本發明涉及電力系統保護與控制領域，尤其涉及三相四橋臂逆變器控制策略與限流技術，特別是涉及具有自適應限流功能的三相四橋臂逆變器控制策略。

背景技術：

三相四橋臂逆變器能夠在三相負載不平衡的情況下維持輸出電壓的三相對稱，能夠滿足對電壓質量要求較高的設備需要，作為并網設備時，能夠改善低壓配電網三相不平衡情況，具有顯著的經濟效益。三相四橋臂逆變器控制策略多樣，常見方式為分解正負零序進行獨立控制。由于三相四橋臂逆變型分布式電源的容量有限，輸出能力和調整電壓平衡能力也有限度。在當前電力開關器件承載電流有限的情況下，根據輸出需要合理分配各序電流使各相電流均不超過橋臂承載電流上限，對于發揮逆變器的最大電壓平衡能力具有重要意義。

目前，關于三相四橋臂逆變器的研究主要集中在控制策略方面，對于各序電流的分配和限制問題缺乏關注。傳統的限流思路為對相電流進行限制，而由于負序和零序電流的存在，三相四橋臂逆變器各相輸出電流并不相等，對其限流不能僅計算單相電流。并且，采用分序控制的三相四橋臂逆變器，由于將電流分解為多個分量，更加難以統一限制。在負載不對稱度較高情況下，如何確定各序電流的輸出上限對于保證三相四橋臂逆變器平衡三相電壓能力的發揮，具有重要的研究價值。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，鑒于對三相四橋臂逆變器分序控制策略下各序限流值的確定缺少相應研究，本發明旨在提出一種確定各序輸出電流上限值的方法，該方法能夠保證逆變器平衡電壓能力的最大發揮。本發明采用的技術方案是，具有自適應限流功能的三相四橋臂并網逆變器控制方法，在統一的兩相同步旋轉坐標下計算各相負序和零序電流之和，并根據實際相電流上限值即逆變器電力電子開關器件最大承載電流，計算各序電流的最大值，使逆變器能夠在各相電流不超過最大值的情況下發揮最大的平衡電壓能力。

一個實力中的具體步驟細化為：

步驟A：提取并網點三相電壓正、負、零序分量u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)及三相輸出電流的正、負、零序分量i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)，其中n＝1、2、0，分別表示正序、負序、零序；通過鎖相環獲取正序電壓的相位θ₁；

步驟B：經派克變換，將各序電壓、電流變換到同步旋轉坐標系d-q坐標系中：

電壓變換過程為：

式中，u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)分別為并網點的三相正、負序電壓，u_sd(n)、u_sq(n)分別表示正、負序電壓在d-q坐標下的d軸和q軸分量，n＝1,2；u_sa(0)為并網點零序電壓，u_s′_a(0)為零序電壓u_sa(0)滯后π/2后得到的信號，u_sd(0)、u_sq(0)分別表示零序電壓在d-q坐標下的d軸和q軸分量；上述變換過程中，正序變換n＝1，取θ＝θ₁；負序變換，n＝2，取θ＝-θ₁；零序變換取θ＝θ₁；

電流變換過程為：

式中，i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)分別為逆變器輸出的三相正、負序電流，i_d(n)、i_q(n)分別表示正、負序電流在d-q坐標下的d軸和q軸分量，n＝1,2；i_a(0)為逆變器輸出的零序電流，i_a′₍₀₎為零序電流i_a(0)滯后π/2后得到的信號，i_d(0)、i_q(0)分別表示零序電流在d-q坐標下的d軸和q軸分量；上述變換過程中，正序變換n＝1，取θ＝θ₁；負序變換，n＝2，取θ＝-θ₁；零序變換取θ＝θ₁。

步驟C：三序雙環比例積分PI控制設計，正序采用功率外環、電流內環控制，內外環之間加裝正序電流器；負序和零序采用電壓外環，電流內環控制，對外環輸出的負序和零序電流參考值求和之后進行限流。

步驟C中正序限流器和負零序限流器的實現包括如下具體步驟：

步驟1：正負零序d-q坐標統一，將各相的負序和零序電流參考值從各自的d-q坐標系中變換到同一個d-q坐標系即正序d-q坐標系下，用x-y表示；

各相負序電流參考值的變換公式如下

式中，i_{d(2)_ref}、i_{q(2)_ref}分別為負序電流參考值的d、q分量，I_a(2)x、I_a(2)y，I_b(2)x、I_b(2)y，I_c(2)x、I_c(2)y分別為a、b、c相負序電流在x-y坐標系中的坐標；

零序電流參考值的變換公式為

I_(0)x＝i_{d(0)_ref},I_(0)y＝i_{q(0)_ref}

式中，i_{d(0)_ref}、i_{q(0)_ref}分別為零序電流參考值的d、q分量；I_(0)x、I_(0)y為零序電流在x-y坐標系中的坐標。

步驟2：各相負、零序參考電流求和。求和公式為

式中，k代表相a、b、c，I_k(2+0)m表示對應相和電流的幅值，為和電流與x軸的夾角。

步驟3：負零序和電流限幅并分配，

I′_k(2+0)m＝min{I_k(2+0)m,I_max}

式中，I′_k(2+0)m為經過限幅后的k相負零序電流之和的幅值，I_max逆變器允許輸出的最大相電流幅值；

為方便描述，令系數

則滿足和電流限幅的負序和零序電流的x軸和y軸分量為：

式中，

轉換到各自的d-q坐標系中，并取最小值作為最終的負、零序電流參考值

式中，i′_{d(2)_ref}、i′_{q(2)_ref}、i′_{d(0)_ref}、i′_{q(0)_ref}分別為各自d-q坐標下的滿足限流條件的負序和零序分量；

步驟4：由已經確定的負零序和電流幅值限制值，求解正序電流限幅值，

式中，k＝a,b,c

△θ_a＝arctan(P/Q),△θ_b＝△θ_a+2π/3,△θ_c＝△θ_a+4π/3，P和Q分別為逆變器輸出的有功和無功參考值；

步驟5：正序電流限幅，

i′_{d(1)_ref}＝I_(1)m cos(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

i′_{q(1)_ref}＝I_(1)m sin(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

式中，i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}為正序功率外環輸出的正序參考電流的d、q分量，i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}分別為正序d-q坐標下的滿足限流條件的d、q分量。

本發明的特點及有益效果是：

1.該方法能夠可靠實現正序和負零序的獨立限流，且能夠優先滿足負零序電流輸出從而保證其電壓平衡能力的最大發揮。

2.該方法能夠根據系統的不平衡情況在線調整各序電流的限幅值，具有自適應能力。

3.該方法電流限幅值計算清晰，易于實現。

附圖說明：

圖1是正序雙環控制系統示意圖。

圖2是負序和零序雙環控制系統示意圖。

圖3是負零序限流器原理示意圖。

圖4是正序限流器原理示意圖。

具體實施方式

鑒于背景技術中提到的現有研究的不足，本發明針對三相四橋臂逆變器，在正序采用PQ控制，負序和零序采用電壓控制的分序控制策略基礎上，提出了一種確定各序輸出電流上限值的方法，該方法在統一的兩相同步旋轉坐標下計算各相負序和零序電流之和，并根據實際相電流上限值(逆變器電力電子開關器件最大承載電流)，計算各序電流的最大值，使逆變器能夠在各相電流不超過最大值的情況下發揮最大的平衡電壓能力。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

三相四橋臂并網逆變器的分序控制策略包括以下具體步驟：

步驟A：提取并網點三相電壓正、負、零序分量u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)及三相輸出電流的正、負、零序分量i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)，其中n＝1、2、0，分別表示正序、負序、零序；通過鎖相環獲取正序電壓的相位θ₁。

步驟B：經派克變換，將各序電壓、電流變換到d-q坐標系(同步旋轉坐標系)中。

電壓變換過程為：

式中，u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)分別為并網點的三相正、負序電壓，u_sd(n)、u_sq(n)分別表示正、負序電壓在d-q坐標下的d軸和q軸分量，n＝1,2；u_sa(0)為并網點零序電壓，u′_sa(0)為零序電壓u_sa(0)滯后π/2后得到的信號，u_sd(0)、u_sq(0)分別表示零序電壓在d-q坐標下的d軸和q軸分量；上述變換過程中，正序變換n＝1，取θ＝θ₁；負序變換，n＝2，取θ＝-θ₁；零序變換取θ＝θ₁。

電流變換過程為：

式中，i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)分別為逆變器輸出的三相正、負序電流，i_d(n)、i_q(n)分別表示正、負序電流在d-q坐標下的d軸和q軸分量，n＝1,2；i_a(0)為逆變器輸出的零序電流，i′_a(0)為零序電流i_a(0)滯后π/2后得到的信號，i_d(0)、i_q(0)分別表示零序電流在d-q坐標下的d軸和q軸分量；上述變換過程中，正序變換n＝1，取θ＝θ₁；負序變換，n＝2，取θ＝-θ₁；零序變換取θ＝θ₁。

步驟C：三序雙環PI(比例積分)控制設計，正序采用功率外環、電流內環控制，內外環之間加裝正序電流器；負序和零序采用電壓外環，電流內環控制，對外環輸出的負序和零序電流參考值求和之后進行限流。

正序控制系統如圖1所示，負序和零序控制系統如圖2所示。

上述分序控制策略的各序限流器加于電流環之前，該環節的實現包括如下具體步驟：

步驟A：正負零序d-q坐標統一，將各相的負序和零序電流參考值從各自的d-q坐標系中變換到同一個d-q坐標系即正序d-q坐標系下，用x-y表示；

各相負序電流參考值的變換公式如下

式中，i_{d(2)_ref}、i_{q(2)_ref}分別為負序電流參考值的d、q分量，I_a(2)x、I_a(2)y，I_b(2)x、I_b(2)y，I_c(2)x、I_c(2)y分別為a、b、c相負序電流在x-y坐標系中的坐標；

零序電流參考值的變換公式為

I_(0)x＝i_{d(0)_ref},I_(0)y＝i_{q(0)_ref}

式中，i_{d(0)_ref}、i_{q(0)_ref}分別為零序電流參考值的d、q分量；I_(0)x、I_(0)y為零序電流在x-y坐標系中的坐標。

步驟B：各相負、零序參考電流求和。求和公式為

式中，k代表相a、b、c，I_k(2+0)m表示對應相和電流的幅值，為和電流與x軸的夾角。

步驟3：負零序和電流限幅并分配。如圖3所示。

I′_k(2+0)m＝min{I_k(2+0)m,I_max}

式中，I′_k(2+0)m為經過限幅后的k相負零序電流之和的幅值，I_max逆變器允許輸出的最大相電流幅值；

為方便描述，令系數

則滿足和電流限幅的負序和零序電流的x軸和y軸分量為：

式中，

轉換到各自的d-q坐標系中，并取最小值作為最終的負、零序電流參考值

式中，i′_{d(2)_ref}、i′_{q(2)_ref}、i′_{d(0)_ref}、i′_{q(0)_ref}分別為各自d-q坐標下的滿足限流條件的負序和零序分量；

步驟4：由已經確定的負零序和電流幅值限制值，求解正序電流限幅值，

式中，(k＝a,b,c)

△θ_a＝arctan(P/Q),△θ_b＝△θ_a+2π/3,△θ_c＝△θ_a+4π/3，P和Q分別為逆變器輸出的有功和無功參考值；

步驟5：正序電流限幅。如圖4所示。

i′_{d(1)_ref}＝I_(1)m cos(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

i′_{q(1)_ref}＝I_(1)m sin(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

式中，i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}為正序功率外環輸出的正序參考電流的d、q分量，i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}分別為正序d-q坐標下的滿足限流條件的d、q分量。

為克服現有技術的不足，提出了一種具有自適應限流功能的三相四橋臂逆變器控制策略，該控制策略采用分序雙環控制達到使逆變器輸出電壓三相對稱的目的，且能夠根據當前系統的不平衡情況，以優先發揮逆變器的電壓平衡能力為目標，在線計算正序電流及負零序和電流的幅值限定值，使三相輸出電流均滿足相電流限流要求，同時保證了逆變器平衡電壓能力的最大發揮。

下面通過具體實施例，來詳細說明本發明的技術方案：

A.首先提取并網點三相電壓正、負、零序分量u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)及三相輸出電流的正、負、零序分量i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)，其中n＝1、2、0，分別表示正序、負序、零序；通過鎖相環獲取正序電壓的相位θ₁。

B.經派克變換，將各序電壓、電流變換到d-q坐標系(同步旋轉坐標系)中。

具體的電壓變換公式如下所示。

式中，u_sa(n)，u_sb(n)，u_sc(n)分別為并網點的三相正、負序電壓，u_sd(n)、u_sq(n)分別表示正、負序電壓在d-q坐標下的d軸和q軸分量，n＝1,2；u_sa(0)為并網點零序電壓，u′_sa(0)為零序電壓u_sa(0)滯后π/2后得到的信號，u_sd(0)、u_sq(0)分別表示零序電壓在d-q坐標下的d軸和q軸分量；上述變換過程中，正序變換n＝1，取θ＝θ₁；負序變換，n＝2，取θ＝-θ₁；零序變換取θ＝θ₁。

具體的電流變換公式為：

式中，i_a(n)，i_b(n)，i_c(n)分別為逆變器輸出的三相正、負序電流，i_d(n)、i_q(n)分別表示正、負序電流在d-q坐標下的d軸和q軸分量，n＝1,2；i_a(0)為逆變器輸出的零序電流，i′_a(0)為零序電流i_a(0)滯后π/2后得到的信號，i_d(0)、i_q(0)分別表示零序電流在d-q坐標下的d軸和q軸分量；上述變換過程中，正序變換n＝1，取θ＝θ₁；負序變換，n＝2，取θ＝-θ₁；零序變換取θ＝θ₁。

C.利用上述得到的電壓和電流的各序d、q分量在各自的d-q系中獨立設計雙環PI控制設計。

正序采用功率外環、電流內環控制，內外環之間加裝正序電流器，功率外環輸出的正序電流參考值i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}通過正序限流器，得到符合限流要求的正序電流參考值i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}，具體控制系統結構如圖1所示；負序和零序采用電壓外環，電流內環控制，外環輸出的負序和零序電流參考值輸入同一個負零序限流器中，先進行求和，之后進行綜合限流并重新分配各序電流參考值，具體控制系統結構如圖2所示。

通過上述的控制策略，就能夠實現三相四橋臂逆變器的三序獨立控制，且能夠通過限流環節實現自適應外界負載情況動態調整。兩個限流器的具體實現方法為：

(1)正負零序d-q坐標統一。這部分包含在圖3的負零序限流器的負零序電流求和環節之中。將各相的負序和零序電流參考值從各自的d-q坐標系中變換到同一個d-q坐標系(正序d-q坐標系)下，用x-y表示。

式中，i_{d(2)_ref}、i_{q(2)_ref}分別為負序電流參考值的d、q分量，I_a(2)x、I_a(2)y，I_b(2)x、I_b(2)y，I_c(2)x、I_c(2)y分別為a、b、c相負序電流在x-y坐標系中的坐標。

零序電流參考值的變換公式為

I_(0)x＝i_{d(0)_ref},I_(0)y＝i_{q(0)_ref}

式中，i_{d(0)_ref}、i_{q(0)_ref}分別為零序電流參考值的d、q分量；I_(0)x、I_(0)y為零序電流在x-y坐標系中的坐標。

(2)各相負、零序參考電流求和。在進行完坐標變換之后，對負序和零序電流進行求和，該部分也包含在圖3的負零序電流求和環節中。求和公式為

式中，k代表相a、b、c，I_k(2+0)m表示對應相和電流的幅值，為和電流與x軸的夾角。

(3)負零序限流器的實現。

I′_k(2+0)m＝min{I_k(2+0)m,I_max}

式中，I′_k(2+0)m為經過限幅后的k相負零序電流之和的幅值，I_max逆變器允許輸出的最大相電流幅值。該部分為圖3中的幅值限制環節。

接下來對負零序電流進行重新分配為方便描述，令系數

則滿足和電流限幅的負序和零序電流為

式中，

轉換到各自的d-q坐標系中，并取最小值作為最終的負、零序電流參考值

式中，i′_{d(2)_ref}、i′_{q(2)_ref}、i′_{d(0)_ref}、i′_{q(0)_ref}分別為各自d-q坐標下的滿足限流條件的負序和零序分量。

(4)由已經確定的負零序和電流幅值限制值，求正序電流幅值限制。該部分為求解得到圖4中的正序電流幅值上限I_(1)max。

式中，(k＝a,b,c)

△θ_a＝arctan(P/Q),△θ_b＝△θ_a+2π/3,△θ_c＝△θ_a+4π/3，P和Q分別為逆變器輸出的有功和無功參考值。

(5)正序限流器的實現，如圖4所示。

i′_{d(1)_ref}＝I_(1)mcos(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

i′_{q(1)_ref}＝I_(1)msin(i_{q(1)_ref}/i_{d(1)_ref})

式中，i_{d(1)_ref}、i_{q(1)_ref}為正序功率外環輸出的正序參考電流的d、q分量，i′_{d(1)_ref}、i′_{q(1)_ref}分別為正序d-q坐標下的滿足限流條件的d、q分量。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解：對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。