CN103066876B - 一种具有同步发电机特性的逆变控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有同步发电机特性的逆变控制器，包括转子运动方程单元、dq变换单元、dq反变换单元，在此基础上，增加了虚拟调速器、虚拟励磁单元以及双PI内环控制单元。这样可以产生具有同步发电机特性的PWM调制信号U_ca、U_cb、U_cc，提供给PWM信号发生器产生逆变器的开关控制信号，后者经驱动电路后控制逆变桥电路开关，使得电网中的逆变器动态特性具有类似的同步发电机特性。和同步发电机类似，这种控制器下的逆变器可以有Vf、PQ、PV等多种运行方式。

Description

一种具有同步发电机特性的逆变控制器

技术领域

本发明属于逆变器控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种将逆变器控制成具有同步发电机特性的逆变控制器。

背景技术

作为一种直流电转换为交流电的设备，逆变器在微电网、分布式发电中有着广泛的应用。

逆变器技术领域的热点问题包括拓扑结构、谐波抑制与滤波器设计、控制信号调制方法、损耗控制和逆变器的动态特性设计等等。其中，逆变器的动态特性设计与其控制策略有着直接地联系，并对微电网和分布式发电的稳定性及其控制有着重要的意义。

图1是典型的逆变器结构原理图。

如图1所示，逆变器通过机端电压电流测量得到机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c，然后送入逆变控制器中，得到PWM调制信号U_ca、U_cb、U_cc送入PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号发生器，输出的PWM信号通过驱动电路驱动后，控制逆变桥电路功率开关管开通、关断，将电压为U_dc的直流电源转变为与电网电压U_s同频的电压，通过配网馈线送入电网中。其中，电阻r_fa、r_fb、r_fc、电感L_fa、L_fb、L_fc、电容C_fa、C_fb、C_fc用于对逆变桥电路输出电压进行低通滤波，滤除高频成分。

逆变控制器控制逆变器的输出功率、机端电压或者电网频率具有某种特性。一般而言，逆变器的控制可以分为四类：恒功率控制（PQ控制）、下垂特性控制（droop控制）、恒压频控制（Vf控制）和仿同步发电机特性的控制。四类控制的工作原理如下：

1、恒功率控制：这类控制逆变器可按指令输出近似恒定的有功、无功功率，那么，在电网侧看来，该类逆变器可以视作一个近似的恒功率（PQ）单元。当恒功率控制应用在可再生能源并网发电逆变器上时，输出功率一般设定为最大功率跟踪算法的输出量，保证最大化的利用可再生能源发电。而当恒功率控制应用在具有储能装置的逆变器上时，输出功率则设定为调度发出的有功功率指令，控制储能装置按照调度要求运行。

2、下垂特性控制：该类控制的基本思想是依据逆变器机端所测电压频率和幅值与设定的额定值的差值，模拟同步发电机的外特性来控制逆变器的输出功率和机端电压。该类控制在微电网并联组网自治运行控制中应用比较广泛。需要注意的是，在线路呈阻性时，一般是控制逆变器输出电压的相位和幅值将分别与无功功率和有功功率近似呈线性关系，相应可设计Q-ω和P-E的下垂特性,通过控制输出无功功率来调节输出频率，控制有功功率来调节输出电压，称为反下垂控制。

3、恒压频控制：该类控制的基本思想是控制逆变器输出接口电压和频率的稳定，而输出的功率则随着负荷的变化而变化。在具体的控制策略的实施上，一般是构建电压外环、电流内环的双闭环控制系统。电压外环控制器主要用来维持逆变器输出电压和频率恒定，同时产生电流内环控制器的参考信号，一般动态响应较慢；电流内环控制器主要用来改善逆变器输出波形质量，一般动态响应速度较快。

4、仿同步发电机特性的控制：该类控制通过假定逆变控制器内部存在一个虚拟的转子，其旋转运动符合同步发电机的转动方程。并通过构造虚拟的模拟励磁控制和调速器特性的单元，控制虚拟转子上的励磁电压和驱动转矩，进而控制虚拟转子的转速及其在定子上产生的感生电动势的幅值，使得逆变器的输出特性与同步发电机近似。

目前，仿同步发电机特性的逆变器控制主要有两种，二者均内嵌一个同步发电机的三阶实用模型来进行逆变器的逆变控制器设计，可以模拟同步发电机PQ、PV和下垂特性等外特性，使得逆变器可以运行在不同的工作模式，适应不同运行要求。

1、给出驱动功率和感应电动势幅值的逆变控制器

给定逆变器的驱动功率P_m和某相感应电动势的幅值利用下列具有同步发电机特性的公式作为其控制算法：

$T_m-T_e-D{\mathrm{\Δ\ω}}_r=\frac{P_m}{{\mathrm{\ω}}_r}-\frac{P_e}{{\mathrm{\ω}}_r}-\mathrm{D\Δ}{\mathrm{\ω}}_r=J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_r---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{E}}_{0l}={\stackrel{\·}{U}}_{0l}+{\stackrel{\·}{I}}_l(r_a+{\mathrm{jx}}_t)---\left(3\right)$

式中，T_m和T_e分别为驱动转矩和电磁转矩，D为定常阻尼系数，P_m和P_e分别为虚拟的机械功率（即给定的逆变器驱动功率）和电磁功率，Δω_r为电角速度差，θ为电角度，ω_r为转子电角速度，在逆变器中令磁极对数为1，则其与转子的机械角速度相等，J为转子的转动惯量，分别为i,i∈(a,b,c)相的感应电动势、定子端电压和定子电流，r_a、x_t分别为定子电枢电阻和同步电抗。这些变量中，除了定子端电压定子电流为测量值，即图1中机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c中的一相、和Pm为给定值，θ、ω_r、Δω_r、T_e、T_m为计算值，D、J、r_a、x_t为设计值。

2、利用同步发电机模型计算定子三相感应电动势的幅值和相角的逆变控制器

该仿同步发电机特性的逆变控制器原理图如图2所示，控制过程如下：

$T_e=M_f{i}_f<i,\widetilde{\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)}>---\left(4\right)$

$e=\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f\widetilde{\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)}---\left(5\right)$

$P_{\mathrm{eo}}=\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f<i,\widetilde{\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)}>,Q_{\mathrm{eo}}=-\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f<i,\widetilde{\cos \mathrm{\&theta;}}>---\left(6\right)$

$M_f{i}_f=\frac{1}{K}{\&Integral;Q}_{\mathrm{set}}-Q+D_q(V_{\mathrm{set}}-V_m)---\left(7\right)$

其中，M_fi_f是表征转子励磁电流及转子与定子互感作用的综合影响的系数，计算方法如式7所示；K为放大倍数；Q_set为设定的同步发电机（这里为逆变器）输出无功功率；V_set为设定的机端电压的幅值；e表示定子三相感生电动势的幅值及相位；<.,.>表示内积运算；P_eo、Q_eo为逆变器的输出有功、无功功率；D_p、D_q为下垂特性系数，在系统频率不为额定频率、机端电压不为额定电压的时候，调整逆变器的输出功率参与系统频率和电压的调节；f_n为电网额定频率。其余方程及其参数同上。通过引入D_p、D_q系数，这个模型同时模拟了同步发电机PQ运行和下垂特性的功能。

实际上，上述两种防同步发电机特性的逆变器控制均可分解为两个控制环路。外环模拟同步发电机PQ、PV、下垂特性等不同的运行方式，为闭环控制。内环模拟的是同步发电机机电暂态过程，为开环控制。但没有包含励磁控制、调速器控制的特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够模拟包含励磁控制、调速器控制的具有同步发电机特性的逆变控制器，使逆变器具有同步发电机特性。

为实现以上目的，本发明具有同步发电机特性的逆变控制器，包括：

一转子运动方程单元，根据虚拟转子的驱动转矩T_m、电磁转矩T_e，依据转子运动方程计算出虚拟转子的转速ω_r及其位置角θ；

一dq变换单元，逆变器机端实测机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c，经过低通滤波之后，输入dq变换单元进行dq变换，dq变换所需的转子位置角θ由转子运动方程单元提供，这样，机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c分别转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量V_d、V_q和电流dq分量I_d、I_q；

其特征在于，还包括：

一虚拟调速器，根据驱动功率P_ref、电网额定频率f_n以及虚拟转子的转速ω_r计算出转子运动方程单元计算所需的虚拟转子的驱动转矩T_m：

将虚拟转子的转速ω_r除以2π，得到虚拟转子的频率f_r，然后电网额定频率f_n减去虚拟转子的频率f_r，得到的差值f_n-f_r乘以下垂系数D_p，得到的乘积(f_n-f_r)D_p与驱动功率P_ref相加，得到的和进行限幅后即得到虚拟转子的驱动转矩T_m；

一虚拟励磁单元，根据给定电压V_ref以及电压dq分量V_d、V_q计算出虚拟发电机励磁电压E_f：

首先对电压dq分量V_d、V_q先求平方和然后开方得到机端电压幅值，然后将机端电压幅值与虚拟发电机励磁电压E_f经过负反馈环节反馈值进行相加，得到电压V_f，再后，给定电压V_ref减去电压V_f，得到的差值进行超前-滞后补偿、电压控制及限幅控制后，输入虚拟励磁机中，得到虚拟发电机励磁电压E_f；其中，负反馈环节为：

$\frac{K_f\&CenterDot;s}{T_f\&CenterDot;s+1}$

K_f和T_f分别表示增益和时间常数；

虚拟励磁机为：

$\frac{1}{T_{e1}\&CenterDot;s+K_e}$

其中，T_e1和K_e分别表示励磁机时间常数和放大倍数。

一同步发电机电磁暂态单元，根据虚拟励磁单元计算出的虚拟发电机励磁电压E_ref、转子运动方程单元计算出的虚拟转子的转速ω_r以及dq变换单元输出的电流dq分量I_d、I_q，计算出符合同步发电机方程的机端电压给定值V_rd和V_rq以及dq轴的逆变器基本控制电压E′_d、E′_q：

$T_{q0}^{\&prime;}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_d^{\&prime;}=-[E_d^{\&prime;\&prime;}+(x_q-x_q^{\&prime;})i_q]---\left(8\right)$

$T_{d0}^{\&prime;}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_q^{\&prime;}=E_f-E_q^{\&prime;}+(x_d-x_d^{\&prime;})i_d---\left(9\right)$

P_e=[E′₂+(x′_d-x′_q)i_d]i_q+E′_di_d  （10）

T_e=P_e/ω_r  （11）

V_rq=ω_r(E′_q+x′_di_d)+i_qR_s  （12）

V_rd=ω_r(E′_d-x′_qi_q)+i_dR_s  （13）

根据公式（8）、（9）计算出模拟的同步发电机dq轴暂态电动势E′_d、E′_q作为逆变器基本控制电压，公式（10）、（11）计算出电磁转矩T_e提供给转子运动方程单元，公式（10）、（11）计算出符合同步发电机方程的机端电压给定值V_rd和V_rq；其中，分别为E′_q、E′_d的导数，x_d和x_q分别为模拟的同步发电机dq轴同步电抗，T′_d0、T′_q0分别为模拟的同步发电机dq轴开路暂态时间常数，x′_d和x′_q分别为模拟的同步发电机dq轴暂态电抗，R_s为模拟的同步发电机的定子电阻；

一双PI内环控制单元，首先将机端电压给定值V_rd和V_rq分别与电压dq分量V_d、V_q进行差值运算，得到的差值V_rd-V_d、V_rq-V_q分别进行PI控制后，输出补充分量E_dc′、E_qc′，补充分量E_dc′、E_qc′分别与同步发电机dq轴暂态电动势E′_d、E′_q相加，得到控制电压E_d、E_q；

一dq反变换单元，将控制电压E_d、E_q以及补充一个值为0的分量分别作为dq0轴分量，依据转子运动方程单元计算出的位置角θ进行dq反变换，得到PWM调制信号U_ca、U_cb、U_cc送入PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号发生器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明具有同步发电机特性的逆变控制器，包括转子运动方程单元、dq变换单元、dq反变换单元，在此基础上，增加了虚拟调速器、虚拟励磁单元以及双PI内环控制单元，同时，对同步发电机电磁暂态单元进行了改进，这样可以产生具有同步发电机特性的PWM调制信号U_ca、U_cb、U_cc，提供给PWM信号发生器产生逆变器的开关控制信号，后者经驱动电路后控制逆变桥电路开关，使得电网中的逆变器动态特性具有类似的同步发电机特性。

附图说明

图1是典型的逆变器结构原理图；

图2是一种仿同步发电机特性的逆变控制器原理图；

图3是本发明具有同步发电机特性的逆变控制器一具体实施方式原理图；

图4是图3所示虚拟调速器的原理图；

图5是图3所示虚拟励磁单元的原理图

图6是图3所示双PI内环控制单元的原理图；

图7是图3所示具有同步发电机特性的逆变控制器运行在VF模式的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图3是本发明具有同步发电机特性的逆变控制器一具体实施方式原理图。

在本实施例中，如图3所示，本发明具有同步发电机特性的逆变控制器包括虚拟调速器1、转子运动方程单元2、dq变换单元3、虚拟励磁单元4、同步发电机电磁暂态单元5、双PI内环控制单元6以及dq反变换单元7。

在本实施例中，如图3所示，左边两个虚线的PI控制器表示控制逆变器机端输出的有功功率P_eo和无功功率Q_eo与各自的设定值P_set和Q_set相等的控制目标。在P选择开关处，如果上面的闭合，即选择有功功率设定值P_set与逆变器机端输出的有功功率P_eo送入PI控制器进行PI控制后的输出作为驱动功率P_ref，则表示逆变器运行的一个控制目标是输出有功功率P_eo必须等于有功功率设定值P_set；如果选择下面的部分闭合，则逆变器输入的驱动功率P_ref为有功功率设定值P_set，对其输出的实际的有功功率没有要求。P选择开关的输出驱动功率P_ref输入虚拟调速器1。同理，下面的Q、V模式选择开关，如果上面的开关闭合，即选择无功功率Q_set与逆变器机端输出的无功功率Q_eo送入另一PI控制器中进行PI控制后的输出作为给定电压V_ref，则表示逆变器运行的另一个控制目标为输出无功功率Q_eo必须等于无功功率设定值Q_set；而下面的开关闭合，则给定电压V_ref为机端电压设定值V_set，控制目标为逆变器的机端电压为V_set。Q、V模式选择开关的输出作为输入虚拟励磁单元4的给定电压V_ref。这样，通过不同的开关组合，逆变器可以构成PQ、PV等不同的运行模式。无论何种运行模式，目标中间的双PI内环控制单元对于模拟同步发电机特性都是不可缺少。

具体工作过程为：逆变器机端机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c，经过低通滤波之后输入逆变控制器中，在dq变换单元3中进行dq变换，dq变换所需的转子位置角θ由转子运动方程单元2提供，这样，机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c分别转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量V_d、V_q和电流dq分量I_d、I_q。

在本发明中，转子运动方程单元2前接有一虚拟调速器1，该虚拟调速器1的数学模型可以和同步发电机调速器的数学模型一致，无论是水轮机还是汽轮机。并且在参数的选取上则可以更加灵活，不用过多地考虑物理因素的限制。虚拟调速器1的数学模型通常如图4所示，将虚拟转子的转速ω_r除以2π，得到虚拟转子的频率f_r，然后电网额定频率f_n减去虚拟转子的频率f_r，得到的差值f_n-f_r乘以下垂系数D_p，得到的乘积(f_n-f_r)D_p与驱动功率P_ref相加，得到的和进行限幅后即得到转子运动方程单元计算所需的虚拟转子的驱动转矩T_m。

在本实施例中，上述在用标么值表示，并忽略转子虚拟转子的频率f_r与同步转速的差，可以认为驱动功率P_ref代表了驱动力矩的大小。下垂系数D_p的作用力图确保虚拟转子的转速ω_r达到同步转速，在转子为非同步转速的情况下，调整虚拟转子的驱动力矩。限幅环节主要是限定逆变器的输出功率，其范围与逆变器的直流端的特性有关。

如图3所示，转子运动方程单元2根据虚拟转子的驱动转矩T_m、电磁转矩T_e，依据转子运动方程计算出虚拟转子的转速ω_r及其位置角θ。转子运动方程单元2为现有技术，其数学模型如公式（1）、（2）所示，在此不再赘述。

虚拟励磁单元根据给定电压V_ref以及电压dq分量V_d、V_q计算出虚拟发电机励磁电压E_f。虚拟励磁单元的数学模型如图5所示。

虚拟励磁单元数学模型和同步发电机的励磁系统具有一致的数学表达式，并且参数的意义相同。如图5所示，首先对电压dq分量V_d、V_q先求平方和然后开方得到机端电压幅值，其中，Hypot表示先求平方和然后再开方的数学运算，输出。

$\frac{1}{T_r\&CenterDot;s+1}$

表示一个滤波环节，T_r表示一个滤波系数，在本实施例中，可以设置为0，因为测量机端电压U_a、U_b、U_c在dq变换之前已经经过滤波处理。

机端电压幅值与虚拟发电机励磁电压E_f经过负反馈环节反馈值进行相加，得到电压V_f，再后，给定电压V_ref减去电压V_f，得到的差值进行超前-滞后补偿、电压控制及限幅控制后，输入虚拟励磁机中，得到虚拟发电机励磁电压E_f。

$\frac{T_c\&CenterDot;s+1}{T_b\&CenterDot;s+1}$

表示一个超前-滞后的补偿环节，在实际应用中，系数T_c和T_b可以设置为0。

$\frac{K_a}{T_a\&CenterDot;s+1}$

表示惯性放大环节，K_a、T_a为系数。该环节和超前-滞后补偿环节一起构成了电压调节器。

随后是一个限幅环节，E_fmax和E_fmin分别为电压控制输出的最大值和最小值，与逆变器直流端的额定电压U_dc和机端电压设定值V_set有关。

$\frac{1}{T_e\&CenterDot;s+K_e}$

表示虚拟励磁机的特性。

$\frac{K_f\&CenterDot;s}{T_f\&CenterDot;s+1}$

表示一个负反馈环节K_f和T_f分别表示增益和时间常数；

同步发电机电磁暂态单元5根据虚拟励磁单元4计算出的虚拟发电机励磁电压E_ref、转子运动方程单元2计算出的虚拟转子的转速ω_r以及dq变换单元3输出的电流dq分量I_d、I_q，计算出符合同步发电机方程的机端电压给定值V_rd和V_rq以及dq轴的逆变器基本控制电压E′_d、E′_q，具体为：

$T_{q0}^{\&prime;}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_d^{\&prime;}--[E_d^{\&prime;}+(x_q-x_q^{\&prime;})i_q]---\left(8\right)$

$T_{d0}^{\&prime;}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_q^{\&prime;}=E_f-E_q^{\&prime;}+(x_d-x_d^{\&prime;})i_d---\left(9\right)$

P_e=[E′_q+(x′_d-x′_q)i_d]i_q+E′_di_d  （10）

T_e=P_e/ω_r  （11）

V_rq=ω_r(E′_q+x′_di_d)+i_qR_s  （12）

V_rd=ω_r(E′_d-x′_qi_q)+i_dR_s  （13）

根据公式（8）、（9）计算出模拟的同步发电机dq轴暂态电动势E′_d、E′_q作为逆变器基本控制电压，公式（10）、（11）计算出电磁转矩T_e提供给转子运动方程单元，公式（10）、（11）计算出符合同步发电机方程的机端电压给定值V_rd和V_rq；其中，为E′_q、E′_d的导数，x_d和x_q分别为模拟的同步发电机dq轴同步电抗，T′_d0、T′_q0分别为模拟的同步发电机dq轴开路暂态时间常数，x′_d和x′_q分别为模拟的同步发电机dq轴暂态电抗，R_s为模拟的同步发电机的定子电阻。

实际上，由于逆变器的输出阻抗与所模拟的同步发电机参数不同，因此依照上述计算的dq轴逆变器基本控制电压E′_d、E′_q产生PWM波形去控制逆变器，实际的机端电压dq分量V_d、V_q却不一定满足同步发电机的模型。因此，在本发明中引入两个PI控制器，分别去控制逆变器的机端电压U_a、U_b、U_c的d、q分量，使得其输出符合同步发电机的方程。由此产生了逆变器PWM信号的补充分量E_dc′、E_qc′。该补充分量E_dc′、E_qc′分量与同步发电机dq轴暂态电动势E′_d、E′_q分别合并在一起成为控制电压E_d、E_q，并补充一个值为0的零轴分量，产生最终得到PWM调制信号U_ca、U_cb、U_cc。

双PI内环控制单元6如图6所示，首先将机端电压给定值V_rd和V_rq分别与电压dq分量V_d、V_q进行差值运算，得到的差值V_rd-V_d、V_rq-V_q分别进行PI控制后，输出补充分量E_dc′、E_qc′，补充分量E_dc′、E_qc′分别与同步发电机dq轴暂态电动势E′_d、E′_q相加，得到控制电压E_d、E_q。

dq反变换单元7，将控制电压E_d、E_q以及补充一个值为0的分量分别作为dq0轴分量，依据转子运动方程单元计算出的位置角θ进行dq反变换，得到PWM调制信号U_ca、U_cb、U_cc送入PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号发生器。

本发明具有同步发电机特性的逆变控制器，在控制结构上，也可以分为内外两个环的控制结构。内环则模拟同步发电机的电磁暂态过程，是双PI控制闭环的结构。外环可以模拟同步发电机的PQ、下垂、PV、Vf等特性，也是闭环结构。通过选择不同的运行模式，并给定机端电压设定值V_set、电网额定频率f_n、有功功率设定值P_set、无功功率设定值Q_set以及下垂系数D_p的值，构成逆变器运行的不同模式。这些内容和同步发电机运行类似，在此不再赘述。

下面给出了本发明涉及的逆变控制器的三种设计方案。这三种方案所对应的逆变器控制器参数可以选择为如下所示。实际上，设计人员可以根据运行要求，选择其他的参数。

虚拟调速器的设置参数为：下垂系数D_p=1。

虚拟励磁单元的设置参数可以为：滤波系数T_r=0，系数T_c=0和T_b=0，系数K_a=300，T_a=0.001，E_fmax=3.5，E_fmin=-3.5，K_e=1，T_e1=0，K_f=0.001，T_f=0.1。

待模拟的同步发电机的参数为：R_s=0.002455，x_d=x_q=2.1017，x′_d=x′_q=0.9931，T′_d0=7.2575，T′_q0=1.4321×10^-5，J=0.05。这些参数均为标么值。实际上对应的三相同步发电机的额定电压为380V，额定功率为50kW，频率为50Hz。

逆变器直流端的电压U_dc=750V。

（1）、逆变器运行在Vf模式，即控制逆变器机端电压和电网频率处于恒定状态。

在上述模型中，给定机端电压设定值V_set、电网额定频率f_n、有功功率设定值P_set的值，并使得P和Q模式的PI控制环节不起作用。有功功率设定值P_set的值直接进入虚拟调速器。机端电压设定值V_set的值直接进入虚拟励磁单元。运行方式如图7所示。

（2）、逆变器运行在PV模式，即控制逆变器机端输出有功功率和电压处于给定值的模式。

给定机端电压设定值V_set、电网额定频率f_n、有功功率设定值P_set的值，QV模式选择开关下半部分接入，上半部分的PI控制器不起作用；P选择开关中上半部分连接，PI控制器接入运行，使得逆变器的输出有功构成闭环控制回路。机端电压设定值V_set的值直接进入虚拟励磁单元。

（3）、逆变器运行在PQ模式，即控制逆变器机端输出有功功率和无功处于恒定的模式。

给定机端电压设定值V_set、电网额定频率f_n、有功功率设定值P_set的值，P选择开关、QV模式选择开关的上半部分均连接，两个PI控制器接入运行，使得逆变器的输出有功和无功构成闭环控制回路。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种具有同步发电机特性的逆变控制器，包括：

一转子运动方程单元，根据虚拟转子的驱动转矩T_m、电磁转矩T_e，依据转子运动方程计算出虚拟转子的转速ω_r及其位置角θ；

一dq变换单元，逆变器机端实测机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c，经过低通滤波之后，输入dq变换单元进行dq变换，dq变换所需的转子位置角θ由转子运动方程单元提供，这样，机端电压U_a、U_b、U_c以及机端电流I_a、I_b、I_c分别转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量V_d、V_q和电流dq分量i_d、i_q；

其特征在于，还包括：

一虚拟调速器，根据驱动功率P_ref、电网额定频率f_n以及虚拟转子的转速ω_r计算出转子运动方程单元计算所需的虚拟转子的驱动转矩T_m：

将虚拟转子的转速ω_r除以2π，得到虚拟转子的频率f_r，然后电网额定频率f_n减去虚拟转子的频率f_r，得到的差值f_n-f_r乘以下垂系数D_p，得到的乘积(f_n-f_r)D_p与驱动功率P_ref相加，得到的和进行限幅后即得到虚拟转子的驱动转矩T_m；

一虚拟励磁单元，根据给定电压V_ref以及电压dq分量V_d、V_q计算出虚拟发电机励磁电压E_f：

首先对电压dq分量V_d、V_q先求平方和然后开方得到机端电压幅值，然后将机端电压幅值与虚拟发电机励磁电压E_f经过负反馈环节反馈值进行相加，得到电压V_f，再后，给定电压V_ref减去电压V_f，得到的差值进行超前-滞后补偿、电压控制及限幅控制后，输入虚拟励磁机中，得到虚拟发电机励磁电压E_f；其中，负反馈环节为：

其中，K_f和T_f分别表示增益和时间常数；

虚拟励磁机为：

其中，T_e1和K_e分别表示励磁机时间常数和放大倍数；

一同步发电机电磁暂态单元，根据虚拟励磁单元计算出的虚拟发电机励磁电压E_f、转子运动方程单元计算出的虚拟转子的转速ω_r以及dq变换单元输出的电流dq分量i_d、i_q，计算出符合同步发电机方程的机端电压给定值V_rd和V_rq以及dq轴的逆变器基本控制电压E′_d、E′_q：

$T_{q0}^{\&prime;}{\stackrel{.}{E}}_d^{\&prime;}=-[E_d^{\&prime;}+(x_q-x_q^{\&prime;})i_q]---\left(8\right)$

$T_{d0}^{\&prime;}{\stackrel{.}{E}}_q^{\&prime;}=E_f-E_q^{\&prime;}+(x_d-x_d^{\&prime;})i_d---\left(9\right)$

T_e＝{[E′_q+(x′_d-x′_q)i_d]i_q+E′_di_d}/ω_r   (10)

V_rq＝ω_r(E′_q+x′_di_d)+i_qR_s      (11)

V_rd＝ω_r(E′_d-x′_qi_q)+i_dR_s    (12)

根据公式(8)、(9)计算出模拟的同步发电机dq轴暂态电动势E′_d、E′_q作为逆变器基本控制电压，公式(10)计算出电磁转矩T_e提供给转子运动方程单元，公式(10)计算出符合同步发电机方程的机端电压给定值V_rd和V_rq；其中，为E′_q、E′_d的导数，x_d和x_q分别为模拟的同步发电机dq轴同步电抗，T′_d0、T′_q0分别为模拟的同步发电机dq轴开路暂态时间常数，x′_d和x′_q分别为模拟的同步发电机dq轴暂态电抗，R_s为模拟的同步发电机的定子电阻；

一双PI内环控制单元，首先将机端电压给定值V_rd和V_rq分别与电压dq分量V_d、V_q进行差值运算，得到的差值V_rd-V_d、V_rq-V_q分别进行PI控制后，输出补充分量E_dc′、E_qc′，补充分量E_dc′、E_qc′分别与同步发电机dq轴暂态电动势E′_d、E′_q相加，得到控制电压E_d、E_q；

一dq反变换单元，将控制电压E_d、E_q以及补充一个值为0的分量分别作为dq0轴分量，依据转子运动方程单元计算出的位置角θ进行dq反变换，得到PWM调制信号U_ca、U_cb、U_cc送入PWM信号发生器。

2.根据权利要求1所述的逆变控制器，其特征在于，还包括两个PI控制器、P选择开关以及Q、V模式选择开关；

如果P选择开关选择有功功率设定值P_set与逆变器机端输出的有功功率P_eo送入PI控制器进行PI控制后的输出作为驱动功率P_ref，则表示逆变器运行的一个控制目标是输出有功功率P_eo必须等于有功功率设定值P_set；如果选择逆变器输入的驱动功率P_ref为有功功率设定值P_set，对其输出的实际的有功功率没有要求；

如果Q、V模式选择开关选择无功功率Q_set与逆变器机端输出的无功功率Q_eo送入另一PI控制器中进行PI控制后的输出作为给定电压V_ref，则表示逆变器运行的另一个控制目标为输出无功功率Q_eo必须等于无功功率设定值Q_set；如果选定给定电压V_ref为机端电压设定值V_set，控制目标为逆变器的机端电压为V_set。