CN107482939B - 一种逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变器控制方法，包括：基于逆变器实际输出电压的角频率和有功功率、逆变器在额定状态下输出电压的角频率和有功功率，根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程调节所述逆变器实际输出电压的角频率；所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程为逆变器虚拟惯性控制方程和自适应虚拟惯性系数方程叠加而成。本发明自适应虚拟惯性系数能根据逆变器实际输出电压的角频率的变化而自适应连续调节，从而使得逆变器实际输出电压的角频率自适应连续调节。即实际运行逆变器系统的等效惯性具有平滑连续的特性，避免了直接采样角频率微分项，增强了系统抗干扰和过载能力，改善了频率的动态性能，提高了微电网的暂态稳定性。

Description

一种逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，尤其涉及一种逆变器控制方法。

背景技术

分布式发电具有环境污染少、安装地点灵活、能源利用率高、输电线路损耗少等优点，是未来电力系统的重要发展趋势之一。微电网作为整合分布式电源的有效载体，能够实现自我控制、保护和管理，其包含了各种形式的分布式微源、储能系统、保护装置、负荷等。而大多数的分布式微源大都是基于电力电子变换器接口，与传统的同步发电机相比，逆变器型分布式微源响应速度快、惯性小、过载能力差。因此，为了保证系统稳定和功率平衡，必须配置一定容量的储能，利用储能单元来模拟传统同步发电机的转子旋转动能，提高系统在微源输出不确定和负荷需求不确定下的抗扰动能力，增强系统的暂态稳定性。

目前，微电网的逆变器控制策略一般采用下垂控制，传统的P-f和Q-V下垂控制模拟了传统同步发电机的稳态特性，使得逆变器具有同步发电机的外特性。但是，并不足以模拟同步发电机的真实动态特性。为了克服分布式逆变型微源惯性小的缺点，提高微电网暂态稳定性，有学者将惯性引入P-f下垂控制中，使得微电网逆变器模拟了同步发电机的一次调频和转子惯性特性。这些改进型的下垂控制，通过修正下垂系数，可用于提高系统在负荷切换时暂态响应，但往往对稳态性能造成一定影响。另外，为了让逆变器型分布式微源具有类似传统发电机的惯性特征，提高系统频率的动态性能，许多学者提出了虚拟同步发电机(VSG，Virtual Synchronous Generator)概念，借鉴传统同步发电机的转子运动方程，在控制环节中加入额外的虚拟惯性控制环节，不仅具有传统下垂控制优势并且能给系统提供的一定的惯性支撑，提高系统的暂态稳定性。但是目前的VSG方法中的虚拟惯性大小均是固定的，不能够根据实际运行状态进行自适应调整，没有充分发挥逆变器型微源响应速度快和灵活调节控制的优势。有相关文献提出交替变换的虚拟惯性控制方法，根据频率偏移情况和频率变化率情况判断并选取虚拟惯性大小，提高了系统的动态性能，但是所提算法中直接根据高频频率微分项进行判断，由于干扰存在往往会引发误判，并且所提出的虚拟惯性仅仅具有一大一小两个数值，属于典型开关系统，系统的频率调节不够平滑，对系统稳定性构成威胁。

在现有技术中，逆变器的虚拟惯性大小还不能够自适应地做出平滑灵活调节，为了克服现有的逆变器控制方法的缺点，更好的发挥微源电力电子化特征和虚拟惯性的作用，提高微电网暂态稳定性，需要寻求一种更佳的虚拟惯性控制方法及其具体的参数设计原则。

发明内容

为解决上述目前的逆变器虚拟惯性控制方法中频率调节不能连续平滑，从而对系统稳定性构成威胁的技术问题，本发明提供了一种逆变器控制方法，包括：

基于逆变器实际输出电压的角频率和功率、逆变器输出电压的额定角频率和额定功率，根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程调节逆变器实际输出电压的角频率；

其中，逆变器自适应虚拟惯性控制方程根据逆变器虚拟惯性控制方程和自适应虚拟惯性系数方程叠加而成。

优选地，获取自适应虚拟惯性系数，包括：

S1、根据微电网的下垂控制方程和同步发电机的二阶转子运动方程，获取逆变器虚拟惯性控制方程；S2、将逆变器虚拟惯性控制方程和自适应虚拟惯性系数方程叠加，获取逆变器自适应虚拟惯性控制方程。

优选地，步骤S1中微电网的下垂控制方程为：

其中，ω^*、V^*分别为逆变器输出电压的额定角频率和额定幅值，ω、V分别为逆变器实际输出电压的角频率和幅值，P、Q分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率，P^*、Q^*分别为逆变器输出的额定有功功率和额定无功功率，τ为低通滤波时间常数，s为拉普拉斯复变量，m、n分别为逆变器有功-角频率的下垂系数和无功-电压的下垂系数。

优选地，步骤S1中逆变器虚拟惯性控制方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，D为下垂阻尼系数，P为逆变器实际输出的有功功率，P^*为逆变器输出的额定有功功率,ω为逆变器实际输出电压的角频率，t为时间。

优选地，自适应虚拟惯性系数J和下垂阻尼系数D为：

其中，τ为低通滤波时间常数，m为逆变器有功-角频率的下垂系数。

优选地，下垂阻尼系数D的选取范围为：

其中，P_max、P_min分别为逆变器允许输出的最大和最小有功功率，ω_max、ω_min分别为微电网系统允许的最大和最小角频率。

优选地，步骤S2中自适应虚拟惯性系数方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ω为逆变器实际输出电压的角频率，ω^*为逆变器在额定状态下输出电压的角频率，t为时间。

优选地，步骤S2中逆变器自适应虚拟惯性控制方程为：

其中，ω_s为滑差角频率，ω_s＝ω-ω^*；ΔP为可输出的功率裕量，ΔP＝P^*-P；为f(ω_s,ΔP)，f(ω_s,ΔP)为输入(ω_s,ΔP)和输出之间的函数关系。

优选地，根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程调节逆变器实际输出电压的角频率，包括：

根据自适应虚拟惯性系数方程和逆变器自适应虚拟惯性控制方程，获取等效的自适应虚拟惯性系数方程，从而获取自适应虚拟惯性系数；

根据逆变器自适应虚拟惯性方程，通过调节自适应虚拟惯性系数，调节逆变器实际输出电压的角频率。

优选地，等效的自适应虚拟惯性系数方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，D为下垂阻尼系数，ω_s为滑差角频率，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ΔP为可输出的功率裕量，为f(ω_s,ΔP)，f(ω_s,ΔP)为输入(ω_s,ΔP)和输出之间的函数关系。

优选地，固有参考惯性系数J₀为：

其中，J₀为固有参考惯性系数，ζ为系统响应阻尼比，X_i为逆变器与连接公共母线间的线路电感阻值，δ为逆变器与连接公共母线间的传输功角，V为逆变器实际输出电压的幅值，V^*为逆变器在额定状态下输出电压的幅值。

优选地，补偿调节系数k的选取范围为；

其中，D为下垂阻尼系数，P^*为逆变器输出的额定有功功率，J₀为固有参考惯性系数。

优选地，通过调节自适应虚拟惯性系数，调节逆变器实际输出电压的角频率，其特征在于，包括:

当逆变器实际输出电压的角频率偏离额定值时，自适应虚拟惯性系数增大，用于阻止逆变器实际输出电压的角频率偏离额定值；

当逆变器实际输出电压的角频率接近额定值时，自适应虚拟惯性系数减小，用于加快逆变器实际输出电压的角频率接近额定值。

本发明提供了一种逆变器控制方法，根据同步发电机的惯性特性，构造自适应虚拟惯性算法，对逆变器进行控制。根据频率的变化情况选择不同的转子惯性：在系统频率偏离额定值时增大，虚拟大惯性，阻止频率的偏移；在频率向额定值恢复时减小，虚拟小惯性，加快频率的恢复，由此实现频率的自适应控制；由于实际运行逆变器系统的等效惯性中不再包含任何断续型的微分项，系统等效惯性只是相关于运行角频率和输出功率，因此系统的自适应虚拟惯性调节具有平滑连续的特性，避免了直接采样角频率微分项，增强了系统抗干扰和过载能力，改善了频率的动态性能，提高了微电网的暂态稳定性。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施方式中逆变器虚拟惯性系统结构图；

图2为根据本发明一个优选实施方式中逆变器虚拟惯性系统结构图；

图3为根据本发明一个优选实施方式中自适应虚拟惯性系统调整示意图；

图4(a)为根据本发明一个优选实施方式中负荷变化时仿真的功率结果图；

图4(b)为根据本发明一个优选实施方式中负荷变化时仿真的功率结果图；

图4(c)为根据本发明一个优选实施方式中负荷变化时仿真的功率结果图；

图5为根据本发明一个优选实施方式中负荷变化时仿真的频率结果图；

图6为根据本发明一个优选实施方式中负荷变化时仿真的等效惯性结果图；

图7(a)为根据本发明一个优选实施方式中带波动型负荷时仿真图；

图7(b)为根据本发明一个优选实施方式中带波动型负荷时仿真图；

图7(c)为根据本发明一个优选实施方式中带波动型负荷时仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步地详细描述。以下具体实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

由于同步发电机的转子惯性及调频控制特征能够改善电力系统的稳定性，若借助配备的储能环节，使分布式电源能够表现出同步发电机的特性，那么分布式系统的稳定性必定会得到提升。目前的VSG方案，主要控制思路是通过构造虚拟惯性及一次调频功率指令，并通过电流闭环控制来模拟同步发电机的转子惯性及系统一次调频特性。但是目前的VSG方案中的虚拟惯性大小是固定的，不能够根据实际运行状态进行自适应调整。有相关文献中提出了交替变换的虚拟惯性控制方法，但所提算法中虚拟惯性直接根据高频频率微分项进行判断。为了采样的准确性，采样频率不能太低，但随着频率的增加，系统增益增大，往往会引入更多噪声，使得系统稳定性大大降低；同时，所提出的虚拟惯性往往是离散数值，属于典型开关系统，系统的频率调节不够平滑，对系统稳定性构成一定威胁。

本发明提出了一种逆变器控制方法，包括：

基于逆变器实际输出电压的角频率和功率、逆变器输出电压的额定角频率和额定功率，根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程调节所述逆变器实际输出电压的角频率；

其中，所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程根据逆变器虚拟惯性控制方程和自适应虚拟惯性系数方程叠加而成。

具体地，基于逆变器实际输出电压的角频率和有功功率、逆变器在额定状态下输出电压的角频率和有功功率，获取等效的自适应虚拟惯性系数方程。

其中，自适应虚拟惯性系数能根据逆变器实际输出电压的角频率自适应连续调节；根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程，由于自适应虚拟惯性系数方程能根据逆变器实际输出电压的角频率自适应连续调节，从而使得逆变器实际输出电压的角频率高能自适应连续调节。

本发明提供了一种逆变器控制方法，其中，自适应虚拟惯性系数能根据逆变器实际输出电压的角频率自适应地平滑调节，从而使得逆变器实际输出电压的角频率能自适应连续调节。因此该逆变器控制方法使逆变器实际输出电压的角频率能根据自身变化自适应连续调节，提高了系统的抗干扰能力和过载能力，改善频率的动态性能，提高了微电网的暂态稳定性。

基于上述实施例，获取自适应虚拟惯性系数，包括：

S1、根据微电网的下垂控制方程和同步发电机的二阶转子运动方程，获取逆变器虚拟惯性控制方程；S2、将逆变器虚拟惯性控制方程和自适应虚拟惯性系数方程，获取逆变器自适应虚拟惯性控制方程。

下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线，作为微源的控制方式，即分别通过有功-频率(P-f)下垂控制和无功-电压(Q-V)下垂控制来获取稳定的频率和电压，下垂控制方法对微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制，无需机组间的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，保证了孤岛下微电网内电力平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。微电网中的常规下垂控制是通过模拟传统发电机的下垂特性，实现微电网中微电源的并联运行。其实质为：各逆变单元检测自身输出功率，通过下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，然后各自反向微调其输出电压幅值和频率以达到系统有功和无功的合理分配。

自适应控制器是一种能自我修正，以适应对象和扰动的动态特性的变化的控制器。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。自适应虚拟惯性则是将自适应控制技术应用到虚拟惯性上，使虚拟惯性能根据系统实际运行状况自适应调节。

具体地，根据微电网的下垂控制方程和同步发电机的二阶转子运动方程，获取逆变器虚拟惯性控制方程；根据逆变器虚拟惯性控制方程和自适应虚拟惯性系数方程，获取逆变器自适应虚拟惯性控制方程；根据自适应虚拟惯性系数方程和逆变器自适应虚拟惯性控制方程，获取等效的自适应虚拟惯性系数方程，从而获取自适应虚拟惯性系数。

本实施通过获取所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程，从而获取等效的自适应虚拟惯性系数控制，从而获取自适应虚拟惯性系数，将自适应虚拟惯性系数和逆变器实际输出电压的角频率建立了连接关系，通过自适应虚拟惯性系数的调节从而调节了逆变器实际输出电压的角频率，即通过虚拟惯性系数的调节使得逆变器进行频率响应。

基于上述实施例，根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程调节逆变器实际输出电压的角频率，包括：

根据自适应虚拟惯性系数方程和逆变器自适应虚拟惯性控制方程，获取等效的自适应虚拟惯性系数方程，从而获取自适应虚拟惯性系数；

根据逆变器自适应虚拟惯性方程，通过调节自适应虚拟惯性系数，调节逆变器实际输出电压的角频率。

基于上述实施例，图1为根据本发明一个优选实施方式中逆变器虚拟惯性系统结构图，如图1所示，下垂控制方法是借助同步发电机的一次调频原理，依据感性线路阻抗下各微源输出的有功功率与频率近似呈下垂曲线的特性，调节输出电压的频率和幅值，各微源件无需通信就能合理分配输出有功功率和无功功率，避免了微源之间的环流，可以通过调节输出电压的频率来调节逆变器输出的有功功率。

具体地，步骤S1中微电网的下垂控制方程包括有功-角频率下垂控制方程和无功-电压下垂控制方程。其中，有功-角频率下垂控制方程为：

无功-电压下垂控制方程为：

其中，ω^*、V^*分别为逆变器输出电压的额定角频率和额定幅值，ω、V分别为逆变器实际输出电压的角频率和幅值，P、Q分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率，P^*、Q^*分别为逆变器输出的额定有功功率和额定无功功率，τ为低通滤波时间常数，s为拉普拉斯复变量，m、n分别为逆变器有功-角频率的下垂系数和无功-电压的下垂系数。

进一步地，由有功-角频率下垂控制方程(1)推导得：

其中，τ为低通滤波时间常数，ω为逆变器实际输出电压的角频率，ω^*为逆变器输出电压的额定角频率，P为逆变器输出的有功功率，P^*为为逆变器输出的额定有功功率，t为时间，m为逆变器有功-角频率的下垂系数。

具体地，下垂控制方法借助同步发电机的一次调频，同步发电机的二阶转子方程为：

其中，Ω为转子机械角速度；J为转子的转动惯量，M_T为原动机机械转矩，M_E为发电机电磁转矩。

进一步地，将式(3)与同步发电机的二阶转子方程(4)相对比，设自适应虚拟惯性系数J和的下垂阻尼系数D表示为：

其中，τ为低通滤波时间常数，m逆变器有功-角频率的下垂系数。

本实施例中，下垂阻尼系数D具体指有功-角频率下垂阻尼系数。

进一步地，由式(3)和式(5)可知，步骤S1中逆变器虚拟惯性控制方程为：

基于上述实施例，下垂阻尼系数D的选取范围为：

其中，P_max、P_min分别为逆变器微源允许输出的最大和最小有功功率，ω_max、ω_min分别为微电网系统允许的最大和最小角频率。

具体地，由式(7)可知：

则ω_max、ω_min能保持在一定范围内，下垂阻尼系数D能保证系统稳态运行频率在允许的范围内；防止下垂阻尼系数D过小时，ω_max、ω_min超过频率允许的范围。

基于上述实施例，步骤S2中自适应虚拟惯性方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ω为逆变器实际输出电压的角频率，ω^*为逆变器输出电压的额定角频率。

具体地，固有参考惯性系数J₀为恒定值，系统通过补偿调节系数k的调节，从而调节自适应虚拟惯性系数J。

基于上述实施例，将自适应虚拟惯性系数方程式(8)代入逆变器虚拟惯性控制方程式(6)，得到逆变器自适应虚拟惯性控制方程的初步形式为：

其中，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ω为逆变器实际输出电压的角频率，ω^*为逆变器输出电压的额定角频率，P为逆变器输出的有功功率，P^*为为逆变器输出的额定有功功率，t为时间。

进一步地，由式(9)简化可得，步骤S2中逆变器自适应虚拟惯性控制方程为：

其中，ω_s为滑差角频率，ω_s＝ω-ω*；ΔP为可输出的功率裕量，ΔP＝P^*-P；为f(ω_s,ΔP)，f(ω_s,ΔP)为输入(ω_s,ΔP)和输出之间的函数关系。

基于上述实施例，逆变器实际输出电压的角频率算法为：

ω＝ω^*+ω_s＝ω^*+∫f(ω_s,ΔP)dt (11)

其中，ω为逆变器实际输出电压的角频率，f(ω_s,ΔP)为输入(ω_s,ΔP)和输出之间的函数关系，ω_s为滑差角频率。

基于上述实施例，根据构造的自适应虚拟惯性系数项和自适应虚拟惯性动态方程可以求出等效的自适应虚拟惯性系数方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，D为下垂阻尼系数，ω_s为滑差角频率，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ΔP为可输出的功率裕量，为f(ω_s,ΔP)，f(ω_s,ΔP)为输入(ω_s,ΔP)和输出之间的函数关系。

从等效的自适应虚拟惯性系数方程式(12)可知，尽管初始自适应虚拟惯性构造项中引入了角频率微分项，但通过采用自适应虚拟惯性算法，实际运行逆变器系统的等效惯性中不再包含任何断续型的微分项，系统等效惯性只是相关于运行角频率和输出功率，因此系统的自适应虚拟惯性调节具有平滑连续的特性，避免了直接采样角频率微分项，增强了系统抗干扰的能力，更加有利于系统的稳定性。

基于上述实施例，考虑系统的动态响应性能和稳定性，给出固有参考惯性J₀和补偿调节系数k的参数选取范围。

图1中，逆变器微源注入至公共母线的输出功率P表示为：

其中，X_l为逆变器微源与连接公共母线间的线路电感阻值，δ为逆变器微源与连接公共母线间的传输功角，V_o、V_g分别为逆变器微源和公共母线的电压幅值。

首先，假设补偿调节系数k＝0，线性化等效虚拟惯性控制方程，可得系统的二阶动态响应方程为：

其中，X_l为逆变器微源与连接公共母线间的线路电感阻值，V_o、V_g分别为逆变器微源和公共母线的电压幅值，D为下垂阻尼系数，δ为逆变器微源与连接公共母线间的传输功角。

进一步地，考虑自适应虚拟惯性控制方程的二阶动态响应方程式(14)，逆变器微源的动态响应阻尼比ζ和固有参考惯性系数J₀之间的关系为：

其中，X_i为逆变器与连接公共母线间的线路电感阻值，δ为逆变器与连接公共母线间的传输功角，V为逆变器实际输出电压的幅值，V^*为逆变器输出电压的额定幅值。

进一步地，根据动态响应阻尼比的阻值范围ζ∈[0.1,0.8]、物理参数X_l和下垂阻尼系数D，可以近似求出固有参考惯性J₀的取值范围为：

进一步地，考虑函数f(ω_s,ΔP)的输出量必须为实数，即非复数的条件，保证自适应虚拟惯性算法的稳定有效，需下式恒成立：

J₀ ²-4kω_s(Dω_s-ΔP)≥0 (17)

进一步地，在两种极端情况下满足：

进一步地，由于在稳态情况下，存在稳态解P^*-P_min＝-D(ω^*-ω_max)和P^*-P_max＝-D(ω^*-ω_min)，且一般情况下，逆变器微源的最小功率和最大功率取P_min＝0和P_max＝2P*，因此上式的不等式可以化简为:

补偿调节系数k的取值范围表示为:

基于上述实施例，图2为根据本发明一个优选实施方式中逆变器虚拟惯性系统结构图，如图2所示，本实施例中逆变器虚拟惯性系统结构图包括：两个相同容量的逆变型分布式微源(DG)，功率控制环、电压控制环和电流控制环。两个逆变型分布式微源并联连接，将自适应虚拟惯性算法应用于功率控制环模块中，其中滤波电感的值很大，逆变器的等效输出阻抗呈感性。

本系统仿真模型参数表为：

基于上述实施例，图3为根据本发明一个优选实施方式中自适应虚拟惯性系统调整示意图；如图3所示，通过调节自适应虚拟惯性系数，调节逆变器实际输出电压的角频率，包括：

当处于t1和t3阶段时，逆变器实际输出电压的频率偏离额定值，自适应虚拟惯性系数J增大，用于阻止逆变器实际输出电压的频率偏离额定值；

当处于t2和t4阶段时，逆变器实际输出电压的频率接近额定值，自适应虚拟惯性系数J减小，用于加快逆变器实际输出电压的频率接近额定值。

具体地，处于t1阶段时，由于负荷闪变使频率偏离额定值，此时自适应虚拟惯性系数J增大，阻止频率偏离额定值，使频率偏离额定值的速度减慢；当经过t1阶段，到达t2阶段时，频率偏离达到最大值，频率之后向额定值靠近，自适应虚拟惯性系数J减小，使频率接近额定值的速度加快，使频率尽快恢复到额定值。

当频率经过t2阶段，处于t3阶段时，频率变化过程与t1阶段相同；当频率经过t3阶段，处于t4阶段时，频率变化过程与t2阶段相同，此处不再赘述。

其中，逆变器输出电压的频率额定值为50Hz。

基于上述实施例，图4(a)、图4(b)、图4(c)均根据本发明一个优选实施方式中负荷变化时仿真的功率结果图，如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，为了体现本发明自适应虚拟惯性控制算法的优越性，共进行了三组仿真对比。

其中，图4(a)为采用传统下垂控制的小惯性仿真波形(J₀＝10，k＝0)，图4(b)为采用传统下垂控制的大惯性的虚拟同步机仿真波形(J₀＝100，k＝0)图4(c)为采用本发明自适应虚拟惯性的虚拟同步机仿真波形(J₀＝100，k＝0.18)。

具体地，当负荷变化至平稳时，小惯性情况下的功率响应曲线平滑，基本没有震荡发生；而大惯性情况下的功率响应曲线在此过程中会存在连续的小范围震荡；当采用本发明的自适应虚拟惯性方法时，虽然还是存在很小范围的震荡，但与大惯性情况下的功率响应曲线相比，震荡大大减弱，接近于小惯性情况下的功率相应曲线的平滑范围。

从图4(a)、图4(b)、图4(c)三幅功率结果图中看出，三组仿真结果的功率的动态响应具有近似的总体趋势，不过仍然存在差异：小惯性情况下的功率响应基本不存在震荡，动态性能良好；大惯性情况下的功率响应存在数个周期震荡，动态性能欠佳；当采用本发明提出的自适应虚拟惯性方法时，尽管固有参考惯性J₀＝100与大惯性情况下相同，但在补偿调节系数k的有效作用下，很好地阻尼了功率震荡，提高系统暂态稳定性。

基于上述实施例，图5为本发明实施例中负荷变化时仿真的频率结果图，如图5所示，本实施例为了体现本发明自适应虚拟惯性控制算法的优越性，针对系统频率调节，进行了小惯性调节、大惯性调节和自适应虚拟惯性调节三组仿真对比，其中，小惯性调节系数和大惯性调节系数的数值分别恒定设为10和100，自适应虚拟惯性调节系数根据系统频率变化自适应调节。

其中，当系统频率偏离额定值或向额定值恢复时，小惯性调节系统都最快，大惯性调节系统都最慢，自适应虚拟惯性调节系统都比小惯性调节系统慢，比大惯性调节系统快。因此，小惯性调节系统使系统频率偏离额定值最快，但向额定值恢复也最快；而大惯性调节系统使系统频率偏离额定值最慢，但向额定值恢复也最慢。而自适应虚拟惯性调节系统使系统频率偏离额定值时，较接近大惯性调节系统，使系统频率较慢地偏离额定值；使系统频率向额定值恢复时，较接近小惯性调节系统，使系统频率较快地向额定值恢复。

由此可知，当采用本发明提出的自适应虚拟惯性方法时，在负载切换过程中动态过程具有强鲁棒性，即在系统遇到负荷冲击时，能迅速维持平滑的频率响应特性。与传统的小惯性下垂控制相比较，系统频率偏离额定值时速度慢；与大惯性的虚拟同步机相比，系统频率恢复速度快，因此，本实施例采用的自适应虚拟惯性控制算法兼顾了小惯性和大惯性的优点，有效提高了系统暂态稳定性。

基于上述实施例，图6为本发明实施例中负荷变化时仿真的等效惯性结果图，如图6所示，为了体现本发明自适应虚拟惯性控制算法的优越性，共进行了小惯性调节、大惯性调节和自适应惯性调节三组仿真对比，小惯性调节系数和大惯性调节系数的数值分别恒定设为10和100，自适应虚拟惯性调节系数根据系统频率变化自适应调节。

当采用本发明提出的自适应虚拟惯性方法，自适应虚拟惯性在频率偏离额定值时具有大惯性特质，在频率向额定值恢复时具有小惯性特质，能够根据实际运行状况自适应灵活调节。另外，从放大的缩影图(仿真时间3.99s～4.1s)中看出，自适应惯性的调节由于避免了直接采样角频率微分项，使等效惯性中不再包含任何断续型的微分项，只相关于运行角频率和输出功率，因此系统的自适应虚拟惯性调节具有平滑连续的特性，增强了系统抗干扰的能力，更加有利于系统的稳定性。

基于上述实施例，图7(a)、图7(b)、图7(c)为根据本发明一个优选实施方式中带波动型负荷时仿真图，如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示，其中，图7(a)为在系统中相同时刻加载了带波动型的负荷仿真图，图7(b)为采用传统下垂控制中加入固定惯性系数调节的频率结果图，图7(c)为采用本发明自适应虚拟惯性体调节的频率结果图。

由图7(b)可知，采用传统下垂控制中加入固定惯性系数，最大频率偏移量为0.3Hz；由图7(c)可知，采用本发明自适应虚拟惯性系数调节时，最大频率偏移量仅为0.05Hz。即采用本发明自适应虚拟惯性系数的频率偏移量较大幅度地小于采用传统下垂控制中加入固定惯性系数时的频率偏移量。

由此可知，与传统下垂控制相比，所提出的自适应虚拟惯性控制方法有效地提高了系统频率响应、减小了频率偏移，具有较强的抗干扰能力。由于自适应虚拟惯性系统能自适应地连续调节，故系统频率能平滑调节，响应曲线为连续平滑的曲线，没有振荡波形和锯齿状起伏。

本发明提供了一种逆变器控制方法，根据同步发电机的惯性特性，构造自适应虚拟惯性算法，对逆变器进行控制。根据频率的变化情况选择不同的转子惯性：在系统频率偏离额定值时增大，虚拟大惯性，阻止频率的偏移；在频率向额定值恢复时减小，虚拟小惯性，加快频率的恢复，由此实现频率的自适应控制；由于实际运行逆变器系统的等效惯性中不再包含任何断续型的微分项，系统等效惯性只是相关于运行角频率和输出功率，因此系统的自适应虚拟惯性调节具有平滑连续的特性，避免了直接采样角频率微分项，增强了系统抗干扰和过载能力，改善了频率的动态性能，提高了微电网的暂态稳定性。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种逆变器控制方法，其特征在于，包括：

基于逆变器实际输出电压的角频率和功率、逆变器输出电压的额定角频率和额定功率，根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程调节所述逆变器实际输出电压的角频率；

其中，所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程为逆变器虚拟惯性控制方程和自适应虚拟惯性系数方程叠加而成，所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程的构建具体包括：

S1、根据微电网的下垂控制方程和同步发电机的二阶转子运动方程，获取所述逆变器虚拟惯性控制方程；

S2、将所述逆变器虚拟惯性控制方程和所述自适应虚拟惯性系数方程叠加，获取所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程；

其中，所述根据逆变器自适应虚拟惯性控制方程调节所述逆变器实际输出电压的角频率，具体包括：

根据所述自适应虚拟惯性系数方程和所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程，获取等效的自适应虚拟惯性系数方程，从而获取自适应虚拟惯性系数；

根据所述逆变器自适应虚拟惯性方程，通过调节所述自适应虚拟惯性系数，调节所述逆变器实际输出电压的角频率；

其中，所述自适应虚拟惯性系数方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ω为逆变器实际输出电压的角频率，ω^*为逆变器在额定状态下输出电压的角频率，t为时间；

所述逆变器自适应虚拟惯性控制方程为：

其中，ω_s为滑差角频率，ω_s＝ω-ω^*；ΔP为可输出的功率裕量，ΔP＝P^*-P，P为逆变器实际输出的有功功率，P^*为逆变器输出的额定有功功率；D为下垂阻尼系数，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ω为逆变器实际输出电压的角频率，ω^*为逆变器在额定状态下输出电压的角频率，表示逆变器自适应虚拟惯性控制方程，为f(ω_s,ΔP)，f(ω_s,ΔP)为输入(ω_s,ΔP)和输出之间的函数关系；

所述等效的自适应虚拟惯性系数方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，D为下垂阻尼系数，ω_s为滑差角频率，J₀为固有参考惯性系数，k为补偿调节系数，ΔP为可输出的功率裕量，表示逆变器自适应虚拟惯性控制方程，为f(ω_s,ΔP)，f(ω_s,ΔP)为输入(ω_s,ΔP)和输出之间的函数关系。

2.根据权利要求1所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述S1中所述逆变器虚拟惯性控制方程为：

其中，J为自适应虚拟惯性系数，D为下垂阻尼系数，P为逆变器实际输出的有功功率，P^*为逆变器输出的额定有功功率，ω为逆变器实际输出电压的角频率，ω^*为逆变器在额定状态下输出电压的角频率，t为时间。

3.根据权利要求2所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述下垂阻尼系数D的选取范围为：

其中，D为下垂阻尼系数，P_max、P_min分别为逆变器允许输出的最大和最小有功功率，ω_max、ω_min分别为微电网系统允许的最大和最小角频率。

4.根据权利要求1所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述固有参考惯性系数J₀为：

其中，J₀为固有参考惯性系数，ζ为系统响应阻尼比，D为下垂阻尼系数，X_l为逆变器与连接公共母线间的线路电感阻值，δ为逆变器与连接公共母线间的传输功角，V为逆变器实际输出电压的幅值，V^*为逆变器在额定状态下输出电压的幅值。

5.根据权利要求1所述的一种逆变器控制方法，其特征在于，所述补偿调节系数k的选取范围为：

其中，D为下垂阻尼系数，P^*为逆变器输出的额定有功功率，J₀为固有参考惯性系数。