CN106559005A - 可调节逆变器惯性效应的电压电流双闭环控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调节并网逆变器惯性效应的电压电流双闭环控制方法，在常规电压电流双闭环控制的框架下，通过在逆变器电流内环指令中增加惯性电流成分来实现逆变器惯性特性的等效调控，且惯性电流成分通过并联在电压外环上的惯性控制系统间接生成。惯性控制系统由低通滤波器、比例调节器以及微分运算器三部分串联构成。惯性电流成分的大小以及并网逆变器惯性效应的强弱程度均可通过惯性控制系统中的比例调节器进行灵活调控。该方法无需对现有并网逆变器系统的硬件部分改动，软件部分也完全保留了现有基本控制框架，兼容性好，可同时适用于双馈风力发电系统、光伏发电系统等，具有良好的工程应用价值。

Description

可调节逆变器惯性效应的电压电流双闭环控制方法及装置
技术领域
本发明属于并网逆变器控制技术领域，特别涉及一种可调节并网逆变器惯性效应的改进型电压电流双闭环控制技术。
背景技术
随着光伏、风电等新能源渗透率的不断增加，以低惯量、弱阻尼为特征的并网逆变器大规模地接入电力系统，常规的旋转式同步发电机(Rotational SynchronousGenerator，RSG)的装机比例逐渐降低，致使电力系统中的旋转备用容量、转动惯量相对减少；另一方面，以风能、太阳能为代表的新能源电力具有空间尺度上的低密度分散性、时间尺度上的强随机波动性等特征，大规模新能源接入将导致电力系统“源”、“荷”均呈现出强随机性和波动性。上述两方面的不利因素给电网的稳定运行与控制带来了巨大的挑战。此外，现有的并网逆变器控制策略各异，尚未形成统一的控制方案，致使接入电网的逆变器对外表现出差异极大的动态行为特性。因此，如何提高并网逆变器的惯性水平以及阻尼能力，如何通过控制并网逆变器以实现可再生能源友好兼容地接入电网已成为亟待解决的关键问题。为了解决这一问题，学者提出了以下控制技术：下垂控制技术、虚拟惯量控制技术、虚拟RSG控制技术。
1)常规下垂控制策略具有不需依赖通信系统、可靠性高、灵活性强等显著优势，在并联逆变器系统控制中广泛使用。下垂控制的核心思想在于模拟旋转式同步发电机RSG调速器的一次调频原理，并通过控制并网逆变器实现调频功能，响应负荷需求。但常规下垂控制策略只能用于电压源型直流供电电源的并网逆变器，否则并网逆变器无法实现直流侧电容电压的稳定。
2)当并网逆变器接入电网的末端以及高渗透率电力电子化电网时，使得电网短路容量显著地降低、动态支撑能力显著削弱。因此，弱电网环境下的并网逆变器除了参与电网功率平衡以外，还必须在电网电压、频率稳定方面发挥越来越重要的作用，甚至是主体作用。学者们提出了虚拟惯量控制技术以提升电力电子化电力系统的惯性水平。虚拟惯量控制通常在一次能源供电侧实现，而并网逆变器却依然采用常规的双闭环控制以确保直流侧电容电压的稳定性，因此虚拟惯量控制可以同时适用于电压源型、电流源型直流供电电源的并网逆变器，具有更好的普适性。但即使是在虚拟惯量控制的作用下，并网逆变器的物理特性依然与现行电网的发电主体——旋转式同步发电机有着明显的差别，并网逆变器依然不具备RSG固有的大惯量、强阻尼特性。
3)在常规电网中，系统频率、电压的动态特性与RSG的转动惯量及系统调频调压控制策略有关。如果在基于并网逆变器的可再生能源发电系统中配备适当的储能装置，并且采用有效的并网逆变器控制策略和一次能源调度算法，则可以使得基于并网逆变器的可再生能源发电机组从外特性上模拟或部分模拟出RSG的大惯量、强阻尼特性，从而提高并网逆变器及其接入电网的稳定性，基于上述思想的控制技术均被称为虚拟同步发电机(VirtualSynchronous Generator，VSG)控制。由于VSG控制策略是在并网逆变器上实施，VSG控制无法确保直流侧电容电压的稳定性，因此只适用于电压源型直流供电电源的并网逆变器。此外，VSG控制策略必须配套一定量的储备(含储能变流器)，经济性较差，工业应用难度大。同时，VSG控制没有充分利用一次能源及其变流器在惯量/阻尼特性模拟方面的巨大潜能。
上述的几种方法及对应的装置都存在一些明显的不足，不利于大规模推广应用，理想的并网逆变器惯性控制技术应该：尽量不改变并网逆变器系统的硬件部分，能够基本保留现有控制策略的基本框架，可以便捷地实现灵活、等效地调节并网逆变器的惯性效应，即具有良好的经济效益、优异的技术性能以及便捷的操作性。
发明内容
为了实现并网逆变器惯性效应的灵活可调，现有的解决方法需要对系统的硬件部分做较大的改动，且破坏了现有控制策略的基本框架，显著增加了改造成本，给算法的工业推广带来了很大的障碍。本发明的目的在于提供一种可调节并网逆变器惯性效应的改进型电压电流双闭环控制方法及装置，仅在原有的常规电压电流双闭环控制的基础上稍加修改，即可对并网逆变器的惯性效应、阻尼水平、同步能力进行等效调节；无需对现有并网逆变器系统的硬件部分进行任何的改动，完全保留了现有控制策略的基本框架，仅在电压外环上并联惯性控制系统，在逆变器电流内环的指令中增加惯性电流成分，即可达到并网逆变器惯性效应可调的目的。
本发明提供一种可调节惯性效应的电压电流双闭环控制方法，在常规的电压电流双闭环控制系统中的逆变器电流内环指令中增加用于调控逆变器惯性特性的惯性电流，惯性电流通过并联在电压外环上的惯性控制系统生成。
进一步的，将检测到的逆变器的直流侧电容电压信号与直流侧电容电压信号给定值Udc*进行比较，其差值ΔUdc作为电压外环的输入，并产生由常规电流分量id 0及惯性电流分量iJ共同形成电流内环的d轴电流指令值id*。
进一步的，q轴电流指令值iq*根据实际的控制要求设置，若为单位功率因素控制，则q轴电流指令值iq*为0，若为交流母线电压稳定控制，则q轴电流指令值iq*由交流母线电压控制环给出。
进一步的，还包括检测电网电压、逆变器输出电流；将检测到的电网电压信号经锁相环模块PLL运算得到电网电压的实时相位信息，将检测到的逆变器输出的三相电流变换成内环电流反馈值id、iq；
进一步的，将d轴电流指令值id*和q轴电流指令值iq*与内环电流反馈电流值id、iq作差，其差值经电流内环PI控制器调节后形成逆变器输出电压的指令值Ud*、Uq*；将逆变器输出电压的指令值Ud*、Uq*经调制后形成驱动并网逆变器开关器件的PWM脉冲信号。可以采用SPWM的调制方法形成驱动并网逆变器开关器件的SPWM脉冲信号，或采用SVPWM的调制方法形成驱动并网逆变器开关器件的SVPWM脉冲信号。
进一步的，惯性电流通过并联在电压外环上的惯性控制系统生成。惯性控制系统包括依次连接的低通滤波器、比例调节器及微分运算器；低通滤波器用于滤除采样信号的高频噪声，比例调节器用于调控惯性电流成分的大小以及并网逆变器惯性效应的强弱程度，微分运算器用于将直流侧电容电压的偏差信号转换成逆变器惯性控制所需的惯性电流分量。
进一步的，通过比例调节器的增益Kd调节并网逆变器的惯性效应，即增大Kd，逆变器的惯性效应增强，减小Kd，逆变器的惯性效应减弱。
对应的，本发明还提供一种可调节惯性效应的电压电流双闭环控制装置，包括直流侧电容电压控制模块、电流跟踪控制模块、PWM调制模块；直流侧电容电压控制模块用于控制电容两侧输入功率与输出功率的平衡；电流跟踪控制模块用于控制并网逆变器输出电流跟踪指令变化；PWM调制模块用于将逆变器输出电压的指令值调制得到控制各开关器件的PWM脉冲信号。
进一步的，直流侧电容电压控制模块包括PI控制器和惯性控制系统；PI控制器用于调节并网逆变器阻尼效应和同步能力；惯性控制系统包括依次连接的低通滤波器、比例调节器及微分运算器，其中，低通滤波器用于滤除采样信号的高频噪声，比例调节器用于调控惯性电流成分的大小以及并网逆变器惯性效应的强弱程度，微分运算器用于将直流侧电容电压的偏差信号转换成逆变器惯性控制所需的惯性电流分量。
进一步的，PI控制器的调节包括比例控制器增益和积分控制器增益，比例控制器增益用于等效调节阻尼效应，积分控制器增益用于等效调节同步效应。
有益效果：
与传统的电压电流双闭环控制方法相比，本发明所改进的电压电流双闭环控制方法通过惯性控制系统的引入，使得基于电压电流双闭环控制架构的并网逆变器具备了等效调节惯性效应的能力，其惯性效应的强弱可以通过改变惯性控制系统中比例调节器的增益来灵活地调节，具体可通过在软件程序中灵活改变比例调节器增益来很方便地实现。并且，调节直流侧电容电压外环PI控制器的比例增益就等效调节了阻尼效应，调节直流侧电容电压环PI控制器的积分增益就等效调节了同步效应，故本发明的电压电流双闭环控制方法可以等效地调节并网逆变器的惯性效应、阻尼效应、同步效应。
本发明所改进的电压电流双闭环控制方法无需对现有并网逆变器系统的硬件部分进行任何的改动，直流侧无需储能，依然是常规的直流电源单元；软件部分也完全保留了现有控制方法的基本控制框架，仅需在现有软件系统中添加惯性控制程序即可。因此，本发明所述的方法改造成本很低，完全不影响现有程序架构的完整性，非常有利于工业推广应用，也是目前与已经运行设备最为兼容的惯性控制方法，可同时适用于双馈风力发电系统、全功率风力发电系统、光伏发电系统、并网型储能系统以及柔性直流输电系统中的并网逆变器控制，具有良好的工程应用价值。
附图说明
图1并网逆变器的电路结构图；
图2可调节惯性效应的改进型电压电流双闭环控制策略；
图3改变电压外环PI控制器比例系数前后仿真波形对比图；
图4改变电压外环PI控制器积分系数前后仿真波形对比图；
图5改变惯性控制系统中比例调节器增益前后仿真波形对比图。
具体实施方式
提供一种可调节并网逆变器惯性效应的改进型电压电流双闭环控制方法的实施例，具体步骤如下：
S1：通过电压电流传感器检测电网电压、逆变器输出电流以及逆变器的直流侧电容电压；
S2：将检测到的电网电压信号通过锁相环模块PLL运算得到电网电压的实时相位信息；
S3：逆变器输出的三相电流经过同步旋转坐标变换生成电流环控制所需的内环电流反馈值id、iq；
S4：将检测到的直流侧电容电压信号与给定值Udc*进行比较，其差值ΔUdc作为电压外环的输入，经PI控制器及与其并联的惯性控制系统的作用之后分别形成常规电流分量id 0以及惯性电流分量iJ，并共同形成电流内环d轴指令值id*(id*＝id 0+iJ)。
S5：将d、q轴电流指令值id*、iq*与步骤S3得到的反馈电流值id、iq作差，其差值经电流内环PI控制器调节以后，形成逆变器输出电压的指令值Ud*、Uq*，将Ud*、Uq*经反坐标变换后即可得逆变器的调制信号Ua*、Ub*、Uc*，并与三角载波进行比较，即可形成驱动并网逆变器开关管的PWM信号，从而控制并网逆变器的输出电流。将逆变器输出电压的指令值Ud*、Uq*经反坐标变换后得到逆变器的调制信号Ua*、Ub*、Uc*，并与三角载波进行比较后形成驱动并网逆变器开关管的PWM信号，或将逆变器输出的电压指令值Ud*、Uq*经dq/αβ变换后得到的逆变器调制信号Uα*、Uβ*，并与三角载波进行比较后形成驱动并网逆变器开关管的SVPWM信号。
可见，d轴电流内环控制的指令值id *由两部分组成：一部分是由ΔUdc经常规电压外环PI控制器调节后形成的常规电流分量id 0，另一部分是由ΔUdc经与常规电压外环控制器并联的惯性控制系统调节后形成的惯性电流分量iJ。而q轴电流指令值iq*根据实际的控制要求设置，若为单位功率因素控制，则q轴电流指令值iq*为0，若为交流母线电压稳定控制，则q轴电流指令值iq*由交流母线电压控制环给出。
其中，惯性控制系统中比例调节器的增益Kd，用于等效调节并网逆变器的惯性效应，即增大Kd，逆变器的惯性效应增强，减小Kd，逆变器的惯性效应减弱。
与传统的电压电流双闭环控制方法相比，本发明所公开的可调节并网逆变器惯性效应的改进型电压电流双闭环控制方法引入惯性控制系统，使得基于电压电流双闭环控制架构的并网逆变器具备了等效调节惯性效应的能力，且该效应可通过在软件程序中灵活改变比例调节器增益来方便地实现。
为更清楚地解释本发明所公开的电压电流双闭环控制方法影响逆变器惯性效应的基本原理，首先应清晰定义惯性这一物理概念。在经典电力系统动态特性分析理论中，通常将常规的旋转式同步发电机的机电动态方程描述为：
其中，TJ、Ts、TD分别为旋转式同步发电机的惯性系数、同步系数以及阻尼系数，分别表征旋转式同步发电机的惯性水平、同步能力、阻尼能力，是表征同步发电机动态特性的重要物理概念。
按照旋转式同步发电机的机电动态行为建模的思路，可获得改进型电压电流双闭环控制下并网逆变器动态特性的标准动态方程：
其中，TJ、Ts'、TD'分别为表征并网逆变器自身物理结构参数的物理量，Kp、Ki分别为直流侧电容电压外环PI控制器的比例系数、积分系数，Kd为惯性控制系统中比例调节器的增益。
由此可知，改进型电压电流双闭环控制下的并网逆变器的等效惯性系数TJΣ、阻尼系数TD、同步系数TS分别为：
由上式可知，由于惯性控制系统的引入，使得常规闭环控制具备了惯性效应的能力，且惯性效应的强弱可以通过改变惯性控制系统中比例调节器的增益来灵活地调节。此外，调节直流侧电容电压外环PI控制器的比例增益就等效调节了阻尼效应，调节直流侧电容电压环PI控制器的积分增益就等效调节了同步效应，即改进型电压电流双闭环控制策略可以等效地调节并网逆变器的惯性效应、阻尼效应、同步效应。
进一步的，还提供一种可调节惯性效应的电压电流双闭环控制装置的实施例，该电压电流双闭环控制装置包括直流侧电容电压控制模块、电流跟踪控制模块、PWM调制模块，直流侧电容电压控制模块用于控制电容两侧输入功率与输出功率的平衡；电流跟踪控制模块用于控制并网逆变器输出电流跟踪指令变化；PWM调制模块采用SPWM的调制方法形成驱动并网逆变器开关器件的SPWM脉冲信号，或采用SVPWM的调制方法形成驱动并网逆变器开关器件的SVPWM脉冲信号。
在上述实施例中，直流侧电容电压控制模块包括PI控制器和惯性控制系统；PI控制器用于调节并网逆变器阻尼效应和同步能力，其中，PI控制器的调节包括比例控制器增益和积分控制器增益，比例控制器增益用于等效调节阻尼效应，积分控制器增益用于等效调节同步效应；惯性控制系统包括依次连接的低通滤波器、比例调节器及微分运算器；其中，低通滤波器用于滤除采样信号的高频噪声，比例调节器用于调控惯性电流成分的大小以及并网逆变器惯性效应的强弱程度，微分运算器用于将直流侧电容电压的偏差信号转换成逆变器惯性控制所需的惯性电流分量。
具体结合附图做进一步详细描述：
附图1为本发明方法和装置在并网逆变器系统应用的实施例中的拓扑结构图，主电路结构主要包括：三个滤波电感La、Lb、Lc(包括线路等效电阻Ra、Rb、Rc)；直流侧供电电源与直流侧滤波电容并联后连接到逆变模块的直流输入端，逆变器由6个全控器件(如IGBT)组成。三相电网电压记为ea、eb、ec；逆变器三相输出电流记为ia、ib、ic。
电路参数如下：直流侧电容值C为5e-3F，交流侧滤波电感值L为2mH，交流电源电压幅值为380V，频率f为60Hz，扰动通过改变直流侧注入功率来实现。
基于上述假定参数，通过搭建增加惯性控制系统的改进型电压电流双闭环并网逆变器仿真模型，对这种控制策略进行仿真验证，对应的仿真结果如附图3、图4、图5所示，图3表明随着PI控制器中比例控制器增益Kp的增加，Udc的震荡幅度越来越小，即阻尼作用越来越强；图4表明随着PI控制器中积分控制器增益Ki的增加，Udc恢复至稳态值的速度越来越快，即同步能力越来越强；图5表明随着惯性控制系统中比例调节器增益Kd的增加，Udc震荡幅度越来越小，对外部扰动的抵御能力不断增强，即惯性水平不断提高。可见，仿真结果也同时证实了该方案的正确性和有效性。
附图2是本发明中并网逆变器系统的控制框图，图中包括直流侧电容电压控制部分、电流跟踪控制部分、PWM调制部分。直流侧电容电压控制部分，主要用于控制电容两侧输入功率与输出功率的平衡；电流跟踪控制部分主要用于控制并网逆变器输出电流跟踪指令变化；PWM调制部分，采用SPWM的调制方法得到控制各开关器件的PWM脉冲。其中第一部分为本发明的重点，而其他部分均用常规控制方法即可实现，可以看出本发明只需对现有控制方案进行微小修改，简单易行。
具体的，在常规的电压电流双闭环控制策略的框架下，通过在逆变器电流内环指令中增加惯性电流成分来实现逆变器惯性特性的等效调控，新的电流内环指令为：id *＝id 0+iJ；且惯性电流成分可通过并联在电压外环上的惯性控制系统间接生成。惯性控制系统由低通滤波器、比例调节器以及微分运算器三部分串联构成。惯性电流成分的大小以及并网逆变器惯性效应的强弱程度均可通过惯性控制系统中的比例调节器进行灵活调控，增大比例调节器参数，则并网逆变器的惯性效应增强，减小比例调节器参数，则并网逆变器惯性效应减弱。低通滤波器的主要作用是滤除采样过程中产生的高频噪声信号；若没有低通滤波器，则高频噪声信号经微分运算后会被明显地放大，从而大大影响控制效果以及逆变器输出波形的电能质量。直流侧电容电压的偏差信号通过微分运算器后产生逆变器惯性控制所需的惯性电流分量。
显然，改进后的电压电流双闭环控制方法无需对现有并网逆变器系统的硬件部分进行改动，直流侧无需储能，依然是常规的直流电源单元。软件部分也完全保留了现有控制策略的基本控制框架，仅需增加惯性控制的相应程序即可，不影响现有的程序架构。
以上内容是结合具体的案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种可调节惯性效应的电压电流双闭环控制方法，其特征在于：在逆变器电流内环指令中增加用于调控逆变器惯性特性的惯性电流，惯性电流由并联在电压外环上的惯性控制系统生成。
2.如权利要求1所述的电压电流双闭环控制方法，其特征在于：将检测到的逆变器的直流侧电容电压信号与直流侧电容电压信号给定值Udc*进行比较，其差值ΔUdc作为电压外环的输入，并产生由常规电流分量id 0及惯性电流分量iJ共同形成电流内环的d轴电流指令值id*。
3.如权利要求2所述的电压电流双闭环控制方法，其特征在于：逆变器电流内环指令中的q轴电流指令值iq*根据实际的控制要求设置，若为单位功率因素控制，则q轴电流指令值iq*为0，若为交流母线电压稳定控制，则q轴电流指令值iq*由交流母线电压控制环给出。
4.如权利要求3所述的电压电流双闭环控制方法，其特征在于：还包括检测电网电压、逆变器输出电流；将检测到的电网电压信号经锁相环模块PLL运算得到电网电压的实时相位信息，将检测到的逆变器输出的三相电流变换成内环电流反馈值id、iq；
将d轴电流指令值id*和q轴电流指令值iq*与内环电流反馈电流值id、iq作差，其差值经电流内环PI控制器调节后形成逆变器输出电压的指令值Ud*、Uq*；
将逆变器输出电压的指令值Ud*、Uq*经调制后形成驱动并网逆变器开关器件的PWM脉冲信号。
5.如权利要求4所述的电压电流双闭环控制方法，其特征在于：采用SPWM的调制方法形成驱动并网逆变器开关器件的SPWM脉冲信号，或采用SVPWM的调制方法形成驱动并网逆变器开关器件的SVPWM脉冲信号。
6.如权利要求1所述的电压电流双闭环控制方法，其特征在于：惯性控制系统包括依次连接的低通滤波器、比例调节器及微分运算器；低通滤波器用于滤除采样信号的高频噪声，比例调节器用于调控惯性电流成分的大小及并网逆变器惯性效应的强弱程度，微分运算器用于将直流侧电容电压的偏差信号转换成逆变器惯性控制所需的惯性电流分量。
7.如权利要求6所述的电压电流双闭环控制方法，其特征在于：通过比例调节器的增益Kd调节并网逆变器的惯性效应的强弱程度。
8.一种可调节惯性效应的电压电流双闭环控制装置，其特征在于：包括直流侧电容电压控制模块、电流跟踪控制模块、PWM调制模块；直流侧电容电压控制模块用于控制电容两侧输入功率与输出功率的平衡；电流跟踪控制模块用于控制并网逆变器输出电流跟踪指令变化；PWM调制模块用于将逆变器输出电压的指令值调制得到控制各开关器件的PWM脉冲信号。
9.如权利要求8所述的电压电流双闭环控制装置，其特征在于：直流侧电容电压控制模块包括PI控制器和惯性控制系统；PI控制器用于调节并网逆变器阻尼效应和同步能力；惯性控制系统用于调控逆变器惯性特性的惯性电流，包括依次连接的低通滤波器、比例调节器及微分运算器，其中，低通滤波器用于滤除采样信号的高频噪声，比例调节器用于调控惯性电流成分的大小以及并网逆变器惯性效应的强弱程度，微分运算器用于将直流侧电容电压的偏差信号转换成逆变器惯性控制所需的惯性电流分量。
10.如权利要求9所述的电压电流双闭环控制装置，其特征在于：PI控制器的调节包括比例控制器增益和积分控制器增益，比例控制器增益用于等效调节阻尼效应，积分控制器增益用于等效调节同步效应。
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