CN107221960A - 一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，电网正常运行时，并网逆变器采用VSG控制模式，在PR电流控制模式中获取电网电压dq轴正、负序分量及输出三相调制波的相位角，并将相位角跟随并网逆变器输出电压相位角；电网发生故障时，计算电流dq轴正、负序分量的给定，从而由反旋转变换得到静止坐标系下的电流给定值，再经PR电流控制器产生电压信号，进而将并网逆变器由VSG控制模式快速切换至PR电流控制模式；待故障结束后，选择合适时机将并网逆变器由PR电流控制模式切换回VSG控制模式。本发明能够实现并网逆变器控制模式平滑切换，同时限制并网冲击电流，并向电网提供无功功率，从而实现电网故障下虚拟同步发电机的低电压穿越。

Description

一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法

技术领域

本发明属于并网逆变器控制技术领域，尤其涉及一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法。

背景技术

当前对并网逆变器的研究大多在电网电压正常的情况下，较少文章提到并网逆变器在电网故障下的运行情况，有文献提出通过模式切换来实现并网逆变器的低电压穿越，通过电流作为状态跟随器实现控制模式平滑切换，电网发生故障期间使用传统的低电压穿越实现电流的限流和无功功率的支撑，这个方法虽然能够实现VSG的低电压穿越，但是其方法复杂。也有加入了电流环，通过功角方面加强VSG惯性及低电压穿越的能力，此方案分析较为全面，且通过仿真进行验证故障期间电流的冲击能够限制住，但是该方法参数较多，工程上不易实现。通过虚拟电阻的技术和相量限流的技术，分别去对VSG的故障电流暂态及稳态进行了限制，能够有效保障VSG发生对称故障时机组的安全及可靠的运行，但是该种方法当前在不对称故障下较难实现。

综上所述，通过VSG技术控制的并网逆变器在电网发生故障时缺少限制电流及提供无功支持的能力，即由于VSG技术本身的控制特点引起了低电压的穿越能力较低。因此，提出基于PR(比例谐振)电流控制器的算法模式，与虚拟同步发电机(VSG)的控制算法模式的平滑切换，从而实现电网故障下虚拟同步发电机的低电压穿越。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：

一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：

S1：电网正常运行状态下，采用VSG控制模式控制并网逆变器，同时在PR电流控制模式中一方面利用双旋转坐标系正负序解耦的锁相环DDSRF-PLL实时采集电网电压u_gabc并进行正、负序分量的分离、解耦，得到电网电压dq轴正、负序分量；另一方面使用锁相环获得PR电流控制模式输出三相调制波的相位角θ_i，并将θ_i作为负反馈使其跟随并网逆变器输出电压的相位角θ_o；

S2：当电网发生故障时，根据电网电压dq轴正、负序分量与并网逆变器输出的有功功率、无功功率之间的关系分别计算出电流dq轴正、负序分量的给定；

S3：将获得的电流dq轴分量的正、负序分量给定以及相位角θ_i进行反旋转变换得到静止坐标系下的电流给定值，同时引入并网逆变器实际输出电流作为负反馈，再经过PR电流调节器产生电压信号，并作用于空间矢量脉宽调制SVPWM，从而将并网逆变器的控制模式由VSG控制模式快速切换至PR电流控制模式；

S4：待电网故障结束后50-200ms内，选择合适的时机将并网逆变器控制模式由PR电流控制模式切换回VSG控制模式。

进一步，所述S1中得到解耦后的电压dq轴正、负序分量为

进一步，所述S2中得到的电流dq轴正、负序分量的给定为

进一步，所述S2中电流dq轴分量的正、负序分量的给定，根据控制目标不同，得到的电流给定也不同，常见控制目标有：①输出的三相电流对称，②输出的无功功率恒定，③输出的有功功率恒定。

进一步，所述S3中将并网逆变器的控制模式由VSG控制模式切换为PR电流控制模式，应满足平滑切换的两个前提条件：两种控制模式输出的变量类型一致，即都为电压信号；两种模式输出变量的参数相同，即电压的幅值、频率、相位相同。

进一步，所述S3中PR电流控制模式引入了并网逆变器实际输出电流作为负反馈，与得到的静止坐标系下的电流给定值构成电流环，PR电流控制模式借助电流环限制并网逆变器故障期间并网电流，并使得并网逆变器可以向电网提供无功支撑。

进一步，所述S4中PR电流控制模式直接切换回VSG控制模式，是由于电网故障期间VSG控制模式继续运行，保持了对电网电压的持续追踪；电网恢复后50-200ms内切换，使得VSG控制模式输出的三相调制波与电网电压差别非常小，此时电网电压与PR电流控制输出的三相调制波相同。

进一步，所述电网发生的故障为不对称故障。

本发明提出的控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明可用于解决电网故障期间采用VSG控制的并网逆变器无法对电流进行限制和向电网提供无功的问题，由于逆变器并在电网上，并网逆变器输出电压与电网电压保持一致，因此只能通过调节电流来控制并网逆变器的输出功率；而且VSG控制模式中没有控制并网逆变器输出电流的结构，因此电网故障时采用VSG控制模式的并网逆变器无法限制电流和向电网提供无功支撑；而PR电流控制模式中引入并网逆变器输出电流作为负反馈，能够对逆变器输出电流进行控制，因此电网故障期间，采用PR电流控制的并网逆变器能够控制输出电流，从而向电网提供无功支撑。本发明提出的控制方法解决了两种控制模式的平滑切换问题，通过两种模式的平滑切换减小了并网逆变器控制模式切换时引起的电流冲击，从而使得并网逆变器具有较强的低电压穿越能力；本发明方法简单、工程上较易实现。

附图说明

图1为电网故障时并网逆变器低电压穿越控制时序图；

图2为电网故障时并网逆变器控制策略图；

图3为并网逆变器主电路图；

图4为并网逆变器等效电路图；

图5为锁相环DDSRF-PLL的结构框图；

图6为引入相位负反馈结构框图；

图7为电网不对称故障时PR电流控制框图；

图8为PR调节器控制框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

当电网发生故障时，并网逆变器必须具备一定的低电压穿越能力，即在电网故障时限制电流，且能够向电网提供无功功率，但是由于现在的VSG技术在电网发生故障时不能够限制电流和难以提供无功功率，这会导致并网设备的损坏或者脱网，而结合PR电流控制器的特点，本发明提出了在电网发生故障的期间，将并网逆变器的VSG控制模式切换为PR电流控制模式，故障结束后再切换回VSG控制模式，控制模式切换时序图如图1所示。

电网故障情况下的并网逆变器控制策略如图2所示，正常运行时，开关S1闭合，开关S2断开，此时PR电流控制模式的输出量就要跟踪上电网电压；一旦检测到电压故障发生，立刻切换到PR电流控制模式，即开关S2闭合，开关S1断开，采用PR电流控制模式的逆变器能够限制故障期间并网电流，同时给电网提供无功功率；当电网故障结束时，切换到VSG并网控制模式，即开关S1闭合，开关S2断开，整个过程使并网逆变器在电网故障时不脱网，使其平稳渡过电网故障。两种模式平滑切换需要满足两个必要的前提条件：一是两种控制模式输出的变量类型要一致，即都为电压信号；二是两种控制模式输出三相调制波的幅值、频率、相位角相同。

两种控制模式具体的实施步骤如下：

步骤1，考虑到并网逆变器运行的复杂性，这里只讨论电网电压不对称故障情况，在该情况下电网电压、电网电流存在正序分量和负序分量，同时为了分析的简便性，用三相进线电抗器L_g代替LCL滤波器，并网逆变器主电路如图3所示；其中V_dc、i_gabc、L_g、u_gabc分别是并网逆变器直流母线电压、并网逆变器三相输出电流、三相进线电抗器、三相电网电压(三相不对称电压)，忽略线路阻抗和IGBT(Q₁-Q₆)通态电阻，可以得到三相静止坐标系下并网逆变器等效电路，如图4所示。

由图4可得在静止坐标系下并网逆变器的数学模型：

其中：v_gabc是并网逆变器三相输出电压；

电网发生不对称故障时，并网逆变器输出复功率的表达式为：

式中：P为并网逆变器瞬时有功功率，Q为并网逆变器瞬时无功功率，u为电网电压的合成向量，i^*为交流侧相电流合成向量的共轭复数，ω为电网电压角频率，分别为正、负序电网电压复矢量，分别为正、负序输出电流复矢量；

并网逆变器瞬时功率下的有功功率P、无功功率Q分别为：

式中：P₀和Q₀分别为并网逆变器瞬时有功功率和瞬时无功功率的平均值，P_c2和P_s2分别为并网逆变器瞬时有功功率2倍频余弦和正弦波动分量幅值，Q_c2和Q_s2分别为并网逆变器瞬时无功功率的2倍频余弦和正弦波动分量幅值；

由公式(2)和公式(3)可得电网电压dq轴正、负序分量与并网逆变器输出的有功功率、无功功率之间的关系为：

其中，分别为轴正序分量，分别为负序分量，分别为轴正序分量，分别为轴负序分量；

PR电流控制模式中，利用双旋转坐标系正负序解耦的锁相环DDSRF-PLL将电网电压进行正、负序分量的分离，其结构框图如图5所示；利用DDSRF-PLL得到的电压dq轴正、负序分量计算公式为：

其中，分别为电网电压在dq轴的正、负序分量，且 分别为正负序变换矩阵；

公式(5)中

其中LPF(s)是低通滤波器的传递函数，其数学公式为：

其中：ω_f是低通滤波器的截止频率，考虑到振荡抑制和时间响应两方面的平衡，可取参数

PR电流控制模式中输出三相调制波的相位角问题，将该模式输出的三相调制波经过锁相环得到相角θ_i，并将θ_i作为负反馈使其跟随逆变器输出电压的相角θ_o，由于电网发生不对称故障时，VSG控制模式输出的三相调制波不能准确得到相位角，故选取并网逆变器输出电压的相角(VSG控制模式输出三相调制波的相位角与并网逆变器输出电压的相位角相同)，从而解决切换时刻两种控制模式输出三相调制波相位角角度不统一的问题，并且选取适当的PI参数来保证角度跟踪的稳定性和快速性，引入的相位负反馈结构框图如图6所示。

步骤2，在电网发生不对称故障时，通过对解耦后的并网逆变器输出电流dq轴正、负序分量进行控制，可以使并网逆变器达到不同的控制目标，因此，根据不同的控制目标可以计算得到不同的电流给定值，常见的控制目标有：输出的三相电流对称、输出的无功功率恒定、输出的有功功率恒定；

(1)输出的三相电流对称，即输出不含有负序分量的电流；

为达到此目标，需要抑制电网故障下逆变器输出电流中的负序分量，即令并忽略P_c2、P_s2、Q_c2、Q_s2，同时令P₀、Q₀分别为给定值P_set、Q_set，由公式(4)可得电流dq轴正负序分量的给定如下：

(2)输出的无功功率恒定，即输出不含有2倍频波动的无功功率；

为达到此目标，需要抑制电网故障下逆变器输出无功功率的2倍频波动，即令Q_c2＝Q_s2＝0，并忽略P_c2、P_s2，同时令P₀、Q₀分别为给定值P_set、Q_set，由公式(4)可得电流dq轴正负序分量的给定如下：

其中，

(3)输出的有功功率恒定，即输出不含有2倍频波动的有功功率；

为达到此目标，需要抑制电网故障下逆变器输出有功功率的2倍频波动，即令P_c2＝P_s2＝0，并忽略Q_c2、Q_s2，同时令P₀、Q₀分别为给定值P_set、Q_set，由公式(4)可得电流dq轴正负序分量的给定如下：

步骤3，将得到的电流dq轴分量的正、负序分量给定以及相位角θ_i进行反旋转变换得到静止坐标系下的电流给定值同时引入逆变器实际输出电流i_gαβ作为负反馈(实际输出电流i_gαβ与静止坐标系下的电流给定值构成电流环，PR电流控制模式借助电流环限制并网逆变器故障期间并网电流，同时使得并网逆变器给电网提供无功功率；)，再经过PR电流调节器产生电压信号最终得到三相调制波并作用于空间矢量脉宽调制SVPWM，这样就得到了电网发生不对称故障情况下，并网逆变器的PR电流控制模式框图如图7所示；

其中，PR电流调节器的传递函数为

其中，K_p是比例系数，可调节系统动态性能；K_r是谐振系数；ω₁是谐振角频率；在αβ坐标系下，电网电压在不对称故障时，电网电流的正、负序分量分别以ω₁和-ω₁的角速度旋转，所以能够采用单个谐振电流调节器控制并网逆变器输出电流的正负序分量；PR电流控制器控制框图如图8所示；

PR电流控制模式输出的三相调制波与VSG控制模式输出的三相调制波类型一致，都为电压信号，满足了两种控制模式平滑切换的第一个前提条件；由于逆变器并在电网上时，逆变器输出电压的幅值和频率被电网钳位住，由锁相环DDSRF-PLL得到的电压幅值能够保证与VSG控制模式得到的电压幅值一样，且它们的频率都与电网频率保持一致，同时PR控制模式输出三相调制波的相位角θ_i经过处理也与VSG控制模式输出三相调制波的相位角一致，满足了两种控制模式平滑切换的第二个前提条件；因此电网发生故障时，可以将并网逆变器的控制模式由VSG控制模式平滑切换到PR电流控制模式。

步骤4，电网故障期间，并网逆变器采用PR电流控制模式；此时VSG控制模式虽然不参与逆变器控制，但它继续运行，其输出三相调制波的幅值、频率分别继续追踪电网电压的幅值、频率；的相位角则追踪电网故障期间电网电压的正序相位角(电网发生不对称故障，电网电压相位角含有正序分量和负序分量)；电网恢复正常后，电网电压相位角中的负序分量消失，因此延迟一段时间，三相调制波的相位角与电网电压相位角差别较小；也就是说，电网恢复正常后一段时间，VSG控制模式输出的三相调制波与电网电压(此时电网电压与PR电流控制输出的三相调制波相同)差别非常小，并网逆变器控制方法直接切换回VSG控制模式引起的冲击电流很小，不影响系统的稳定运行。

通过多次仿真发现在电网故障结束后的50ms到200ms内直接切换并网逆变器的控制模式，且75ms为最佳切换时机，即可避免由PR电流控制模式切换到VSG控制模式时产生的电流暂态冲击。

以上所述对本发明进行了简单说明，并不受上述工作范围限值，只要采取本发明思路和工作方法进行简单修改运用到其他设备，或在不改变本发明主要构思原理下做出改进和润饰的等行为，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：电网正常运行状态下，采用VSG控制模式控制并网逆变器，同时在PR电流控制模式中一方面利用双旋转坐标系正负序解耦的锁相环DDSRF-PLL实时采集电网电压u_gabc并进行正、负序分量的分离、解耦，得到电网电压dq轴正、负序分量；另一方面使用锁相环获得PR电流控制模式输出三相调制波的相位角θ_i，并将θ_i作为负反馈使其跟随并网逆变器输出电压的相位角θ_o；

S2：当电网发生故障时，根据电网电压dq轴正、负序分量与并网逆变器输出的有功功率、无功功率之间的关系分别计算出电流dq轴正、负序分量的给定；

S3：将获得的电流dq轴分量的正、负序分量给定以及相位角θ_i进行反旋转变换得到静止坐标系下的电流给定值，同时引入并网逆变器实际输出电流作为负反馈，再经过PR电流调节器产生电压信号，并作用于空间矢量脉宽调制SVPWM，从而将并网逆变器的控制模式由VSG控制模式快速切换至PR电流控制模式；

S4：待电网故障结束后50-200ms内，选择合适的时机将并网逆变器控制模式由PR电流控制模式切换回VSG控制模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述S1中得到解耦后的电压dq轴正、负序分量为

3.根据权利要求1所述的一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述S2中得到的电流dq轴正、负序分量的给定为

4.根据权利要求1所述的一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述S2中电流dq轴分量的正、负序分量的给定，根据控制目标不同，得到的电流给定也不同，常见控制目标有：①输出的三相电流对称，②输出的无功功率恒定，③输出的有功功率恒定。

5.根据权利要求1所述的一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述S3中将并网逆变器的控制模式由VSG控制模式切换为PR电流控制模式，应满足平滑切换的两个前提条件：两种控制模式输出的变量类型一致，即都为电压信号；两种模式输出变量的参数相同，即电压的幅值、频率、相位相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述S3中PR电流控制模式引入了并网逆变器实际输出电流作为负反馈，与得到的静止坐标系下的电流给定值构成电流环，PR电流控制模式借助电流环限制并网逆变器故障期间并网电流，并使得并网逆变器可以向电网提供无功支撑。

7.根据权利要求1所述的一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述S4中PR电流控制模式直接切换回VSG控制模式，是由于电网故障期间VSG控制模式继续运行，保持了对电网电压的持续追踪；电网恢复后50-200ms内切换，使得VSG控制模式输出的三相调制波与电网电压差别非常小，此时电网电压与PR电流控制输出的三相调制波相同。

8.根据权利要求1所述的一种基于控制模式切换的并网逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述电网发生的故障为不对称故障。