CN105119323A - 具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，包括依次连接的电源U_in、三相逆变器主电路、LC滤波电路和负载，还包括电流采集模块、电压采集模块、幅值检测模块、二次调压计算模块、电压-无功下垂调节模块、积分调节模块、电压幅值计算模块、虚拟角频率计算模块、调频角频率计算模块、相位计算模块、虚拟电压合成模块、电流给定生成模块、电流环调节模块和调制模块。本发明实现了模拟电力系统二次调压/调频控制策略功能，实现了配电网及微电网同步机制。

Description

具有二次调压调频功能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，尤其涉及一种具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统。

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，作为分布式资源与配电网(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”的机制。

因此，研究一种适用于分布式发电与微电网领域的逆变器控制技术，实现模拟电力系统二次调压/调频控制策略功能，促进分布式发电与微电网应用推广，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，提供一种具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，引入二次调压、二次调频，实现了模拟电力系统二次调压/调频控制策略功能，实现配电网及微电网同步机制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有二次调压调频功能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滤波电路和负载，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流；

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；

幅值检测模块，用于根据所述三相逆变器主电路输出的电压计算出相应的电压幅值；

二次调压计算模块，用于根据给定的参考电压幅值和所述幅值检测模块计算的电压幅值计算得到电压幅值差；

电压-无功下垂调节模块，用于根据电网额定电压幅值和所述幅值检测模块计算的电压幅值计算得到下垂无功功率；

积分调节模块，用于根据无功功率指令值、VSG输出瞬时无功功率和所述下垂无功功率计算得到一次调节电压幅值；

电压幅值计算模块，用于根据所述一次调节电压幅值和所述电压幅值差计算得到逆变器虚拟输出电压幅值；

虚拟角频率计算模块，用于根据有功功率指令值、VSG输出瞬时有功功率和额定角频率计算得到虚拟角频率；

调频角频率计算模块，用于根据参考角频率和所述虚拟角频率计算得到一次调频输出角频率；

相位计算模块，用于根据所述一次调频输出角频率计算得到逆变器虚拟输出电压相位；

虚拟电压合成模块，用于根据所述逆变器虚拟输出电压幅值和电压相位计算得到逆变器虚拟输出电压；

电流给定生成模块，用于根据所述逆变器虚拟输出电压和所述电压采集模块采集的电压生成电流给定；

电流环调节模块，用于根据所述电流给定和所述电流采集模块采集的电流生成调制信号；

调制模块，用于根据载波信号和所述调制信号产生控制逆变器功率开关的控制信号。

进一步的，所述二次调压计算模块具体用于根据给定的参考电压幅值V_ref和所述幅值检测模块计算的电压幅值V_o计算得到电压幅值差△V，其中式中，k_p1、k_i1为二次调压PI参数。

进一步的，所述电压-无功下垂调节模块具体用于根据电网额定电压幅值V_n和所述幅值检测模块计算的电压幅值V_o计算得到下垂无功功率Q_d，其中，Q_d＝D_d(V_n-V_o)，式中，D_d为电压-无功下垂系数。

进一步的，所述积分调节模块具体用于根据无功功率指令值Q_ref、VSG输出瞬时无功功率Q_e和所述下垂无功功率Q_d计算得到一次调节电压幅值V'，其中，式中，K为积分调节系数。

进一步的，所述电压幅值计算模块具体用于根据所述一次调节电压幅值V'和所述电压幅值差△V计算得到逆变器虚拟输出电压幅值E，其中，E＝△V+V。

进一步的，虚拟角频率计算模块具体包括：

频率-有功下垂调节单元，用于根据额定角频率w_n和虚拟角频率计算模块上次输出的虚拟角频率w_o计算得到有功功率P_d，其中，P_d＝D_p(w_n-w_o)，D_p为频率-有功下垂系数；

虚拟转动惯量计算单元，用于根据有功功率指令值P_ref、VSG输出瞬时有功功率P_e和所述下垂无功功率P_d计算得到虚拟角频率w_o，其中，J表示虚拟同步机转动惯量。

进一步的，所述调频角频率计算模块具体包括：

二次调频计算单元，用于根据参考角频率w_ref和所述虚拟角频率w_o计算得到角频率差△w，其中，k_p2、k_i2为二次调频PI参数；

角频率计算单元，用于根据所述角频率差△w和所述虚拟角频率w_o计算得到一次调频输出角频率w'，其中，w'＝w_o+△w。

进一步的，所述相位计算模块具体用于根据所述一次调频输出角频率w'计算得到逆变器虚拟输出电压相位θ，其中，

所述虚拟电压合成模块具体用于根据所述逆变器虚拟输出电压幅值E和电压相位θ计算得到逆变器虚拟输出电压E_mabc，其中，

$E_{mabc}=\left(\begin{array}{c}Esin\mathrm{\θ}\\ E\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ Esin(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right).$

进一步的，所述电流给定生成模块具体用于根据所述逆变器虚拟输出电压E_mabc和所述电压采集模块采集的电压生v_oabc成电流给定i_refabc，其中，式中，L表示同步逆变器输出滤波电感、R表示滤波电感寄生电阻。

进一步的，所述电流环调节模块具体用于根据所述电流给定i_refabc和所述电流采集模块采集的电流i_Labc生成调制信号v_mabc，其中，式中，k_p3、k_i3为电流环PI参数；

所述调制模块具体用于根据所述调制信号v_mabc对载波信号v_r进行脉宽调制，从而产生脉冲控制信号D，以控制逆变器功率开关。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明提供了一种具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，引入二次调压、二次调频模块，实现了模拟电力系统二次调压/调频控制策略功能，实现配电网及微电网同步机制，确保了同步逆变器输出电压精度，保障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是本发明提供的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统的一个实施例的系统框图；

图2是同步逆变器工作在离网模式下，未使用二次调压/二次调频功能时，同步逆变器三相输出电压和三相输出电感电流波形；

图3是同步逆变器工作在离网模式下，采用本发明所提出的控制策略时，同步逆变器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是本发明提供的具有二次调压调频功能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U_in、三相逆变器主电路、LC滤波电路和负载，还包括电流采集模块、电压采集模块、幅值检测模块、二次调压计算模块、电压-无功下垂调节模块、积分调节模块、电压幅值计算模块、虚拟角频率计算模块、调频角频率计算模块、相位计算模块、虚拟电压合成模块、电流给定生成模块、电流环调节模块和调制模块。

其中，电流采集模块用于采集所述三相逆变器主电路输出的电流i_Labc。

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v_oabc。

幅值检测模块用于根据所述三相逆变器主电路输出的电压计算出相应的电压幅值V_o。

二次调压计算模块用于根据给定的参考电压幅值V_ref和所述幅值检测模块计算的电压幅值V_o计算得到电压幅值差△V，其中式中，k_p1、k_i1为二次调压PI参数。

电压-无功下垂调节模块具体用于根据电网额定电压幅值V_n和所述幅值检测模块计算的电压幅值V_o计算得到下垂无功功率Q_d，其中，Q_d＝D_d(V_n-V_o)，式中，D_d为电压-无功下垂系数。

积分调节模块具体用于根据无功功率指令值Q_ref、VSG输出瞬时无功功率Q_e和所述下垂无功功率Q_d计算得到一次调节电压幅值V'，其中，式中，K为积分调节系数。

电压幅值计算模块具体用于根据所述一次调节电压幅值V'和所述电压幅值差△V计算得到逆变器虚拟输出电压幅值E，其中，E＝△V+V。

虚拟角频率计算模块具体包括：

频率-有功下垂调节单元，用于根据额定角频率w_n和虚拟角频率计算模块上次输出的虚拟角频率w_o计算得到有功功率P_d，其中，P_d＝D_p(w_n-w_o)，D_p为频率-有功下垂系数；

虚拟转动惯量计算单元，用于根据有功功率指令值P_ref、VSG输出瞬时有功功率P_e和所述下垂无功功率P_d计算得到虚拟角频率w_o，其中，J表示虚拟同步机转动惯量。

调频角频率计算模块具体包括：

二次调频计算单元，用于根据参考角频率w_ref和所述虚拟角频率w_o计算得到角频率差△w，其中，k_p2、k_i2为二次调频PI参数；

角频率计算单元，用于根据所述角频率差△w和所述虚拟角频率w_o计算得到一次调频输出角频率w'，其中，w'＝w_o+△w。

相位计算模块具体用于根据所述一次调频输出角频率w'计算得到逆变器虚拟输出电压相位θ，其中，

虚拟电压合成模块具体用于根据所述逆变器虚拟输出电压幅值E和电压相位θ计算得到逆变器虚拟输出电压E_mabc，其中，

$E_{mabc}=\left(\begin{array}{c}Esin\mathrm{\θ}\\ E\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ Esin(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right).$

电流给定生成模块具体用于根据所述逆变器虚拟输出电压E_mabc和所述电压采集模块采集的电压v_oabc生成电流给定i_refabc，其中，式中，L表示同步逆变器输出滤波电感、R表示滤波电感寄生电阻。

电流环调节模块具体用于根据所述电流给定i_refabc和所述电流采集模块采集的电流i_Labc生成调制信号v_mabc，其中，式中，k_p3、k_i3为电流环PI参数；

调制模块具体用于根据所述调制信号v_mabc对载波信号v_r进行脉宽调制，从而产生脉冲控制信号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，对所提出的一种具有二次调压/二次调频功能的同步逆变器控制方法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)，同步逆变器初始负载功率为200kW，在0.2s时刻，负载功率阶跃至500kW。

(1)图2给出了同步逆变器工作在离网模式下，未使能二次调压/二次调频功能时，同步逆变器三相输出电压和三相输出电感电流波形。

(2)图3给出了同步逆变器工作在离网模式下，采用本发明所提出的控制策略时，同步逆变器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，当同步逆变器未采用本发明控制方法时，由于一次调压/调频环节的存在，同步逆变器输出电压会根据负载功率的变化而发生相应的波动(输出电压跌至300VAC)，输出电压稳定精度较差。当采用本发明控制方法的同步逆变器工作在同样负载变化条件下时，由于所提出的二次调压/调频功能的使能，使得同步逆变器在负载发生变化时，能够很好地控制同步逆变器输出电压保持在电压给定值(311VAC)上，从而确保了同步逆变器输出电压精度，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：本发明提供了一种具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，引入二次调压、二次调频模块，实现了模拟电力系统二次调压/调频控制策略功能，实现配电网及微电网同步机制，确保了同步逆变器输出电压精度，保障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 (10)

1.一种具有二次调压调频功能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滤波电路和负载，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流；

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；

幅值检测模块，用于根据所述三相逆变器主电路输出的电压计算出相应的电压幅值；

二次调压计算模块，用于根据给定的参考电压幅值和所述幅值检测模块计算的电压幅值计算得到电压幅值差；

电压-无功下垂调节模块，用于根据电网额定电压幅值和所述幅值检测模块计算的电压幅值计算得到下垂无功功率；

积分调节模块，用于根据无功功率指令值、VSG输出瞬时无功功率和所述下垂无功功率计算得到一次调节电压幅值；

电压幅值计算模块，用于根据所述一次调节电压幅值和所述电压幅值差计算得到逆变器虚拟输出电压幅值；

虚拟角频率计算模块，用于根据有功功率指令值、VSG输出瞬时有功功率和额定角频率计算得到虚拟角频率；

调频角频率计算模块，用于根据参考角频率和所述虚拟角频率计算得到一次调频输出角频率；

相位计算模块，用于根据所述一次调频输出角频率计算得到逆变器虚拟输出电压相位；

虚拟电压合成模块，用于根据所述逆变器虚拟输出电压幅值和电压相位计算得到逆变器虚拟输出电压；

电流给定生成模块，用于根据所述逆变器虚拟输出电压和所述电压采集模块采集的电压生成电流给定；

电流环调节模块，用于根据所述电流给定和所述电流采集模块采集的电流生成调制信号；

调制模块，用于根据载波信号和所述调制信号产生控制逆变器功率开关的控制信号。

2.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述二次调压计算模块具体用于根据给定的参考电压幅值V_ref和所述幅值检测模块计算的电压幅值V_o计算得到电压幅值差ΔV，其中式中，k_p1、k_i1为二次调压PI参数。

3.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电压-无功下垂调节模块具体用于根据电网额定电压幅值V_n和所述幅值检测模块计算的电压幅值V_o计算得到下垂无功功率Q_d，其中，Q_d＝D_d(V_n-V_o)，式中，D_d为电压-无功下垂系数。

4.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述积分调节模块具体用于根据无功功率指令值Q_ref、VSG输出瞬时无功功率Q_e和所述下垂无功功率Q_d计算得到一次调节电压幅值V'，其中，式中，K为积分调节系数。

5.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电压幅值计算模块具体用于根据所述一次调节电压幅值V'和所述电压幅值差ΔV计算得到逆变器虚拟输出电压幅值E，其中，E＝ΔV+V。

6.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，虚拟角频率计算模块具体包括：

频率-有功下垂调节单元，用于根据额定角频率w_n和虚拟角频率计算模块上次输出的虚拟角频率w_o计算得到有功功率P_d，其中，P_d＝D_p(w_n-w_o)，D_p为频率-有功下垂系数；

虚拟转动惯量计算单元，用于根据有功功率指令值P_ref、VSG输出瞬时有功功率P_e和所述下垂无功功率P_d计算得到虚拟角频率w_o，其中，J表示虚拟同步机转动惯量。

7.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述调频角频率计算模块具体包括：

二次调频计算单元，用于根据参考角频率w_ref和所述虚拟角频率w_o计算得到角频率差Δw，其中，k_p2、k_i2为二次调频PI参数；

角频率计算单元，用于根据所述角频率差Δw和所述虚拟角频率w_o计算得到一次调频输出角频率w'，其中，w'＝w_o+Δw。

8.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述相位计算模块具体用于根据所述一次调频输出角频率w'计算得到逆变器虚拟输出电压相位θ，其中，

所述虚拟电压合成模块具体用于根据所述逆变器虚拟输出电压幅值E和电压相位θ计算得到逆变器虚拟输出电压E_mabc，其中，

$E_{mabc}=\left(\begin{array}{c}Esin\mathrm{\θ}\\ E\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ Esin(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right).$

9.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电流给定生成模块具体用于根据所述逆变器虚拟输出电压E_mabc和所述电压采集模块采集的电压v_oabc生成电流给定i_refabc，其中，式中，L表示同步逆变器输出滤波电感、R表示滤波电感寄生电阻。

10.如权利要求1所述的具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统，其特征在于，所述电流环调节模块具体用于根据所述电流给定i_refabc和所述电流采集模块采集的电流i_Labc生成调制信号v_mabc，其中，式中，k_p3、k_i3为电流环PI参数；

所述调制模块具体用于根据所述调制信号v_mabc对载波信号v_r进行脉宽调制，从而产生脉冲控制信号D，以控制逆变器功率开关。