一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法

摘要

本发明公开的并网三相电压源变换器(VSC)的不对称直接功率控制方法。通过采集三相电网电压和VSC的输入电流信号，计算VSC从电网输入的瞬时有功和无功功率，并利用一个比例谐振调节器调节瞬时有功、无功功率与给定有功、无功功率之间的误差信号，调节器的输出信号经过反馈补偿解耦后获得同步速旋转坐标系中的VSC输出参考电压信号，经空间矢量脉宽调制生成控制VSC运行状况的开关信号。本发明方法可消除电网电压不对称引起的直流母线电压和瞬时无功功率的两倍频波动，且无需进行正负序分量的分解，避免引入分解延时和误差，从而可提高电网不对称故障情况下VSC的动态响应和稳态运行能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电压源变换器的控制方法，特别是一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法。

背景技术

三相电压源变换器(VSC)以其功率可双向流动、电流正弦度高、功率因素及直流母线电压可调等优点，在工业生产中得到了广泛的应用，特别是在分布式能源并网、高压直流输电、伺服电机驱动等领域应用极为普遍。目前对VSC的控制大多停留在理想电网条件下，但是由于实际电网中经常有各类对称、不对称故障发生，而且在电网故障下VSC的一些优点很难实现，因此必须开展电网故障下的运行控制研究并提出相应控制技术。相较于对称电网故障，电网不对称故障更为频繁、几率更大，若在VSC的控制系统中未曾考虑电网电压的不对称，则很小的不对称电压将造成从电网输入的有功、无功功率发生振荡，进而引起直流母线电压的剧烈波动，影响到供给负载的电能质量以及直流母线电容的寿命和安全。在分布式能源特别是风力发电领域，电网规范从电网安全角度出发要求风电机组能承受最大达2％的稳态和相对较大瞬态不对称电压而不退出电网，以防引发后续的更大电网故障。这就要求作为风电机组重要组成部分的VSC能在一定程度的不对称电网电压故障下具有持续运行的能力。目前，国内、外已经兴起了对这种不对称电网电压条件下VSC控制方法与实施方案的研究。检索到VSC不对称电网条件下运行控制的相关文献有：

I.何鸣明，贺益康，潘再平，“不对称电网故障下PWM整流器的控制”，电力系统及其自动化学报，2007，19(4)：13-17.

II.Song，H.S.，Nam，K.，“Dual current control scheme for PWM converterunder unbalanced input voltage conditions，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.46，no.5，pp.953-959，1999.

III.Yongsug，S.，Lipo，T.A.，“Control scheme in hybrid synchronous stationaryframe for PWM AC/DC converter under generalized unbalanced operatingconditions，”IEEE Trans.Ind.Appl.，vol.42，no.3，pp.825-835，2006.

IV.Etxeberria-Otadui，I.，Viscarret，U.，Caballero，M.，Rufer，A.，Bacha，S.，“New optimized PWM VSC control structures and strategies under unbalancedvoltage transients，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.54，no.5，pp.2902-2914，2007.

V.Yin，B.，Oruganti，R.，Panda，S.K.，Bhat，A.K.S.，“An output-power-controlstrategy for a three-phase PWM rectifier under unbalanced supply conditions，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.55，no.5，pp.2140-2151，2008.

不对称电网电压条件下，上述文献提出的方法都是基于对称分量理论的矢量控制方法。这些方法的核心思想是将VSC电流分解为正序和负序分量，通过分别控制VSC电流的正序和负序分量来控制VSC的输出功率，其原理可用图1来说明。由IGBT开关管组成的三相全桥整流电路1通过三相滤波电感5连接到三相电源，整流电路的输出端连接到直流母线电容2。两个比例积分调节器17-2和17-3分别对VSC的正、负序电流作独立控制；但为实现对正、负序VSC电流的分别调节，必须首先获得VSC反馈电流的正、负序分量，其处理过程是：利用三相电压霍尔传感器6和三相电流霍尔传感器7分别采集电网三相电压U_sabc和VSC的三相电流I_sabc；采集得到的三相电网电压信号U_sabc和VSC电流信号I_sabc分别经过静止三相到二相坐标变换模块8，得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量U_saβ和VSC电流综合矢量I_sαβ；U_sαβ与I_sαβ分别通过正、反转同步速旋转坐标变换模块16、13，得到在电网电压不对称条件下正、反转同步速旋转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压、电流综合矢量和然后采用2ω_s频率陷波器21(或低通滤波器、1/4电网电压基波周期延时等方法)来滤除中2ω_s频率的交流成分，从而获得其正、负序分量利用单相霍尔电压传感器3采集直流母线电压信号V_dc，VSC的输入参考有功信号通过PI调节器17-1对直流母线参考电压与实际电压的误差进行调节得到；利用以及VSC的输入参考有功、无功功率信号根据电网电压不对称条件下VSC不同的控制目标由VSC电流指令值计算模块22计算获得VSC的参考电流指令并与VSC反馈电流信号比较获得电流误差信号，然后分别在正、反转同步速旋转坐标系中采用比例积分器17-2和17-3对误差信号作比例-积分调节，调节得到的信号经反馈补偿解耦模块23补偿解耦获得正、反转同步速旋转坐标系中的正、负序VSC输出电压参考值分别通过反、正转同步速旋转坐标变换模块13、16转换得到定子坐标系中的正、负序转子电压参考值并相加后得到空间矢量脉宽调制SVPWM模块14的参考信号经过SVPWM模块14调制获得VSC的开关信号S_a，S_b，S_c以控制VSC运行，实现不对称电网电压条件下VSC正、负序电流在正、反转同步旋转坐标系中的独立闭环控制，达到所要求的控制目标。此外，该方法采用软件锁相环24对电网电压的频率和相位进行检测，在检测过程中，同样需要对三相电网电压进行正、负序分解，从而引入一定的检测误差。

由上述分析过程可见，电网电压不对称条件下VSC传统控制方法的实质是将不对称系统分解成正、负序对称分量系统后，再分别在正、反转同步旋转坐标系中实现正、负序d、q轴的解耦控制。虽然VSC正、负序电流在正、反转同步旋转坐标系中各自表现为直流量，分别采用两个PI调节器即可实现无静差独立跟踪控制，但控制实施的前提是已实现对采集电流的正、负序分离。图1所示传统控制方法中正、负序分离普遍采用了2ω_s频率陷波器16(或低通滤波器、1/4电网电压基波周期延时等方法)，分离中除引入延时外，控制系统带宽将受到影响，会造成动态跟踪误差，动态控制效果不理想。更有甚者，该方法无法区分电网电压是否对称，如果VSC运行在严格电网电压平衡状态下，控制系统仍将采用陷波器来分离电压、电流信号，这将给系统正常控制带来不必要的延时，严重影响了系统的动态控制性能。此外，由于传统VSC控制方法仅有电流的正序d、q轴分量和负序d、q轴分量四个可控量，因此只能在控制VSC输入有功、无功功率平均值之外，再有选择地控制有功或者无功功率中的二倍频振荡，而不能同时控制有功、无功功率中的二倍频振荡，更难以消除直流母线电压中的二倍频波动。

综上所述，亟需探索一种无需正负序分解、又能消除电网电压不对称引起的VSC直流母线电压波动的控制方法，以适应电网对称与不对称条件下VSC的运行控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种并网三相电压源变换器VSC的不对称直接功率控制方法，该方法无需进行任何正、负序分解，免除了由正、负序分解操作而引入控制延时，并且能消除电网电压不对称引起的无功功率与直流母线电压波动，从而有效提高VSC在电网电压故障条件下的运行控制性能，确保供电电能质量和VSC的运行稳定性及安全。

本发明的技术解决方案，并网三相电压源变换器VSC的不对称直接功率控制方法，包括以下步骤：

(i)利用单相电压霍尔传感器采集直流母线电容两端的直流母线电压信号V_dc；利用三相电压霍尔传感器采集电网三相电压信号U_sabc，利用三相电流霍尔传感器采集三相电压源变换器VSC输入的流过滤波电感的三相电流信号I_sabc；

(ii)利用不对称锁相环检测三相电网电压信号U_sabc的角频率信号ω_s和相位信号θ_s；

(iii)将采集得到的电网三相电压信号U_sabc和VSCC输入三相电流信号I_sabc经过静止三相到二相坐标变换模块，得到静止坐标系中包含正、负序分量的电网电压综合矢量U_sαβ和VSC输出电流综合矢量I_sαβ；

(iv)将得到的静止坐标系中定子电压综合矢量U_sαβ、VSC电流综合矢量I_sαβ经过VSC有功、无功功率计算模块得到VSC从电网输入的瞬时有功功率信号P_in和无功功率信号Q_in；

(v)将直流母线电压参考信号与采集得到的直流母线电压信号V_dc经过减法器计算得到直流母线电压误差信号，利用比例积分-谐振调节器对得到的误差信号作比例-积分-谐振调节，调节器输出得到VSC有功功率参考信号

(vi)将VSC输入的有功功率信号P_in和无功功率信号Q_in与其参考有功功率信号和无功功率信号经过减法器计算得到VSC输入有功误差信号ΔP_in和无功功率误差信号ΔQ_in；

(vii)将得到的有功功率误差信号ΔP_in和无功功率误差信号ΔQ_in通过比例谐振调节器作比例-谐振调节；调节后的输出信号以及三相电网电压的角频率信号ω_s经过反馈补偿解耦模块实现同步速旋转坐标系中交-直轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取同步速旋转坐标系中的VSC输出电压信号

(viii)VSC输出电压信号经过输出电压限幅模块，得到VSC输出电压参考信号

(ix)利用反向同步速旋转坐标变换模块和三相电网电压相位信号θ_s对VSC输出的电压参考信号进行坐标变换，获得脉宽调制模块调制所需的静止坐标系中VSC输出电压参考信号该信号经过空间矢量脉宽调制后获得控制VSC运行的开关信号S_a，S_b，S_c，控制三相全桥整流电路中IGBT开关管的开通与关断；

上述的不对称锁相环检测三相电网电压信号U_sabc的角频率信号ω_s和相位信号θ_s，步骤如下：

(i)利用反馈相位信号对三相定子电压信号U_sabc进行正向同步速旋转坐标变换，得到正转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量U_sdq；

(ii)将得到的正转坐标系中电压综合矢量U_sdq的q轴分量U_sq经过比例积分调节器得到三相定子电压正序分量的频率ω_s；

(iii)将得到的频率信号ω_s经过积分器积分得到电压正序分量的相位信号θ_s；

(iv)U_sq经过两倍频2ω_s谐振调节器调节后的输出信号与电压正序分量的相位信号θ_s相加，得到反馈相位信号

本发明提出的控制方法比传统的正、负序双d、q解耦控制方法大为简化，消除了电流内环控制环节，同时比例谐振调节器可直接对有功、无功功率的平均值和二倍频振荡分量实施控制，无需进行正、负序分解，因此不会引入分解延时，有效提高VSC电网故障下的稳态和动态控制能力。

本发明方法适用于除VSC之外的其他采用高频开关自关断器件构成的各类形式PWM控制的三相或单相逆变装置在平衡与不对称电网电压条件下的有效控制，如太阳能、燃料电池发电系统的并网逆变装置，柔性输电系统的电力电子逆变装置即以电力调速传动中的双馈电动机或发电机变流装置的有效控制。

附图说明

图1是不对称电网电压条件下三相电压源变换器的传统控制方法的原理图。

图2是本发明的并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法的原理图。

图3是三相电压源变换器的结构图。

图4为电网电压瞬态不对称条件下的仿真效果图，图(A)为未采用本发明方法，图(B)采用本发明方法。图(A)和图(B)中，(a)电网三相电压(V)；(b)VSC输入三相电流(A)；(c)VSC输入有功功率参考信号(W)；(d)VSC输入有功功率(W)；(e)VSC输入无功功率(Var)(f)直流母线电压(V)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图2是本发明提出的一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法。以一台3kW VSC为例，VSC的结构如图3所示，包括电网电源25、线路电阻26、滤波电感5、IGBT开关管28组成的三相全桥整流电路、直流母线电容2和负载电阻27。并网三相电压源变换器VSC的不对称直接功率控制方法，包括以下步骤：

(i)利用单相电压霍尔传感器3采集直流母线电容2两端的直流母线电压信号V_dc；利用三相电压霍尔传感器6采集电网三相电压信号U_sabc，利用三相电流霍尔传感器7采集三相电压源变换器VSC输入的流过滤波电感5的三相电流信号I_sabc；

(ii)利用不对称锁相环20检测三相电网电压信号U_sabc的角频率信号ω_s和相位信号θ_s；

(iii)将采集得到的电网三相电压信号U_sabc和VSC三相输出电流信号I_sabc经过静止三相到二相坐标变换模块8，得到静止坐标系中包含正、负序分量的电网电压综合矢量U_sαβ和VSC输入电流综合矢量I_sαβ；以电网三相电压为例，静止三相到二相坐标变换如下式表达

$\left(\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{s\alpha }}\\ U_{\mathrm{s\beta }}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sa}}\\ U_{\mathrm{sb}}\\ U_{\mathrm{sc}}\end{array}\right);$

(iv)将得到的静止坐标系中定子电压综合矢量U_sαβ、VSC电流综合矢量I_sαβ经过VSC有功、无功功率计算模块9得到VSC从电网输入的瞬时有功功率信号P_in和无功功率信号Q_in；其计算方法如下式表达

$P_{\mathrm{in}}+j{Q}_{\mathrm{in}}=\frac{3}{2}{U}_{\mathrm{s\alpha \beta }}\times \widehat{I_{\mathrm{g\alpha \beta }}}=(U_{\mathrm{s\alpha }}{I}_{\mathrm{g\alpha }}+U_{\mathrm{s\beta }}{I}_{\mathrm{g\beta }})+j(U_{\mathrm{s\beta }}{I}_{\mathrm{g\beta }}-U_{\mathrm{g\alpha }}{I}_{\mathrm{g\beta }})$

(v)将直流母线电压参考信号与采集得到的直流母线电压信号V_dc经过减法器计算得到直流母线电压误差信号，利用比例积分-谐振调节器15对得到的误差信号作比例-积分-谐振调节，调节器输出得到VSC有功功率参考信号；其计算方法如下式表达：

$P_{\mathrm{in}}^{*}=C_{\mathrm{PIR}}\left(s\right)(V_{\mathrm{dc}}^{*}-V_{\mathrm{dc}})$

其中比例积分-谐振调节器的频域表达式C_PIR(s)为

$C_{\mathrm{PIR}}\left(s\right)=k_p+\frac{k_i}{s}+\frac{k_{r}s}{s^2+2{\omega }_{c}s+{\left(2{\omega }_s\right)}^2}$

其中，k_p，k_i，k_r分别为比例、积分、谐振调节器的系数。

(vi)将VSC输入的有功功率信号P_in和无功功率信号Q_in与其参考有功功率信号和无功功率信号经过减法器计算得到VSC输入有功误差信号ΔP_in和无功功率误差信号ΔQ_in；

(vii)将得到的有功功率误差信号ΔP_in和无功功率误差信号ΔQ_in通过比例谐振调节器10作比例-谐振调节；调节后的输出信号以及三相电网电压的角频率信号ω_s经过反馈补偿解耦模块11实现同步速旋转坐标系中交-直轴间的交叉解耦和动态反馈补偿，获取同步速旋转坐标系中的VSC输出电压信号可用下式表达

$U_{\mathrm{cd}}^{+}=-[k_p+\frac{k_{r}s}{s^2+2{\omega }_{c}s+{\left(2{\omega }_s\right)}^2}](P_{\mathrm{in}}^{*}-P_{\mathrm{in}})-\frac{2{\omega }_{s}L}{3U_s}{Q}_{\mathrm{in}}+U_s$

$U_{\mathrm{cq}}^{+}=[k_p+\frac{k_{r}s}{s^2+2{\omega }_{c}s+{\left(2{\omega }_s\right)}^2}](Q_{\mathrm{in}}^{*}-Q_{\mathrm{in}})-\frac{2{\omega }_{s}L}{3U_s}{P}_{\mathrm{in}}$

其中比例-谐振调节器的频域表达式C_PR(s)为

$C_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=k_p+\frac{k_{r}s}{s^2+2{\omega }_{c}s+{\left(2{\omega }_s\right)}^2}$

其中，k_p，k_r分别为比例、谐振调节器的系数。

(viii)VSC输出电压信号经过输出电压限幅模块12，得到VSC输出电压参考信号电压限幅可用下式表达：

$U_{\mathrm{cq}}^{+*}=\frac{U_{\mathrm{cq}}^{+}·U_{c\max }}{\sqrt{U_{\mathrm{cd}}^{+2}+U_{\mathrm{cq}}^{+2}}}$

其中，U_cmax为VSC的最大输出电压。

(ix)利用反向同步速旋转坐标变换模块13和三相电网电压相位信号θ_s对VSC输出的电压参考信号进行坐标变换，获得脉宽调制模块14调制所需的静止坐标系中VSC输出电压参考信号该信号经过空间矢量脉宽调制后获得控制VSC运行的开关信号S_a，S_b，S_c，控制三相全桥整流电路1中IGBT开关管的开通与关断；其中反向同步速旋转坐标变换模块13如下式表达

$\left(\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{c\alpha }}^{*}\\ U_{\mathrm{c\beta }}^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos {\theta }_s& \sin {\theta }_s\\ -\sin {\theta }_s& \cos {\theta }_s\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{cd}}^{+*}\\ U_{\mathrm{cq}}^{+*}\end{array}\right)$

上述的不对称锁相环20检测三相电网电压信号U_sabc的角频率信号ω_s和相位信号θ_s，步骤如下：

(i)利用反馈相位信号对三相定子电压信号U_sabc进行正向同步速旋转坐标变换16，得到正转坐标系中含有直流量与两倍频2ω_s交流量之和的电压综合矢量U_sdq；正转坐标变换如下式表达

$\left(\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}\\ U_{\mathrm{sq}}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{cc}\cos {\theta }_s^{\prime }& \sin {\theta }_s^{\prime }\\ -\sin {\theta }_s^{\prime }& \cos {\theta }_s^{\prime }\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sa}}\\ U_{\mathrm{sb}}\\ U_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)$

(ii)将得到的正转坐标系中电压综合矢量U_sdq的q轴分量U_sq经过比例积分调节器17得到三相定子电压正序分量的频率ω_s；

(iii)将得到的频率信号ω_s经过积分器18积分得到电压正序分量的相位信号θ_s；

(iv)U_sq经过两倍频2ω_s谐振调节器19调节后的输出信号与电压正序分量的相位信号θ_s相加，得到反馈相位信号两倍频2ω_s谐振调节器19的频域表达式为

$C_R\left(s\right)=\frac{k_{r}s}{s^2+2{\omega }_{c2}s+{\left(2{\omega }_s\right)}^2}$

其中，k_r为谐振调节器的系数。

参照图4(A)，若不采用本发明方法，则在电压不对称条件下(0.05-0.15sec)，VSC的输入有功、无功功率、参考有功功率以及直流母线电压之中都出现明显的两倍频2ω_s振荡。

参照图4(B)，采用本发明方法之后，VSC输入无功功率以及直流母线电压之中的两倍频2ω_s振荡被很快抑制；参考有功功率中出现明显的两倍频2ω_s振荡，而且实际有功功率对参考有功功率进行了良好的跟踪，实际有功功率中的两倍频2ω_s振荡用来抵消滤波电抗在电网电压不平衡时消耗的瞬时有功功率，从而保持直流母线电压的稳定。通过图4(A)和图4(B)的对比，可见采用本发明的并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法之后，实现消除输入无功功率及直流母线电压波动控制目标。

综上所述，本发明公开的一种并网三相电压源变换器的不对称直接功率控制方法无需任何正、负序分解，结构简单，动态响应块，稳态性能好；在电网电压不对称的情况下，可以消除直流母线电压的振荡，避免直流母线电容受到损坏。本方法可增强电网不对称故障情况下对VSC的控制能力，实现了VSC在电网不对称故障下的穿越运行。