本发明公开了一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法，涉及电力电子技术领域中单相并网变流器控制系统领域。通过相位滞后1/12个电网周期来计算与实际单相电压信号正交的虚拟轴电压信号；通过使用瞬时有功功率指令和瞬时无功功率指令计算与实际单相电流信号正交的虚拟轴电流信号。产生的虚拟轴电压和电流信号与实际单相电压和电流信号构成两相正交系统，使得三相并网变流器中广泛使用的矢量控制方法成功运用于单相并网变流器场合。虚拟轴电压和电流快速计算方法，使系统电压和电流响应速度大幅提高。
1.一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，将网侧单相电压us输入虚拟电压计算模块，计算得到虚拟轴电压信号uβ，并令us等于uα，uα为实际电压信号；
所述计算虚拟轴电压信号uβ的具体包括以下几个子步骤：步骤S11，令单相电网电压信号令us等于uα，uα表示a相电压信号，并令uα滞后1/12个电网周期，得到电压信号u12；
步骤S12，使用步骤S11获得的电压信号u12，利用公式(4)，计算得到电压信号uα对应的线电压信号uab：
步骤S13，利用线电压和相电压的数学关系，使用公式(5)，计算得到b相电压信号ub：ub＝uab-ua (5)；
步骤S14，利用三相电压矢量信号对称原理，使用公式(6)，计算得到c相电压信号uc：uc＝ua-ub (6)；
步骤S15，根据步骤S13和步骤S14所得到的b相电压信号ub、c相电压信号uc，根据公式(7)，计算得到虚拟轴电压信号uβ：步骤S2，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ，按公式(1)，计算电网同步旋转角sinθ、cosθ：
步骤S3，令单相并网变流器瞬时有功功率指令为P*，瞬时无功功率指令为Q*，瞬时有功* *
步骤S4,将步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ、步骤S3直接给定的瞬时有功功率指令P*，瞬时无功功率指令Q*输入到虚拟电流计算模块，得到虚拟轴电流信号iβ；
步骤S5，使用电压传感器采集直流侧电压udc，直流侧参考电压值udc 直接给定，将采集得到的直流侧电压udc和直流侧参考电压值udc*做差比较，将做差比较后的结果输入PI控制器，得到有功电流指令id*，无功电流指令值iq*直接给定；
步骤S6，使用电流传感器采集实际电流is，根据步骤S2所获得的电网同步旋转角sinθ、cosθ，按公式(2)，将实际电流is和步骤S4所获得的虚拟轴电流信号iβ变换到同步旋转坐标系下，得到有功电流分量id和无功电流分量iq：步骤S7，将步骤S6得到的有功电流分量id和无功电流分量iq分别与步骤S5得到的有功电流指令id*，无功电流指令值iq*做差比较后，将做差比较后的结果输入PI电流控制器，PI电流控制器输出得到d轴电压指令信号ud*和q轴电压指令信号uq*；
步骤S8，根据步骤S2所获得的电网同步旋转角sinθ、cosθ和步骤S7中得到的d轴电压指令信号ud*和q轴电压指令信号uq*，按公式(3)，进行旋转坐标系到静止坐标系变换，获得静止坐标系下的调制波信号uα*和uβ*：步骤S9，将步骤S8中获得的静止坐标系下的调制波信号uα*作为最终的调制信号，使用正弦脉宽调制技术进行调制，生成开关信号驱动单相PWM整流器工作，静止坐标系下的调制波信号uβ*被舍弃。
2.根据权利要求1所述的一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法，其特征在于，所述步骤S4采用虚拟电流计算模块计算虚拟轴电流信号iβ，具体步骤如下：步骤S41，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ，按照公式(8)计算，计算结果记作A：
步骤S42，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ和步骤S3获得的瞬时有功功率指令P*，瞬时无功功率指令Q*，按照公式(9)计算，计算结果记作B：B＝uαQ*-uβP* (9)；
步骤S43，根据步骤S41和步骤S42的计算结果A和B，按照公式(10)计算，计算得到虚拟轴电流信号iβ：
一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法，属于电力电子技术领域中单相并网变流器控制系统领域。
背景技术
[0002] 随着电力电子器件性能的不断提高，并网变流器已成为分布式可再生能源接入配电网的重要接口，其控制方法直接影响功率(能量)流动、转换效率和电能质量。并网变流器
实时、准确、高效的控制性能，对于开发分布式可再生能源、保证配电网的安全和推动智能
电网的建设均具有明显的现实意义。而随着分布式可再生能源渗透率不断提高，给电网特
别是配电网的规划设计和稳定运行都带来了巨大的难度及新的挑战。正因为如此，并网变
流器及其控制技术已成为世界各国的研究热点。
[0003] 对于现有的单相并网变流器控制方法，主要分为基于静止坐标系控制和基于同步旋转坐标系控制两大类。基于同步旋转坐标系的矢量控制已在三相系统中得到了广泛的应
用。该方法通过将两相或者三相交流系统电压和电流信号进行坐标变换，在同步旋转坐标
系使用PI控制器实现对有功和无功电流分量的独立控制。
[0004] 与三相并网变流器不同，单相并网变流器由于只有单一的交流量，不便于进行坐标变换。但通过引入虚拟的正交电压、电流信号，可以与实际单相系统构造两相正交系统，
因此可将三相系统中基于同步旋转坐标系的矢量控制引入单相系统。常规方案使用1/4延
时方法来构造两相正交电压和电流信号。常规方案虽然简单，但虚拟电压和电流信号都会
在1/4个电网周期后才做出反应，一旦系统电压和电流出现变化，系统都会发生不同程度振
荡，严重影响并网效果。
发明内容
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法，具体技术方案如下：
[0006] 一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤S1，将网侧单相电压us输入虚拟电压计算模块，计算得到虚拟轴电压信号uβ，并令us等于uα，uα为实际电压信号；
[0008] 步骤S2，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ，按公式(1)，计算电网同步旋转角sinθ、cosθ：
[0009]
[0010] 步骤S3，令单相并网变流器瞬时有功功率指令为P*，瞬时无功功率指令为Q*，瞬时有功功率指令P*、瞬时无功功率指令Q*的值直接给定；
[0011] 步骤S4,将步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ、步骤S3直接给定的瞬时有功功率指令P*，瞬时无功功率指令Q*输入到虚拟电流计算模块，得到虚拟轴电流信
号iβ；
[0012] 步骤S5，使用电压传感器采集直流侧电压udc，直流侧参考电压值udc*直接给定，将采集得到的直流侧电压udc和直流侧参考电压值udc*做差比较，将做差比较后的结果输入PI
控制器，得到有功电流指令id*，无功电流指令值iq*直接给定；
[0013] 步骤S6，使用电流传感器采集实际电流is，根据步骤S2所获得的电网同步旋转角sinθ、cosθ，按公式(2)，将实际电流is和步骤S4所获得的虚拟轴电流信号iβ变换到同步旋转
坐标系下，得到有功电流分量id和无功电流分量iq：
[0014]
[0015] 步骤S7，将步骤S6得到的有功电流分量id和无功电流分量iq分别与步骤S5得到的有功电流指令id*，无功电流指令值iq*做差比较后，将做差比较后的结果输入PI电流控制
器，PI电流控制器输出得到d轴电压指令信号ud*和q轴电压指令信号uq*；
[0016] 步骤S8，根据步骤S2所获得的电网同步旋转角sinθ、cosθ和步骤S7中得到的d轴电压指令信号ud*和q轴电压指令信号uq*，按公式(3)，进行旋转坐标系到静止坐标系变换，获
得静止坐标系下的调制波信号uα*和uβ*：
[0017]
[0018] 步骤S9，将步骤S8中获得的静止坐标系下的调制波信号uα*作为最终的调制信号，使用正弦脉宽调制技术进行调制，生成开关信号驱动单相PWM整流器工作，静止坐标系下的
调制波信号uβ*被舍弃。
[0019] 进一步地，所述步骤S1将网侧单相电压us输入虚拟电压计算模块，计算得到虚拟轴电压信号uβ的具体步骤如下：
[0020] 步骤S11，令单相电网电压信号令us等于uα，uα表示a相电压信号，并令uα滞后1/12个电网周期，得到电压信号u12；
[0021] 步骤S12，使用步骤S11获得的电压信号u12，利用公式(4)，计算得到电压信号uα对应的线电压信号uab：
[0022]
[0023] 步骤S13，利用线电压和相电压的数学关系，使用公式(5)，计算得到b相电压信号ub：
[0024] ub＝uab-ua (5)；
[0025] 步骤S14，利用三相电压矢量信号对称原理，使用公式(6)，计算得到c相电压信号uc：
[0026] uc＝ua-ub (6)；
[0027] 步骤S15，根据步骤S13和步骤S14所得到的b相电压信号ub、c相电压信号uc，根据公式(7)，计算得到虚拟轴电压信号uβ：
[0028]
[0029] 进一步地，所述步骤S4采用虚拟电流计算模块计算虚拟轴电流信号iβ，具体步骤如下：
[0030] 步骤S41，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ，按照公式(8)计算，计算结果记作A：
[0031]
[0032] 步骤S42，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ和步骤S3获得的瞬时有功功率指令P*，瞬时无功功率指令Q*，按照公式(9)计算，计算结果记作B：
[0033] B＝uαQ*-uβP* (9)；
[0034] 步骤S43，根据步骤S41和步骤S42的计算结果A和B，按照公式(10)计算，计算得到虚拟轴电流信号iβ：
[0035] iβ＝AB (10)。
[0036] 本发明的有益效果为：
[0037] 1、本发明实现的虚拟轴电压和电流快速计算，能将三相矢量控制方法运用于单相并网变流器场合，实现对并网电流的无静差跟踪。
[0038] 2、与传统延时1/4个电网周期构造虚拟轴正交电压和电流信号相比，本发明所实现的虚拟轴电压和电流快速计算方法，使得电压和电流响应速度大幅提高。
[0039] 3、本发明所使用的虚拟轴电压和电流快速计算方法，简单实用，具有一定的工程推广应用价值。
附图说明
[0040] 图1为单相并网变流器拓扑图。
[0041] 图2为单相并网变流器整体控制框图。
[0042] 图3为现有技术在电压波动条件下的对比实验图。
[0043] 图4为本发明在电压波动条件下的对比实验图。
[0044] 图5为现有技术在电流指令跳变条件下的对比实验图。
[0045] 图6为本发明在电流指令跳变条件下的对比实验图。
具体实施方式
[0046] 为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
[0047] 下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0048] 本发明针对单相并网变流器只有单一交流量的特点，通过相位滞后1/12个电网周期来计算与实际单相电压信号正交的虚拟轴电压信号；通过使用瞬时有功功率指令和瞬时
无功功率指令计算与实际单相电流信号正交的虚拟轴电流信号。然后将两相静止坐标系下
的交流电流电压和信号变换为同步旋转坐标系下的直流电流信号，使用PI控制器实现对直
流有功电流和无功电流分量的独立控制，系统电压和电流动态响应更加迅速。
[0049] 如图1所示为本发明的单相并网变流器拓扑图，us为电网电压，is为电网电流，L为滤波电感，R为滤波电感等效电阻，udc为直流侧电压，uc为单相并网变流器逆变侧电压，单相
并网变流器系统交流侧数学方程为：
[0050]
[0051] 由于单相系统主电路缺少自由度，构造一个镜像电路，得到虚拟正交电压信号um，虚拟正交电流信号im，然后得到两相系统下的交流侧数学方程：
[0052]
[0053] 方程(Ⅱ)中，L为滤波电感、is为电网电流、us为电网电压、usm为虚拟电路在静止坐标系下交流电压源，R为滤波电感等效电阻、uc为单相并网变流器逆变侧电压，ucm为虚拟电
路在变流器逆变侧电压。
[0054] 在使用静止到旋转坐标变换，得到单相并网变流器在d-q旋转坐标系下的数学方程为：
[0055]
[0056] 方程(Ⅲ)中，L为滤波电感、id为有功电流分量，iq为无功电流分量，ud为交流电压源有功电压分量，uq为交流电压源无功电压分量，ucd为变流器逆变侧有功电压分量，ucq为变
流器逆变侧无功电压分量，ω为电网角频率，R为滤波电感等效电阻。
[0057] 由方程(Ⅲ)可知，单相并网变流器在d-q旋转坐标系下的数学方程和三相并网变流器在d-q旋转坐标系下的数学方程一致，因此，使用三相并网变流器的直接电流控制方
法，实现对有功电流和无功电流的独立控制。
[0058] 如图2所示为本发明的控制方法控制框图，具体步骤如下：
[0059] 一种单相并网变流器虚拟轴电压和电流快速计算方法，包括以下步骤：
[0060] 步骤S1，将网侧单相电压us输入虚拟电压计算模块，计算得到虚拟轴电压信号uβ，并令us等于uα，uα为实际电压信号，具体步骤如下：
[0061] 步骤S11，令单相电网电压信号令us等于uα，uα表示a相电压信号，并令uα滞后1/12个电网周期，得到电压信号u12；
[0062] 步骤S12，使用步骤S11获得的电压信号u12，利用公式(1)，计算得到电压信号uα对应的线电压信号uab：
[0063]
[0064] 步骤S13，利用线电压和相电压的数学关系，使用公式(2)，计算得到b相电压信号ub：
[0065] ub＝uab-ua (2)；
[0066] 步骤S14，利用三相电压信号对称原理，使用公式(3)，计算得到c相电压信号uc：
[0067] uc＝ua-ub (3)；
[0068] 步骤S15，根据步骤S13和步骤S14所得到的b相电压信号ub、c相电压信号uc，根据公式(4)，计算得到虚拟轴电压信号uβ：
[0069]
[0070] 步骤S2，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ，按公式(5)，计算电网同步旋转角sinθ、cosθ：
[0071]
[0072] 步骤S3，令单相并网变流器瞬时有功功率指令为P*，瞬时无功功率指令为Q*，其中，瞬时有功功率指令P*、瞬时无功功率指令Q*的值直接给定。
[0073] 步骤S4,将步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ、步骤S3直接给定* *
的瞬时有功功率指令P ，瞬时无功功率指令Q输入到虚拟电流计算模块，得到虚拟轴电流信
号iβ，具体步骤如下：
[0074] 步骤S41，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ，按照公式(6)计算，计算结果记作A：
[0075]
[0076] 步骤S42，根据步骤S1所获得的实际电压信号uα和虚拟轴电压信号uβ和步骤S3获得的瞬时有功功率指令P*，瞬时无功功率指令Q*，按照公式(7)计算，计算结果记作B：
[0077] B＝uαQ*-uβP* (7)；
[0078] 步骤S43，根据步骤S41和步骤S42的计算结果，按照公式(8)计算，计算得到虚拟轴电流信号iβ：
[0079] iβ＝AB (8)。
[0080] 步骤S5，使用电压传感器采集直流侧电压udc，直流侧参考电压值udc*直接给定，将采集得到的直流侧电压udc和直流侧参考电压值udc*做差比较，将做差比较后的结果输入PI
控制器，得到有功电流指令id*，无功电流指令值iq*直接给定。
[0081] 步骤S6，使用电流传感器采集实际电流is，根据步骤S2所获得的电网同步旋转角sinθ、cosθ，按公式(9)，将实际电流is和步骤S4所获得的虚拟轴电流信号iβ变换到同步旋转
坐标系下，得到有功电流分量id和无功电流分量iq：
[0082]
[0083] 步骤S7，将步骤S6得到的有功电流分量id和无功电流分量iq分别与步骤S5得到的有功电流指令id*，无功电流指令值iq*做差比较后，将做差比较后的结果输入PI电流控制
器，PI电流控制器输出得到d轴电压指令信号ud*和q轴电压指令信号uq*。
[0084] 步骤S8，根据步骤S2所获得的电网同步旋转角sinθ、cosθ和步骤S7中得到的d轴电压指令信号ud*和q轴电压指令信号uq*，按公式(10)，进行旋转坐标系到静止坐标系变换，获
得静止坐标系下的调制波信号uα*和uβ*：
[0085]
[0086] 步骤S9，将步骤S8中获得的静止坐标系下的调制波信号uα*作为最终的调制信号，使用正弦脉宽调制技术进行调制，生成开关信号驱动单相PWM整流器工作，静止坐标系下的
调制波信号uβ*被舍弃。
[0087] 如图3和图4为电压us在0.04～0.12s时间内发生幅值暂降10％、相角30°的跳变，本发明方法和延时1/4个电网周期方法构造虚拟轴电压信号的对比实验图。被检测电压信
号的数学解析表达式为：
[0088]
[0089] 由实验结果可以看出，两种方法都可以计算出虚拟轴电压信号。如图3所示，采用延时1/4个电网周期方法，虚拟轴电压信号会出现一段较长的畸变电压信号，如图4所示，采
用本发明方法，出现虚拟轴畸变电压信号时间大幅缩短，虚拟轴电压信号响应速度更快。
[0090] 图5和图6为给定有功电流指令时的电流响应实验，为保证实验科学性，此时电压信号正常，为标准市电信号。为实现对电流指令的响应，直流侧连接电源为400V，在0.15s给
定无功电流指令值10A。采用延时1/4个电网周期方法，由于构造虚拟轴电流需要1/4个电网
周期，因此动态过程中实际有功电流分量id和无功电流分量iq响应过程中出现电流畸变现
象，电流信号响应时间超过5ms，无法实时跟踪指令值；而采用本发明方法，如图5所示，能够
对指令电流进行实时跟踪，且实际有功电流分量id和无功电流分量iq无畸变现象，电流信号
响应时间约为1ms，电流信号响应速度大幅提高。
[0091] 本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，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。
