CN105896614A - 一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法及系统，属于光伏发电控制技术领域。本发明根据传统同步发电机通过单相励磁机进行负序补偿的机理，建立虚拟同步发电机机模型，对虚拟同步发电机模型的内电势采用分相控制；并根据虚拟发电机模型生成光伏逆变器电流闭环控制的电流指令，使逆变器电流闭环控制对同步机定子电流进行跟踪。本发明对虚拟同步发电机的内电势采用分相控制，使光伏逆变器在三相电网电压或负荷不平衡的工况下，自主补偿无功，协助支撑并网点电压的平衡。

Description

一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法及系统，属于光伏发电控制技术领域。

背景技术

由太阳能资源固有特性所决定的分布式光伏间歇性、随机性的大范围出力波动，在分布式光伏集群性高渗透率并网情况下，会引起配电网潮流出现大范围变化，变化的频度和速度都超过一般性的负荷变化，从而导致配电网出现电压偏差越限、电压波动加大等问题，并且光伏并网点的电压偏差和波动幅度都高于配电网侧，仅依靠配电网调节变压器分接头和投切并联电容器等常规措施将无法满足全局性的无功电压调节需求；另一方面，光伏逆变器本身又具有无功调节能力，如果能够得到充分利用以提高其自适应控制能力和电网友好性，反而可以提高配电网的无功电压调节能力。

目前，分布式光伏电压无功控制手段主要有恒定无功功率控制、功率因数控制以及瞬态无功支撑控制三种形式，在实际应用中，上述方式虽然能实现分布式光伏的电压无功控制，但由于其无法模拟同步发电机励磁调节系统工作原理，在并网点电压无功调节的快速性、精确性、自主性方面均存在缺陷。为有效应对这些缺陷，国内外近几年对虚拟同步发电机技术开展了大量研究，采用虚拟同步发电机技术能使光伏逆变器既可对并网点电压进行稳态调节，同时还可实现对电网的动态无功支撑，但目前这方面的研究均基于三相电压平衡的工况，电势幅值为三相统一控制，当电网或负荷不对称的时候，无法对电网进行平衡支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法及系统，以优化光伏并网逆变器的无功运行特性。

本发明为解决上述技术问题提供了一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法，该控制方法包括以下步骤：

1)建立虚拟同步发电机机模型，对虚拟同步发电机模型的内电势采用分相控制；

2)利用步骤1)中的虚拟发电机模型生成光伏逆变器电流闭环控制的电流指令，使逆变器电流闭环控制对同步机定子电流进行跟踪。

所述步骤1)中的所建立的虚拟同步机的模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{1}{2H}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(T_m-T_e)dt-K_d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)\\ \mathrm{\ω}\left(t\right)=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_0\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{abc}}{dt}=e_{abc}-u_{abc}-{\mathrm{Ri}}_{abc}\end{array}\right.$

其中ω为虚拟同步机角速度，ω₀为额定角速度，H为虚拟同步机惯性时间常数即空载时，额定转矩下电机从静止到额定转速的时间，T_m、T_e分别为虚拟同步机机械转矩、电磁转矩，K_d为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步机定子电阻和电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为虚拟同步机三相内电势、机端电压、定子电流。

当机端电压采用一次调节方式时，所述步骤1)中内电势分相控制方式为：

E_a＝E₀+k_Q-E(Q_ref-Q)+k_u-E(U_N-U_a)

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步机空载内电势幅值，k_Q-E、k_u-E分别为无功-电压下垂系数、一次调压系数，Q_ref、Q分别为同步机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步机机端电压指令和相电压有效值。

逆变器容量足够大时，机端电压采用二次调节方式，所述步骤1)中内电势分相控制方式为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_0+k_{Q-E}(Q_{ref}-Q)+H_{PI}(U_N-U_a)\\ H_{PI}=K_p(1+\frac{K_i}{s})\end{array}\right.$

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步机空载内电势幅值，k_Q-E为无功-电压下垂系数，Q_ref、Q分别为同步机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步机机端电压指令和相电压有效值，H_PI为PI控制器传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数。

本发明还提供了一种光伏逆变器稳态电压平衡控制系统，该控制系统包括内电势分相控制器、虚拟同步发电机模型、电流闭环控制模块和PWM模块，所述的内电势分相控制器用于对虚拟同步发电机模型的内电势采用分相控制，所述的的虚拟同步发电机输出端与电流闭环控制模块的输入端连接，电流闭环控制模块的输出端与PWM模块的输入端连接，PWM模块的输出端控制连接光伏逆变器，通过电流闭环控制模块对同步机定子电流进行跟踪，以实现对光伏逆变器的控制。

所述的虚拟同步发电机的模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{1}{2H}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(T_m-T_e)dt-K_d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)\\ \mathrm{\ω}\left(t\right)=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_0\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{abc}}{dt}=e_{abc}-u_{abc}-{\mathrm{Ri}}_{abc}\end{array}\right.$

其中ω为虚拟同步发电机角速度，ω₀为额定角速度，H为虚拟同步发电机惯性时间常数即为空载时，额定转矩下电机从静止到额定转速的时间，T_m、T_e分别为虚拟同步发电机机械转矩、电磁转矩，K_d为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机定子电阻和电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流。

当机端电压采用一次调节方式时，所述内电势分相控制器采用的控制方式为：

E_a＝E₀+k_Q-E(Q_ref-Q)+k_u-E(U_N-U_a)

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步发电机空载内电势幅值，k_Q-E、k_u-E分别为无功-电压下垂系数、一次调压系数，Q_ref、Q分别为同步发电机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步发电机机端电压指令和相电压有效值。

当机端电压采用二次调节方式时，所述内电势分相控制器采用的控制方式为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_0+k_{Q-E}(Q_{ref}-Q)+H_{PI}(U_N-U_a)\\ H_{PI}=K_p(1+\frac{K_i}{s})\end{array}\right.$

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步发电机空载内电势幅值，k_Q-E为无功-电压下垂系数，Q_ref、Q分别为同步发电机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步发电机机端电压指令和相电压有效值，H_PI为PI控制器传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数。

本发明的有益效果是:本发明根据传统同步发电机通过单相励磁机进行负序补偿的机理，建立虚拟同步发电机机模型，对虚拟同步发电机模型的内电势采用分相控制；并根据虚拟发电机模型生成光伏逆变器电流闭环控制的电流指令，使逆变器电流闭环控制对同步机定子电流进行跟踪。本发明对虚拟同步发电机的内电势采用分相控制，使光伏逆变器在三相电网电压或负荷不平衡的工况下，自主补偿无功，协助支撑并网点电压的平衡。

附图说明

图1是本发明基于虚拟同步发电机特性的光伏逆变器稳态电压平衡控制方法的原理图；

图2是虚拟同步发电机模型；

图3是虚拟同步发电机内电势分相控制框图；

图4是电网不平衡时的控制效果。

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。

本发明的一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法的实施例

本发明的光伏逆变器稳态电压平衡控制方法针对的光伏并网系统如图1所示，包括光伏阵列、光伏逆变器、并网开关和电网，光伏阵列通过光伏逆变器和并网开关接入电网，光伏逆变器内环采用电流闭环控制，本发明通过虚拟同步发电机模型的控制使光伏逆变器获得与同步发电机类似的输出特性，实现对光伏逆变器的控制，该方法的具体实现过程如下：

1.建立虚拟同步发电机模型，逆变器电流闭环控制对同步发电机定子电流进行跟踪。

本实施例所建立的虚拟同步发电机的模型如图2所示，具体描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{1}{2H}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(T_m-T_e)dt-K_d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)\\ \mathrm{\ω}\left(t\right)=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_0\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{abc}}{dt}=e_{abc}-u_{abc}-{\mathrm{Ri}}_{abc}\end{array}\right.$

其中，ω为虚拟同步发电机角速度，ω₀为额定角速度，H为虚拟同步发电机惯性时间常数，定义为空载时，额定转矩下电机从静止到额定转速的时间，T_m、T_e分别为虚拟同步发电机机械转矩、电磁转矩，K_d为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机定子电阻和电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流。图2中，θ为同步发电机功角，定义为内电势与机端电压相位差。

机械转矩T_m由机械功率P_m和角速度ω计算得到，机械功率通过同步发电机功频控制器得到，常规功频控制器一般由有功功率指令和频率-有功下垂控制器组成。

$T_m=\frac{P_m}{\mathrm{\ω}}$

电磁转矩T_e由电磁功率P_e和角速度ω计算得到：

$T_e=\frac{P_e}{\mathrm{\ω}}=\frac{e_a{i}_{sa}+e_b{i}_{sb}+e_c{i}_{sc}}{\mathrm{\ω}}$

2.对虚拟同步发电机模型的内电势采用分相控制。

对虚拟同步发电机模型的内电势进行分相调节时，可根据光伏逆变器的容量选取机端电压调节方式，当光伏逆变器容量小时，机端电压采用一次调节方式，当光伏逆变器容量足够大时，机端电压采用二次次调节方式。

当机端电压采用一次调节方式，如图3所示，以A相为例，内电势幅值控制方程为：

E_a＝E₀+k_Q-E(Q_ref-Q)+k_u-E(U_N-U_a)

其中，E_a为虚拟同步发电机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步发电机空载内电势幅值，k_Q-E、k_u-E分别为无功-电压下垂系数、一次调压系数，Q_ref、Q分别为同步发电机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步发电机机端电压指令和A相相电压有效值。

B、C相内电势控制方法同上，空载内电势E₀和无功控制量E_Q是三相统一控制量，并网点电压三相平衡时，三相一次调压控制量E_Uabc三相相等，在并网点电压三相不平衡时，虚拟同步发电机三相内电势根据各相机端电压偏差自主调节，并在虚拟定子阻抗上生成不对称电流，对并网点电压进行支撑。

逆变器容量足够大时，机端电压采用二次调节方式，如图4所示，以A相为例，内电势控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_0+k_{Q-E}(Q_{ref}-Q)+H_{PI}(U_N-U_a)\\ H_{PI}=K_p(1+\frac{K_i}{s})\end{array}\right.$

其中E_a为虚拟同步发电机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步发电机空载内电势幅值，k_Q-E、为无功-电压下垂系数，Q_ref、Q分别为同步发电机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步发电机机端电压指令和A相相电压有效值，H_PI为PI控制器传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数。

B、C相内电势控制方法同上，基于机端电压二次调节的控制结果如图4所示，在使能内电势分相控制后，并网点电压被支撑至三相平衡。

3.将采用内电势分相控制的虚拟同步发电机模型生成电流控制指令，并利用生成的电流控制指令进行电流闭环控制，通过逆变器电流闭环控制对同步机定子电流进行跟踪，以实现对光伏逆变器的控制。

电流闭环控制过程为：将定子电流和逆变器采样电流进行正、负序分解，在正序d、q旋转坐标系和负序d、q旋转坐标系下，分别对正序d轴电流、正序q轴电流、负序d轴电流、负序q轴电流进行电流闭环控制，控制器采用常规PI控制器。

本发明的一种光伏逆变器稳态电压平衡控制系统的实施例

本实施例中的光伏逆变器稳态电压平衡控制系统如图1所示，包括内电势分相控制器、虚拟同步发电机模型、电流闭环控制模块和PWM模块，其中虚拟同步发电机模型的内电势幅值为内电势分相控制器的输出值，虚拟同步发电机模型的机端电压为逆变器输出端三相电压实时采样值，内电势与机端电压的压差通过虚拟定子阻抗产生定子电流，通过逆变器电流闭环控制对同步机定子电流进行跟踪，以实现对光伏逆变器的控制。该电压平衡控制系统中各个组成部分的具体实现手段已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种光伏逆变器稳态电压平衡控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

1)建立虚拟同步发电机机模型，对虚拟同步发电机模型的内电势采用分相控制；

2)利用步骤1)中的虚拟发电机模型生成光伏逆变器电流闭环控制的电流指令，使逆变器电流闭环控制对同步机定子电流进行跟踪。

2.根据权利要求1所述的光伏逆变器稳态电压平衡控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的所建立的虚拟同步机的模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{1}{2H}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(T_m-T_e)dt-K_d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)\\ \mathrm{\ω}\left(t\right)=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_0\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{abc}}{dt}=e_{abc}-u_{abc}-{\mathrm{Ri}}_{abc}\end{array}\right.$

其中ω为虚拟同步机角速度，ω₀为额定角速度，H为虚拟同步机惯性时间常数即空载时，额定转矩下电机从静止到额定转速的时间，T_m、T_e分别为虚拟同步机机械转矩、电磁转矩，K_d为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步机定子电阻和电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为虚拟同步机三相内电势、机端电压、定子电流。

3.根据权利要求1或2所述的光伏逆变器稳态电压平衡控制方法，其特征在于，当机端电压采用一次调节方式时，所述步骤1)中内电势分相控制方式为：

E_a＝E₀+k_Q-E(Q_ref-Q)+k_u-E(U_N-U_a)

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步机空载内电势幅值，k_Q-E、k_u-E分别为无功-电压下垂系数、一次调压系数，Q_ref、Q分别为同步机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步机机端电压指令和相电压有效值。

4.根据权利要求1或2所述的光伏逆变器稳态电压平衡控制方法，其特征在于，逆变器容量足够大时，机端电压采用二次调节方式，所述步骤1)中内电势分相控制方式为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_0+k_{Q-E}(Q_{ref}-Q)+H_{PI}(U_N-U_a)\\ H_{PI}=K_p(1+\frac{K_i}{s})\end{array}\right.$

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步机空载内电势幅值，k_Q-E为无功-电压下垂系数，Q_ref、Q分别为同步机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步机机端电压指令和相电压有效值，H_PI为PI控制器传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数。

5.一种光伏逆变器稳态电压平衡控制系统，其特征在于，该控制系统包括内电势分相控制器、虚拟同步发电机模型、电流闭环控制模块和PWM模块，所述的内电势分相控制器用于对虚拟同步发电机模型的内电势采用分相控制，所述的的虚拟同步发电机输出端与电流闭环控制模块的输入端连接，电流闭环控制模块的输出端与PWM模块的输入端连接，PWM模块的输出端控制连接光伏逆变器，通过电流闭环控制模块对同步机定子电流进行跟踪，以实现对光伏逆变器的控制。

6.根据权利要求5所述的光伏逆变器稳态电压平衡控制系统，其特征在于，所述的虚拟同步发电机的模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{1}{2H}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(T_m-T_e)dt-K_d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)\\ \mathrm{\ω}\left(t\right)=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_0\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{abc}}{dt}=e_{abc}-u_{abc}-{\mathrm{Ri}}_{abc}\end{array}\right.$

其中ω为虚拟同步发电机角速度，ω₀为额定角速度，H为虚拟同步发电机惯性时间常数即为空载时，额定转矩下电机从静止到额定转速的时间，T_m、T_e分别为虚拟同步发电机机械转矩、电磁转矩，K_d为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机定子电阻和电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流。

7.根据权利要求6或5所述的光伏逆变器稳态电压平衡控制系统，其特征在于，当机端电压采用一次调节方式时，所述内电势分相控制器采用的控制方式为：

E_a＝E₀+k_Q-E(Q_ref-Q)+k_u-E(U_N-U_a)

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步发电机空载内电势幅值，k_Q-E、k_u-E分别为无功-电压下垂系数、一次调压系数，Q_ref、Q分别为同步发电机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步发电机机端电压指令和相电压有效值。

8.根据权利要求6或5所述的光伏逆变器稳态电压平衡控制系统，其特征在于，当机端电压采用二次调节方式时，所述内电势分相控制器采用的控制方式为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_0+k_{Q-E}(Q_{ref}-Q)+H_{PI}(U_N-U_a)\\ H_{PI}=K_p(1+\frac{K_i}{s})\end{array}\right.$

其中E_a为虚拟同步机A相内电势幅值，E₀为虚拟同步发电机空载内电势幅值，k_Q-E为无功-电压下垂系数，Q_ref、Q分别为同步发电机无功调节指令和逆变器实际输出无功，U_N、U_a分别为同步发电机机端电压指令和相电压有效值，H_PI为PI控制器传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数。