无电网电压传感器双向功率变换器控制方法及系统及设备
本发明涉及电力电子系统控制领域，具体为无电网电压传感器双向功率变换器控制方法及系统及设备。
背景技术：
1、随着国民经济、科学技术的发展需要，电能需求日益增加。双向功率变换器作为各类储能应用中关键功率变换器之一，研究双向功率并网控制至关重要。
2、通常，在采样电网电压以及电网电流条件下，很多控制器都能实现变换器的高电能质量运行。与控制系统的总成本相比，电压传感器和电流传感器相对昂贵。因此，减少电压传感器的数量可以节省成本。此外，无传感器控制方案确保在传感器故障情况下不间断运行。因此，各种无电压传感器应运而生。但是由于基于传统模拟电阻控制的方法在逆变场合和轻载工况下存在不稳定极点，会导致现有的变换器系统不能正常工作和平滑双向功率切换；故在双向变换器控制场合，暂无一种简单有效的无传感器控制方式。
3、基于此，亟需设计一种针对三相双向变换器的新型无电网电压传感器的控制方法，在无需无电压传感器的情况下，以保证变换器的安全稳定运行以及平滑双向功率切换。
4、现有技术对比如下；
5、对比专利1：基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法，授权公告日，2021/3/26；授权公告日号：cn107863786b，
6、该发明涉及一种基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法。其中，双向功率变换器是由开关管构成的三相三桥臂结构，具有直流侧电容和交流侧滤波电感，双向功率变换器的交流侧输出电压等效于同步电机的激磁电动势，交流侧电网电压等效于同步电机的端电压，滤波电感等效于同步电机的电枢绕组，等效后，双向功率变换器即可作为虚拟同步电机，其惯量模拟单元为直流侧电容；分别通过虚拟频率控制器、点拟励磁调节器和虚拟电机控制单元，实现能量的双向传输。
7、虽然同样涉及三相变换器的双向功率运行控制，但该对比技术采用的虚拟同步电机控制方法需要采集电网电压信息，电压传感器增加系统的成本还降低了系统的可靠性；而本技术提出的广义模拟电阻控制策略，不仅能实现平滑的双向功率切换，并且不需要电网电压传感器；此外，解决了传统模拟电阻控制方法在逆变和轻载工况下的不稳定问题。
8、对比专利2：一种多功能双向功率变换器的控制方法，授权公告日，2019/4/12；授权公告日号：cn109617075a，
9、该发明涉及一种多功能双向功率变换器的控制方法，所述方法包括以下步骤：根据电压电流值、有功无功功率，经归一化处理、有功无功下垂控制，得到运行指令电流值；根据电压电流值、基于fbd功率理论的谐波电流检测，检测交流母线谐波电流得到谐波指令电流值；当配网侧电压发生跌落或不平衡故障时，在双向功率变换器交流侧加入变压器，通过电压反馈控制，得到控制双向功率变换器运行的指令电压值：根据交直流混合微电网负载、配电网实时情况，结合运行、谐波指令电流值，以及指令电压值，控制双向功率变换器运行于不同模式，使双向功率变换器具有治理谐波且稳定交流母线电压的功能。
10、虽然同样涉及对三相变换器的双向功率运行控制，但该技术中所提出的控制方法需要采集电网电压信息并利用锁相环技术，这会影响系统的稳定性；而本技术中提出的控制方法不需要采集电网电压信息，并且无需锁相环即可实现电网电压和并网电流的同步运行，避免了采用锁相环技术会给系统带来的稳定性问题。
技术实现思路
1、为了实现双向功率变换器的在逆变、轻载、整流等工况下稳定工作，和保证正弦的输入电流，本发明提出了无电网电压传感器双向功率变换器控制方法及系统及设备，在保证变换器输入正弦电流的同时，该控制策略能解决传统模拟电阻控制在逆变和轻载工况下的不稳定问题，实现变换器的安全稳定运行。此外，该方法仅采样变换器的输入电流，提高了系统的稳定性和可靠性并降低了传感器成本。同时该方法控制简单，具有较小的计算量，因此适合于实际应用。
2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
3、一种无电网电压传感器的双向功率变换器并网控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
4、步骤1：给定变换器的模拟动态电阻rd；
5、步骤2：根据变换器给定输入功率p，计算所需的模拟稳态电阻rs；
6、所述步骤2具体包括：
7、根据变换器输入与稳态电阻的关系来计算rs,其中变换器输入与模拟电阻关系为：
8、
9、其中ug为电网电压有效值；ωg为电网电压角频率；l为变换器的输入电感的电感值；
10、步骤3：计算动态电阻与稳态电阻的比值a,其中a＝rd/rs；
11、步骤4：基于模拟广义电阻控制获得变换器端电压输出的参考值uαβ*。
12、作为本发明控制方法进一步改进，所述的步骤4中，基于模拟广义电阻控制获得变换器端电压输出的参考值uαβ*，具体如下：
13、根据步骤1中给定变换器的模拟动态电阻rd和步骤3计算得到的电阻比值a构造等效广义电阻的传递函数rt(s)，该传递函数为：
14、
15、其中k为等效广义电阻传递函数的阻尼参数；
16、然后，将采样的三相变换器的输入电流iabc通过坐标变换得到两相静止坐标系电流iαβ，进而经过传递函数rt(s)获得变换器端电压输出的参考值uαβ*，具体如下：
17、
18、作为本发明控制方法进一步改进，所述的等效广义电阻的传递函数rt(s)由稳态电阻传递函数rs(s)和动态电阻传递函数rd(s)两部分组成，具体如下：
19、稳态电阻传递函数rs(s)为：
20、
21、其中，rs为所需的模拟稳态电阻，q为二阶传递函数参数；
22、动态电阻传递函数rd(s)为：
23、
24、其中，rd为模拟的动态电阻，q为二阶传递函数参数；
25、由稳态电阻传递函数rs(s)和动态电阻传递函数rd(s)相加组成等效广义电阻的传递函数rt(s)，如下：
26、
27、其中a＝rd/rs；此外令k＝q/a为等效广义电阻传递函数的阻尼参数，改写等效广义电阻的传递函数rt(s)为：
28、
29、作为本发明控制方法进一步改进，所述变换器为三相变换器。
30、本发明提供无电网电压传感器的双向功率变换器并网控制方法的控制系统，至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行双向功率变换器的广义模拟电阻控制方法。
31、本发明提供无电网电压传感器的双向功率变换器并网控制方法的设备，其特征在于：所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行双向功率变换器的广义模拟电阻控制方法。有益效果：
32、相对于现有技术，本发明提出的无电网电压传感器双向功率变换器控制方法及系统及设备，可以在不需要电网电压传感器的条件下实现变换器高电能质量并网，以及平滑双向功率切换。该方法的核心在于模拟广义电阻。其中模拟稳态电阻实现变换器的平滑功率切换；模拟动态电阻主要用于保证系统的小信号稳定，实现变换器在逆变和轻载工况下的稳定运行。同时该方法不需要锁相环，控制简单，降低了计算量，节省了成本并提高了可靠性，适合于实际应用。
技术特征：
1.无电网电压传感器双向功率变换器控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的无电网电压传感器双向功率变换器控制方法，其特征在于：所述的步骤4中，基于模拟广义电阻控制获得变换器端电压输出的参考值uαβ*，具体如下：
3.根据权利要求1所述的无电网电压传感器双向功率变换器控制方法，其特征在于：所述的等效广义电阻的传递函数rt(s)由稳态电阻传递函数rs(s)和动态电阻传递函数rd(s)两部分组成，具体如下：
4.根据权利要求1所述的无电网电压传感器双向功率变换器控制方法，其特征在于：所述变换器为三相变换器。
5.使用权利要求1-4任意一项所述无电网电压传感器的双向功率变换器并网控制方法的控制系统，其特征在于：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至4任一项所述的双向功率变换器的广义模拟电阻控制方法。
6.使用权利要求1-4任意一项所述无电网电压传感器的双向功率变换器并网控制方法的设备，其特征在于：所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至4任一项所述的双向功率变换器的广义模拟电阻控制方法。
技术总结
本发明提出了无电网电压传感器双向功率变换器控制方法及系统及设备，该变换器的控制方法包括模拟稳态电阻控制和模拟动态电阻控制两部分。模拟稳态电阻控制用于调节三相变换器的稳态工作点，实现平滑三相变换器的输入功率方向和输入功率大小。模拟动态电阻控制用于确保系统的稳定性，保证变换器系统在逆变模式和轻载模式下的小信号稳定，实现变换器的安全稳定运行。此外，该方法仅采样变换器的输入电流，提高了系统的可靠性并降低了传感器成本。同时该方法最终等效为二阶传递函数补偿网络，控制简单，具有较小的计算量，因此适合于实际应用。
技术研发人员：谢诗铭,鱼碧洋,哈利方,林建亨,孙尧,粟梅
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23