电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的装置和方法

摘要

本发明公开了一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，包括以下步骤：将电网电压分解为正序和负序分量，测量得到正、负序电压的幅值和相位；建立正、负序控制器；以电网的正、负序电压作为两个控制器的跟踪对象，将两个控制器的输出信号合成为PWM的调制信号，驱动逆变器；将线路的电流进行正负序分解，分别作为正、负序控制器的输入量；引入正、负序电流反馈到正、负序控制器，实现同步后功率的传递、对负序电流的抑制。本发明实现了并网逆变器在电网电压不平衡条件下正常运行的同时抑制系统的负序电流，避免了负序分量给系统带来的影响，减少了计算的复杂程度。本发明还公开了一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的装置。

说明书

技术领域

本发明涉及三相逆变器并网控制领域，特别涉及一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的装置和方法。

背景技术

作为分布式发电系统的接口，并网逆变器通常将可再生能源发出的电能转化为电网可接受的交流电能。可再生能源发电存在随机性和波动性，通常采用最大功率跟踪控制，一般不参与电网调压和调频。控制改变并网逆变器的运行特性，并将并网逆变器模拟为传统同步发电机，能够提升电网对分布式电源的适应性和接纳能力，使逆变器模拟出同步发电机的外特性，从而使分布式电源能够像同步发电机一样参与电网频率和电压调节，快速同步并无缝地并离网，降低分布式能源对电网的不利影响。然而分布式发电系统通常呈现弱电网状态，容易出现电网电压不平衡的情况，电网电压的负序分量将影响系统内并网逆变器的正常工作，可能导致并网电流出现严重畸变，甚至引发逆变系统失稳脱网。因此非常有必要研究一种不平衡条件下逆变器还能正常工作，并能有效抑制负序电流的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种计算简单、实用性强的电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，并提供一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的装置。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的装置，包括逆变器；控制模块；正负序提取模块，正负序提取模块包括电流分解单元、逆变器输出电压分解单元和电网电压分解单元，电流分解单元、逆变器输出电压分解单元、电网电压分解单元的输入端分别与逆变器输出端、逆变器输出端、电网相连，电流分解单元、逆变器输出电压分解单元、电网电压分解单元的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输出端经PWM驱动模块连接逆变器；所述控制模块包括用于满足给定输出功率的正序控制器和用于抑制负序电流的负序控制器。

一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，包括以下步骤：

1)在电网不平衡条件下，利用对称分量法将电网电压分解为正序和负序分量，测量得到正、负序电压的幅值和相位信息；

2)根据同步发电机的原理以及数学模型建立两个控制器，分别为正序、负序控制器；

3)以电网的正、负序电压信号作为两个控制器的跟踪对象，将两个控制器的输出信号合成为PWM的调制信号，驱动逆变器输出电压，输出电压同样分解为正负序，且同步于电网侧的相应电压；与电网同步后再进行并网；

4)并网后将线路的电流进行正负序分解，分别作为对应的正、负序控制器的电流输入量；

5)引入正序电流反馈到正序控制器，并在正序控制器内进行功率设定，实现同步后功率的传递；负序控制器跟踪电网的负序电压，引入负序电流反馈到负序控制器，实现对负序电流的抑制。

上述电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，所述步骤1)中，利用对称分量法，不考虑零序分量，三相电网电压V_abc分解成正负序分量，其中正序表示为V_abc⁺，负序表示为V_abc^-，按下式进行计算求得；

V_abc⁺＝[T⁺]V_abc；V_abc^-＝[T^-]V_abc

式中，[T⁺]与[T^-]为正、负序分解矩阵，其中α＝e^j120＝e^-j240是一个复数算子，然后利用双二阶广义积分器的软件锁相环方案获取分序后的电压频率、幅值和相位，各公式中参数的上标+、-分别代表正、负序。

上述电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，所述步骤2)具体步骤为，根据同步发电机数学模型建立正、负序控制器，从提取的电网正负序信息设定控制器的参数；

按照公式计算出控制器的输出信号，也为逆变器的输出电压；

式中：为感应电动势；M_f为虚拟的互感系数；i_f为虚拟的励磁电流，即将M_fi_f设为常数；θ为虚拟的转子转动角度；为控制逆变器输出与电网同步，即e＝v_g，v_g为电网侧电压，将控制器中的θ设定为θ_g，为虚拟的角频率，即因为i_f为常数，有所以V_g为v_g的幅值，从而分别建立正序控制器、负序控制器，其输出分别为e⁺、e^-,正序控制器中负序控制器中

上述电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，所述步骤3)根据电网的正负序电压信号，分别使两个控制器的输出电动势独立跟踪电网的正负序电压，使e⁺＝v_g⁺,e^-＝v_g^-，式中上标+、-分别代表正、负序，其中正序控制器中的数学模型为其中i_fconstant为下标，表示虚拟的励磁电流i_f为常数；<.,.>表示内积；负序控制器中的数学模型为

将两个控制器的输出信号合成为PWM的调制信号，驱动逆变器输出电压，其输出电压同样分解为正负序，且同步于电网侧的相应电压；

不对称的三相电压中，把每相电压分三个分量表示，即正序、负序、零序的代数和，不考虑零序分量，

按照公式计算正负序电压的合成，式中为控制模块输出的正序电动势；为控制模块输出的负序电动势；为合成的三相电电动势；将输入PWM驱动模块控制逆变器输出，实现一台逆变器虚拟为两个同步控制器联合控制的逆变器。

上述电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，所述步骤3)中，为了使控制器控制逆变器输出电压与电网同步，即要保证逆变器正负序电压的幅值和频率及相位分别与电网侧电压相同，在负序控制器中，参考负序有功功率同时将作为逆变器负序电压的额定频率，因此其中为虚拟的负序机械转矩；在同步逆变器的下垂特性中，定义负序控制器中下垂系数ΔT^-为负序总虚拟转矩的变化率，Δω^-逆变器负序电压频率的变化率，即可表示为ω^-和的差值，由此计算ΔT^-；在并网前，逆变器与电网之间无电流经过，根据负序控制器中的数学模型有根据同步逆变器的虚拟转矩平衡方程与以及ΔT^-的代数和再经过1/Js模块得到ω^-，此过程实现控制器输出负序电压频率与电网侧同步，而ω^-经过积分模块得到负序电压的相位角θ^-；

在负序控制器控制逆变器输出负序电压与电网侧负序电压同步的同时，正序控制器同样控制与电网侧正序电压的同步，两者同时经行；在正序控制器中，参考正序有功功率和无功功率在并网前都设定为零，根据同步发电机并网功率计算公式和其中X_S为虚拟的同步发电机的同步阻抗；当P和Q都为零时，有相位角θ＝θ_g和电压幅值E＝V_g来满足逆变器的并网条件；将作为逆变器正序电压的额定频率，因此其中为虚拟的正序机械转矩，并网前为零；在同步逆变器的下垂特性中，定义正序控制器中下垂系数ΔT⁺为正序总虚拟转矩的变化率，Δω⁺为逆变器正序电压频率的变化率，即可表示为ω⁺和的差值，由此可以计算ΔT⁺；在并网前，逆变器与电网之间无电流经过，根据正序控制器中的数学模型有和Q⁺＝0，根据同步逆变器的虚拟转矩平衡方程与以及ΔT⁺的代数和再经过1/Js模块得到ω⁺，此过程实现控制器输出正序电压频率与电网侧同步，而ω⁺经过积分模块得到正序电压的相位角θ⁺。

上述电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，所述步骤4)根据并网后的线路电流，利用双二阶广义积分器的软件锁相环方案获取分序后的正负序电流i⁺和i^-作为两个控制器的电流参考信号。

上述电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，所述步骤5)中，在负序控制器中，保持原来的运行模式不变，逆变器的负序电压始终跟踪电网的负序电压，保持对负序电流的抑制，因此i^-为零，及始终保持

在正序控制器中，要保证逆变器的正常运行，开始向电网侧传递有功功率和无功功率，根据需要设定有功功率值，有在功角0<δ<π/2，有功功率表示为P＝T_eω，当功角δ增减时，T_e也会随之增减；

假设电网正序电压的频率ω_g⁺下降，功率角和电磁转矩T_e⁺就会上升，经过一个积分模块1/Js的输入将会下降，逆变器输出正序电压的频率ω⁺下降，此过程直到ω⁺＝ω_g⁺；同理，电网正序电压的频率ω_g⁺上升，同样的过程直到ω⁺＝ω_g⁺；因此，当输出正序有功功率增加时，正序控制器输出频率跟踪电网正序电压的频率，实现正序电压调频，然后根据下垂特性控制计算的实际功率跟踪到设定功率，完成有功功率传递；在并网后向电网输送无功功率时，根据需要设定值，由同步逆变器的虚拟转矩平衡方程定义正序控制器中下垂系数未引入电压下垂的控制前，有Q⁺跟踪Q_set⁺在稳态时没有误差，但是M_fi_f⁺会随设定的正序无功功率的增加而增加，因此e⁺也会增加；引入电压下垂控制后，反馈时间根据需要设定，此时有其中K为常数，V_m⁺为逆变器正序电压的幅值，即通过测量逆变器的输出电压V_abc得到，有V_g⁺-V_m⁺<0，M_fi_f⁺又会按照设定的比例减少，因此逆变器输出正序电压幅值按照设定的比例减少，完成无功功率传递。

本发明的有益效果在于：

1、本发明抑制同步逆变器负序电流的方法中，首先将不对称的电网电压分解为两个对称的电压分量，分别与其相对应的控制器经行跟踪控制，实现正负序电压的解耦；然后以电网的正、负序电压信号作为两个控制器的跟踪对象，将两个控制器的输出信号合成为PWM的调制信号，驱动逆变器输出电压，通过对正负序控制器的输出叠加来实现对电网电压的有效跟踪，进而完成并网；并网后要完成功率的传递，但是功率的传递只在正序控制器中运行，因此并网后将线路的电流进行正负序分解，分别作为对应的正、负序控制器的电流输入量，然后引入正序电流反馈到正序控制器，并在正序控制器内进行功率设定，实现同步后功率的传递；负序控制器跟踪电网的负序电压，引入负序电流反馈到负序控制器，实现对负序电流的抑制。整个控制过程实现了并网逆变器在电网电压不平衡条件下仍然能够正常运行，能抑制系统的负序电流，避免了负序分量给系统带来的影响，减少了结构和计算的复杂程度，整个步骤容易实现，实用性强，具有一定的推广与应用价值。

2、本发明抑制同步逆变器负序电流的装置包括控制模块和正负序提取模块，正负序提取模块对电网侧的电压及逆变器输出的电压分解，分别获得相应的电压幅值、相位及频率，控制模块包括正序控制器和负序控制器，正序控制器接收反馈正序电流及正序电网侧电压信号，意在对电网正序电压的同步后，控制其向电网正常输送功率；负序控制器接受电网负序电压信号和电流信号，意在跟踪电网侧负序电压信号，最终实现负序电流的抑制；正负序控制器输出电压的合成信号，控制逆变器输出电压在同步于电网电压后又有功率传递，且抑制了负序电流，使逆变器在电网不平衡条件下能正常工作。

附图说明

图1为本发明装置的结构框图。

图2为本发明方法的流程图。

图3为本发明方法中的正序控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的装置，包括逆变器；控制模块；正负序提取模块，正负序提取模块利用双二阶广义积分器的软件锁相环方案对电网侧的电压及逆变器输出的电压分解，分别获得相应的电压幅值、相位及频率，正负序提取模块包括电流分解单元、逆变器输出电压分解单元和电网电压分解单元，电流分解单元、逆变器输出电压分解单元和电网电压分解单元的输入端分别与逆变器输出端、逆变器输出端、电网相连，电流分解单元、逆变器输出电压分解单元和电网电压分解单元的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输出端经PWM驱动模块连接逆变器，；所述控制模块包括正序控制器和负序控制器，正序控制器接收反馈正序电流及正序电网侧电压信号，意在对电网正序电压的同步后，控制其向电网正常输送功率；负序控制器接受电网负序电压信号和电流信号，意在跟踪电网侧负序电压信号，最终实现负序电流的抑制；PWM驱动模块的调制信号采用正负序控制器的输出电压的合成信号，控制逆变器输出电压在同步于电网电压后又有功率传递，且抑制了负序电流，使逆变器在电网不平衡条件下能正常工作。

一种电网不平衡条件下抑制同步逆变器负序电流的方法，包括以下步骤：

1)在电网不平衡条件下，利用对称分量法将电网电压分解为正序和负序分量，测量得到正、负序电压的幅值和相位信息。

利用对称分量法，不考虑零序分量，三相电网电压V_abc分解成正负序分量，其中正序表示为V_abc⁺，负序表示为V_abc^-，按下式进行计算求得；

V_abc⁺＝[T⁺]V_abc；V_abc^-＝[T^-]V_abc

式中，[T⁺]与[T^-]为正、负序分解矩阵，其中α＝e^j120＝e^-j240是一个复数算子，然后利用双二阶广义积分器的软件锁相环方案获取分序后的电压频率和幅值和以及相位，各公式中参数的上标+、-分别代表正、负序。

2)根据同步发电机的原理以及数学模型建立两个控制器，分别为正序、负序控制器。

根据同步发电机数学模型建立正、负序控制器，从提取的电网正负序信息设定控制器的参数；

按照公式计算出控制器的输出信号，也为逆变器的输出电压；

式中：为感应电动势；M_f为虚拟的互感系数；i_f为虚拟的励磁电流，即将M_fi_f设为常数；θ为虚拟的转子转动角度；为控制逆变器输出与电网同步，即e＝v_g，v_g为电网侧电压，将控制器中的θ设定为θ_g，为虚拟的角频率，即因为i_f为常数，有所以V_g为v_g的幅值，从而分别建立正序控制器、负序控制器，其输出分别为e⁺、e^-,正序控制器中负序控制器中

3)以电网的正、负序电压信号作为两个控制器的跟踪对象，将两个控制器的输出信号合成为PWM的调制信号，驱动逆变器输出电压，输出电压同样分解为正负序，且同步于电网侧的相应电压；与电网同步后再进行并网。

根据电网的正负序电压信号，分别使两个控制器的输出电动势独立跟踪电网的正负序电压，使e⁺＝v_g⁺,e^-＝v_g^-，式中上标+、-分别代表正、负序，其中正序控制器中的数学模型为其中i_fconstant为下标，表示虚拟的励磁电流i_f为常数；<.,.>表示内积；负序控制器中的数学模型为

将两个控制器的输出信号合成为PWM的调制信号，驱动逆变器输出电压，其输出电压同样分解为正负序，且同步于电网侧的相应电压；

不对称的三相电压中，把每相电压分三个分量表示，即正序、负序、零序的代数和，不考虑零序分量，

按照公式计算正负序电压的合成，式中为控制模块输出的正序电动势；为控制模块输出的负序电动势；为合成的三相电电动势；将输入PWM驱动模块控制逆变器输出，实现一台逆变器虚拟为两个同步控制器联合控制的逆变器。

如图2--3所示，为了使控制器控制逆变器输出电压与电网同步，即要保证逆变器正负序电压的幅值和频率及相位分别与电网侧电压相同。如图3虚线上部分，在负序控制器中，参考负序有功功率是因为负序控制器不参与功率的传递，同时将作为逆变器负序电压的额定频率，因此其中为虚拟的负序机械转矩。在同步逆变器的下垂特性中，定义负序控制器中下垂系数ΔT^-为负序总虚拟转矩的变化率，Δω^-逆变器负序电压频率的变化率，即可表示为ω^-和的差值，由此可以计算ΔT^-。在并网前，逆变器与电网之间无电流经过，因此可以根据负序控制器中的数学模型有根据同步逆变器的虚拟转矩平衡方程与以及ΔT^-的代数和再经过1/Js模块得到ω^-，此过程实现控制器输出负序电压频率与电网侧同步，而ω^-经过积分模块得到负序电压的相位角θ^-。如负序控制器中的数学模型中，M_fi_f^-ω^-为e^-的幅值，因此在频率的同步过程中，即为使逆变器负序电压幅值与电网侧相同，将电网负序电压表示了用表示电网侧电压的幅值，因此将幅值和频率作为该控制器的部分输入，以此来计算M_fi_f^-，即保证了

在负序控制器控制逆变器输出负序电压与电网侧负序电压同步的同时，正序控制器同样控制与电网侧正序电压的同步，两者同时经行。如图3虚线以下的正序控制器所示，参考正序有功功率和无功功率在并网前都设定为零，是根据逆变器并网功率计算公式和其中X_S为虚拟的同步发电机的同步阻抗；当P和Q都为零时，有相位角θ＝θ_g和电压幅值E＝V_g来满足逆变器的并网条件。将作为逆变器正序电压的额定频率，因此(并网前为零)，其中为虚拟的正序机械转矩。在同步逆变器的下垂特性中，定义正序控制器中下垂系数ΔT⁺为正序总虚拟转矩的变化率，Δω⁺逆变器正序电压频率的变化率，即可表示为ω⁺和的差值，由此可以计算ΔT⁺。在并网前，逆变器与电网之间无电流经过，因此可以根据正序控制器中的数学模型有和Q⁺＝0，因此根据同步逆变器的虚拟转矩平衡方程与以及ΔT⁺的代数和再经过1/Js模块得到ω⁺，此过程实现控制器输出正序电压频率与电网侧同步，而ω⁺经过积分模块得到正序电压的相位角θ⁺。如正序控制器中的数学模型中，M_fi_f⁺ω⁺为e⁺的幅值，因此在频率的同步过程中，即为使逆变器正序电压幅值与电网侧相同，将电网正序电压表示了用表示电网侧电压的幅值，并网前Q⁺都为零，在整个控制过程中并网前并不引入无功功率与电压的下垂机制，在1/Ks前的输入为零。用幅值和频率来计算M_fi_f⁺的初始化值，即初始值保证了

在正负控制器控制逆变器与电网侧正负序电压同步后，进行正负序电压叠加，即e⁺与e^-的合成作为PWM的调制信号，实现并网。

4)并网后需要向电网侧传递功率，因此电路会产生电流，将线路的电流进行正负序分解，利用双二阶广义积分器的软件锁相环方案获取分序后的正负序电流i⁺和i^-并将其分别反馈到对应的控制器中。

5)引入正序电流反馈到正序控制器，并在正序控制器内进行功率设定，实现同步后功率的传递；负序控制器跟踪电网的负序电压，引入负序电流反馈到负序控制器，实现对负序电流的抑制。

在负序控制器中，保持原来的运行模式不变，因为逆变器的负序电压始终跟踪电网的负序电压，保持对负序电流的抑制，因此i^-为零，及始终保持在正序控制器中，要保证逆变器的正常运行，开始向电网侧传递有功功率和无功功率，根据需要设定有功功率值，有在功角0<δ<π/2，有功功率也可表示为P＝T_eω，当功角δ增减时，T_e也会随之增减。假设电网正序电压的频率ω_g⁺下降，功率角和电磁转矩T_e⁺就会上升，经过一个积分模块1/Js的输入将会下降，逆变器输出正序电压的频率ω⁺下降，此过程直到ω⁺＝ω_g⁺；同理，电网正序电压的频率ω_g⁺上升，同样的过程直到ω⁺＝ω_g⁺。因此，当输出正序有功功率增加时，正序控制器输出频率能跟踪电网正序电压的频率，实现正序电压调频，然后根据下垂特性控制计算的实际功率跟踪到设定功率，完成有功功率传递。在并网后向电网输送无功功率时，根据需要设定值，由同步逆变器的虚拟转矩平衡方程定义正序控制器中下垂系数未引入电压下垂的控制前，有Q⁺跟踪Q_set⁺在稳态时是没有误差，但是M_fi_f⁺会随设定的正序无功功率的增加而增加，因此e⁺也会增加；引入电压下垂控制后，反馈时间根据需要设定，此时有其中K为常数，V_m⁺为逆变器正序电压的幅值，即通过测量逆变器的输出电压V_abc得到。有V_g⁺-V_m⁺<0，M_fi_f⁺又会按照设定的比例减少。因此逆变器输出正序电压幅值按照设定的比例减少，使得逆变器像同步发电机那样，可以通过调节虚拟的励磁来调节输出电压，实现调幅。最后，正、负电压分量通过叠加作为逆变器输出电压调制信号，并经过PWM调制器驱动相应的功率器件动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。