CN104578860B - 一种单相逆变器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相逆变器控制系统，包括依次连接的电源、单相逆变器主电路、LC滤波电路、负载和用于并网的带有开关的电网，还包括：虚拟功率计算模块，功率转换模块，相位同步调节模块，虚拟电压相位计算模块，虚拟电压合成模块，调制模块，用于根据虚拟电压合成模块合成的虚拟电压、所述LC滤波电路中的滤波电感电流和载波电压产生脉冲控制信号，用于控制所述单相逆变器。本发明其适用于分布式电源与微电网领域，并且提供了与配电网及微电网的同步机制。

Description

一种单相逆变器控制系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种单相逆变器控制系统。

背景技术

随着全球范围内的能源危机和环境问题的日益突出，分布式发电技术与微电网技术得到越来越多的关注，作为分布式电源与配电网(或微电网)的纽带，并网逆变器的功能被深入挖掘并肯定了其有益的作用，但仍无法忽视常规控制策略本身给配电网和微电网安全稳定运行带来的挑战。尤其是常规并网逆变器响应速度快、难以参与电网调节，无法为含分布式电源的主动配电网提供必要的电压和频率支撑，更无法为稳定性相对较差的微电网提供必要的阻尼作用，缺乏一种与配电网及微电网有效的同步机制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种单相逆变器控制系统，其适用于分布式电源与微电网领域，并且提供了与配电网及微电网的同步机制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单相逆变器控制系统，包括依次连接的电源、单相逆变器主电路、LC滤波电路、负载和用于并网的带有开关的电网，还包括：

虚拟功率计算模块，用于根据虚拟电压合成模块合成的虚拟电压和所述LC滤波电路中的滤波电感电流计算得到虚拟有功功率和虚拟无功功率；

功率转换模块，用于计算有功功率指令值和无功功率指令值，并根据所述单相逆变器的虚拟输出阻抗、所述滤波电感感抗、所述有功功率指令值和所述无功功率指令值，将所述虚拟有功功率和虚拟无功功率转换为有功功率值和无功功率值；

相位同步调节模块，用于根据所述电网的电压和所述单相逆变器的输出电压计算得到功率调节信号；

虚拟电压相位计算模块，用于根据所述有功功率值和所述功率调节信号的和，计算得到虚拟电压相位；

虚拟电压幅值计算模块，用于根据所述无功功率值计算得到虚拟电压幅值；

虚拟电压合成模块，用于根据所述虚拟电压相位和所述虚拟电压幅值合成虚拟电压；

调制模块，用于根据所述虚拟电压、所述LC滤波电路中的滤波电感电流和载波电压产生脉冲控制信号，用于控制所述单相逆变器。

进一步的，所述虚拟功率计算模块具体包括：

虚拟有功功率计算单元，用于根据所述虚拟电压合成模块合成的虚拟电压和所述LC滤波电路中的滤波电感电流计算得到虚拟有功功率；其中，p_o＝v_r·i_L；p_o表示虚拟有功功率，v_r表示虚拟电压，i_L表示滤波电感电流；

虚拟无功功率计算单元，用于根据所述虚拟电压合成模块合成的虚拟电压和所述LC滤波电路中的滤波电感电流计算得到虚拟无功功率；其中，q_o＝v_r·(-j)·i_L，q_o表示虚拟无功功率。

进一步的，所述功率转换模块具体包括：

有功功率指令值计算单元，用于根据单相逆变器频率-有功下垂曲线计算得到有功功率指令值；其中，P_ref＝(f^*-f)·k_f，P_ref表示有功功率指令值，f^*表示所述单相逆变器频率-有功下垂曲线中的最大频率，f表示单相逆变器输出的实际频率，k_f表示频率-有功下垂系数；

无功功率指令值计算单元，用于根据单相逆变器电压-无功下垂曲线计算得到无功功率指令值；其中，Q_ref＝(V^*-V)·k_v，Q_ref表示无功功率指令值，V^*表示所述单相逆变器电压-无功下垂曲线中的最大电压，V表示单相逆变器输出的实际电压，k_v表示电压-无功下垂系数；

功率转换计算单元，用于根据所述单相逆变器的虚拟输出阻抗、所述滤波电感感抗、所述有功功率指令值和所述无功功率指令值，将所述虚拟有功功率和虚拟无功功率转换为有功功率值和无功功率值；其中，

其中，P′表示有功功率值，Q′表示无功功率值，其中R表示单相逆变器的虚拟输出阻抗，X＝ωL表示滤波电感感抗，Z＝R+j·X。

进一步的，所述相位同步调节模块具体用于根据所述电网的电压和所述单相逆变器的输出电压计算得到功率调节信号；其中，

其中，ΔP表示功率调节信号，e_g表示电网的电压，v_o表示单相逆变器的输出电压，表示相位调整系数，ω_c表示所述LC滤波电路的转折频率。

进一步的，所述虚拟电压相位计算模块具体用于根据所述有功功率值和所述功率调节信号的和，计算得到虚拟电压相位；其中，

其中，θ表示虚拟电压相位，P^*＝P′+ΔP，k_ω、k_p分别为角频率调节系数和有功调节系数，ω₀为电网角频率。

进一步的，所述虚拟电压幅值计算模块具体用于根据所述无功功率值计算得到虚拟电压幅值；其中，

其中，V表示虚拟电压幅值，k_q表示无功调节系数。

进一步的，所述虚拟电压合成模块具体用于根据所述虚拟电压相位和所述虚拟电压幅值合成虚拟电压；其中，v_r＝V·sin(θ)，v_r表示虚拟电压。

进一步的，所述调制模块具体包括：

调制信号计算单元，用于根据所述虚拟电压、所述LC滤波电路中的滤波电感电流产生调制信号；其中，v_m＝v_r-i_L·R，v_m表示调制信号电压；

控制单元，用于根据所述调制信号电压对载波电压进行脉宽调制，从而产生脉冲控制信号，控制所述单相逆变器的开关。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明适用于分布式电源与微电网领域，并且提供了与配电网及微电网的同步机制；本发明还可以实现单台及多台逆变器并联系统运行在并网模式、孤岛模式，同时可实现孤岛、并网两种模式的无缝切换功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的单相逆变器控制系统的一个实施例的系统框图；

图2是图1的具体结构示意图；

图3是逆变器运行在并网模式下，电网电压e_g与滤波电感电流i_L仿真波形；

图4是逆变器运行在孤岛模式下，逆变器电压v_o与滤波电感电流i_L仿真波形；

图5是逆变器孤岛模式与并网模式相切换时电网电压e_g与滤波电感电流i_L的仿真波形；

图6是两台逆变器并联运行在并网模式下时，两台逆变器的滤波电感电流i_L1、i_L2的仿真波形；

图7是两台逆变器并联运行在孤岛模式下时，两台逆变器的滤波电感电流i_L1、i_L2的仿真波形；

图8是两台逆变器并联运行在孤岛模式与并网模式相切换时，两台逆变器的滤波电感电流i_L1、i_L2的仿真波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的单相逆变器控制系统的一个实施例的系统框图，如图1所示，包括依次连接的电源U_in、单相逆变器主电路101、LC滤波电路102、负载R_o和用于并网的带有开关S的电网e_g，还包括：

虚拟功率计算模块103，用于根据虚拟电压合成模块108合成的虚拟电压v_r和所述LC滤波电路102中的滤波电感电流i_L计算得到虚拟有功功率p_o和虚拟无功功率q_o；

功率转换模块104，用于计算有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref，并根据所述单相逆变器的虚拟输出阻抗、所述滤波电感感抗、有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref，将虚拟有功功率p_o和虚拟无功功率q_o转换为有功功率值P′和无功功率值Q′；

相位同步调节模块105，用于根据所述电网的电压e_g和所述单相逆变器的输出电压v_o计算得到功率调节信号ΔP；

虚拟电压相位计算模块106，用于根据所述有功功率值P′和所述功率调节信号ΔP的和，计算得到虚拟电压相位θ；

虚拟电压幅值计算模块107，用于根据所述无功功率值Q′计算得到虚拟电压幅值V；

虚拟电压合成模块108，用于根据所述虚拟电压相位θ和所述虚拟电压幅值V合成虚拟电压v_r；

调制模块109，用于根据所述虚拟电压v_r、所述LC滤波电路中的滤波电感电流i_L和载波电压v_c产生控制信号d，用于控制所述单相逆变器。

其中，如图2所示，所述虚拟功率计算模块103具体包括：

虚拟有功功率计算单元，根据虚拟电压合成模块108合成的虚拟电压v_r和所述LC滤波电路102中的滤波电感电流i_L计算得到虚拟有功功率p_o；其中，p_o＝v_r·i_L；

虚拟无功功率计算单元，用于根据虚拟电压合成模块108合成的虚拟电压v_r和所述LC滤波电路102中的滤波电感电流i_L计算得到虚拟无功功率q_o；其中，q_o＝v_r·(-j)·i_L。

其中，如图2所示，所述功率转换模块104具体包括：

有功功率指令值计算单元，用于根据单相逆变器频率-有功下垂曲线计算得到有功功率指令值P_ref；其中，P_ref＝(f^*-f)·k_f，f^*表示所述单相逆变器频率-有功下垂曲线中的最大频率，f表示单相逆变器输出的实际频率，k_f表示频率-有功下垂系数；

无功功率指令值计算单元，用于根据单相逆变器电压-无功下垂曲线计算得到无功功率指令值Q_ref；其中，Q_ref＝(V^*-V)·k_v，V^*表示所述单相逆变器电压-无功下垂曲线中的最大电压，V表示单相逆变器输出的实际电压，k_v表示电压-无功下垂系数；

功率转换计算单元，用于根据所述单相逆变器的虚拟输出阻抗、所述滤波电感感抗、有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref，将虚拟有功功率p_o和虚拟无功功率q_o转换为有功功率值P′和无功功率值Q′；其中，

其中，其中R表示单相逆变器的虚拟输出阻抗，X＝ωL表示滤波电感感抗，Z＝R+j·X。

其中，所述相位同步调节模块105具体用于根据所述电网的电压e_g和所述单相逆变器的输出电压v_o计算得到功率调节信号ΔP；其中，

其中，表示相位调整系数，ω_c表示所述LC滤波电路的转折频率。

其中，所述虚拟电压相位计算模块106具体用于根据所述有功功率值P′和所述功率调节信号ΔP的和，计算得到虚拟电压相位θ；其中，

其中，P^*＝P′+ΔP，k_ω、k_p分别为角频率调节系数和有功调节系数，ω₀为电网角频率。

其中，所述虚拟电压幅值计算模块107具体用于根据所述无功功率值Q′计算得到虚拟电压幅值V；其中，

k_q表示无功调节系数。

其中，所述虚拟电压合成模块108具体用于根据所述虚拟电压相位θ和所述虚拟电压幅值V合成虚拟电压v_r；其中，v_r＝V·sin(θ)。

其中，如图2所示，所述调制模块109具体包括：

调制信号计算单元，用于根据所述虚拟电压v_r、所述LC滤波电路中的滤波电感电流i_L产生调制信号v_m；其中，v_m＝v_r-i_L·R；

控制单元，用于根据所述调制信号电压v_m对载波电压v_c进行脉宽调制，产生脉冲控制信号d，控制所述单相逆变器的开关。

对本发明进行仿真实验验证，其中仿真分为单台逆变器运行和两台逆变器并联运行两种情况。仿真参数为：两台逆变器额定输出功率分别为2kVA和1kVA，直流输入电压U_in均为250VDC，电网电压e_g为120VAC(rms)/50Hz，逆变器输出滤波电感L_f均为5mH，输出滤波电容C_f均为2μF，负载电阻R_o为10欧姆。

单台逆变器运行时：

图3为逆变器运行在并网模式下，电网电压e_g与滤波电感电流i_L波形；图4为逆变器运行在孤岛模式下，逆变器输出电压v_o与滤波电感电流i_L波形；图5是逆变器孤岛模式与并网模式相切换时电网电压e_g与滤波电感电流i_L的仿真波形，其中在t＝0.2s时刻逆变器由并网模式切换到孤岛模式，在t＝0.4s时刻逆变器再由孤岛模式切换回并网模式。图3、4、5给出的仿真波形显示，基于本发明的系统控制下，单台逆变器很好得实现了在并网模式、孤岛模式下的稳定运行，同时在孤岛模式与并网模式之间实现了无缝切换，切换瞬间没有发生电流过冲现象。

两台逆变器并联运行时：

图6为两台逆变器并联运行在并网模式下，两台逆变器滤波电感电流i_L1、i_L2波形；图7为两台逆变器并联运行在孤岛模式下，两台逆变器滤波电感电流i_L1、i_L2波形；图8给出了两台逆变器并联运行在孤岛模式与并网模式相切换时的i_L1、i_L2波形，其中在t＝0.2s时刻逆变器并联系统由并网模式切换到孤岛模式，在t＝0.4s时刻逆变器并联系统再由孤岛模式切换回并网模式。图6、7、8给出的仿真波形显示，基于本发明的系统控制下，两台逆变器并联运行时同样很好得实现了在并网模式、孤岛模式下的稳定运行，同时在孤岛模式与并网模式之间均实现了无缝切换。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明适用于分布式电源与微电网领域，并且提供了与配电网及微电网的同步机制；本发明还可以实现单台及多台逆变器并联系统运行在并网模式、孤岛模式，同时可实现孤岛、并网两种模式的无缝切换功能。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种单相逆变器控制系统，包括依次连接的电源、单相逆变器主电路、LC滤波电路、负载和用于并网的带有开关的电网，其特征在于，还包括：

虚拟功率计算模块，用于根据虚拟电压合成模块合成的虚拟电压和所述LC滤波电路中的滤波电感电流计算得到虚拟有功功率和虚拟无功功率；

功率转换模块，用于计算有功功率指令值和无功功率指令值，并根据所述单相逆变器的虚拟输出阻抗、滤波电感感抗、所述有功功率指令值和所述无功功率指令值，将所述虚拟有功功率和虚拟无功功率转换为有功功率值和无功功率值；

相位同步调节模块，用于根据所述电网的电压和所述单相逆变器的输出电压计算得到功率调节信号；

虚拟电压相位计算模块，用于根据所述有功功率值和所述功率调节信号的和，计算得到虚拟电压相位；

虚拟电压幅值计算模块，用于根据所述无功功率值计算得到虚拟电压幅值；

虚拟电压合成模块，用于根据所述虚拟电压相位和所述虚拟电压幅值合成虚拟电压；

调制模块，用于根据所述虚拟电压、所述LC滤波电路中的滤波电感电流和载波电压产生脉冲控制信号，用于控制所述单相逆变器。

2.如权利要求1所述的单相逆变器控制系统，其特征在于，所述虚拟功率计算模块具体包括：

虚拟有功功率计算单元，用于根据所述虚拟电压合成模块合成的虚拟电压和所述LC滤波电路中的滤波电感电流计算得到虚拟有功功率；其中，p_o＝v_r·i_L；p_o表示虚拟有功功率，v_r表示虚拟电压，i_L表示滤波电感电流；

虚拟无功功率计算单元，用于根据所述虚拟电压合成模块合成的虚拟电压和所述LC滤波电路中的滤波电感电流计算得到虚拟无功功率；其中，q_o＝v_r·(-j)·i_L，q_o表示虚拟无功功率。

3.如权利要求2所述的单相逆变器控制系统，其特征在于，所述功率转换模块具体包括：

有功功率指令值计算单元，用于根据单相逆变器频率-有功下垂曲线计算得到有功功率指令值；其中，P_ref＝(f^*-f)·k_f，P_ref表示有功功率指令值，f^*表示所述单相逆变器频率-有功下垂曲线中的最大频率，f表示单相逆变器输出的实际频率，k_f表示频率-有功下垂系数；

无功功率指令值计算单元，用于根据单相逆变器电压-无功下垂曲线计算得到无功功率指令值；其中，Q_ref＝(V^*-V)·k_v，Q_ref表示无功功率指令值，V^*表示所述单相逆变器电压-无功下垂曲线中的最大电压，V表示单相逆变器输出的实际电压，k_v表示电压-无功下垂系数；

功率转换计算单元，用于根据所述单相逆变器的虚拟输出阻抗、所述滤波电感感抗、所述有功功率指令值和所述无功功率指令值，将所述虚拟有功功率和虚拟无功功率转换为有功功率值和无功功率值；其中，

$\left(\begin{array}{c}{P}^{\′}\\ Q^{\′}\end{array}\right)=\frac{1}{Z}\left(\begin{array}{cc}X& -R\\ R& X\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{P}_{ref}-p_o\\ Q_{ref}-q_o\end{array}\right)$

其中，P′表示有功功率值，Q′表示无功功率值，其中R表示单相逆变器的虚拟输出阻抗，X＝ωL表示滤波电感感抗，Z＝R+j·X。

4.如权利要求3所述的单相逆变器控制系统，其特征在于，所述相位同步调节模块具体用于根据所述电网的电压和所述单相逆变器的输出电压计算得到功率调节信号；其中，

其中，ΔP表示功率调节信号，e_g表示电网的电压，v_o表示单相逆变器的输出电压，表示相位调整系数，ω_c表示所述LC滤波电路的转折频率。

5.如权利要求4所述的单相逆变器控制系统，其特征在于，所述虚拟电压相位计算模块具体用于根据所述有功功率值和所述功率调节信号的和，计算得到虚拟电压相位；其中，

$\mathrm{\θ}=(P^{*}\·k_{\mathrm{\ω}}\·\frac{1}{s}+{\mathrm{\ω}}_0+P^{*}\·k_p)\·\frac{1}{s}$

其中，θ表示虚拟电压相位，P^*＝P′+ΔP，k_ω、k_p分别为角频率调节系数和有功调节系数，ω₀为电网角频率。

6.如权利要求5所述的单相逆变器控制系统，其特征在于，所述虚拟电压幅值计算模块具体用于根据所述无功功率值计算得到虚拟电压幅值；其中，

$V=Q^{\′}\·k_q\·\frac{1}{s}$

其中，V表示虚拟电压幅值，k_q表示无功调节系数。

7.如权利要求6所述的单相逆变器控制系统，其特征在于，所述虚拟电压合成模块具体用于根据所述虚拟电压相位和所述虚拟电压幅值合成虚拟电压；其中，v_r＝V·sin(θ)，v_r表示虚拟电压。

8.如权利要求7所述的单相逆变器控制系统，其特征在于，所述调制模块具体包括：

调制信号计算单元，用于根据所述虚拟电压、所述LC滤波电路中的滤波电感电流产生调制信号；其中，v_m＝v_r-i_L·R，v_m表示调制信号电压；

控制单元，用于根据所述调制信号电压对载波电压进行脉宽调制，从而产生脉冲控制信号，控制所述单相逆变器的开关。