一種帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，結(jié)合狀態(tài)觀測器，克服了傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器未考慮狀態(tài)觀測器特征矩陣參數(shù)變化及狀態(tài)觀測器輸入偏差對(duì)觀測效果的影響的不足，采用一種基于內(nèi)膜的狀態(tài)觀測器得到準(zhǔn)確的觀測狀態(tài)量，通過狀態(tài)反饋改造被控對(duì)象，進(jìn)而進(jìn)行并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流控制；同時(shí)，本發(fā)明采用直接功率控制方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；本發(fā)明在不增加額外成本的前提下，減小了母線電容電壓波動(dòng)的幅度，提高了電路的穩(wěn)定性。
【專利說明】一種帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電網(wǎng)變換器控制技術(shù)，具體涉及一種帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功 率控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、海浪發(fā)電等可再生資源的不斷應(yīng)用，分布式發(fā)電系統(tǒng)成 為近年來研究的重點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部 分，其控制性能直接影響并網(wǎng)電能質(zhì)量和并網(wǎng)效率。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)正弦逆變，直流母線電壓需在一個(gè)合理的水平上保持相對(duì)穩(wěn)定。直流母 線電壓太高對(duì)器件（母線電容，逆變開關(guān)管等）的耐壓性能要求就高，成本大大增加；直流 母線電壓太低，可能導(dǎo)致SPWM調(diào)制比大于1，不能實(shí)現(xiàn)正弦逆變。對(duì)于并網(wǎng)型光伏逆變器， 直流母線電壓的穩(wěn)定有賴于直流源輸入電能和逆變輸出電能的平衡，要做到實(shí)際直流源輸 入電能大于逆變輸出電能，則母線電壓升高，反之，則母線電壓降低。但是，要做到實(shí)際直流 源輸入功率和交流輸出功率的完全平衡非常困難，這是因?yàn)椋?、直流源輸入電流為周期性 脈動(dòng)直流電流，處理器采樣時(shí)刻不同，得到的電流也不同，依據(jù)該采樣電流計(jì)算得到的直流 源輸入功率也不同；2、逆變器工作時(shí)，由于有多個(gè)功率電子器件，例如絕緣柵雙極型晶體管 或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，工作在數(shù)千赫茲頻率以上，測量電路容易受到開關(guān)噪 聲的干擾，直流源輸入電壓或電流信號(hào)的測量結(jié)果容易產(chǎn)生誤差；3、電路中功率開關(guān)器件 會(huì)產(chǎn)生損耗，而且這種損耗并非定值，難以確定。所以，并網(wǎng)型光伏逆變器直流源輸入電能 和逆變輸出電能實(shí)際上很難保證嚴(yán)格平衡，這種情況下，直流母線電壓就會(huì)有波動(dòng)。在現(xiàn)有 逆變器控制策略中，有學(xué)者提出利用逆變器橋臂電流間接控制其入網(wǎng)電流的方法，該方法 改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但不能保證入網(wǎng)電流波形品質(zhì)。隨后，很多學(xué)者開始研究采用直接入 網(wǎng)電流控制的雙閉環(huán)控制方法，外環(huán)采用入網(wǎng)電流閉環(huán)，內(nèi)環(huán)分別采用電容電流反饋、電容 電壓反饋、橋臂電流閉環(huán)等阻尼方案。上述雙閉環(huán)控制方案，通過內(nèi)環(huán)抑制系統(tǒng)振蕩，提高 系統(tǒng)穩(wěn)定性；然而，各方案中內(nèi)外環(huán)設(shè)計(jì)存在耦合，影響系統(tǒng)控制性能；且這些方案需要增 加額外的傳感器，增加了系統(tǒng)硬件成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng) 逆變器直接功率控制方法，在不增加額外成本的前提下，減小母線電容電壓波動(dòng)的幅度，提 1?電路的穩(wěn)定性。
[0005] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，涉及的并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu)包 括依次相連的直流電源、升壓電路、逆變橋、濾波器和電網(wǎng)，在升壓電路和逆變橋之間連接 有母線電容，母線電容跨接在升壓的電路的兩個(gè)輸出端之間；其特征在于：該方法包括如 下步驟：
[0007] (1)利用電流傳感器檢測網(wǎng)側(cè)電流L，利用電壓傳感器檢測電網(wǎng)電動(dòng)勢ea，b，。，通 過鎖相環(huán)PLL計(jì)算得到相角Θ ;
[0008] (2)基于網(wǎng)側(cè)電流L和電網(wǎng)電動(dòng)勢eaA。，通過基于內(nèi)膜的狀態(tài)觀測器得到觀察狀 態(tài)量，包括：觀測橋臂電流匕、觀測直流母線電壓和觀測橋臂電壓·，
[0009] (3)根據(jù)觀測橋臂電壓和觀測橋臂電流&計(jì)算瞬時(shí)有功功率ρ和瞬時(shí)無功功 率q ;
[0010] (4)基于觀測直流母線電壓和直流母線電壓給定R ,通過母線電壓補(bǔ)償?shù)玫?有功功率給定P# ;
[0011] (5)對(duì)瞬時(shí)有功功率P和有功功率給定pM乍差得到有功功率誤差信號(hào)ep = P#-P， 對(duì)瞬時(shí)無功功率q和無功功率給定qM乍差得到無功功率誤差信號(hào)e, = cf-q ;
[0012] (6)通過PI調(diào)節(jié)器對(duì)有功功率誤差信號(hào)ep和無功功率誤差信號(hào)e,進(jìn)行閉環(huán)處理， 再經(jīng)過dq/α β變換并結(jié)合相角Θ得到電壓控制信號(hào)
[0013] (7)通過電壓控制信號(hào)％和％得到逆變橋的SVPWM的控制信號(hào)仏。
[0014] 具體的，所述步驟（2)中的基于內(nèi)膜的狀態(tài)觀測器的工作過程包括如下步驟：
[0015] (21)選擇直流母線電壓Ud。、電網(wǎng)電動(dòng)勢ea， b，。和網(wǎng)側(cè)電流込作為狀態(tài)量，將電網(wǎng) 電動(dòng)勢eaA。和網(wǎng)側(cè)電流込作為輸入量，利用式（1)得到并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方 程： |.v(^ + ])- .4^)+ B^uik)
[0016] ^ Q1) I y(k) = Cinx(k)+ Dtlu(k)
[0017] 其中：Ad為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)特征矩陣，Bd為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸入矩陣，C dl為并網(wǎng) 逆變器系統(tǒng)輸出矩陣，Dd為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)直接傳送矩陣；
[0018] x(k)表示狀態(tài)量，包括直流母線電壓Ud。、電網(wǎng)電動(dòng)勢ea;b;。和網(wǎng)側(cè)電流込；
[0019] x(k+l)為經(jīng)過一拍延時(shí)的狀態(tài)量；
[0020] u(k)為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸入量，包括電網(wǎng)電動(dòng)勢eaA。和網(wǎng)側(cè)電流L ;
[0021] y (k)為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出量，包括觀測橋臂電流L、觀測直流母線電壓t和 觀測橋臂電壓
[0022] (22)根據(jù)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程，分別考慮并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)特征矩陣 變化量Λ?和并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸入量偏差Λ u(k)，通過對(duì)偶原理，通過式（2)得到基于內(nèi) 膜的狀態(tài)觀測器狀態(tài)空間方程： \x(k +1) = Α,Λ-ik) + Bdu \k) + G(\ + 1 {z))[y(k) - y(k)]
[0023] < Λ (2)
[ y(k) = Cinx{k) + D^k)
[0024] 其中：l為狀態(tài)觀測器特征矩陣，毛為狀態(tài)觀測器輸入矩陣，(^為狀態(tài)觀測器 輸出矩陣，0 (/為狀態(tài)觀測器直接傳送矩陣；
[0025] 對(duì)幻表示觀測狀態(tài)量，包括觀測橋臂電流4,、觀測直流母線電壓^和觀測橋臂 電壓Ah;
[0026] + 1)為經(jīng)過一拍延時(shí)的觀測狀態(tài)量；
[0027] u'（k)為狀態(tài)觀測器輸入量，包括電網(wǎng)電動(dòng)勢eaA。和網(wǎng)側(cè)電流L ;
[0028] G為狀態(tài)觀測器的反饋矩陣；
[0029] 為狀態(tài)觀測器輸出量，包括觀測橋臂電流t、觀測直流母線電壓和觀測 橋臂電壓
[0030] .V⑷-j>⑷為狀態(tài)觀測器輸出誤差；
[0031] 先'⑵為內(nèi)模項(xiàng)。
[0032] 具體的，當(dāng)狀態(tài)觀測器特征矩陣I參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，通過式（1)和式（2)得到觀 測誤差Λ Xi為：

【權(quán)利要求】
1. 一種帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，涉及的并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu)包括 依次相連的直流電源、升壓電路、逆變橋、濾波器和電網(wǎng)，在升壓電路和逆變橋之間連接有 母線電容，母線電容跨接在升壓的電路的兩個(gè)輸出端之間；其特征在于：該方法包括如下 步驟： (1) 利用電流傳感器檢測網(wǎng)側(cè)電流L，利用電壓傳感器檢測電網(wǎng)電動(dòng)勢eaA。，通過鎖 相環(huán)PLL計(jì)算得到相角Θ ; (2) 基于網(wǎng)側(cè)電流込和電網(wǎng)電動(dòng)勢ea，b，。，通過基于內(nèi)膜的狀態(tài)觀測器得到觀察狀態(tài) 量，包括：觀測橋臂電流L、觀測直流母線電壓和觀測橋臂電壓; (3) 根據(jù)觀測橋臂電壓和觀測橋臂電流U十算瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率 q ； (4) 基于觀測直流母線電壓和直流母線電壓給定σ?，通過母線電壓補(bǔ)償?shù)玫接泄?功率給定P# ; (5) 對(duì)瞬時(shí)有功功率ρ和有功功率給定ρΜ乍差得到有功功率誤差信號(hào)ep = ρ#-ρ，對(duì)瞬 時(shí)無功功率q和無功功率給定qM乍差得到無功功率誤差信號(hào)e, = cf-q ; (6) 通過PI調(diào)節(jié)器對(duì)有功功率誤差信號(hào)ep和無功功率誤差信號(hào)e,進(jìn)行閉環(huán)處理，再 經(jīng)過dq/α β變換并結(jié)合相角Θ得到電壓控制信號(hào)和 (7) 通過電壓控制信號(hào)CC和％得到逆變橋的SVPWM的控制信號(hào)仏。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，其特征在于： 所述步驟（2)中的基于內(nèi)膜的狀態(tài)觀測器的工作過程包括如下步驟： (21) 選擇直流母線電壓Ud。、電網(wǎng)電動(dòng)勢ea，b，。和網(wǎng)側(cè)電流込作為狀態(tài)量，將電網(wǎng)電動(dòng) 勢e aA。和網(wǎng)側(cè)電流L作為輸入量，利用式（1)得到并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程： \x{k + \) = Ailx{k)+B,u{k) ]v(Ai ^ C(/l-v(^) + Dji(k) 其中：Ad為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)特征矩陣，Bd為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸入矩陣，Cdl為并網(wǎng)逆變 器系統(tǒng)輸出矩陣，Dd為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)直接傳送矩陣； x(k)表示狀態(tài)量，包括直流母線電壓Ud。、電網(wǎng)電動(dòng)勢eaA。和網(wǎng)側(cè)電流L ; x(k+l)為經(jīng)過一拍延時(shí)的狀態(tài)量； u(k)為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸入量，包括電網(wǎng)電動(dòng)勢ea，b，。和網(wǎng)側(cè)電流L ; y (k)為并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出量，包括觀測橋臂電流L、觀測直流母線電壓t和觀測 橋臂電壓; (22) 根據(jù)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程，分別考慮并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)特征矩陣變化 量厶?和并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸入量偏差A(yù)u(k)，通過對(duì)偶原理，通過式（2)得到基于內(nèi)膜的 狀態(tài)觀測器狀態(tài)空間方程： |.v(^ +1) - A^xik) + Bdu'(/,:) + G(\ + φι,1 (?)[ y(^) - y(/c)] (2) I y{k) - cinx{k) + D^uik) 其中：I為狀態(tài)觀測器特征矩陣，4為狀態(tài)觀測器輸入矩陣，t為狀態(tài)觀測器輸出 矩陣，為狀態(tài)觀測器直接傳送矩陣； i(幻表示觀測狀態(tài)量，包括觀測橋臂電流L、觀測直流母線電壓和觀測橋臂電壓 為經(jīng)過一拍延時(shí)的觀測狀態(tài)量； u'（k)為狀態(tài)觀測器輸入量，包括電網(wǎng)電動(dòng)勢e^。和網(wǎng)側(cè)電流 G為狀態(tài)觀測器的反饋矩陣； v㈨為狀態(tài)觀測器輸出量，包括觀測橋臂電流L、觀測直流母線電壓丨和觀測橋臂 電壓; 少·(幻幻為狀態(tài)觀測器輸出誤差； 九如)為內(nèi)模項(xiàng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，其特征在于： 當(dāng)狀態(tài)觀測器特征矩陣^參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，通過式（1)和式（2)得到觀測誤差Λ Xl為：
(3) 其中為考慮狀態(tài)觀測器特征矩陣4參數(shù)變化時(shí)設(shè)置的內(nèi)模項(xiàng)；式（3)中的（a) 部分通過期望極點(diǎn)配置法達(dá)到0值，式（3)通過（b)部分先'z)的設(shè)置，使得（b)部分和（c) 部分二者的和達(dá)到〇值，最終使得誤差Λ Xl達(dá)到〇值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，其特征在于： 所述式（3)中的九/(z)，根據(jù)狀態(tài)觀測器輸出誤差(幻設(shè)置為一階積分環(huán)節(jié)或者比 例諧振環(huán)節(jié)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，其特征在于： 當(dāng)狀態(tài)觀測器輸入量u'（k)存在偏差時(shí),通過式（1)和式（2)得到觀測誤差Λ七為：
(4) 其中：先〖(ζ)為狀態(tài)觀測器輸入量u'（k)存在偏差時(shí)設(shè)置的內(nèi)模項(xiàng)；式（4)中的（d)部 分通過期望極點(diǎn)配置法達(dá)到0值，式（4)通過（e)部分《jz)的設(shè)置，使得（e)部分和（f) 部分二者的和達(dá)到〇值，最終使得誤差Λ x2達(dá)到〇值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，其特征在于： 所述式（4)中的^^(z)，根據(jù)狀態(tài)觀測器輸出誤差"v(幻-(幻，設(shè)置為一階積分環(huán)節(jié)或者比 例諧振環(huán)節(jié)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，其特征在于： 所述步驟（3)中瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q的計(jì)算方法如下： p = Pa+Pb+Pc = UaiLlacos Θ a+UbiLlbcos Θ b+UciLlccos Θ c P = Qa+Qb+Qc = UaiLlasin Θ a+UbiLlbsin Θ b+UciLlcsin Θ c 其中：Ua、Ub、U。為各相相電壓的有效值；iua、iub、i u。為各相相電流的有效值；Θ a、Θ b、 Θ。為各相相電壓比相電流超前的相位角，即各相負(fù)載的阻抗角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶電壓補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器直接功率控制方法，其特征在于： 所述步驟（4)中有功功率給定?/通過下述方法獲得：將和|〇7〕廣相比較后與逆變 周期開始時(shí)刻的直流源輸入功率相加得到；其中：Ud。為母線電容電壓，C為母線電容。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK104158222SQ201410438301
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】余海濤, 張笑薇 申請(qǐng)人:東南大學(xué)