基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法

摘要

本发明涉及一种基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法，该方法包括以下步骤：⑴采集三相电网电压信号、电流信号；⑵得到正序电压和负序电压；⑶得到正序和负序电压相位信号；⑷得到正序和负序锁相环输出同步信号的误差：⑸得到精确同步电网电压正负序分量相位信号的动态正序、负序同步信号：⑹得到正反转坐标系中包含直流量与两倍电网频率的电流；⑺得到正序和负序有功无功电流的反馈信号；⑻获得误差信号；⑼得到正序和负序分量；⑽获得电压参考信号，该电压参考信号通过SVPWM模块调制后得到控制变换器功率器件的开关信号；开关信号输入至并网变换器Ⅱ、并网变换器Ⅰ。本发明可实现对变换器输出电流正负序分量进行有效控制的目的。

权利要求

1.基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法，包括以下步骤：⑴采用电压霍尔传感器（3）采集三相电网电压信号 ，采用电流霍尔传感器（4）采集三相交流电流信号 ；

⑵所述三相电网电压信号 经过第一三相静止/两相静止坐标变换模块（51）得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量 ，该电压综合矢量 经过正负序分离模块（11）分别得到正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量和 ，从而得到正序电压 和负序电压 ；

；

；

正序电压 ，负序电压 ；

⑶所述正序电压 通入第一锁相环（61），得到正序电压相位信号 ；所述负序电压通入第二锁相环（62），得到负序电压相位信号 ；

⑷正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量 和经过同步误差信号计算模块计算，分别得到正序锁相环输出同步信号的误差 和负序锁相环输出同步信号的误差 ：；

；

⑸将所述正序锁相环输出同步信号的误差 和所述负序锁相环输出同步信号的误差 分别经过第一动态同步信号生成模块（121）、第二动态同步信号生成模块（122），实时补偿到所述正序电压相位信号 和所述负序电压相位信号 上，得到精确同步电网电压正负序分量相位信号的动态正序同步信号 和动态负序同步信号 ：；

⑹将所述三相交流电流信号 经过第二三相静止/两相静止坐标变换模块（52）得到包含正、负序分量的交流电流综合矢量 ，该电流综合矢量 与 所述动态正序同步信号 共同通过第一同步旋转坐标变换模块（71），转换得到正转坐标系中包含直流量与两倍电网频率 交流量之和的 、 ；该电流综合矢量 与所述动态负序同步信号 共同通过第二同步旋转坐标变换模块（72），转换得到反转坐标系中包含直流量与两倍电网频率 交流量之和的 、 ；

其中，正转动态坐标系下旋转坐标变换如下式表达：

；

其中，反转动态坐标系下的坐标变换如下式表达：

；

⑺采用两倍电网基波频率的 第一陷波器（81）来滤除信号所述 、 中频率的交流成分，得到正序有功无功电流的反馈信号 、 ；采用两倍电网基波频率的第二陷波器（82）滤除信号所述 、 中 频率的交流成分，得到负序有功无功电流的反馈信号 、 ；

⑻将所述正序有功无功电流分量反馈信号 、 和所述负序有功无功电流分量反馈信号 、 与正序有功无功电流给定 、 和负序有功无功电流给定 、 相比较，获得误差信号 、 和误差信号 、 ；

⑼将所述误差信号 、 和所述误差信号 、 经过比例积分调节器PI进行比例积分调节，调节后得到输出信号 和输出信号 ，该输出信号 和输出信号 经过定向于所述动态正序同步信号 和所述动态负序同步信号 的第一坐标变换模块（91）、第二坐标变换模块（92）同步旋转坐标变换模块，得到正序分量 和负序分量 ；

；

⑽所述正序分量 和所述负序分量 取和获得电压参考信号 ，该电压参考信号通过SVPWM模块（10）调制后得到控制变换器功率器件的开关信号 ；所述开关信号 依次输入至并网变换器Ⅱ（2）和并网变换器Ⅰ（1）。

说明书

基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及适用于电网电压不平衡条件下暂态控制的电气控制领域，尤其涉及基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法。

背景技术

[0002] 目前，典型的并网变换器系统包括：带有直流侧和交流侧的并网变换器、接于变换器交流侧的电网、接于变换器直流侧的能量单元（如光伏、风力发电等）以及变换器的控制系统。由于电网发生不对称故障时并网点电压会出现三相不平衡，控制系统中通常需要加入负序控制以保证变换器的稳定运行。现有的并网变换器控制系统如图1所示，采用双比例积分器（PI）分别对正、负序有功、无功电流进行独立控制。为此需要获得正、负序有功、无功电流的反馈信号，其处理过程如下：

[0003] (i) 利用电压霍尔传感器采集三相电网电压信号 、电流霍尔传感器采集三相电流信号 ；

[0004] (ii) 电压信号 经过第一三相静止/两相静止坐标变换模块，转换得到包含正、负序分量的综合矢量 ；电流信号 经过第二三相静止/两相静止坐标变换模块，转换得到包含正、负序分量的综合矢量 ；

[0005] (iii) 综合矢量 通过正负序分离模块得到正序电压矢量 和负序电压矢量；

[0006] (iv) 正序电压矢量 通入第一锁相环获得正序电压同步相位信号 ， 通入第二锁相环获得负序电压同步相位信号 ；

[0007] (v) 综合矢量 与正序电压同步相位信号 送入第一同步旋转坐标变换模块，从静止两相坐标系变换到正转坐标系下得到 、 包含直流量与两倍频交流量；

[0008] (vi)  、 分别送入两倍电网频率 的第一陷波器以滤除 频率的交流成分，得到正序有功、无功电流的反馈信号 、 ；

[0009] (vii)  、分别与正序有功、无功电流的指令信号 、 比较，获得误差信号 、送入比例积分（PI）调节器对误差信号作调节，得到正转坐标系下的正序电压参考值 ；

[0010] (viii)  通过第一坐标变换模块变换得到静止两相坐标系中正序电压参考值；

[0011] (ix)  与负序电压同步相位信号 送入第二同步旋转坐标变换模块，从静止两相坐标系变换到反转坐标系下得到 、（包含直流量与两倍频交流量）；

[0012] (x) 、 送入两倍电网频率 的第二陷波器以滤除 频率的交流成分，得到负序有功、无功电流的反馈信号 、 ；

[0013] (xi)  、 分别与负序有功、无功电流的指令信号 、 比较，获得误差信号 、送入比例积分（PI）调节器对误差信号作调节，得到反转坐标系下的负序电压参考值 ；

[0014] (xii) 通过第二坐标变换模块变换得到静止两相坐标系中负序电压参考值 ；

[0015] (xiii) 与 相加得到空间矢量脉宽调制（SVPWM）模块的参考信号 。

[0016] 经过SVPWM模块调制获得并网变换器中功率器件的开关信号，实现电网电压不对称故障条件下并网变换器正、负序电流分别在正、反转坐标系中的独立闭环控制，达到所要求的控制目标。

[0017] 从（v-vi）和（ix-x）中可知，要实现正负序电流的有效控制，首先应获得准确的正、负序有功、无功电流反馈信号，这需要锁相环快速精确地提供正负序电网电压同步信号。锁相环是典型的闭环系统，在电网稳态时能良好工作，向控制系统提供准确的同步信号。然而，在电网发生不对称故障的暂态过程中，并网点会突然出现负序电压，同时正序分量的相位也会发生不同程度的跳变。这种情况下，锁相环将无法快速准确地向并网变换器控制系统提供电网电压正负序同步信号，致使暂态过程中正、负序有功、无功电流反馈值的计算不准确，使电流控制失效，危及并网变换器系统的安全运行。

发明内容

[0018] 本发明所要解决的技术问题是提供一种实现对变换器输出电流正负序分量进行有效控制的基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法。

[0019] 为解决上述问题，本发明所述的基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法，包括以下步骤：

[0020] ⑴采用电压霍尔传感器采集三相电网电压信号 ，采用电流霍尔传感器采集三相交流电流信号 ；

[0021] ⑵所述三相电网电压信号 经过第一三相静止/两相静止坐标变换模块得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量 ，该电压综合矢量 经过正负序分离模块分别得到正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量 和 ，从而得到正序电压 和负序电压 ；

[0022] ；

[0023] ；

[0024] 正序电压 ，负序电压 ；

[0025] ⑶所述正序电压 通入第一锁相环，得到正序电压相位信号 ；所述负序电压通入第二锁相环，得到负序电压相位信号 ；

[0026] ⑷正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量和 经过同步误差信号计算模块计算，分别得到正序锁相环输出同步信号的误差 和负序锁相环输出同步信号的误差 ：

[0027] ；

[0028] ；

[0029] ⑸将所述正序锁相环输出同步信号的误差 和所述负序锁相环输出同步信号的误差 分别经过第一动态同步信号生成模块、第二动态同步信号生成模块，实时补偿到所述正序电压相位信号 和所述负序电压相位信号 上，得到精确同步电网电压正负序分量相位信号的动态正序同步信号 和动态负序同步信号 ：

[0030] ；

[0031] ⑹将所述三相交流电流信号 经过第二三相静止/两相静止坐标变换模块得到包含正、负序分量的交流电流综合矢量 ，该电流综合矢量 与所述动态正序同步信号共同通过第一同步旋转坐标变换模块，转换得到正转坐标系中包含直流量与两倍电网频率交流量之和的 、 ；该电流综合矢量 与所述动态负序同步信号 共同通过第二同步旋转坐标变换模块，转换得到反转坐标系中包含直流量与两倍电网频率 交流量之和的 、 ；

[0032] 其中，正转动态坐标系下旋转坐标变换如下式表达：

[0033] ；

[0034] 其中，反转动态坐标系下的坐标变换如下式表达：

[0035] ；

[0036] ⑺采用两倍电网基波频率的 第一陷波器来滤除信号所述 、 中 频率的交流成分，得到正序有功无功电流的反馈信号 、 ；采用两倍电网基波频率的 第二陷波器滤除信号所述 、 中 频率的交流成分，得到负序有功无功电流的反馈信号 、；

[0037] ⑻将所述正序有功无功电流分量反馈信号 、 和所述负序有功无功电流分量反馈信号 、 与正序有功无功电流给定 、 和负序有功无功电流给定 、 相比较，获得误差信号 、 和误差信号 、 ；

[0038] ⑼将所述误差信号 、 和所述误差信号 、 经过比例积分调节器PI进行比例积分调节，调节后得到输出信号 和输出信号 ，该输出信号 和输出信号 经过定向于所述动态正序同步信号 和所述动态负序同步信号 的第一坐标变换模块、第二坐标变换模块同步旋转坐标变换模块，得到正序分量 和负序分量 ；

[0039] ；

[0040] ⑽所述正序分量 和所述负序分量 取和获得电压参考信号 ，该电压参考信号 通过SVPWM模块调制后得到控制变换器功率器件的开关信号 ；所述开关信号输入至并网变换器Ⅱ、并网变换器Ⅰ。

[0041] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0042] 1、本发明在现有的并网变换器控制系统中增加动态同步信号生成环节，利用锁相环的输出信号和并网点电压信号，即可在电网故障的暂态和稳态状态下，实时得到能够严格同步于并网点电压正负序分量的同步信号，从而达到在电网发生不平衡故障的暂态过程中，快速准确地定向于电网电压的正负序分量同步信号，达到对正、负序有功、无功电流进行有效控制的目的。

[0043] 2、与传统锁相环作对比，本发明锁相环的工作方式为（参见图3）：

[0044] 将两相静止坐标系下的电压信号 、 经静止两相／旋转两相坐标变换模块变换到同步于锁相环输出相位 的旋转坐标系中，得到旋转 坐标系下的电压信号 、 ，可如下式表示：

[0045] ，

[0046] 其中， 为输入电压综合矢量 的相角。

[0047] 经过比例积分PI调节后再通入积分模块，得到锁相环的输出相位 。当锁相环相位 跟踪上输入相位 时，输入电压的综合矢量 在 轴上的投影 为0，锁相环进入稳态将不再进行调节。

[0048] 锁相环在三相电压对称情况下可以较快的无稳态误差的跟踪电网电压基波相位。但当电网发生对称故障的暂态瞬间，电网电压的相位会发生不同程度的跳变，极端情况下跳变超过90°，甚至会接近180°；若电网电压发生不对称故障时，不仅正序电压的相位会发生跳变，还会突然出现负序电压。考虑到锁相环需要具备一定的滤波特性，比例积分（PI）调节器不能设置过大，锁相环的动态响应速度受到限制，对于电网故障发生的暂态过程中并网点突变的正序电压相位和突然出现的负序电压的相位，锁相环需要一定的响应时间，且响应时间与相位突变的幅度具有正相关性。

[0049] 3、本发明中锁相环输出的正负序相位和电网正负序电压的实际相位之间的误差信号 、 ，可以分别用 、 在 、 坐标系中的投影 、 和 、 来表示（参见图4）。其中，正、反转同步旋转 、 坐标系分别以锁相环输出的正负序同步信号 、为旋转基准， 为电网电压合成矢量， 、 分别为电网电压正负序分量的合成矢量。

[0050] 4、本发明动态同步信号生成模块包括同步旋转坐标变换模块，同步误差信号计算模块及同步信号动态补偿模块（参见图5），该动态同步信号实时补偿锁相环跟踪相位误差，因而可避免单纯锁相环动态响应的缺点，在电网故障发生的瞬间随着电网电压相位的跳变而迅速跟踪最新电网电压相位，因此称为动态同步信号。以动态同步信号为旋转基准的坐标系称为动态坐标系。在动态旋转坐标系下可快速准确地估算正负序电流的反馈值，为实现有功、无功电流的快速准确控制提供基础，从而确保并网变换器在电网不对称故障下实施暂态控制的良好效果。

附图说明

[0051] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0052] 图1为现有的并网变换器具备电压不平衡条件下运行能力的控制方法原理框图。

[0053] 图2为本发明原理框图。

[0054] 图3为本发明中锁相环的原理框图。

[0055] 图4为本发明中静止 坐标系和正、反转同步旋转 、 坐标系间的矢量关系图。

[0056] 图5为本发明中动态同步信号生成模块的原理图。

[0057] 图中：1—并网变换器Ⅰ 2—并网变换器Ⅱ 3—电压霍尔传感器 4—电流霍尔传感器 51—第一三相静止/两相静止坐标变换模块 52—第二三相静止/两相静止坐标变换模块 61—第一锁相环 62—第二锁相环 71—第一同步旋转坐标变换模块 72—第二同步旋转坐标变换模块 81—第一陷波器 82—第二陷波器 91—第一坐标变换模块 92—第二坐标变换模块 10—SVPWM模块 11—正负序分离模块 121—第一动态同步信号生成模块 122—第二动态同步信号生成模块。

具体实施方式

[0058] 如图2所示，基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法，包括以下步骤：

[0059] ⑴采用电压霍尔传感器3采集三相电网电压信号 ，采用电流霍尔传感器4采集三相交流电流信号 。

[0060] ⑵三相电网电压信号 经过第一三相静止/两相静止坐标变换模块51得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量 ，该电压综合矢量 经过正负序分离模块11分别得到正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量 和 ，从而得到正序电压 和负序电压 。

[0061] ；

[0062] ；

[0063] 正序电压 ，负序电压 。

[0064] ⑶正序电压 通入第一锁相环61，得到正序电压相位信号 ；负序电压 通入第二锁相环62，得到负序电压相位信号 。

[0065] ⑷正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量和 经过同步误差信号计算模块计算，分别得到正序锁相环输出同步信号的误差 和负序锁相环输出同步信号的误差 ：

[0066] ；

[0067] 。

[0068] ⑸将正序锁相环输出同步信号的误差 和负序锁相环输出同步信号的误差分别经过第一动态同步信号生成模块121、第二动态同步信号生成模块122，实时补偿到正序电压相位信号 和负序电压相位信号 上，得到精确同步电网电压正负序分量相位信号的动态正序同步信号 和动态负序同步信号 ：

[0069] 。

[0070] ⑹将三相交流电流信号 经过第二三相静止/两相静止坐标变换模块52得到包含正、负序分量的交流电流综合矢量 ，该电流综合矢量 与动态正序同步信号 共同通过第一同步旋转坐标变换模块71，转换得到正转坐标系中包含直流量与两倍电网频率交流量之和的 、 ；该电流综合矢量 与动态负序同步信号 共同通过第二同步旋转坐标变换模块72，转换得到反转坐标系中包含直流量与两倍电网频率 交流量之和的 、 。

[0071] 其中，正转动态坐标系下旋转坐标变换如下式表达：

[0072]   ；

[0073] 其中，反转动态坐标系下的坐标变换如下式表达：

[0074] 。

[0075] ⑺采用两倍电网基波频率的 第一陷波器81来滤除信号 、 中 频率的交流成分，得到正序有功无功电流的反馈信号 、 ；采用两倍电网基波频率的 第二陷波器82滤除信号 、 中 频率的交流成分，得到负序有功无功电流的反馈信号 、 。

[0076] ⑻将正序有功无功电流分量反馈信号 、 和负序有功无功电流分量反馈信号、 与正序有功无功电流给定 、 和负序有功无功电流给定 、 相比较，获得误差信号 、 和误差信号 、 。

[0077] ⑼将误差信号 、 和误差信号 、 经过比例积分调节器PI进行比例积分调节，调节后得到输出信号 和输出信号 ，该输出信号 和输出信号 经过定向于动态正序同步信号 和所述动态负序同步信号 的第一坐标变换模块91、第二坐标变换模块92同步旋转坐标变换模块，得到正序分量 和负序分量 。

[0078] 。

[0079] ⑽正序分量 和负序分量 取和获得电压参考信号 ，该电压参考信号 通过SVPWM模块10调制后得到控制变换器功率器件的开关信号 ；开关信号 输入至并网变换器Ⅱ2、并网变换器Ⅰ1。

[0080] 其中：并网变换器Ⅱ2、并网变换器Ⅰ1是指两电平或三电平电压型PWM逆变器。

[0081] 实施例 以一台2MW三相电压型并网变换器为例，具体说明基于动态同步信号定向的并网变换器暂态控制方法，包括以下步骤：

[0082] ⑴采用三个电压霍尔传感器3采集三相电网电压信号 ，采用三个电流霍尔传感器4采集三相交流电流信号 。

[0083] ⑵三相电网电压信号 经过第一三相静止/两相静止坐标变换模块51得到包含正、负序分量的电网电压综合矢量 ，该电压综合矢量 经过正负序分离模块11分别得到正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量 和 ，从而得到正序电压 和负序电压 。

[0084] 三相静止/两相静止坐标变换基于恒相幅值方式，如下式表达：

[0085] ；

[0086] 正序电压 ，负序电压 。

[0087] ⑶正序电压 通入第一锁相环61，得到正序电压相位信号 ；负序电压 通入第二锁相环62，得到负序电压相位信号 。

[0088] ⑷正序同步旋转坐标系下的分量 和 以及负序同步旋转坐标系下的分量和 经过同步误差信号计算模块计算，分别得到正序锁相环输出同步信号的误差 和负序锁相环输出同步信号的误差 ：

[0089] ；

[0090] 。

[0091] ⑸将正序锁相环输出同步信号的误差 和负序锁相环输出同步信号的误差分别经过第一动态同步信号生成模块121、第二动态同步信号生成模块122，实时补偿到正序电压相位信号 和负序电压相位信号 上，得到精确同步电网电压正负序分量相位信号的动态正序同步信号 和动态负序同步信号 ：

[0092] 。

[0093] ⑹将三相交流电流信号 经过第二三相静止/两相静止坐标变换模块52得到包含正、负序分量的交流电流综合矢量 。

[0094] 其中，两相/三相静止坐标变换基于恒相幅值原理，其如下式表达

[0095] 。

[0096] 该电流综合矢量 与动态正序同步信号 共同通过第一同步旋转坐标变换模块71，转换得到正转坐标系中包含直流量与两倍电网频率 交流量之和的 、 ；该电流综合矢量 与动态负序同步信号 共同通过第二同步旋转坐标变换模块72，转换得到反转坐标系中包含直流量与两倍电网频率 交流量之和的 、 。

[0097] 其中，正转动态坐标系下旋转坐标变换如下式表达：

[0098]   ；

[0099] 其中，反转动态坐标系下的坐标变换如下式表达：

[0100] 。

[0101] ⑺采用两倍电网基波频率的 第一陷波器81来滤除信号 、 中 频率的交流成分，得到正序有功无功电流的反馈信号 、 ；采用两倍电网基波频率的 第二陷波器82滤除信号 、 中 频率的交流成分，得到负序有功无功电流的反馈信号 、 。

[0102] ⑻将正序有功无功电流分量反馈信号 、 和负序有功无功电流分量反馈信号 、与正序有功无功电流给定 、 和负序有功无功电流给定 、 相比较，获得误差信号 、 和误差信号 、 。

[0103] ⑼将误差信号 、 和误差信号 、 经过比例积分调节器PI进行比例积分调节，调节后得到输出信号 和输出信号 ，该输出信号 和输出信号 经过定向于动态正序同步信号 和所述动态负序同步信号 的第一坐标变换模块91、第二坐标变换模块92同步旋转坐标变换模块，得到正序分量 和负序分量 。

[0104] 。

[0105] ⑽正序分量 和负序分量 取和获得电压参考信号 ，该电压参考信号 通过SVPWM模块10调制后得到控制变换器功率器件的开关信号 ；开关信号 输入至并网变换器Ⅱ2、并网变换器Ⅰ1。

[0106] 应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。