技术领域
[0001] 本
发明涉及
电能变换装置的直流-交流变换器技术领域，特别涉及一种适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算方法及系统。
背景技术
[0002] NPC(Neutral Point Clamped)三相三电平并网逆变器在分布式并网发电系统中起着
能量转换
接口的作用，其工作状态对进入电网的电能品质影响很大。在理想电网条件下，电网
电压中只含有基频正序，现有的电流参考指令一般直接使用正弦电流给定。
[0003] 然而实际中的电网条件绝大部分是非理想的，常见的非理想电网电压中除了基频正序分量外，还含有基频负序分量、5倍频负序分量和7倍频正序分量等，这使得有功功率和
无功功率中出现多种
频率的脉动，此时正弦电流给定无法满足抑制功率脉动的需求。为了在非理想电网条件下适应不同的功率控制应用场合，需要采用能适用于非理想电网的、具有多种控制目标的电流参考指令计算方法。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种能适用于三相非理想电网条件，对NPC三相逆变器进行良好并网控制的多目标电流参考指令计算方法及系统，以提高入网电能的品质，并能有效抑制有功功率和无功功率的低频脉动。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算方法，该方法包括以下步骤：
[0006] 步骤1、
采样三相三电平并网逆变器交流侧的三相非理想电网电压
信号ea、eb、ec，并对三相非理想电网电压进行Clark变换获得αβ
坐标系下的三相非理想电网电压信号eα、eβ；
[0007] 步骤2、获取三相非理想电网电压基频正序
相位信息；
[0008] 步骤3、利用三相非理想电网电压基频正序相位信息，对三相非理想电网电压进行不同倍频和不同方向的旋转变换，再分别利用不同频率的陷波器滤除
交流分量后获得三相非理想电网电压中的谐波分量信息；
[0009] 步骤4、根据谐波分量信息，基于瞬时无功理论分别计算入网电流正弦化、抑制有功功率脉动和抑制无功功率脉动三种控制目标下的电流参考指令。
[0010] 进一步地，步骤1所述采样三相三电平并网逆变器交流侧的三相非理想电网电压信号ea、eb、ec，具体定义如下：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 式中，e+、e-、e5-、e7+分别为三相非理想电网电压中含有的基频正序分量、基频负序分量、5倍频负序分量、7倍频正序分量；其中，下标a、b、c分别表示a相、b相、c相；
[0015] 所述对三相非理想电网电压进行Clark变换获得αβ坐标系下的三相非理想电网电压信号eα、eβ为：
[0016]
[0017] 进一步地，步骤3所述利用三相非理想电网电压基频正序相位信息，对三相非理想电网电压进行不同倍频和不同方向的旋转变换，再分别利用不同频率的陷波器滤除交流分量后获得三相非理想电网电压中的谐波分量信息，该过程具体包括：
[0018] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行基频正序旋转变换，并利用陷波器分别滤除2次和6次交流分量，获得三相非理想电网电压基频正序分量 分别在dq+坐标系的投
影
[0019] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行基频负序旋转变换，并利用陷波器分别滤除2次、4次和8次交流分量，获得电网电压基频负序分量 分别在dq-坐标系的投影
[0020] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行5倍频负序旋转变换，并利用陷波器分别滤除4次、6次和8次交流分量，获得电网电压5倍频负序分量 分别在dq5-坐标系的投影[0021] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行7倍频正序旋转变换，并利用陷波器分别滤除6次、8次和12次交流分量，获得电网电压7倍频正序分量 分别在dq7+坐标系的投影
[0022] 进一步地，步骤4所述根据谐波分量信息，基于瞬时无功理论分别计算入网电流正弦化、抑制有功功率脉动和抑制无功功率脉动三种控制目标下的电流参考指令，该过程具体包括：
[0023] (1)在三相非理想电网条件下，建立αβ坐标系下入网电流表达式为：
[0024]
[0025] 式中，i+、i-、i5-、i7+分别为入网电流中含有的基频正序分量、基频负序分量、5倍频负序分量、7倍频正序分量；
[0026] 与上述三相非理想电网电压相似地，入网电流的各次序分量在其对应次序旋转坐标系的投影分别为
[0027] (2)根据瞬时无功理论，有功功率和无功功率中分别含有由三相非理想电网电压和入网电流叉乘产生的2倍频、4倍频、6倍频、8倍频和12倍频的功率脉动，通过选择抑制不同倍频的功率脉动，可以得到不同控制目标下的电流参考值计算公式：
[0028] 针对并网控制目标一：三相入网电流正弦且平衡；
[0029] 在三相非理想电网条件下，入网电流各次谐波和正负序分量的参考值如下：
[0030]
[0031] 式中， 分别表示入网电流的各次序分量在其对应次序旋转坐标系的投影参考值； 和 分别表示有功功率和无功功率的直流参考值；
[0032] 针对并网控制目标二：抑制有功功率2倍频、4倍频、6倍频
波动；
[0033] 在三相非理想电网条件下，入网电流各次谐波和正负序分量的参考值如下：
[0034]
[0035] 针对并网控制目标三：抑制无功功率2倍频、4倍频、6倍频波动；
[0036] 在三相非理想电网条件下，入网电流各次谐波和正负序分量的参考值如下：
[0037]
[0038] 式中，A、B、C分别为：
[0039]
[0040] 一种适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算系统，该系统包括三相三电平并网逆变器和数字计算处理模
块，其中数字计算处理模块包括采样单元、
锁相单元、谐波分量提取单元和电流参考指令计算单元；
[0041] 所述采样单元，用于采集三相三电平并网逆变器交流侧的三相非理想电网电压信号，并将该信号发送至锁相单元；
[0042] 所述锁相单元，用于根据采样得到的三相非理想电网电压信号获取三相非理想电网电压基频正序相位信息，并将该信息发送至谐波分量提取单元；
[0043] 所述谐波分量提取单元，用于根据所述电网电压基频正序相位信息提取三相非理想电网电压中的谐波分量信息，并将该信息发送至电流参考指令计算单元；
[0044] 所述电流参考指令计算单元，用于根据所述谐波分量信息，基于瞬时无功理论分别计算三种功率和电流控制目标下的电流参考指令。
[0045] 本发明与
现有技术相比，其显著优点为：1)能够适用于非理想电网条件，提高入网电能品质，同时有效地抑制功率脉动；2)方法简单可靠，易于数字实现，仅需在
软件算法上做相应的
修改就能实现多种不同的并网控制目标。
[0046] 下面结合
附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0047] 图1为本发明适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算系统示意图。
[0048] 图2为NPC三相三电平并网逆变器主功率
电路示意图。
[0049] 图3为本发明谐波分量提取单元示意图。
[0050] 图4为本发明
实施例1的仿真结果图，其中(a)为参考入网电流与实际入网电流示意图，(b)为入网电流FFT分析示意图，(c)为入网瞬时有功功率示意图，(d)为入网瞬时无功功率示意图。
[0051] 图5为本发明实施例2的仿真结果图，其中(a)为参考入网电流与实际入网电流示意图，(b)为入网瞬时有功功率示意图，(c)为入网瞬时有功功率FFT分析示意图，(d)为入网瞬时无功功率示意图。
[0052] 图6为本发明实施例3的仿真结果图，其中(a)为参考入网电流与实际入网电流示意图，(b)为入网瞬时有功功率示意图，(c)为入网瞬时无功功率示意图，(d)为入网瞬时无功功率FFT分析示意图。
具体实施方式
[0053] 本发明提出的适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算方法，该方法包括以下步骤：
[0054] 步骤1、采样三相三电平并网逆变器交流侧的三相非理想电网电压信号ea、eb、ec，并对三相非理想电网电压进行Clark变换获得αβ坐标系下的三相非理想电网电压信号eα、eβ；
[0055] 步骤2、获取三相非理想电网电压基频正序相位信息；
[0056] 步骤3、利用三相非理想电网电压基频正序相位信息，对三相非理想电网电压进行不同倍频和不同方向的旋转变换，再分别利用不同频率的陷波器滤除交流分量后获得三相非理想电网电压中的谐波分量信息；
[0057] 步骤4、根据谐波分量信息，基于瞬时无功理论分别计算入网电流正弦化、抑制有功功率脉动和抑制无功功率脉动三种控制目标下的电流参考指令。
[0058] 进一步地，步骤1中采样三相三电平并网逆变器交流侧的三相非理想电网电压信号ea、eb、ec，具体定义如下：
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 式中，e+、e-、e5-、e7+分别为三相非理想电网电压中含有的基频正序分量、基频负序分量、5倍频负序分量、7倍频正序分量；其中，下标a、b、c分别表示a相、b相、c相；
[0063] 上述对三相非理想电网电压进行Clark变换获得αβ坐标系下的三相非理想电网电压信号eα、eβ为：
[0064]
[0065] 进一步优选地，步骤2中获取三相非理想电网电压基频正序相位信息，具体是利用双二阶广义积分软件
锁相环获取三相非理想电网电压基频正序相位信息。
[0066] 进一步地，步骤3利用三相非理想电网电压基频正序相位信息，对三相非理想电网电压进行不同倍频和不同方向的旋转变换，再分别利用不同频率的陷波器滤除交流分量后获得三相非理想电网电压中的谐波分量信息，结合图3，该过程具体包括：
[0067] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行基频正序旋转变换，并利用陷波器分别滤除2次和6次交流分量，获得三相非理想电网电压基频正序分量 分别在dq+坐标系的投
影
[0068] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行基频负序旋转变换，并利用陷波器分别滤除2次、4次和8次交流分量，获得电网电压基频负序分量 分别在dq-坐标系的投影
[0069] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行5倍频负序旋转变换，并利用陷波器分别滤除4次、6次和8次交流分量，获得电网电压5倍频负序分量 分别在dq5-坐标系的投影[0070] 对三相非理想电网电压信号eα、eβ进行7倍频正序旋转变换，并利用陷波器分别滤除6次、8次和12次交流分量，获得电网电压7倍频正序分量 分别在dq7+坐标系的投影
[0071] 进一步地，步骤4根据谐波分量信息，基于瞬时无功理论分别计算入网电流正弦化、抑制有功功率脉动和抑制无功功率脉动三种控制目标下的电流参考指令，该过程具体包括：
[0072] (1)在三相非理想电网条件下，建立αβ坐标系下入网电流表达式为：
[0073]
[0074] 式中，i+、i-、i5-、i7+分别为入网电流中含有的基频正序分量、基频负序分量、5倍频负序分量、7倍频正序分量；
[0075] 与上述三相非理想电网电压相似地，入网电流的各次序分量在其对应次序旋转坐标系的投影分别为
[0076] (2)根据瞬时无功理论，入网瞬时复功率 为：
[0077]
[0078] 式中，j为复数单位，p(t)为入网瞬时有功功率，q(t)为入网瞬时无功功率。
[0079] 根据上式可得到入网瞬时有功功率p(t)、入网瞬时无功功率q(t)的表达式分别为：
[0080] p(t)＝P0+Pc2cos(2ωt)+Ps2 sin(2ωt)+Pc4cos(4ωt)+Ps4 sin(4ωt)
[0081] +Pc6cos(6ωt)+Ps6 sin(6ωt)+Pc8 cos(8ωt)+Ps8 sin(8ωt)
[0082] +Pc12 cos(12ωt)+Ps12 sin(12ωt)
[0083] q(t)＝Q0+Qc2cos(2ωt)+Qs2 sin(2ωt)+Qc4 cos(4ωt)+Qs4 sin(4ωt)
[0084] +Qc6 cos(6ωt)+Qs6 sin(6ωt)+Qc8 cos(8ωt)+Qs8 sin(8ωt)
[0085] +Qc12 cos(12ωt)+Qs12 sin(12ωt)
[0086] 式中，Pc2、Ps2、Pc4、Ps4、Pc6、Ps6、Pc8、Ps8、Pc12、Ps12分别为入网瞬时有功功率中含有的倍频有功功率脉动对应的系数，P0为入网瞬时有功功率中的
直流分量；Qc2、Qs2、Qc4、Qs4、Qc6、Qs6、Qc8、Qs8、Qc12、Qs12分别为入网瞬时无功功率中含有的倍频无功功率脉动对应的系数，Q0为入网瞬时无功功率中的直流分量；
[0087] 上述有功功率脉动系数、无功功率脉动系数、电网电压谐波分量、入网电流谐波分量有如下关系：
[0088]
[0089]
[0090] 由上可以看出，有功功率和无功功率中分别含有由三相非理想电网电压和入网电流叉乘产生的2倍频、4倍频、6倍频、8倍频和12倍频的功率脉动，通过选择抑制不同倍频的功率脉动，可以得到不同控制目标下的电流参考值计算公式：
[0091] 针对并网控制目标一：三相入网电流正弦且平衡；
[0092] 在三相非理想电网条件下，需消除入网电流中的谐波和负序分量，因此设置入网电流非基频谐波和负序分量对应的参考值为0，则入网电流各次谐波和正负序分量的参考值如下：
[0093]
[0094] 式中， 分别表示入网电流的各次序分量在其对应次序旋转坐标系的投影参考值； 和 分别表示有功功率和无功功率的直流参考值；
[0095] 针对并网控制目标二：抑制有功功率2倍频、4倍频、6倍频波动；
[0096] 此控制目标为抑制有功功率中的2、4、6倍频分量，取对应2、4、6次有功功率脉动系数为0，解得到此控制目标下的入网电流各次谐波和正负序分量的参考值如下：
[0097]
[0098] 针对并网控制目标三：抑制无功功率2倍频、4倍频、6倍频波动；
[0099] 此控制目标为抑制有功功率中的2、4、6倍频分量，取对应2、4、6次无功功率脉动系数为0，解得入网电流各次谐波和正负序分量的参考值如下：
[0100]
[0101] 式中，A、B、C分别为：
[0102]
[0103] 结合图1，本发明提出的适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算系统，该系统包括三相三电平并网逆变器和数字计算处理模块，其中数字计算处理模块包括采样单元、锁相单元、谐波分量提取单元和电流参考指令计算单元；
[0104] 采样单元，用于采集三相三电平并网逆变器(NPC三相三电平并网逆变器主功率电路如图2所示)交流侧的三相非理想电网电压信号，并将该信号发送至锁相单元；
[0105] 锁相单元，用于根据采样得到的三相非理想电网电压信号获取三相非理想电网电压基频正序相位信息，并将该信息发送至谐波分量提取单元；
[0106] 所述谐波分量提取单元，如图3所示，用于根据所述电网电压基频正序相位信息提取三相非理想电网电压中的谐波分量信息，并将该信息发送至电流参考指令计算单元；
[0107] 电流参考指令计算单元，用于根据所述谐波分量信息，基于瞬时无功理论分别计算三种功率和电流控制目标下的电流参考指令。
[0108] 进一步地，上述三种功率和电流控制目标包括入网电流正弦化、抑制有功功率脉动和抑制无功功率脉动。
[0109] 示例性地，数字计算处理模块采用TMS320F2808和EPM1270T芯片。
[0110] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0111] 实施例1
[0112] 本实施例搭建了如图1所示的适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算系统仿真模型，控制方法选用有限集模型预测控制。实施例1的并网控制目标为三相入网电流正弦且平衡，具体参数如下表1所示。本例中有功功率参考值P*0＝10(kW)，无功功率参考值Q*0＝0(Var)。实施例1的仿真结果如图4所示，图4(a)～(d)分别为三相参考电流和入网电流、入网电流FFT分析、入网瞬时有功功率、入网瞬时无功功率的仿真结果，从图4中可以看出，适用于非理想电网的电流参考指令计算系统能够给出符合控制目标的电流参考，在采用的模型预测控制下入网电流能够跟随电流参考值，三相入网电流正弦且平衡，实现控制目标。
[0113] 表1仿真参数
[0114]基频正序分量幅值：320V 基频负序分量幅值：30V
5倍频负序分量幅值：20V 7倍频正序分量幅值：10V
基频 50Hz
Vdc 400(V)
C1(＝C2) 500e-6(F)
λdc 1
Ts 25e-6(s)
R 1(Ω)
L 5e-3(H)
[0115] 实施例2
[0116] 本实施例搭建了如图3所示的适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算系统仿真模型，控制方法选用有限集模型预测控制。实施例2的并网控制目标是消除无功2、4、6次波动，具体参数如表1所示。本例中有功功率参考值P*0＝10(kW)，无功功率参考值Q*0＝0(Var)。实施例2的仿真结果如图5所示，图5(a)～(d)分别为三相参考电流和入网电流、入网瞬时有功功率、入网瞬时有功功率FFT分析、入网瞬时无功功率的仿真结果，从图5中可以看出，适用于非理想电网的电流参考指令计算系统能够给出符合控制目标的电流参考，在采用的模型预测控制下并网电流能够跟随电流参考值，并能够有效地消除入网无功2、4、6次波动，实现控制目标。
[0117] 实施例3
[0118] 本实施例搭建了如图3所示的适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算系统仿真模型，控制方法选用有限集模型预测控制。实施例3的并网控制目标是消除无功2、4、6次波动，具体参数如表1所示。本例中有功功率参考值P*0＝0(W)，无功功率参考值Q*0＝10(kVar)。实施例3的仿真结果如图6所示，图6(a)～(d)分别为三相参考电流和入网电流、入网瞬时有功功率、入网瞬时无功功率、入网瞬时无功功率FFT分析的仿真结果，从图6中可以看出，适用于非理想电网的电流参考指令计算系统能够给出符合控制目标的电流参考，在采用的模型预测控制下并网电流能够跟随电流参考值，并能够有效地消除入网无功2、4、6次波动，实现控制目标。
[0119] 综上所述，本发明所提出的适用于非理想电网的多目标电流参考指令计算方法，所得到的电流参考指令能应用于非理想电网条件下NPC三相三电平逆变器的并网控制，且取得了理想的控制效果。
