CN105119309A - 适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，包括依次连接的电源、三相逆变器主电路、LC滤波电路和电网，还包括：电流采集模块、电压采集模块、电压信号处理模块、功率计算模块、电压参考信号幅值计算模块、电压参考信号相位计算模块、电压参考信号生成模块、电流环参考信号生成模块、正序调制信号生成模块和调制模块。本发明可实现基于虚拟同步机控制为核心的同步逆变器工作在电网不平衡工况下。

Description

适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统。

背景技术

随着国民经济的快速发展，人们对电力的需求量越来越大，电网的规模以及远距离输送的电力容量均在不断增长。此时，集中式大电网成本高、运行难度大、可靠性低等缺陷将随着电网规模的扩大日渐凸显，越来越不能满足人们对电力供应的质量及用电安全性与可靠性的要求。近年来，由电网中单点故障引起的大规模停电事故频频发生，充分暴露出了大电网系统的脆弱性，供电可靠性问题已引起各国人员的高度重视。此外，集中式大电网发电系统不能跟踪电力负荷的变化，系统的灵活性相对较差。若为了短暂的峰荷建造发电厂，所需花费很大，经济效益很低。为了节省投资，提高发电系统的安全性与灵活性，分布式发电系统及微电网系统应运而生。

在分布式发电及微电网系统中，储能变流器、并网逆变器是实现分布式发电和微电网系统能量转换和传递的核心装置。特别是基于虚拟同步机控制为核心的同步逆变器控制方案，由于其具有模拟同步电机的一次调压/调频功能，以及虚拟转动惯量等环节，在外特性可与同步发电机相媲美。当微电网或配电网发生电压频率异常事件时，能有效地为电网提供必要的有功和无功支撑，极大提高了分布式发电系统和微电网的运行可靠性，从而特别适用于储能装置、新能源发电装置与配电网之间的连接。目前，关于同步逆变器控制策略大多针对理想的三相平衡电网开展相关研究，如何实现同步逆变器在电网发生不平衡工况下正常运行，提高同步逆变器在电网不平衡工况下的运行能力和其工作稳定性是同步逆变器控制的重点和难点。

因此，研究适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，保证同步逆变器在电网不平衡工况下依然能够输出平衡的入网电流，对于实现同步逆变器应用在分布式发电系统和微电网领域，提高其稳定性和可靠性具有重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，可实现基于虚拟同步机控制为核心的同步逆变器工作在电网不平衡工况下。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，包括依次连接的电源、三相逆变器主电路、LC滤波电路和电网，还包括：

电流采集模块，用于采集所述三相逆变器主电路输出的电感电流i_ABC；

电压采集模块，用于采集所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC；

电压信号处理模块，用于获取所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC的幅值V_o和负序分量u_oABC-；

功率计算模块，用于根据所述三相逆变器主电路输出的电感电流i_ABC和电压u_oABC计算得到有功功率p_o和无功功率q_o；

电压参考信号幅值计算模块，用于根据三相逆变器主电路输出的电压幅值V_o、电网电压额定幅值V_n、无功功率给定值Q_ref和无功功率q_o计算得到电压参考信号的幅值V_ref；

电压参考信号相位计算模块，用于根据电网额定角频率ω_n、有功功率给定值P_ref和有功功率p_o计算得到电压参考信号的相位θ_o；

电压参考信号生成模块，用于根据所述电压参考信号的幅值V_ref和所述电压参考信号的相位θ_o生成电压参考信号v_refABC；

电流环参考信号生成模块，用于根据所述电压参考信号v_refABC和三相逆变器主电路输出的电压u_oABC生成电流参考信号i_refABC；

正序调制信号生成模块，用于根据所述电流参考信号i_refABC和所述电感电流i_ABC生成正序调制信号v_mABC+；

调制模块，用于根据所述电压信号处理模块得到的负序分量u_oABC-和所述正序调制信号v_mABC+生成调制波对载波信号v_c进行调制，生成控制信号d，以控制逆变器功率开关。

进一步的，所述电压信号处理模块具体包括：

电压正负序分离单元，用于从所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC中分理处负序分量u_oABC-；

幅值检测单元，用于获取所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC的幅值V_o。

进一步的，所述电压参考信号幅值计算模块具体包括：

电压-无功功率下垂控制调节单元，用于根据所述三相逆变器主电路输出的电压幅值V_o和电网电压额定幅值V_n计算得到无功功率下垂给定值Q_d，其中，Q_d＝(V_n-V_o)·k_v，k_v为电压-无功下垂系数；

积分调节单元，用于根据所述无功功率下垂给定值Q_d、无功功率给定值Q_ref和无功功率q_o计算得到电压参考信号幅值V_ref，其中，K为积分系数。

进一步的，所述电压参考信号相位计算模块具体包括：

频率-有功功率下垂控制调节单元，用于根据电网额定角频率ω_n和虚拟转动惯量模块输出的参考信号的角频率ω_o计算得到有功功率下垂给定值P_d，其中，P_d＝(ω_n-ω_o)·k_f，k_f为频率-有功下垂系数；

虚拟转动惯量单元，用于根据有功功率给定值P_ref、有功功率p_o和所述有功功率下垂给定值P_d计算得到参考信号的角频率ω_o，其中， ${\mathrm{\ω}}_o=(P_d+P_{ref}-p_o).\frac{1}{{\mathrm{J\ω}}_{n}s},$ J为虚拟转动惯量；

逆变器相位生成单元，用于根据所述参考信号的角频率ω_o计算得到电压参考信号的相位θ_o，其中，

进一步的，所述电压参考信号生成模块具体用于根据所述电压参考信号的幅值V_ref和所述电压参考信号的相位θ_o生成电压参考信号v_refABC，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{refA}=V_{ref}cos\left({\mathrm{\θ}}_o\right)\\ v_{refB}=V_{ref}cos({\mathrm{\θ}}_o-120)\\ v_{refC}=V_{ref}cos({\mathrm{\θ}}_o+120)\end{array}\right..$

进一步的，所述电流环参考信号生成模块具体用于根据所述电压参考信号v_refABC和三相逆变器主电路输出的电压u_oABC生成电流参考信号i_refABC，其中，其中，L表示同步逆变器输出滤波电感。

进一步的，所述正序调制信号生成模块具体包括：

电流正负序分离单元，用于从所述电流参考信号i_refABC中分离出正序分量i_refABC+；

电流环调节单元，用于根据所述正序分量i_refABC+和所述电感电流i_ABC生成正序调制信号v_mABC+，其中，式中k_p为电流环调节器比例系数，k_i为电流环调节器积分系数。

进一步的，所述调制模块包括：

调制波生成单元，用于根据所述电压信号处理模块得到的负序分量u_oABC-和所述正序调制信号v_mABC+生成调制波v_mABC，其中，v_mABC＝v_mABC++u_oABC-。

脉宽调制单元，用于根据所述调制波v_mABC对载波信号v_c进行脉宽调制，生成控制信号d，以控制逆变器功率开关。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，实现了基于虚拟同步机控制为核心的同步逆变器在电网不平衡工况下，依然能输出波形良好、三相平衡的入网电流，确保同步逆变器系统安全稳定可靠运行。整个同步逆变器系统始终保持稳定运行。

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是本发明提供的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统的一个实施例的系统框图；

图2是未采用本发明所提出的控制策略时，同步逆变器在上述不平衡电网工况下运行时的三相输出电压和三相输出电感电流波形。

图3是采用本发明所提出的控制策略时，同步逆变器在上述不平衡电网工况下运行时的三相输出电压和三相输出电感电流波形。

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是本发明提供的适用于电网不平衡工况下的同步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、三相逆变器主电路、LC滤波电路和电网，还包括：电流采集模块101、电压采集模块102、电压信号处理模块103、功率计算模块104、电压参考信号幅值计算模块105、电压参考信号相位计算模块106、电压参考信号生成模块107、电流环参考信号生成模块108、正序调制信号生成模块109和调制模块110。

其中，电流采集模块101用于采集所述三相逆变器主电路输出的电感电流i_ABC。

电压采集模块102用于采集所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC。

电压信号处理模块103用于获取所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC的幅值V_o和负序分量u_oABC-。

具体的，所述电压信号处理模块103具体包括：电压正负序分离单元，用于从所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC中分理处负序分量u_oABC-；和

幅值检测单元，用于获取所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC的幅值V_o。

功率计算模块用于根据所述三相逆变器主电路输出的电感电流i_ABC和电压u_oABC计算得到有功功率p_o和无功功率q_o。

电压参考信号幅值计算模块105用于根据三相逆变器主电路输出的电压幅值V_o、电网电压额定幅值V_n、无功功率给定值Q_ref和无功功率q_o计算得到电压参考信号的幅值V_ref。具体的，所述电压参考信号幅值计算模块105具体包括：

电压-无功功率下垂控制调节单元，用于根据所述三相逆变器主电路输出的电压幅值V_o和电网电压额定幅值V_n计算得到无功功率下垂给定值Q_d，其中，Q_d＝(V_n-V_o)·k_v，k_v为电压-无功下垂系数；

积分调节单元，用于根据所述无功功率下垂给定值Q_d、无功功率给定值Q_ref和无功功率q_o计算得到电压参考信号幅值V_ref，其中，K为积分系数。

电压参考信号相位计算模块106用于根据电网额定角频率ω_n、有功功率给定值P_ref和有功功率p_o计算得到电压参考信号的相位θ_o。具体的，所述电压参考信号相位计算模块106具体包括：

频率-有功功率下垂控制调节单元，用于根据电网额定角频率ω_n和虚拟转动惯量模块输出的参考信号的角频率ω_o计算得到有功功率下垂给定值P_d，其中，P_d＝(ω_n-ω_o)·k_f，k_f为频率-有功下垂系数；

虚拟转动惯量单元，用于根据有功功率给定值P_ref、有功功率p_o和所述有功功率下垂给定值P_d计算得到参考信号的角频率ω_o，其中， ${\mathrm{\ω}}_o=(P_d+P_{ref}-p_o).\frac{1}{{\mathrm{J\ω}}_{n}s},$ J为虚拟转动惯量；

逆变器相位生成单元，用于根据所述参考信号的角频率ω_o计算得到电压参考信号的相位θ_o，其中，

电压参考信号生成模块107用于根据所述电压参考信号的幅值V_ref和所述电压参考信号的相位θ_o生成电压参考信号v_refABC，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{refA}=V_{ref}cos\left({\mathrm{\θ}}_o\right)\\ v_{refB}=V_{ref}cos({\mathrm{\θ}}_o-120)\\ v_{refC}=V_{ref}cos({\mathrm{\θ}}_o+120)\end{array}\right..$

电流环参考信号生成模块108具体用于根据所述电压参考信号v_refABC和三相逆变器主电路输出的电压u_oABC生成电流参考信号i_refABC，其中，其中，L表示同步逆变器输出滤波电感。

正序调制信号生成模块109用于根据所述电流参考信号i_refABC和所述电感电流i_ABC生成正序调制信号v_mABC+。具体的，所述正序调制信号生成模块具体包括：

电流正负序分离单元，用于从所述电流参考信号i_refABC中分离出正序分量i_refABC+；

电流环调节单元，用于根据所述正序分量i_refABC+和所述电感电流i_ABC生成正序调制信号v_mABC+，其中，式中k_p为电流环调节器比例系数，k_i为电流环调节器积分系数。

调制模块110用于根据所述电压信号处理模块得到的负序分量u_oABC-和所述正序调制信号v_mABC+生成调制波对载波信号v_c进行调制，生成控制信号d，以控制逆变器功率开关。具体的，所述调制模块110包括：

调制波生成单元，用于根据所述电压信号处理模块得到的负序分量u_oABC-和所述正序调制信号v_mABC+生成调制波v_mABC，其中，v_mABC＝v_mABC++u_oABC-。

脉宽调制单元，用于根据所述调制波v_mABC对载波信号v_c进行脉宽调制，生成控制信号d，以控制逆变器功率开关。

为说明本发明的正确性和可行性，对所提出的一种适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统进行了仿真实验验证，其中仿真参数为：同步逆变器直流输入电压U_in为800VDC，变流器输出滤波电感L_f均为0.15mH，输出滤波电容C_f均为200μF(三角型连接)，三相不平衡电网电压幅值分别为157VAC、257VAC、257VAC，电网电压不平衡度接近40％。

(1)图2给出了未采用本发明所提出的控制策略时，同步逆变器在上述不平衡电网工况下运行时的三相输出电压和三相输出电感电流波形。

(2)图3给出了采用本发明所提出的控制策略时，同步逆变器在上述不平衡电网工况下运行时的三相输出电压和三相输出电感电流波形。

图2图3给出的仿真波形显示，未采用本发明控制方法时，同步逆变器在电网电压不平衡工况条件下，三相输出电感电流出现严重畸变，输出电流波形质量极差。当采用本发明控制方法的同步逆变器工作在同样电网不平衡工况条件下时，同步逆变器三相输出电感电流波形得到了极大的改善，仿真波形显示此时同步逆变器输出电感电流三相平衡度高，且具有较好的正弦度，整个同步逆变器系统始终保持稳定运行。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，实现了基于虚拟同步机控制为核心的同步逆变器在电网不平衡工况下，依然能输出波形良好、三相平衡的入网电流，确保同步逆变器系统安全稳定可靠运行。整个同步逆变器系统始终保持稳定运行。

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)

1.一种适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，包括依次连接的电源、三相逆变器主电路、LC滤波电路和电网，其特征在于，还包括：

电流采集模块，用于采集所述三相逆变器主电路输出的电感电流i_ABC；

电压采集模块，用于采集所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC；

电压信号处理模块，用于获取所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC的幅值V_o和负序分量u_oABC-；

功率计算模块，用于根据所述三相逆变器主电路输出的电感电流i_ABC和电压u_oABC计算得到有功功率p_o和无功功率q_o；

电压参考信号幅值计算模块，用于根据三相逆变器主电路输出的电压幅值V_o、电网电压额定幅值V_n、无功功率给定值Q_ref和无功功率q_o计算得到电压参考信号的幅值V_ref；

电压参考信号相位计算模块，用于根据电网额定角频率ω_n、有功功率给定值P_ref和有功功率p_o计算得到电压参考信号的相位θ_o；

电压参考信号生成模块，用于根据所述电压参考信号的幅值V_ref和所述电压参考信号的相位θ_o生成电压参考信号v_refABC；

电流环参考信号生成模块，用于根据所述电压参考信号v_refABC和三相逆变器主电路输出的电压u_oABC生成电流参考信号i_refABC；

正序调制信号生成模块，用于根据所述电流参考信号i_refABC和所述电感电流i_ABC生成正序调制信号v_mABC+；

调制模块，用于根据所述电压信号处理模块得到的负序分量u_oABC-和所述正序调制信号v_mABC+生成调制波对载波信号v_c进行调制，生成控制信号d，以控制逆变器功率开关。

2.如权利要求1所述的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电压信号处理模块具体包括：

电压正负序分离单元，用于从所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC中分理处负序分量u_oABC-；

幅值检测单元，用于获取所述三相逆变器主电路输出的电压u_oABC的幅值V_o。

3.如权利要求1所述的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电压参考信号幅值计算模块具体包括：

电压-无功功率下垂控制调节单元，用于根据所述三相逆变器主电路输出的电压幅值V_o和电网电压额定幅值V_n计算得到无功功率下垂给定值Q_d，其中，Q_d＝(V_n-V_o)·k_v，k_v为电压-无功下垂系数；

积分调节单元，用于根据所述无功功率下垂给定值Q_d、无功功率给定值Q_ref和无功功率q_o计算得到电压参考信号幅值V_ref，其中，K为积分系数。

4.如权利要求1所述的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电压参考信号相位计算模块具体包括：

频率-有功功率下垂控制调节单元，用于根据电网额定角频率ω_n和虚拟转动惯量模块输出的参考信号的角频率ω_o计算得到有功功率下垂给定值P_d，其中，P_d＝(ω_n-ω_o)·k_f，k_f为频率-有功下垂系数；

虚拟转动惯量单元，用于根据有功功率给定值P_ref、有功功率p_o和所述有功功率下垂给定值P_d计算得到参考信号的角频率ω_o，其中， ${\mathrm{\ω}}_o=(P_d+P_{ref}-p_o)\·\frac{1}{{\mathrm{J\ω}}_{n}s},$ J为虚拟转动惯量；

逆变器相位生成单元，用于根据所述参考信号的角频率ω_o计算得到电压参考信号的相位θ_o，其中，

5.如权利要求1所述的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电压参考信号生成模块具体用于根据所述电压参考信号的幅值V_ref和所述电压参考信号的相位θ_o生成电压参考信号v_refABC，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{refA}=V_{ref}cos\left({\mathrm{\θ}}_o\right)\\ v_{refB}=V_{ref}cos({\mathrm{\θ}}_o-120)\\ v_{refC}=V_{ref}cos({\mathrm{\θ}}_o+120)\end{array}\right..$

6.如权利要求1所述的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电流环参考信号生成模块具体用于根据所述电压参考信号v_refABC和三相逆变器主电路输出的电压u_oABC生成电流参考信号i_refABC，其中，其中，L表示同步逆变器输出滤波电感。

7.如权利要求1所述的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述正序调制信号生成模块具体包括：

电流正负序分离单元，用于从所述电流参考信号i_refABC中分离出正序分量i_refABC+；

电流环调节单元，用于根据所述正序分量i_refABC+和所述电感电流i_ABC生成正序调制信号v_mABC+，其中，式中k_p为电流环调节器比例系数，k_i为电流环调节器积分系数。

8.如权利要求1所述的适用于电网不平衡工况下的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述调制模块包括：

调制波生成单元，用于根据所述电压信号处理模块得到的负序分量u_oABC-和所述正序调制信号v_mABC+生成调制波v_mABC，其中，v_mABC＝v_mABC++u_oABC-。

脉宽调制单元，用于根据所述调制波v_mABC对载波信号v_c进行脉宽调制，生成控制信号d，以控制逆变器功率开关。