CN105790307A - 一种基于下垂控制的逆变器控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于下垂控制的逆变器控制方法及系统，属于逆变器控制技术领域。本发明通过在下垂控制中增加低通滤波，利用下垂控制通过低通滤波器滤除有功功率的特性，通过合理设置低通滤波器的截止频率ω_c可以使下垂控制模拟同步发电机的惯性。本发明不仅可以使逆变并网装置具有转动惯性，而且惯性系数不受物理约束，在不影响有功功率采样质量下，通过适当改变低通滤波器的截止频率，使虚拟同步发电机的惯性可调。同时，与传统虚拟发电机实现相比，该控制方式没有增加多余的控制环节，仅利用已有下垂控制中采样低通滤波器的截止频率可调，达到为逆变并网装置附加惯性的目的。

Description

一种基于下垂控制的逆变器控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于下垂控制的逆变器控制方法及系统，属于逆变器控制技术领域。

背景技术

21世纪以来，能源危机的问题越来越严重，可再生能源是各国研究热题，基于新能源发电逆变并网的装置需求也正增强。逆变器接入微网的运行模式分为并网和离网两种，在不同运行模式下控制策略也不同。并网运行模式下，微电网的频率主要由大电网支撑，并网逆变器主要采用PQ控制策略，变换器响应速度快、几乎没有转动惯量、难以参与电网调节，无法为含分布式电源的微电网提供必要的电压和频率支撑。离网运行模式下，主要采用下垂控制策略，在并网逆变器的有功和无功功率指令中引入了微电网电压和频率的偏差反馈，使得逆变器在离网运行模式下能根据微电网的频率和电压偏差以及自身的额定容量分担网内的负荷功率。由于微电网自身容量小、惯性小，因此频率抗扰动的能力较差。

因此，在现有的控制方式下，由于逆变器不是旋转设备，无法为系统提供转动惯量，使得系统频率的抗扰动能力较差。现有的虚拟同步发电机实现方式，都需要在控制策略中植入类似同步发电机机电特性的环节以模拟其惯性，添加了额外的控制环节，实现比较繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于下垂控制的逆变器控制方法及系统，以解决现有虚拟同步发电机实现方式需增加额外控制环节，所导致实现比较繁琐的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于下垂控制的逆变器控制方法，该控制方法的步骤如下：

1)采集逆变器电网侧的电压和电流，计算逆变器输出的有功功率P_out；

2)对逆变器的有功功率进行低通滤波，得到滤波后的有功功率P′_out，

$P_{out}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_C}{s+{\mathrm{\ω}}_C}{P}_{out}$

其中ω_c是低通滤波器的截止角频率，单位为弧度/秒；

3)以滤波后的有功功率P′_out作为指令对逆变器进行下垂控制，所采用的下垂控制方程为：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0-m(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{P}_{out}-P_0)$

其中ω₀是电网同步转速，单位为弧度/秒(rad/s)；P₀是逆变器在额定频率下的输出功率，单位为瓦；m是逆变器有功下垂特性曲线的斜率，单位为rad/W。

所述的低通滤波器的截止角频率ω_c为：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_D{\mathrm{mS}}_0}$

其中T_D为虚拟同步发电机的惯性时间常数，S₀为逆变器的额定容量，单位为VA。

所述的步骤1)中的有功功率P_out采用锁相与功率计算模块得到。

所述的锁相与功率计算模块还需根据逆变器电网侧的电压和电流计算逆变器输出无功功率Q_out和电网频率f_grid。

所述的控制方法还包括对下垂控制得到的逆变器输出电压频率参考值进行PWM调节，以生成相应的PWM控制信号控制逆变器。

本发明还提供了一种基于下垂控制的逆变器控制系统，该控制系统包括锁相与功率计算模块、低通滤波器和下垂控制模块，

所述锁相与功率计算模块输入端连接到逆变器电网侧，用于根据逆变器电网侧的电压和电流计算逆变器输出的有功功率P_out；

所述低通滤波器的输入端与锁相与功率计算模块的输出端连接，用于对逆变器输出的有功功率P_out进行低通滤波，得到滤波后的有功功率P′_out；

所述下垂控制模块的输入端与锁相与功率计算模块和低通滤波器的输出端连接，用于根据滤波后的有功功率P′_out对逆变器进行下垂控制，所采用的下垂控制方程为：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0-m(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{P}_{out}-P_0)$

其中ω₀是电网同步转速，单位为弧度/秒(rad/s)；P₀是逆变器在额定频率下的输出功率，单位为瓦；m是逆变器有功下垂特性曲线的斜率，单位为rad/W。所述的低通滤波器的截止角频率ω_c为：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_D{\mathrm{mS}}_0}$

其中T_D为虚拟同步发电机的惯性时间常数，S₀为逆变器的额定容量，单位为VA。

所述的控制系统还包括PW控制模块，该PWM控制用模块用于根据下垂控制模块生成的逆变器输出电压频率参考值产生PWM信号控制逆变器。

所述的PWM生成模块在生成PWM信号时，还需要并网电压，该并网电压是根据逆变器输出的无功功率进行PI调节生成的。

本发明的有益效果是:本发明通过在下垂控制中增加低通滤波，利用下垂控制通过低通滤波器滤除有功功率的特性，通过合理设置低通滤波器的截止频率ω_c可以使下垂控制模拟同步发电机的惯性。本发明不仅可以使逆变并网装置具有转动惯性，而且惯性系数不受物理约束，在不影响有功功率采样质量下，通过适当改变低通滤波器的截止频率，使虚拟同步发电机的惯性可调。同时，与传统虚拟发电机实现相比，该控制方式没有增加多余的控制环节，仅利用已有下垂控制中采样低通滤波器的截止频率可调，达到为逆变并网装置附加惯性的目的。

附图说明

图1是本发明基于下垂控制的逆变器控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明的一种基于下垂控制的逆变器控制方法的实施例

本发明利用下垂控制通过低通滤波器滤除有功功率的特性，合理设置低通滤波器的截止频率ω_c，使下垂控制模拟同步发电机的惯性。下面以分布式光伏和储能系统通过逆变器接入电网为例进行详细说明，如图1所示，逆变器出口采用LCL滤波，其中u_abc为逆变器输出出口电压，u_Mabc是逆变器调制信号，U*是电网电压额定值，Q*为逆变器输出无功功率参考值。本发明针对该系统中的逆变器的控制过程如下：

1.采集逆变器电网侧的电流和电压，并根据采集到的电网侧的电压和电流计算逆变器输出的有功功率P_out、无功功率Q_out和电网频率f_grid。本实施例中该步骤可通过锁相与功率计算模块实现。

2.设置一个低通滤波器LPF，对计算得到的有功功率P_out进行低通滤波，滤除其中高次谐波，有功功率P_out经低通滤波后得到值P′_out满足：

$P_{out}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_C}{s+{\mathrm{\ω}}_C}{P}_{out}$

其中ω_c是低通滤波器的截止角频率，单位为弧度/秒(rad/s)。本实施例中的其中T_D为虚拟同步发电机的惯性时间常数，S₀为逆变器的额定容量，单位为VA。

3.根据P′_out和电网频率f_grid对逆变器进行下垂控制，生成逆变器输出电压的参考值ω，

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0-m(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{P}_{out}-P_0)$

其中ω₀是电网同步转速，单位为弧度/秒(rad/s)；P₀是逆变器在额定频率下的输出功率，单位为瓦；m是逆变器有功下垂特性曲线的斜率，单位为rad/W。该式也可以变形为：

$K_D\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=P_0-P_{out}-\frac{1}{m}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)$

其中可以看做虚拟同步发电机的等效惯性系数。

4.将计算得到无功功率Q_out与逆变器输出无功功率参考值Q^*相比后的差值进行PI调节，并将调节后的结果加上电网电压额定值U^*，两者的和即为逆变器调制信号u_Mabc，对生成逆变器输出电压的参考值ω进行积分，得到逆变器输出电压的相位角θ_m。

5.根据生成相位角θ_m和逆变器调制信号u_Mabc进行PWM调节，生成相应的PWM信号控制逆变器。

可以看出，在低通滤波器作用的下垂控制策略使电力电子装置具有了与同步发电机相似的机电特性。本发明的控制方式不仅可以使逆变并网装置具有转动惯性，而且惯性系数不受物理约束，在不影响有功功率采样质量下，通过适当改变低通滤波器的截止频率，使虚拟同步发电机的惯性可调。

本发明的一种基于下垂控制的逆变器控制系统的实施例

本发明基于下垂控制的逆变器控制系统如图1所示，包括锁相与功率计算模块、低通滤波器、下垂控制模块、电压生成模块和PWM控制模块。

锁相与功率计算模块输入端连接到逆变器电网侧，用于根据逆变器电网侧的电压和电流计算逆变器输出的有功功率P_out；低通滤波器的输入端与锁相与功率计算模块的输出端连接，用于对逆变器输出的有功功率P_out进行低通滤波，得到滤波后的有功功率P′_out；下垂控制模块的输入端与锁相与功率计算模块和低通滤波器的输出端连接，用于根据滤波后的有功功率P′_out对逆变器进行下垂控制，所采用的下垂控制方程为：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0-m(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{P}_{out}-P_0)$

其中ω₀是电网同步转速，单位为弧度/秒(rad/s)；P₀是逆变器在额定频率下的输出功率，单位为瓦；m是逆变器有功下垂特性曲线的斜率，单位为rad/W；

电压生成模块用于根据锁相与功率计算模块产生的无功功率Qout进行PI调节生成电压u_abc；PWM控制模块用于根据u_abc和相位角θ_m进行PWM调节，生成相应的PWM信号控制逆变器。各模块的具体实现方式已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

下面通过理论分析本发明的可行性。

根据旋转物体的力学定律，同步发电机转子机械角加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之间有如下关系∶

$J\frac{d\mathrm{\Ω}}{dt}=\mathrm{\Δ}M=M_T-M_E-M_D$

其中，Ω是转子机械角速度，单位为弧度/秒(rad/s)，J为转子转动惯量，单位为公斤·米²(kg·m²)，ΔM表示作用在发电机转子轴上的不平衡转矩，单位为牛顿·米(N·m)；M_T,M_E,M_D分别是发电机的输入机械转矩、输出电磁转矩和阻尼转矩。

在标幺值下方程可以表达为：

$\frac{T_J}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=\frac{{\mathrm{\ΔM\Ω}}_0}{S_0}\≈\frac{\mathrm{\Δ}M\mathrm{\Ω}}{S_0}=\frac{\mathrm{\Δ}P}{S_0}={\mathrm{\ΔP}}_{*}=P_{T*}-P_{E*}-P_{D*}$

其中，称为发电机组的惯性时间常数，它是一个与发电机转子的物理特性有关的量；P_T*,P_E*,P_D*分别是发电机的输入机械功率标么值、输出电磁功率标么值和阻尼消耗功率标么值；Ω₀为发电机组额定机械角速度；ΔP是发电机不平衡功率；ω_*为发电机电角速度标幺值，是标幺值方程的等效阻尼系数。因此，发电机其中P_D*可以表示为

P_D*＝D_p(ω_*-1)

即

将本发明的下垂控制方程式写为标么值为：

$T_D\frac{{\mathrm{d\ω}}_{*}}{dt}=P_{0*}-P_{out*}-\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{S_{0}m}({\mathrm{\ω}}_{*}-1)$

$T_D=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{{\mathrm{m\ω}}_c{S}_0}$

比较可以发现，通过对传统下垂控制策略中加入一个低通滤波器可以使下垂控制方程表现出与同步发电机相似的机械惯性。而且由于没有实际的转动部分，虚拟同步发电机的惯性时间常数T_D可以是任意值。下垂控制是逆变器在孤岛运行的控制策略，在采样部分加入低通滤波器对系统影响极小，也更容易实现。

上述结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于下垂控制的逆变器控制方法，其特征在于，该控制方法的步骤如下：

1)采集逆变器电网侧的电压和电流，计算逆变器输出的有功功率P_out；

2)对逆变器的有功功率进行低通滤波，得到滤波后的有功功率P′_out，

$P_{out}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_C}{s+{\mathrm{\ω}}_C}{P}_{out}$

其中ω_c是低通滤波器的截止角频率，单位为弧度/秒；

3)以滤波后的有功功率P′_out作为指令对逆变器进行下垂控制，所采用的下垂控制方程为：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0-m(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{P}_{out}-P_0)$

其中ω₀是电网同步转速，单位为弧度/秒；P₀是逆变器在额定频率下的输出功率，单位为瓦；m是逆变器有功下垂特性曲线的斜率，单位为rad/W。

2.根据权利要求1所述的基于下垂控制的逆变器控制方法，其特征在于，所述的低通滤波器的截止角频率ω_c为：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_D{\mathrm{mS}}_0}$

其中T_D为虚拟同步发电机的惯性时间常数，S₀为逆变器的额定容量，单位为VA。

3.根据权利要求1所述的基于下垂控制的逆变器控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中的有功功率P_out采用锁相与功率计算模块得到。

4.根据权利要求3所述的基于下垂控制的逆变器控制方法，其特征在于，所述的锁相与功率计算模块还需根据逆变器电网侧的电压和电流计算逆变器输出无功功率Q_out和电网频率f_grid。

5.根据权利要求1所述的基于下垂控制的逆变器控制方法，其特征在于，所述的控制方法还包括对下垂控制得到的逆变器输出电压频率参考值进行PWM调节，以生成相应的PWM控制信号控制逆变器。

6.一种基于下垂控制的逆变器控制系统，其特征在于，该控制系统包括锁相与功率计算模块、低通滤波器和下垂控制模块，

所述锁相与功率计算模块输入端连接到逆变器电网侧，用于根据逆变器电网侧的电压和电流计算逆变器输出的有功功率P_out；

所述低通滤波器的输入端与锁相与功率计算模块的输出端连接，用于对逆变器输出的有功功率P_out进行低通滤波，得到滤波后的有功功率P′_out；

所述下垂控制模块的输入端与锁相与功率计算模块和低通滤波器的输出端连接，用于根据滤波后的有功功率P′_out对逆变器进行下垂控制，所采用的下垂控制方程为：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0-m(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{P}_{out}-P_0)$

其中ω₀是电网同步转速，单位为弧度/秒；P₀是逆变器在额定频率下的输出功率，单位为瓦；m是逆变器有功下垂特性曲线的斜率，单位为rad/W。

7.根据权利要求6所述的基于下垂控制的逆变器控制系统，其特征在于，所述的低通滤波器的截止角频率ω_c为：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{T_D{\mathrm{mS}}_0}$

其中T_D为虚拟同步发电机的惯性时间常数，S₀为逆变器的额定容量，单位为VA。

8.根据权利要求6所述的基于下垂控制的逆变器控制系统，其特征在于，所述的控制系统还包括PW控制模块，该PWM控制用模块用于根据下垂控制模块生成的逆变器输出电压频率参考值产生PWM信号控制逆变器。

9.根据权利要求8所述的基于下垂控制的逆变器控制系统，其特征在于，所述的PWM生成模块在生成PWM信号时，还需要并网电压，该并网电压是根据逆变器输出的无功功率进行PI调节生成的。