输出电压 Udc 与直流电容的给定电压 Udc 比较，然后将获得的比较结果经

7、PI 闭环调节器调节，再将 PI 闭环调节器调节后的输出值与直流电容的输出电压 Udc 相乘获得到有功功率给定值 p*。5. 根据权利要求 1 所述的无交流电压传感器并网逆变器的直接功率在于 ：三中所述的并网逆变器的无功功率给定值为 0。方法，其特征3说明书CN 101771361 A1/5 页无交流电压传感器并网逆变器的直接功率方法技术领域0001本发明涉及一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率换领域。方法，属于电能变背景技术0002并网逆变器作为可再生能源发电系统的关键组成部分，其性能直接影响并网或电压定向矢量则需要大量的旋电能质量和并网效率。现有并网逆变策略中，大多采用直接电流等。直接

8、电流转坐标变换等存在抗电网扰动能力差的问题，电压定向矢量算法，实现系统复杂，对处理器的性能有较高要求。尤其是，目前采用电压定向矢量的逆变器均采用交流电压传感器来检测电压的同步相位角，这虽然能使系统以较高的功率因数运行，但是却使系统体积增大，而且一旦交流电压传感器失效，则造成整个系统逆变失败。直接功率(DPC) 策略以系统输出功率作为被控量，无需电流环，同时由于有功和无功功率的天然解耦性质，避免了坐标变换等复杂算法，它的更加直接，使得系统具有更高的可靠性。而基于虚拟磁链的直接功率(VF-DPC) 方法通过引入虚拟磁链的概念来计算瞬时功率，在省去交流电压传感器的同时，无需计算逆变电流的微分，避免了

9、外部高频干扰的引入 ；同时方法中环节的引入还具有抑制电压、电流谐波干扰的优点。但是传统虚拟磁链观测方法中使用的不定环节，在启动时需要知道虚拟磁链的初值，该值若选取不当会使观测结果产生直流漂移，并且虚拟磁链初值的选取不能依赖于电网电压直接获得，因此不能直接应用于工程实际。目前对传统虚拟磁链观测方法的改进采用了惯性环节来取代纯只是一个近似值，用于直接功率，它无需知道虚拟磁链的初值，但它最终的观测结果时，会产生瞬时功率计算偏差，这会使系统动态性能变坏，逆变效率下降，严重的会使电压、电流相位产生大幅偏离，导致系统无法正常工作。发明内容0003本发明的目的是提供一种无交流电压传感器并网逆变器的直接功率方

10、法，它解决了现有方法由于网侧电压矢量的虚拟磁链观测器中的的并网逆变器无法正常工作的问题。器初始值选取不当，而造成0004本发明的方法为 ：0005一、将滤波器连接于并网逆变器的输出端对输出电流进行滤波，将并网逆变器输出端的三相电流值进行三相 - 两相坐标变换，得到并网逆变器输出端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量i 和i ；在并网逆变器的输入端并联直流电容，将并网逆变器的*电压给定值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us 分别与直流电容两端的电压 Udc 相乘，得到当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us ；0006二、将一中得到的当前并网逆变器的逆变电压值在两相

11、静止坐标系下的分量 us和 us 分别通过一个带有限幅反馈环节的器进行处理，分别获得结果为4说明书CN 101771361 A2/5 页u 和 u，通过公式计算得出网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量 和 ，式中 L 为滤波器的电感值 ；0007三、由瞬时功率计算公式式中 为网侧交流电压角频率，得到并网逆变器瞬时输出的有功功率p 和无功功率q，将所述有功功率p 与并网逆变器的有功功率给定值相比较，获得比较结果，将所述无功功率 q 与并网逆变器的无功功率给定值相比较，获得比较结果，将上述两个比较结果分别通过一个闭环调节器调节后获得两个电压值，将所述两个电压值作为新的并网逆变器* 和 u *

12、 ；uspsq电压给定值在两相旋转坐标系下的分量0008四、由公式根据网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量 和 计算得出虚拟磁链矢量的向量角，再将所述向量角 与三中得到的并网*逆变器电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp 和usq 经过旋转- 静止坐标变换，得*到新的并网逆变器的电压给定值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us ，将新的 us*和 us 经过电压空间矢量算法计算，获得并网逆变器各个功率器件的对并网逆变器的直接功率。信号，实现本发明的优点是 ：本发明解决了传统方法中存在的因00090010器中初始值选取不当而造成系统无法正常工作的问题。它无需检测电网电压，降低了成本，提

13、高了可靠性 ；无电流环，无需计算电流的微分值，算法相对简单能力强 ；所采用的功率估算方法不依赖于器初始，动态值，大幅提高响应快。性能 ；同时对并网逆变器的瞬时输出有功功率和无功功率直接附图说明0011图 1 是本发明方法的信号示意图 ；图 2 是三相六开关并网逆变器的等效电路图 ；图 3 是带有限幅反馈环节的器的原理图 ；图 4 是实施方式二的方法信号示意图。具体实施方式具体实施方式一 ：下面结合图 1 至图 3 说明本实施方式，本实施方式的方法0012为 ：0013一、将滤波器连接于并网逆变器的输出端对输出电流进行滤波，将并网逆变器输出端的三相电流值进行三相 - 两相坐标变换，得到并网逆变器

14、输出端的三相电流值在两相静止坐标系下的分量i 和i ；在并网逆变器的输入端并联直流电容，将并网逆变器的*电压给定值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us 分别与直流电容两端的电压 Udc 相乘，得到当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us ；5说明书CN 101771361 A3/5 页0014二、将一中得到的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量 us和 us 分别通过一个带有限幅反馈环节的器进行处理，分别获得结果为u 和 u，通过公式计算得出网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分量 和 ，式中 L 为滤波器的电感值 ；0015三、由瞬时功率计算公式

15、式中 为网侧交流电压角频率，得到并网逆变器瞬时输出的有功功率p 和无功功率q，将所述有功功率p 与并网逆变器的有功功率给定值相比较，获得比较结果，将所述无功功率 q 与并网逆变器的无功功率给定值相比较，获得比较结果，将上述两个比较结果分别通过一个闭环调节器调节后获得两个电压值，将所述两个电压值作为新的并网逆变器* 和 u * ；uspsq电压给定值在两相旋转坐标系下的分量四、由公式根据网侧电压的虚拟磁链在两相静止坐标系下的分0016量 和 计算得出虚拟磁链矢量的向量角，再将所述向量角 与三中得到的并网*逆变器电压给定值在两相旋转坐标系下的分量usp 和usq 经过旋转- 静止坐标变换，得*到新

16、的并网逆变器的电压给定值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us ，将新的 us*和 us 经过电压空间矢量对并网逆变器的直接功率算法计算，获得并网逆变器各个功率器件的。信号，实现0017所述并网逆变器输入端的两相电流值 ia、ib 通过电流传感器检测得到，第三相电流值根据三相电流相加和为零获得。0018二中所述的当前并网逆变器的逆变电压值在两相静止坐标系下的分量 us 和 us分别通过一个带有限幅反馈环节的器进行处理，分别获得结果为s 和s，是通过公式计算得到，式中 s 为复频域中的复参变量，Z、Z 为 u 和 u 经过限幅环节后的输出值，Z、Z 的初始值均为零。0019工作原理 ：0020

17、图 2 所示，为三相六开关无交流电压传感器并网逆变器的主电路图，包括滤波器、半桥逆变器和直流电容。为了取消交流电压传感器，引入虚拟磁链的概念，用于计算瞬时有功功率和无功功率。将图 2 中逆变器左侧部分等效为一个交流电，网侧电压 1 等效为由虚拟磁链产生。在两相静止坐标系下，定义虚拟磁链矢量 为 ：( 公式一)，式中为网侧电压矢量，( 公式二 )，u 和 u 为网侧电压矢量在两相静止坐标系下的6说明书CN 101771361 A4/5 页电压分量，则有 ：( 公式三 )。0021定义网侧输入电流矢量 为 ：( 公式四)，式中ia、ib 为网侧逆变相电流。并网逆变器的输出电压矢量为 ：( 公式五

18、)，us 和 us 分别为并网逆变器输出电压在两相静止坐标系下的分量。在两相静止坐标系下，三相并网逆变器的网侧电压矢量在两相静止坐标系下0022的电压分量的数学模型为 ：( 公式六 )，将公式六代入公式三，得到 ：( 公式七 )，则网侧电压矢量为 ：( 公式八 )，式中 为网侧电压的虚拟磁链幅0023值。0024瞬时有功和无功功率的表达式为 ：( 公式九 )，式中 为逆变电流的共轭，对于三相平衡系统，d/dt 0，因此将公式二和公式八代入公式九，得到 ：( 公式十 )，由公式七和公式十可知，通过检测瞬时交流并网逆变电流和并网逆变器输出电压即可计算瞬时功率，无需检测网侧交流电压，并避免了计算电流

19、的微分，同时该算法无需同步旋转坐标变换，简化了算法。带有限幅反馈环节的虚拟磁链观测 ：00250026由上述分析可知，瞬时功率准确计算的关键是虚拟磁链的观测。公式七是虚拟磁链观测的基础，由于式中含有项，如果初值选取不当会出现不同程度的直流偏移，观测出来的磁链圆轨迹圆心将不在坐标原点 ；此外，如果被项含有直流量，会导致值出现漂移现象，很容易造成饱和，进而产生瞬时功率计算偏差。为避免上述问题，本发明方法提出一种改进的虚拟磁链观测器 (IVF)，即采用带有限幅反馈环节的器，如图 3 所示，来代替纯环节。其中us，us 由公式五计算获得，图 3 中限幅环节的限幅值必须合理设置，这里设置为虚拟磁链的幅值 max，该值可以通过已知的网侧电压幅值计7说明书CN 101771361 A5/5 页算获得。两相静止坐标系下器的输出为 ：式中 Z、Z 为 u、u 经过限幅环节后的输出0027值 ；当输 出 小于 限 幅 值，即则 有此 时，0028上式与纯环节的结果相同 ；当输出大于限幅值时，则 有虚拟磁链观测结果为 ：0029瞬时功率的估算与：0030基于改进虚拟磁