基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，包括功率控制外環(huán)和電壓電流控制內(nèi)環(huán)，所述功率控制外環(huán)包括如下步驟：測量逆變器輸出側(cè)的三相電壓和電流，根據(jù)瞬時功率理論計(jì)算有功功率和無功功率，再通過同步電機(jī)的有功?頻率方程、無功頻率方程、轉(zhuǎn)矩慣性方程和電磁暫態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算調(diào)節(jié)，得到輸出電壓的幅值和相角給定值，然后通過電壓電流雙環(huán)進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明能夠很好地實(shí)現(xiàn)電壓大小和頻率的無靜差控制，輸出有功和無功功率能夠人為精確控制，兼具V/F和PQ控制的特性；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，本發(fā)明控制方法可以模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻、一次調(diào)壓和慣性特性，參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，提供頻率和電壓支撐，有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定。
【專利說明】
基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及微網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)，尤其是一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變 器多環(huán)路控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新能源的普及，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)電在能源中所占的比例在逐步降低。目前的電 力系統(tǒng)系基于同步發(fā)電機(jī)電壓源并聯(lián)組網(wǎng)，采用集中調(diào)度管理運(yùn)行；而目前幾乎主流的新 能源商用并網(wǎng)變流器均視電網(wǎng)為主機(jī)，本身為從機(jī)，控制自身為電流源方式并網(wǎng)。
[0003] 由于這種基于變流器的并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備隨機(jī)性接入，種類數(shù)目繁多，尤其是分布式 發(fā)電場合缺乏類似常規(guī)機(jī)組的調(diào)度手段，其無法主動向系統(tǒng)提供支撐，在電網(wǎng)發(fā)生故障時 所受影響比較大。
[0004] 因此，在新能源高滲透率場合，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、無功倒送等潛在問題已經(jīng)引起業(yè)界 關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，提供一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，以解決 現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，提供的技術(shù)方案為:一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變 器多環(huán)路控制方法，包括功率控制外環(huán)和電壓電流控制內(nèi)環(huán)，所述功率控制外環(huán)包括如下 步驟:測量逆變器輸出側(cè)的三相電壓和電流，根據(jù)瞬時功率理論計(jì)算有功功率和無功功率， 再通過同步電機(jī)的有功-頻率方程、無功頻率方程、轉(zhuǎn)矩慣性方程和電磁暫態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算 調(diào)節(jié)，得到輸出電壓的幅值和相角給定值，然后通過電壓電流雙環(huán)進(jìn)行調(diào)制。
[0007] 優(yōu)選的，所述電壓電流控制內(nèi)環(huán)包括如下步驟:功率控制外環(huán)得出的電壓的幅值 和相角指令值合成三相參考電壓經(jīng)過三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系后作為輸入 電壓外環(huán)的給定值與檢測的電壓做比較，隨后作為電流環(huán)給定值與電流檢測值進(jìn)行比較， 再通過PR調(diào)節(jié)，最后與轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓值進(jìn)行比較后輸出調(diào)制波信號 產(chǎn)生PffM開關(guān)信號控制逆變器輸出指定電壓信號。
[0008] 優(yōu)選的，在并網(wǎng)時，改變功率指定值，以實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)的功率交換，在電網(wǎng)電壓頻率 和大小變化時，功率控制環(huán)可自主調(diào)節(jié)輸出功率大小給予電網(wǎng)一定的頻率和電壓支撐。
[0009] 優(yōu)選的，根據(jù)負(fù)載情況的不同，自動調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率，模擬同步發(fā)電機(jī) 的調(diào)壓調(diào)頻功能，在并網(wǎng)時能參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，給予電網(wǎng)一定的有功和無功支撐。
[0010]優(yōu)選的，所述有功-頻率方程、無功頻率方程分別為：
[0011] Pn=Pm+kp( Wm-COn) ,Qn = QnfHkq(Um-Un)
[0012] 式中，com、P^工作點(diǎn)m處的角頻率和有功功率，ωη、Ρη為工作點(diǎn) n處的角頻率和有 功功率，Qn、lU3工作點(diǎn)η處的無功功率和電壓，Qm、U m*工作點(diǎn)m處的無功功率和電壓，kq、kP 為系數(shù)。
[0013]優(yōu)選的，所述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩慣性方程為：
[0014] !萬== 了彷.-％ - ).，
[0015] 其中，J為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；ω為電氣角速度；ω。為電網(wǎng)同步角速度;!"工 和Td分別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械、電磁和阻尼轉(zhuǎn)矩;D為阻尼系數(shù)。
[0016] 優(yōu)選的，還包括:測量電網(wǎng)電壓，通過基于二階廣義積分的鎖相環(huán)可以得到電壓幅 值、相角及角頻率，相角用于逆變器輸出電壓從三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 計(jì)算，轉(zhuǎn)換得到的q軸電壓分量u q和0比較后誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)可以得到角頻率的 修正量ω syn。，用于并網(wǎng)時的電壓同步過程，角頻率輸入VSG算法進(jìn)行計(jì)算。
[0017] 實(shí)施本發(fā)明，可獲得的有益效果是:本發(fā)明能夠很好地實(shí)現(xiàn)電壓大小和頻率的無 靜差控制，輸出有功和無功功率能夠人為精確控制，兼具V/F和PQ控制的特性；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生 故障時，本發(fā)明控制方法可以模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻、一次調(diào)壓和慣性特性，參與電網(wǎng) 調(diào)節(jié)，提供頻率和電壓支撐，有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定;通用電壓電流雙環(huán)的采用有助于電壓波形 的改善，提高功率因數(shù)，提供良好的電能質(zhì)量；電壓電流雙環(huán)控制方法在αβ坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)， 有利于電網(wǎng)電壓不平衡下的控制且控制器實(shí)現(xiàn)方便，此外在αβ坐標(biāo)系下可以同時控制正序 和負(fù)序，無需序分量檢測，簡化了控制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0018] 圖Ia和圖Ib分別是同步電機(jī)的有功-頻率關(guān)系圖和無功電壓函數(shù)關(guān)系圖。
[0019] 圖2是三項(xiàng)逆變器的拓?fù)鋱D。
[0020] 圖3是總體控制結(jié)構(gòu)框圖。
[0021] 圖4a和圖4b分別是有功環(huán)和無功環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖2所示，該圖為三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，Vin為輸入側(cè)直流電壓;Q^Q6為開 關(guān)管;ea，eb，ec為三相橋臂輸出電壓；ia，i b，ic為三相電感電流;L1、0PL2為輸出LCL濾波器； Vca，Vcb，Vcc為三相電容電壓;Vga，Vgb，V gc為電網(wǎng)電壓。
[0023]轉(zhuǎn)到圖3,描述總體控制框圖，其主要包括功率計(jì)算模塊、鎖相環(huán)模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模 塊、PI調(diào)節(jié)器、VSG算法模塊，電壓電流雙閉環(huán)模塊和PffM調(diào)制模塊。
[0024]首先由電壓和電流傳感器檢測輸出側(cè)三相電容電壓和電感上的電流uinv,a, b,c， iu,b,。。檢測出的輸出側(cè)電壓和電流量用于兩個模塊，一個是功率計(jì)算模塊，一個是電壓電 流雙閉環(huán)控制模塊。
[0025] 其中，功率計(jì)算模塊采用瞬時功率理論進(jìn)行計(jì)算，得出逆變器輸出的有功功率Pe 和無功功率Qe。這兩個功率等效為同步發(fā)電機(jī)中的電磁功率。Pset和Qset為有功功率和無功 功率的設(shè)定值，等效為同步發(fā)電機(jī)中的額定功率值，人為可變。計(jì)算得出的逆變器輸出側(cè)功 率值和人為可設(shè)定的功率指令值一起輸入VSG算法模塊進(jìn)行計(jì)算。VSG算法模塊根據(jù)前述同 步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻、一次調(diào)壓和慣性特性公式進(jìn)行計(jì)算，得出輸出電壓的幅值和角頻率兩 個指令值。
[0026] 電網(wǎng)電壓Vga,b,。由電壓霍爾測量得到。通過基于二階廣義積分的鎖相環(huán)可以得到 電壓幅值Eg、相角0g及角頻率cog。相角用于逆變器輸出電壓從三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換計(jì)算。轉(zhuǎn)換得到的q軸電壓分量uq和0比較后誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)可以 得到角頻率的修正量Co syn。，用于并網(wǎng)時的電壓同步過程。角頻率輸入VSG算法進(jìn)行計(jì)算。 [0027] VSG算法利用功率設(shè)定值、逆變器輸出側(cè)功率計(jì)算值以及電網(wǎng)電壓角頻率和修正 角頻率計(jì)算得出逆變器輸出電壓的幅值Vrrf和角頻率指令值CO re3fc3兩個指令值和檢測到的 輸出電壓和電流值一起通過常用電壓電流雙閉環(huán)模塊計(jì)算產(chǎn)生調(diào)制波信號，再通過SVPWM 環(huán)節(jié)產(chǎn)生PffM驅(qū)動信號控制開關(guān)管的通斷，控制逆變器輸出指定電壓信號。
[0028]圖4a和圖4b所示為具體功率控制環(huán)的調(diào)節(jié)控制框圖。基于有功-頻率，無功-電壓 的關(guān)系分為有功環(huán)和無功環(huán)兩個部分。有功環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生相角值指定信號，無功環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生 電壓幅值信號。
[0029] 其中，有功環(huán)的輸入為功率設(shè)定值Pse3t、輸出側(cè)計(jì)算的有功Pe3和額定角頻率值ω n。 所有的計(jì)算都依據(jù)前述轉(zhuǎn)矩方程和一次調(diào)頻方程。有功設(shè)定值和輸出功率計(jì)算值與額定角 頻率的商為轉(zhuǎn)矩值，D p為下垂系數(shù)，相當(dāng)于前述一次線性方程中的kP; J為轉(zhuǎn)動慣量。通過計(jì) 算得到角頻率指令值ω，積分過后得到相角指令值Θ。
[0030] 無功環(huán)的計(jì)算類比于有功環(huán)。輸入為無功設(shè)定值Qset、計(jì)算的輸出側(cè)無功Qe和額定 電壓有效值Un。所有計(jì)算依據(jù)前述一次調(diào)壓方程和類比轉(zhuǎn)矩方程。D q為下垂系數(shù)，相當(dāng)于前 述一次線性方程中的kq;K為電磁特性系數(shù)，類比于轉(zhuǎn)動慣量J。通過計(jì)算得到輸出電壓的指 令值E m。
[0031] 當(dāng)需要并網(wǎng)時，有功環(huán)的角頻率輸入值切換為加入修正量后的新值，無功環(huán)的電 壓輸入命令值變?yōu)殡娋W(wǎng)電壓幅值，以此來完成同步并網(wǎng)的過程。
[0032] 圖3中虛線框中的部分為通用電壓電流雙閉環(huán)控制框圖。電壓α軸、β軸指令值分別 與測量值進(jìn)行比較，輸出作為電流內(nèi)環(huán)α軸、β軸分量的給定值。電流內(nèi)環(huán)給定值與實(shí)際測量 值比較后，經(jīng)過PR調(diào)節(jié)器，最后與轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓值進(jìn)行比較輸出最 后的調(diào)制信號，經(jīng)過SVPffM環(huán)節(jié)產(chǎn)生驅(qū)動信號。
[0033] α軸、β軸電壓的指令值來自于功率控制環(huán)的輸出電壓指令，功率控制環(huán)的輸出相 角指令值用于電壓電流雙閉環(huán)中坐標(biāo)變換時的計(jì)算。
[0034] 本發(fā)明由功率控制環(huán)和電壓電流雙閉環(huán)組成了基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變 器多環(huán)路控制方法，可以模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻調(diào)壓、慣性和電磁暫態(tài)特性，和實(shí)際同 步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性相近，可以參與電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，給予電網(wǎng)一定的電壓和頻率支撐。在電網(wǎng) 電壓幅值和頻率有干擾波動時，通過功率控制環(huán)能夠自主調(diào)節(jié)逆變器的輸出有功和無功， 支撐電網(wǎng)，模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的外特性，內(nèi)部控制參數(shù)靈活可變，可以適應(yīng)不同需求場合。
[0035] 同時，功率控制環(huán)中與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量、輸出阻抗等參數(shù)在程 序中是人為可變的，相較于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的參數(shù)受實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)限制固定，本發(fā)明所述模擬 同步電機(jī)的參數(shù)設(shè)置靈活可變，可以滿足不同場合不同負(fù)載的需求。功率環(huán)所輸出的電壓 幅值和相角指令不是直接用于產(chǎn)生開關(guān)信號，而是經(jīng)過電壓電流雙環(huán)進(jìn)一步調(diào)制后生成開 關(guān)信號，有助于改善電壓電流波形，提高功率因數(shù)，提供較好的電能質(zhì)量。
[0036] 電壓電流雙閉環(huán)是在兩相靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行控制的，有利于電網(wǎng)電壓不平衡情況 下的控制。在兩相靜止坐標(biāo)系下，可以同時控制正序和負(fù)序，無需序分量檢測，簡化了控制 系統(tǒng)，控制器的實(shí)現(xiàn)更為方便，便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加了靈活性，可以運(yùn)用到更多場合。
[0037] 通過虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator，VSG)技術(shù)，即基于電力 電子變流器的分布式電源從外特性上模擬或部分模擬同步發(fā)電機(jī)的頻率及電壓控制特性， 從而改善分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性并主動參與電網(wǎng)頻率電壓調(diào)節(jié)，非常契合新能源接入主動配 電網(wǎng)的需求。不僅如此，虛擬同步發(fā)電機(jī)理論上在底層不需要通信網(wǎng)絡(luò)即可完成通信交互， 即利用電壓頻率及幅值信息，基于自同步機(jī)理完成裝置同步、功率分配及平衡。從而主動配 電網(wǎng)得到大大簡化，并可以專注于高級應(yīng)用。
[0038] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中 的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這 些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，其特征在于，包括功率控 制外環(huán)和電壓電流控制內(nèi)環(huán)，所述功率控制外環(huán)包括如下步驟:測量逆變器輸出側(cè)的=相 電壓和電流，根據(jù)瞬時功率理論計(jì)算有功功率和無功功率，再通過同步電機(jī)的有功-頻率方 程、無功頻率方程、轉(zhuǎn)矩慣性方程和電磁暫態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算調(diào)節(jié)，得到輸出電壓的幅值和相 角給定值，然后通過電壓電流雙環(huán)進(jìn)行調(diào)制。2. 如權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，其特征在 于，所述電壓電流控制內(nèi)環(huán)包括如下步驟:功率控制外環(huán)得出的電壓的幅值和相角指令值 合成=相參考電壓經(jīng)過=相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系后作為輸入電壓外環(huán)的給 定值與檢測的電壓做比較，隨后作為電流環(huán)給定值與電流檢測值進(jìn)行比較，再通過PR調(diào)節(jié)， 最后與轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓值進(jìn)行比較后輸出調(diào)制波信號產(chǎn)生PWM開關(guān)信 號控制逆變器輸出指定電壓信號。3. 如權(quán)利要求2所述的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，其特征在 于，在并網(wǎng)時，改變功率指定值，W實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)的功率交換，在電網(wǎng)電壓頻率和大小變化時， 功率控制環(huán)可自主調(diào)節(jié)輸出功率大小給予電網(wǎng)一定的頻率和電壓支撐。4. 如權(quán)利要求3所述的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，其特征在 于，根據(jù)負(fù)載情況的不同，自動調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率，模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)頻功 能，在并網(wǎng)時能參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，給予電網(wǎng)一定的有功和無功支撐。5. 如權(quán)利要求4所述的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，其特征在 于，所述有功-頻率方程、無功頻率方程分別為： Pn _ Pm+kp ( W m- W n ) , Qn _ Qm+kq ( Um-Un ) 式中，CO m、Pm為工作點(diǎn)m處的角頻率和有功功率，CO n、Pn為工作點(diǎn)n處的角頻率和有功功 率，Qn、Un為工作點(diǎn)n處的無功功率和電壓，Qm、Um為工作點(diǎn)m處的無功功率和電壓，kq、kp為系 數(shù)。6. 如權(quán)利要求5所述的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，其特征在 于，所述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩慣性方程為：其中，J為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；《為電氣角速度；《。為電網(wǎng)同步角速度;Tm、Te和Td分 別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械、電磁和阻尼轉(zhuǎn)矩;D為阻尼系數(shù)。7. 如權(quán)利要求6所述的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器多環(huán)路控制方法，其特征在 于，進(jìn)一步為:測量電網(wǎng)電壓，通過基于二階廣義積分的鎖相環(huán)得到電壓幅值、相角及角頻 率，相角用于逆變器輸出電壓從=相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換計(jì)算，轉(zhuǎn)換得到 的q軸電壓分量Uq和0比較后誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)可W得到角頻率的修正量COsync，用 于并網(wǎng)時的電壓同步過程，角頻率輸入VSG算法進(jìn)行計(jì)算。
【文檔編號】H02J3/48GK105914778SQ201610244425
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月19日
【發(fā)明人】王建華, 顧彬仕, 季振東
【申請人】東南大學(xué)