[发明专利]一种单相逆变器控制系统

摘要

本发明公开了一种单相逆变器控制系统，将将同步发电机的数学模型引入单相逆变器控制系统，单相逆变器输出电压电流经移相技术分别均移相1200和240°构造出另外两相虚拟电压和虚拟电流。合成的三相虚拟电压和三相虚拟电流经过dq变换，得到转子旋转坐标系下的电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq。然后经过同步发电机的数学模型计算出单相逆变器交流端参考电压Vtd和Vtq，此参考电压与实测的输出电压即dq变换单元输出的电压dq分量Vd、Vq进行比较，然后通过PI控制器得到最终控制信号。控制信号经过dq反变换之后得到虚拟三相PWM波调制信号，取其中的a相调制信号，由此产生PWM波经过驱动电路来控制单相逆变器桥路开关管的导通和关断，使得单相逆变器具有同步发电机的特性。

主权项

一种单相逆变器控制系统，其特征在于，包括：一移相单元，通过移相技术将单相逆变器实际输出的电压u、电流i分别均移相120°和240°构造出另外两相虚拟电压ub、uc和虚拟电流ib、ic，最终合成对称的虚拟三相电压ua、ub、uc和对称的虚拟三相电流ia、ib、ic；其中，电压ua、电流ia为没有移相的电压电流，即单相逆变器实际输出的电压u、电流i；一dq变换单元，用于对合成的虚拟三相电压ua、ub、uc和虚拟三相电流ia、ib、ic分别进行dq变换，变换所需的电角度θ由同步发电机机电暂态单元提供，这样，虚拟三相电压ua、ub、uc和虚拟三相电流ia、ib、ic转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq；一有功功率计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq计算出虚拟三相逆变器输出有功功率Pout，然后输入到有功控制模块中；一有功控制模块，将设定的单相逆变器有功功率Pset扩大三倍，并减去有功功率Pout，然后进行PI控制，得到机械功率Pm1；一频率控制模块，将同步发电机机电暂态单元输出的电角速度ω除以2π，得到单相逆变器输出的实际频率，然后作为同步发电机实际频率f，与额定频率fn做差，得到的频率偏差Δf=fn‑f，然后乘以下垂控制系数Dp进行比例计算，得到功率差值ΔP，再将功率差值ΔP与参考有功功率Pref进行相加，得到机械功率Pm2，其中参考有功功率Pref根据分布式能源的状态事先给定；在进行频率无差调节时，还需要将频率偏差Δf进行积分，得到值加入到比例计算得到的功率差值ΔP中；有功‑频率控制开关SW1，用于选择有功或频率控制；当选择有功控制时，选择机械功率Pm1作为同步发电机的机械功率Pm输入到同步发电机机电暂态单元，当选择频率控制时，选择机械功率Pm2作为同步发电机的机械功率Pm输入到同步发电机机电暂态单元；同步发电机机电暂态单元，用于接收来自有功‑频率控制开关SW1选择输出的同步发电机机械功率Pm以及来自同步发电机电磁暂态单元输出的电磁功率Pe，由以下方程解出电角度θ、电角速度ω： P m - P e ω - DΔω = J dΔω dt - - - ( 1 ) Δω=ω‑ωn   （2） dθ dt = ω - - - ( 3 ) 其中，Δω为电角速度差，ωn为额定电角速度；D为定常阻尼系数，在设置时可以忽略阻尼的影响，设为0；J为转子转动惯量，为需要单相逆变器进行拟模拟的同步发电机的参数；一无功功率计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq和电流dq分量id、iq计算出虚拟三相逆变器输出的无功功率Qout；一无功控制模块，用于将设定的单相逆变器无功功率Qset扩大三倍，并减去无功功率Qout，然后进行PI控制，得到的值再与设定的参考电压Uref相加，得到励磁电压Ef1。其中，参考电压Uref可以设为单相逆变器输出的额定电压；一电压幅值计算单元，根据电压dq分量Vd、Vq计算出虚拟三相逆变器输出电压幅值Vout(计算得到的Vout是相电压幅值)，其值等于单相逆变器输出电压的幅值；一电压控制模块，将设定的单相逆变器输出端电压Vset减去虚拟三相逆变器输出电压幅值Vout，然后进行PI控制，得到励磁电压Ef2；无功‑电压控制开关SW2，用于选择无功或电压控制；当选择无功控制时，选择励磁电压Ef1作为同步发电机的励磁电压Ef输入到同步发电机电磁暂态单元，当选择电压控制时，选择励磁电压Ef2作为同步发电机的励磁电压Ef输入到同步发电机电磁暂态单元；同步发电机电磁暂态单元，用于接收dq变换单元输出的电流dq分量id、iq，然后根据选择输入励磁电压Ef，由以下方程解出同步发电机的电磁功率Pe以及虚拟三相逆变器的机端参考电压Vtd和Vtq：T′d0E′q=Ef‑E′q+(xd‑x′d)id   （4）T′q0E′d=‑[E′d+(xq‑x′q)iq]（5）Pe=[E′q+(x′d‑x′q)id]iq+E′did   （6）Vtd=E′d+x′qiq+Rsid   （7）Vtq=E′q+x′did+Rsiq   （8）其中，E′q、E′d为同步发电机q、d轴暂态电动势，T′d0和T′q0为同步发电机d、 q轴暂态时间常数，xd和xq为同步发电机的d、q轴同步电抗，x′d和x′q为同步发电机的d、q轴暂态电抗，Rs为同步发电机定子电阻，T′d0、T′q0、xd、xq、x′d、x′q、Rs分量是需要单相逆变器进行拟模拟的同步发电机的参数；解出的同步发电机的电磁功率Pe输入到同步发电机机电暂态单元，解出的虚拟三相逆变器的机端参考电压Vtd和Vtq输出到比较器中；比较器和PI控制器，用于将机端参考电压Vtd和Vtq分别减去dq变换单元输出的电压dq分量Vd、Vq，然后分别经过PI控制器得到d、q轴控制电压信号Ed、Eq；一dq反变换单元，补充一个值为0的零轴分量，d、q轴控制电压信号Ed、Eq和补充的零轴分量经dq反变换后产生最终PWM波形的调制信号uca、ucb ucc，取其中的a相调制信号uca输出到PWM信号发生器，用于单相逆变器桥路开关的控制，其中，dq反变换所需的电角度为同步发电机机电暂态单元输出的电角度θ。