具有自适应限流功能的三相四桥臂并网逆变器控制方法

摘要

本发明涉及电力系统保护与控制领域，鉴于对三相四桥臂逆变器分序控制策略下各序限流值的确定缺少相应研究，为提出一种确定各序输出电流上限值的方法，该方法能够保证逆变器平衡电压能力的最大发挥。为此，本发明采用的技术方案是，具有自适应限流功能的三相四桥臂并网逆变器控制方法，在统一的两相同步旋转坐标下计算各相负序和零序电流之和，并根据实际相电流上限值即逆变器电力电子开关器件最大承载电流，计算各序电流的最大值，使逆变器能够在各相电流不超过最大值的情况下发挥最大的平衡电压能力。本发明主要应用于电力系统保护与控制场合。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统保护与控制领域，尤其涉及三相四桥臂逆变器控制策略与限流技术，特别是涉及具有自适应限流功能的三相四桥臂逆变器控制策略。

背景技术

三相四桥臂逆变器能够在三相负载不平衡的情况下维持输出电压的三相对称，能够满足对电压质量要求较高的设备需要，作为并网设备时，能够改善低压配电网三相不平衡情况，具有显著的经济效益。三相四桥臂逆变器控制策略多样，常见方式为分解正负零序进行独立控制。由于三相四桥臂逆变型分布式电源的容量有限，输出能力和调整电压平衡能力也有限度。在当前电力开关器件承载电流有限的情况下，根据输出需要合理分配各序电流使各相电流均不超过桥臂承载电流上限，对于发挥逆变器的最大电压平衡能力具有重要意义。

目前，关于三相四桥臂逆变器的研究主要集中在控制策略方面，对于各序电流的分配和限制问题缺乏关注。传统的限流思路为对相电流进行限制，而由于负序和零序电流的存在，三相四桥臂逆变器各相输出电流并不相等，对其限流不能仅计算单相电流。并且，采用分序控制的三相四桥臂逆变器，由于将电流分解为多个分量，更加难以统一限制。在负载不对称度较高情况下，如何确定各序电流的输出上限对于保证三相四桥臂逆变器平衡三相电压能力的发挥，具有重要的研究价值。

发明内容

为克服现有技术的不足，鉴于对三相四桥臂逆变器分序控制策略下各序限流值的确定缺少相应研究，本发明旨在提出一种确定各序输出电流上限值的方法，该方法能够保证逆变器平衡电压能力的最大发挥。本发明采用的技术方案是，具有自适应限流功能的三相四桥臂并网逆变器控制方法，在统一的两相同步旋转坐标下计算各相负序和零序电流之和，并根据实际相电流上限值即逆变器电力电子开关器件最大承载电流，计算各序电流的最大值，使逆变器能够在各相电流不超过最大值的情况下发挥最大的平衡电压能力。

一个实力中的具体步骤细化为：

步骤A：提取并网点三相电压正、负、零序分量u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)及三相输出电流的正、负、零序分量i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)，其中n＝1、2、0，分别表示正序、负序、零序；通过锁相环获取正序电压的相位θ₁；

步骤B：经派克变换，将各序电压、电流变换到同步旋转坐标系d-q坐标系中：

电压变换过程为：

式中，u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)分别为并网点的三相正、负序电压，u_sd(n)、u_sq(n)分别表示正、负序电压在d-q坐标下的d轴和q轴分量，n＝1,2；u_sa(0)为并网点零序电压，u_s′_a(0)为零序电压u_sa(0)滞后π/2后得到的信号，u_sd(0)、u_sq(0)分别表示零序电压在d-q坐标下的d轴和q轴分量；上述变换过程中，正序变换n＝1，取θ＝θ₁；负序变换，n＝2，取θ＝-θ₁；零序变换取θ＝θ₁；

电流变换过程为：

式中，i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)分别为逆变器输出的三相正、负序电流，i_d(n)、i_q(n)分别表示正、负序电流在d-q坐标下的d轴和q轴分量，n＝1,2；i_a(0)为逆变器输出的零序电流，i_a′₍₀₎为零序电流i_a(0)滞后π/2后得到的信号，i_d(0)、i_q(0)分别表示零序电流在d-q坐标下的d轴和q轴分量；上述变换过程中，正序变换n＝1，取θ＝θ₁；负序变换，n＝2，取θ＝-θ₁；零序变换取θ＝θ₁。

步骤C：三序双环比例积分PI控制设计，正序采用功率外环、电流内环控制，内外环之间加装正序电流器；负序和零序采用电压外环，电流内环控制，对外环输出的负序和零序电流参考值求和之后进行限流。

步骤C中正序限流器和负零序限流器的实现包括如下具体步骤：

步骤1：正负零序d-q坐标统一，将各相的负序和零序电流参考值从各自的d-q坐标系中变换到同一个d-q坐标系即正序d-q坐标系下，用x-y表示；

各相负序电流参考值的变换公式如下

式中，i_{d(2)_ref}、i_{q(2)_ref}分别为负序电流参考值的d、q分量，I_a(2)x、I_a(2)y，I_b(2)x、I_b(2)y，I_c(2)x、I_c(2)y分别为a、b、c相负序电流在x-y坐标系中的坐标；

零序电流参考值的变换公式为

I_(0)x＝i_{d(0)_ref},I_(0)y＝i_{q(0)_ref}

式中，i_{d(0)_ref}、i_{q(0)_ref}分别为零序电流参考值的d、q分量；I_(0)x、I_(0)y为零序电流在x-y坐标系中的坐标。

步骤2：各相负、零序参考电流求和。求和公式为

式中，k代表相a、b、c，I_k(2+0)m表示对应相和电流的幅值，为和电流与x轴的夹角。

步骤3：负零序和电流限幅并分配，

I′_k(2+0)m＝min{I_k(2+0)m,I_max}

式中，I′_k(2+0)m为经过限幅后的k相负零序电流之和的幅值，I_max逆变器允许输出的最大相电流幅值；

为方便描述，令系数

则满足和电流限幅的负序和零序电流的x轴和y轴分量为：

式中，

转换到各自的d-q坐标系中，并取最小值作为最终的负、零序电流参考值

式中，i′_{d(2)_ref}、i′_{q(2)_ref}、i′_{d(0)_ref}、i′_{q(0)_ref}分别为各自d-q坐标下的满足限流条件的负序和零序分量；

步骤4：由已经确定的负零序和电流幅值限制值，求解正序电流限幅值，

式中，k＝a,b,c

△θ_a＝arctan(P/Q),△θ_b＝△θ_a+2π/3,△θ_c＝△θ_a+4π/3，P和Q分别为逆变器输出的有功和无功参考值；

步骤5：正序电流限幅，

i′_{d(1)_ref}＝I_{(1)m>cos(iq(1)_ref/id(1)_ref)}

i′_{q(1)_ref}＝I_{(1)m>sin(iq(1)_ref/id(1)_ref)}

式中，i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}为正序功率外环输出的正序参考电流的d、q分量，i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}分别为正序d-q坐标下的满足限流条件的d、q分量。

本发明的特点及有益效果是：

1.该方法能够可靠实现正序和负零序的独立限流，且能够优先满足负零序电流输出从而保证其电压平衡能力的最大发挥。

2.该方法能够根据系统的不平衡情况在线调整各序电流的限幅值，具有自适应能力。

3.该方法电流限幅值计算清晰，易于实现。

附图说明：

图1是正序双环控制系统示意图。

图2是负序和零序双环控制系统示意图。

图3是负零序限流器原理示意图。

图4是正序限流器原理示意图。

具体实施方式

鉴于背景技术中提到的现有研究的不足，本发明针对三相四桥臂逆变器，在正序采用PQ控制，负序和零序采用电压控制的分序控制策略基础上，提出了一种确定各序输出电流上限值的方法，该方法在统一的两相同步旋转坐标下计算各相负序和零序电流之和，并根据实际相电流上限值(逆变器电力电子开关器件最大承载电流)，计算各序电流的最大值，使逆变器能够在各相电流不超过最大值的情况下发挥最大的平衡电压能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

三相四桥臂并网逆变器的分序控制策略包括以下具体步骤：

步骤A：提取并网点三相电压正、负、零序分量u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)及三相输出电流的正、负、零序分量i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)，其中n＝1、2、0，分别表示正序、负序、零序；通过锁相环获取正序电压的相位θ₁。

步骤B：经派克变换，将各序电压、电流变换到d-q坐标系(同步旋转坐标系)中。

电压变换过程为：

式中，u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)分别为并网点的三相正、负序电压，u_sd(n)、u_sq(n)分别表示正、负序电压在d-q坐标下的d轴和q轴分量，n＝1,2；u_sa(0)为并网点零序电压，u′_sa(0)为零序电压u_sa(0)滞后π/2后得到的信号，u_sd(0)、u_sq(0)分别表示零序电压在d-q坐标下的d轴和q轴分量；上述变换过程中，正序变换n＝1，取θ＝θ₁；负序变换，n＝2，取θ＝-θ₁；零序变换取θ＝θ₁。

电流变换过程为：

式中，i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)分别为逆变器输出的三相正、负序电流，i_d(n)、i_q(n)分别表示正、负序电流在d-q坐标下的d轴和q轴分量，n＝1,2；i_a(0)为逆变器输出的零序电流，i′_a(0)为零序电流i_a(0)滞后π/2后得到的信号，i_d(0)、i_q(0)分别表示零序电流在d-q坐标下的d轴和q轴分量；上述变换过程中，正序变换n＝1，取θ＝θ₁；负序变换，n＝2，取θ＝-θ₁；零序变换取θ＝θ₁。

步骤C：三序双环PI(比例积分)控制设计，正序采用功率外环、电流内环控制，内外环之间加装正序电流器；负序和零序采用电压外环，电流内环控制，对外环输出的负序和零序电流参考值求和之后进行限流。

正序控制系统如图1所示，负序和零序控制系统如图2所示。

上述分序控制策略的各序限流器加于电流环之前，该环节的实现包括如下具体步骤：

步骤A：正负零序d-q坐标统一，将各相的负序和零序电流参考值从各自的d-q坐标系中变换到同一个d-q坐标系即正序d-q坐标系下，用x-y表示；

各相负序电流参考值的变换公式如下

式中，i_{d(2)_ref}、i_{q(2)_ref}分别为负序电流参考值的d、q分量，I_a(2)x、I_a(2)y，I_b(2)x、I_b(2)y，I_c(2)x、I_c(2)y分别为a、b、c相负序电流在x-y坐标系中的坐标；

零序电流参考值的变换公式为

I_(0)x＝i_{d(0)_ref},I_(0)y＝i_{q(0)_ref}

式中，i_{d(0)_ref}、i_{q(0)_ref}分别为零序电流参考值的d、q分量；I_(0)x、I_(0)y为零序电流在x-y坐标系中的坐标。

步骤B：各相负、零序参考电流求和。求和公式为

式中，k代表相a、b、c，I_k(2+0)m表示对应相和电流的幅值，为和电流与x轴的夹角。

步骤3：负零序和电流限幅并分配。如图3所示。

I′_k(2+0)m＝min{I_k(2+0)m,I_max}

式中，I′_k(2+0)m为经过限幅后的k相负零序电流之和的幅值，I_max逆变器允许输出的最大相电流幅值；

为方便描述，令系数

则满足和电流限幅的负序和零序电流的x轴和y轴分量为：

式中，

转换到各自的d-q坐标系中，并取最小值作为最终的负、零序电流参考值

式中，i′_{d(2)_ref}、i′_{q(2)_ref}、i′_{d(0)_ref}、i′_{q(0)_ref}分别为各自d-q坐标下的满足限流条件的负序和零序分量；

步骤4：由已经确定的负零序和电流幅值限制值，求解正序电流限幅值，

式中，(k＝a,b,c)

△θ_a＝arctan(P/Q),△θ_b＝△θ_a+2π/3,△θ_c＝△θ_a+4π/3，P和Q分别为逆变器输出的有功和无功参考值；

步骤5：正序电流限幅。如图4所示。

i′_{d(1)_ref}＝I_{(1)m>cos(iq(1)_ref/id(1)_ref)}

i′_{q(1)_ref}＝I_{(1)m>sin(iq(1)_ref/id(1)_ref)}

式中，i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}为正序功率外环输出的正序参考电流的d、q分量，i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}分别为正序d-q坐标下的满足限流条件的d、q分量。

为克服现有技术的不足，提出了一种具有自适应限流功能的三相四桥臂逆变器控制策略，该控制策略采用分序双环控制达到使逆变器输出电压三相对称的目的，且能够根据当前系统的不平衡情况，以优先发挥逆变器的电压平衡能力为目标，在线计算正序电流及负零序和电流的幅值限定值，使三相输出电流均满足相电流限流要求，同时保证了逆变器平衡电压能力的最大发挥。

下面通过具体实施例，来详细说明本发明的技术方案：

A.首先提取并网点三相电压正、负、零序分量u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)及三相输出电流的正、负、零序分量i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)，其中n＝1、2、0，分别表示正序、负序、零序；通过锁相环获取正序电压的相位θ₁。

B.经派克变换，将各序电压、电流变换到d-q坐标系(同步旋转坐标系)中。

具体的电压变换公式如下所示。

式中，u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)分别为并网点的三相正、负序电压，u_sd(n)、u_sq(n)分别表示正、负序电压在d-q坐标下的d轴和q轴分量，n＝1,2；u_sa(0)为并网点零序电压，u′_sa(0)为零序电压u_sa(0)滞后π/2后得到的信号，u_sd(0)、u_sq(0)分别表示零序电压在d-q坐标下的d轴和q轴分量；上述变换过程中，正序变换n＝1，取θ＝θ₁；负序变换，n＝2，取θ＝-θ₁；零序变换取θ＝θ₁。

具体的电流变换公式为：

式中，i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)分别为逆变器输出的三相正、负序电流，i_d(n)、i_q(n)分别表示正、负序电流在d-q坐标下的d轴和q轴分量，n＝1,2；i_a(0)为逆变器输出的零序电流，i′_a(0)为零序电流i_a(0)滞后π/2后得到的信号，i_d(0)、i_q(0)分别表示零序电流在d-q坐标下的d轴和q轴分量；上述变换过程中，正序变换n＝1，取θ＝θ₁；负序变换，n＝2，取θ＝-θ₁；零序变换取θ＝θ₁。

C.利用上述得到的电压和电流的各序d、q分量在各自的d-q系中独立设计双环PI控制设计。

正序采用功率外环、电流内环控制，内外环之间加装正序电流器，功率外环输出的正序电流参考值i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}通过正序限流器，得到符合限流要求的正序电流参考值i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}，具体控制系统结构如图1所示；负序和零序采用电压外环，电流内环控制，外环输出的负序和零序电流参考值输入同一个负零序限流器中，先进行求和，之后进行综合限流并重新分配各序电流参考值，具体控制系统结构如图2所示。

通过上述的控制策略，就能够实现三相四桥臂逆变器的三序独立控制，且能够通过限流环节实现自适应外界负载情况动态调整。两个限流器的具体实现方法为：

(1)正负零序d-q坐标统一。这部分包含在图3的负零序限流器的负零序电流求和环节之中。将各相的负序和零序电流参考值从各自的d-q坐标系中变换到同一个d-q坐标系(正序d-q坐标系)下，用x-y表示。

式中，i_{d(2)_ref}、i_{q(2)_ref}分别为负序电流参考值的d、q分量，I_a(2)x、I_a(2)y，I_b(2)x、I_b(2)y，I_c(2)x、I_c(2)y分别为a、b、c相负序电流在x-y坐标系中的坐标。

零序电流参考值的变换公式为

I_(0)x＝i_{d(0)_ref},I_(0)y＝i_{q(0)_ref}

式中，i_{d(0)_ref}、i_{q(0)_ref}分别为零序电流参考值的d、q分量；I_(0)x、I_(0)y为零序电流在x-y坐标系中的坐标。

(2)各相负、零序参考电流求和。在进行完坐标变换之后，对负序和零序电流进行求和，该部分也包含在图3的负零序电流求和环节中。求和公式为

式中，k代表相a、b、c，I_k(2+0)m表示对应相和电流的幅值，为和电流与x轴的夹角。

(3)负零序限流器的实现。

I′_k(2+0)m＝min{I_k(2+0)m,I_max}

式中，I′_k(2+0)m为经过限幅后的k相负零序电流之和的幅值，I_max逆变器允许输出的最大相电流幅值。该部分为图3中的幅值限制环节。

接下来对负零序电流进行重新分配为方便描述，令系数

则满足和电流限幅的负序和零序电流为

式中，

转换到各自的d-q坐标系中，并取最小值作为最终的负、零序电流参考值

式中，i′_{d(2)_ref}、i′_{q(2)_ref}、i′_{d(0)_ref}、i′_{q(0)_ref}分别为各自d-q坐标下的满足限流条件的负序和零序分量。

(4)由已经确定的负零序和电流幅值限制值，求正序电流幅值限制。该部分为求解得到图4中的正序电流幅值上限I_(1)max。

式中，(k＝a,b,c)

△θ_a＝arctan(P/Q),△θ_b＝△θ_a+2π/3,△θ_c＝△θ_a+4π/3，P和Q分别为逆变器输出的有功和无功参考值。

(5)正序限流器的实现，如图4所示。

i′_{d(1)_ref}＝I_(1)mcos(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

i′_{q(1)_ref}＝I_(1)msin(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

式中，i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}为正序功率外环输出的正序参考电流的d、q分量，i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}分别为正序d-q坐标下的满足限流条件的d、q分量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。