CN106849171A - 一种并网电压受控型逆变器的非线性下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并网电压受控型逆变器的非线性下垂控制方法，包括以下步骤：（1）、设计具有非线性特性逆变器输出频率与有功功率之间的下垂关系曲线，所述曲线为分段函数；（2）、设计随输出有功功率变化而自适应变化的逆变器虚拟电抗。本申请控制方法与传统线性下垂相比，更加符合电网实际运行需求，带来了更多的控制灵活性和电网友好性，使得并网逆变器具有非线性频率支撑功能；与非线性下垂相适应的自适应虚拟电抗会随着逆变器出力的变化而变化，在一定范围内，可以为逆变器提供额外的阻尼，提高并网逆变器的稳定性。

Description

一种并网电压受控型逆变器的非线性下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器控制方法，尤其是涉及一种并网电压受控型逆变器并入感性电网时的非线性下垂控制方法，属于逆变器控制领域。

背景技术

近年来，随着越来越多的可再生能源接入电网，以及信息技术、电力电子技术的广泛应用，传统的电力系统形态正发生改变。这其中一个重要的变化就是发电设备通过一个电力电子变换器接入电网，如逆变器。与传统同步机相比，电力电子变换器控制有更大的灵活性，可以通过控制设计实现同步机所不具有的功能。

下垂控制在电压受控型逆变器中有着广泛的应用，普通下垂控制的原理有相当多的文献进行过研究(例如ROCABERT J,et al.Control of power converters in ACmicrogrids[J].IEEE Trans Power Electron,2012,27(11):4734-49.)。通过下垂控制，可以实现负荷在多个逆变器之间的自动均分，也可以实现电源对电网的支持功能。下垂控制通常可以分为线性下垂和非线性下垂两种。线性下垂的输出电压频率、幅值与其有功、无功呈现线性关系，功率分配呈现线性特点；非线性下垂的输出电压频率、幅值与其有功、无功呈现非线性关系，可实现非线性的功率分配。

目前，非线性下垂主要应用于孤岛运行微电网中的逆变器，尚未用于并网运行的逆变器，且由于下垂的非线性特性，对于其稳定特性 和相应的控制策略也尚未有详细研究。

发明内容

为了将非线性下垂控制策略运用于并入感性电网运行的电压受控型逆变器，本发明提出了一种并网电压受控型逆变器的非线性下垂控制方法，本发明的具体方案如下：

一种并网电压受控型逆变器的非线性下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设计具有非线性特性逆变器输出频率与有功功率之间的下垂关系曲线，使得逆变器可以为电网提供非线性的有功/频率支持，所述曲线为分段函数，如下：

式中，P为逆变器输出功率，f(P)为逆变器输出频率，f_L1(P)…f_LN(P),f_R1(P)…f_RN(P)为组成f(P)的函数，P_fL1,…P_fLN，P₀，P_fR1,…P_fRN为分段函数的分段点，特别地，P₀为功率给定值，且f(P₀)＝50Hz，即为电网额定频率。

(2)、设计随输出有功功率变化而自适应变化的逆变器虚拟电抗，提高逆变器并网运行的稳定性，按如下方式实现

X_vir＝X(P)-X_phy

式中，X(P)为物理电抗和虚拟电抗之和，是一个关于逆变器输出功率的分段函数，X_phy为物理电抗，即为线路电抗与逆变器输出电抗之和。

进一步地，所述步骤(1)曲线在正常频率附近的斜率较大，随 着频率逐渐偏离正常频率，关系曲线的斜率逐渐变小。

进一步地，所述分段函数的各个函数分段连续可导，导数的绝对值在正常频率附近较大，远离正常频率处较小，即满足：

|f_LN′(P),P_LN≤P<P₀|≥...≥|f_L2′(P),P_L2≤P<P_L3|≥|f_L1′(P),P_L1≤P<P_L2|

|f_RN′(P),P₀≤P<P_RN|≥...≥|f_R2′(P),P_R3≤P<P_R2|≥|f_R1′(P),P_R2≤P<P_R1|

进一步地，步骤(1)中，

式中，P₀为功率给定值，通过改变P₀可以改变逆变器的输出功率，这个值可以来自三次控制，也可以提前预设。考虑到电网电抗的影响，逆变器的无功下垂曲线仍设计为线性。

进一步地，所述步骤(2)中，当逆变器的输出功率大于给定功率P₀，即P>P₀，逆变器虚拟电抗与物理电抗之和保持恒定，即

X_vir＝X_max-X_phy

式子中X_max为虚拟电抗与物理电抗之和的最大值。

当逆变器的输出功率小于给定功率P₀，即P<P₀，逆变器虚拟电抗与物理电抗之和随着输出功率的变化，保持和下垂曲线斜率或者输出功率成正比，即

或者

式子中K_equ(P)为输出功率为P时，下垂曲线的斜率；K_equ(P₀)为输出功率为给定功率P₀时，下垂曲线的斜率，也是曲线上斜率最大 的点。

本发明的有益效果是：

本发明的控制方法使得并网逆变器具备当电网频率在f₀附近正常波动时，逆变器输出功率变化较小，可以较好跟踪指令功率P₀；当电网频率偏离f₀较大时，逆变器输出功率变化较大，可以为电网提供较多的有功/频率支持。这种逆变器控制方式与传统线性下垂控制相比，更加符合电网实际运行需求，带来了更多的控制灵活性和电网友好性。采用非线性下垂可以使得并网逆变器具有非线性频率支撑功能，即在电网频率在较小(正常)范围内波动时，逆变器能保持稳定的功率输出；在电网频率波动较大时，能快速改变功率输出，为电网提供频率支持。

与非线性下垂相适应的自适应虚拟电抗会随着逆变器输出有功功率的变化而变化，在一定范围内，可以为逆变器提供额外的阻尼，提高并网逆变器的稳定性。这种自适应虚拟电抗的设计理念也可以运用于其他下垂控制设计。

附图说明

图1为本发明示例中采用的逆变器控制示意图；

图2为本发明设计的非线性下垂曲线示意图；

图3为本发明中自适应虚拟电抗示意图；

图4为本发明中自适应虚拟电抗实现的示意图；

图5为本发明示例中非线性下垂曲线；

图6为本发明示例中下垂控制和自适应虚拟电抗阻尼特性说明；

图7为本发明示例中下垂控制和自适应虚拟电抗阻尼特性说明；

图8为本发明仿真验证中电网频率变化0.02赫兹时逆变器有功和无功的响应；

图9为本发明仿真验证中电网频率变化0.1赫兹时逆变器有功和无功的响应；

图10为本发明仿真验证中电网频率变化0.13赫兹时逆变器有功和无功的响应。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本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对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

采用典型三环控制逆变器结构，如图1所示，包括下垂控制环，虚拟阻抗环、电压控制环，电流控制环。图中部分变量的定义及物理意义如表1所示。下垂控制环采用的是本发明提出的非线性下垂控制策略，为逆变器提供频率参考f；虚拟阻抗环采用的本发明提出的自适应虚拟阻抗，通过改变逆变器输出电压参考实现；电压控制环为电流控制环提供电流参考，最终实现逆变器输出电压的控制；电流控制环节则给逆变器提供PWM参考信号。

表1本发明附图中部分系统变量的符号定义与说明

设计的下垂曲线由分段、连续可导函数组成，在正常频率(50Hz)附近区域下垂曲线斜率较大，在偏离正常频率较远的区域下垂曲线斜率较小，如图2所示。

分析非线性下垂对系统控制性能的影响，忽略无功环节影响，可以按图1简化模型做如下分析：

式子中，s是微分算子，X为虚拟电抗与物理电抗之和，P₁为经过滤波后的功率值。

线性化后得到

消除代数变量后，可以得到系统状态方程

状态矩阵为

特征方程为

对比二阶系统标准特征方程

λ²+2ξω_nλ+ω_n ²＝0

可以得到

其中，ω_n为无阻尼震荡频率，ξ为阻尼比。从上式可以看到，逆变器的阻尼和线路电抗与下垂系数比值的平方根成正比。因此，通过设计逆变器虚拟电抗，使得总的电抗和下垂曲线的斜率比值保持恒定即可。

因此，按照如下方式设计虚拟电抗：

X_vir＝X(P)-X_phy

式中X(P)为物理电抗和虚拟电抗之和，是关于逆变器输出功率的分段函数，当逆变器的输出功率大于给定功率P₀，即P>P₀，逆变器虚拟电抗与物理电抗之和保持恒定，即

X_vir＝X_max-X_phy

式子中X_max为虚拟电抗与物理电抗之和的最大值。

当输出功率小于给定功率，逆变器虚拟电抗与物理电抗之和随着输出功率的变化，保持和下垂曲线斜率或者输出功率成正比，即

或者

式子中K_equ(P)为输出功率为P时，下垂曲线的斜率；K_equ(P₀)为输出功率为给定功率P₀时，下垂曲线的斜率，也是曲线上斜率最大的点。其中保持和输出功率成正比时，为线性自适应电抗；与下垂曲线斜率成正比时，为非线性自适应电抗。

所构建虚拟电抗如图3所示，图3中可以看出，采用非线性方法构建可以提供更大阻尼，而采用线性方法构建可以提供更大的自适应范围。自适应虚拟电抗的实现如图4所示。

逆变器的虚拟电抗在P>P₀的区域为恒定值，而不按照P<P₀的区域设计为变化值。其原因如下所述：当在图3中P<P₀区域发生扰动时，逆变器动态过程如图6所示，可以看到，下垂控制和自适应虚拟电抗均为逆变器提供了正阻尼，自适应虚拟电抗增强了系统的稳定性。当扰动发生在图3中P₀右边区时，如果采用按照斜率设计的自 适应虚拟电抗，那么系统的动态如图7所示，自适应虚拟电抗为系统提供了负阻尼，会破坏系统的稳定运行。因此在P₀右边区域，虚拟电抗被设计为恒定值。

当逆变器有功采用非线性下垂时，其功率响应特性分析如下，如图5所示，下垂曲线在正常频率f₀附近的斜率A要明显大于远离f₀处的斜率B；在当系统频率在正常频率f₀附近波动Δf时，逆变器输出功率的变化为ΔP₁，当系统频率在远离频率f₀附近波动Δf时，逆变器输出功率的变化为ΔP₂，可以看到ΔP₂要明显大于ΔP₁，即逆变器功率输出具有符合电网需求的非线性特征。

以单逆变器并入无穷大系统(如图4所示)为例，以单机无穷大系统进行仿真，仿真所需的参数如表2所示。其中传统下垂的控制的下垂曲线按照如下线性方式设计：

电网的初始频率为50Hz，在t＝2s时刻，出现频率扰动，考虑的三种频率扰动大小为0.02Hz，0.1Hz，0.13Hz。仿真结果如图8-10所示，每幅图左边四子图为逆变器有功响应，右边四子图为无功响应，纵坐标均为功率标幺值。为了对比不同方法的优劣，每幅图自上而下对比了四种控制策略的仿真结果，分别是传统线性下垂(子图a1-a2)；使用非线性下垂，固定虚拟电抗为0.2p.u.(子图b1-b2)；使用非线性下垂，线性自适应电抗，虚拟电抗和物理电抗最大值X_max为0.3p.u.(子图c1-c2)；使用非线性下垂，非线性自适应电抗，虚拟电抗和物理电抗最大值X_max为0.3p.u.(子图d1-d2)。

图8显示了频率扰动为0.02Hz时，逆变器有功和无功响应。可以看到，由于非线性下垂在标准频率处的斜率设计为1Hz/p.u.，和线性下垂斜率一致，非线性下垂与线性下垂的功率跌落相差很小，符合在正常频率附近功率波动较小的设计预期。从动态特性上看，采用自适应虚拟电抗的逆变器动态特性优于采用固定虚拟电抗的逆变器，其中动态特性最好的为采用非线性自适应虚拟电抗的逆变器，符合设计。

图9显示了频率扰动为0.10Hz时，逆变器有功和无功响应。可以看到，采用非线性下垂的逆变器的功率跌落要大于采用线性下垂的逆变器。这是由于当频率偏移较大时，非线性下垂曲线斜率相比线性下垂曲线更为平缓，因此功率跌落更大，提供支持更多。从动态特性上看，采用自适应虚拟电抗的逆变器动态特性优于采用固定虚拟电抗的逆变器，其中动态特性最好的为采用非线性自适应虚拟电抗的逆变器，符合设计。

图10显示了频率扰动为0.13Hz时，逆变器有功和无功响应。可以看到，采用非线性下垂的逆变器的功率跌落要大于采用线性下垂的逆变器。这是由于当频率偏移较大时，非线性下垂曲线斜率相比线性下垂曲线更为平缓，因此会功率跌落更大，提供支持更多。从动态特性上看，最好的是采用线性自适应虚拟电抗的逆变器，非线性虚拟电抗的自适应区间较小，在这种情况下虚拟电抗的值已经变为零，动态特性反而变差。

表2实施例仿真验证中部分系统变量的参数值

逆变器额定容量	10kW
		逆变器额定电压	380V
逆变器测电感参数
		滤波电容参数
网测电感(包含线路)参数
		电压控制PI参数	2,10
电流控制PI参数	0.32,10
		前馈参数F	0.8
功率滤波器时间常数T	0.1s
		线性下垂参数
线性下垂参数

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种并网电压受控型逆变器的非线性下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设计具有非线性特性逆变器输出频率与有功功率之间的下垂关系曲线，所述曲线为分段函数，如下：

$f\left(P\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_{L1}\left(P\right),P_{fL1}\&le;P<P_{fL2}\\ f_{L2}\left(P\right),P_{fL2}\&le;P<P_{fL3}\\ .\\ .\\ .\\ f_{LN}\left(P\right),P_{fLN}\&le;P<P_0\\ f_{RN}\left(P\right),P_0\&le;P<P_{fRN}\\ .\\ .\\ .\\ f_{R2}\left(P\right),P_{fR3}\&le;P<P_{fR2}\\ f_{R1}\left(P\right),P_{fR2}\&le;P\&le;P_{fR1}\end{array}\right.$

式中，P为逆变器输出功率，f(P)为逆变器输出频率，f_L1(P)…f_LN(P),f_R1(P)…f_RN(P)为组成f(P)的函数，P_fL1,…P_fLN，P₀，P_fR1,…P_fRN为分段函数的分段点，P₀为功率给定值；

(2)、设计随输出有功功率变化而自适应变化的逆变器虚拟电抗X_vir，按如下方式实现：

X_vir＝X(P)-X_phy

式中，X(P)为物理电抗和虚拟电抗之和，是一个关于逆变器输出功率的分段函数，X_phy为物理电抗，即为线路电抗与逆变器输出电抗之和。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(1)曲线在正常频率附近的斜率较大，随着频率逐渐偏离正常频率，关系曲线的斜率逐渐变小。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述分段函数的各个函数分段连续可导，导数的绝对值在正常频率附近较大，远离正常频率处较小，即满足：

$\begin{array}{c}|{f_{LN}}^{\&prime;}\left(P\right),P_{LN}\&le;P<P_0|\&GreaterEqual;\mathrm{...}\&GreaterEqual;|{f_{L2}}^{\&prime;}\left(P\right),P_{L2}\&le;P<P_{L3}|\&GreaterEqual;|{f_{L1}}^{\&prime;}\left(P\right),P_{L1}\&le;P<P_{L2}|\\ |{f_{RN}}^{\&prime;}\left(P\right),P_0\&le;P<P_{RN}|\&GreaterEqual;\mathrm{...}\&GreaterEqual;|{f_{R2}}^{\&prime;}\left(P\right),P_{R3}\&le;P<P_{R2}|\&GreaterEqual;|{f_{R1}}^{\&prime;}\left(P\right),P_{R2}\&le;P<P_{R1}|\end{array}.$

4.根据权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于：

$f\left(P\right)=\left\{\begin{array}{c}-0.04(P-(P_0-0.4\left)\right)+50.144,0\&le;P<max(0,P_0-0.4)\\ -2{(P-P_0)}^3-2.4{(P-P_0)}^2-(P-P_0)+50,\max (0,P_0-0.4)\&le;P<P_0\\ -2{(P-P_0)}^3+2.4{(P-P_0)}^2-(P-P_0)+50,P_0\&le;P<min(1,P_0+0.4)\\ -0.04(P-(P_0+0.4\left)\right)+49.856+,min(1,P_0+0.4)\&le;P\&le;1\end{array}\right.,$

式中，P₀为功率给定值，且f(P₀)＝50Hz，即为电网额定频率。

通过改变P₀可以改变逆变器的输出功率。

5.根据权利要求1-3之一所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，当逆变器的输出功率大于给定功率P₀，即P>P₀，逆变器虚拟电抗与物理电抗之和保持恒定，即

X_vir＝X_max-X_phy

式子中X_max为虚拟电抗与物理电抗之和的最大值，为一定值。

在逆变器的输出功率小于给定功率P₀，即P<P₀，逆变器虚拟电抗与物理电抗之和随着输出功率的变化，保持和下垂曲线斜率或者输出功率成正比，即

$X_{vir}=max(X_{max}\&times;\frac{K_{equ}\left(P\right)}{K_{equ}\left(P_0\right)},X_{phy})-X_{phy}$

或者

$X_{vir}=max(X_{max}\&times;\frac{P}{P_0},X_{phy})-X_{phy}$

式子中，K_equ(P)为输出功率为P时，下垂曲线的斜率；K_equ(P₀)为输出功率为给定功率P₀时，下垂曲线的斜率。