CN107732978B - 一种基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统，包括由直流电压源、三相桥式逆变电路、LCL滤波器、公共电网、负荷及控制驱动电路构成的由虚拟同步发电机控制的并网逆变器系统，逆变器系统由有功调节器、励磁调节器、VSG算法模块和电压电流双闭环控制模块组成；通过引入同步发电机控制克服了传统并网逆变器响应速度快、惯量小的问题，可有效提升可再生能源在微网中的渗透率。将同步发电机转子的动态特性引入二阶暂态模型，消除了传统恒定阻尼系数对下垂控制的影响。此外，通过改进无功‑电压下垂控制减小了逆变器输出滤波阻抗和线路阻抗对无功功率分配的影响，保证了逆变器输出功率的合理分配。
Description
技术领域
本发明涉及微电网逆变器领域，具体为一种基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统。
背景技术
近年来，环境污染和温室效应的问题日益突出。光伏、风能、燃料电池等分布式可再生能源成为了各国政府和研究人员应对该问题的有力保障。作为分布式能源和交流电网的接口，电力电子变换器是微电网的核心器件，但其不具有旋转部件，响应速度快而缺少惯性，导致在大扰动下微电网频率和电压变化较快。虚拟同步发电机(VSG)控制策略通过模拟实际发电机的有功调节器和励磁控制器的下垂机制，使逆变器具备调频调压特性。此外，通过引入转子的转动特性有效提升了微电网系统的旋转惯性，进而提高分布式可再生能源在大电网中的渗透率。
逆变器的有功调节可依据有功‐频率下垂控制保证逆变器间有功功率的合理分配，但该方案需要实时获取电网频率信息，因此需要锁相环节得知该频率进而根据预设的有功‐频率下垂系数合理分配逆变器的输出有功功率。实际同步发电机可通过转子旋转磁场获取电网频率，但逆变器不具备实际发电机的转子结构导致其无法依靠自身结构获取该信息，而必须依靠外部锁相环节检测得到该频率。但该方法在弱电网条件或者当电网发生严重畸变时影响系统的动态响应，严重时甚至会导致系统失稳。
基于传统无功‐电压下垂控制的逆变器输出无功分配精度取决于逆变器输出滤波阻抗和线路阻抗。分布式电源在微网中所处位置不同，导致其等效传输线阻抗不同；此外，由于微网系统运行条件和设计考虑互异，各分布式电源输出LCL滤波器的设计也会有差异，进而导致各逆变器等效输出滤波阻抗也不相等。这些输出阻抗的不均等会直接影响到基于下垂控制的无功功率分配，同时由于低压微电网中该等效输出阻抗一般呈阻性或阻感性，使得基于下垂控制的逆变器功率调节产生一定的耦合，影响系统的动态性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统，实现并网逆变器有功功率和无功功率的合理分配；通过改进同步发电机的二阶转子运动方程引入了转子的动态特性，减小了恒定阻尼系数对下垂控制的影响；通过改进无功‐电压下垂控制减小了逆变器输出滤波阻抗和线路阻抗对无功功率分配的影响。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统，包括由直流电压源、三相桥式逆变电路、LCL滤波器、公共电网、负荷及控制驱动电路构成的由虚拟同步发电机控制的并网逆变器系统，逆变器系统由有功调节器、励磁调节器、VSG算法模块和电压电流双闭环控制模块组成；所述有功调节器用于模拟同步发电机的一次调频特性，采用有功-频率下垂(P-f)控制，以得到逆变器的输入机械功率给定值；励磁调节器用于模拟同步发电机的一次调压特性，采用无功-电压微分项下垂
控制，
表示电压幅值V随时间的变化率，通过调节电压幅值V，以减小无功功率分配对逆变器等效输出阻抗的依赖，提高无功分配精度；
VSG算法模块采用二阶暂态模型，用于模拟同步发电机的旋转转子特性，VSG算法模块基于带通滤波器得到阻尼功率，分别引入一个低频截止频率和一个高频截止频率，在低频段，带通滤波器的阻尼系数接近于零，表明稳态时阻尼功率为零且不影响下垂控制；在中频段，带通滤波器的阻尼特性消除了阻尼功率对下垂系数的影响，表明动态时产生阻尼功率以抑制虚拟逆变器的功率波动；
电压电流双闭环控制模块用于调节逆变器的输出电压和电流，通过将LCL滤波器滤波得到的三相电压和电流作为采样信号，送至逆变器的控制外环，得到三相定子电压，作为该电压电流双闭环控制模块的电压参考值，电压环根据所述电压参考值调节逆变器的输出电压同时生成后级电流环的电流参考值，其后的电流控制器以及相应的PWM生成模块共同调制得到触发脉冲，以驱动三相桥式逆变电路各开关管的开通与关断。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)将并网逆变器控制为同步发电机特性，可较大提升电网对分布式能源的接纳能力；
(2)采用同步发电机改进阻尼功率模拟方案，引入阻尼功率动态特性，提高了逆变器的动态响应性能；
(3)虚拟同步发电机的无功励磁调节采用新颖无功‐电压微分项下垂和基于公共连接点处电压反馈调节的结合控制，减小了无功功率分配对逆变器等效输出阻抗的依赖。
附图说明
图1是本发明基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统主拓扑及其整体控制框图；
图2(a)是同步发电机改进阻尼功率模拟控制框图，图2(b)是同步发电机改进无功励磁控制框图；
图3(a)、图3(b)是本发明基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的的并联逆变器系统仿真波形图，其中，图3(a)为虚拟逆变器输出有功功率波形图、图3(b)为无功功率的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
图1中，本发明所涉及的一种基于虚拟同步发电机(VSG)改进功率分配策略的逆变器系统。该逆变器系统可应用在含有光伏、风能、燃料电池等分布式可再生能源的微电网中，通过将并网逆变器控制为同步发电机特性，使其具备一定的调频调压能力，可提升可再生能源在大电网中的渗透率。虚拟同步发电机改进功率分配控制的并网逆变器系统由直流电压源、三相桥式逆变电路、LCL滤波器、公共电网、负荷以及相应的控制驱动电路构成。VSG控制策略的逆变器系统由四部分组成，分别为有功调节器、励磁调节器、VSG算法模块以及电压电流双闭环控制模块，其中VSG算法模块是该控制策略的核心。
图2(a)为同步发电机改进阻尼功率模拟控制框图。VSG控制的有功调节模块模拟了同步发电机的一次调频特性，采用的是传统有功-频率下垂(P-f)控制，以得到逆变器的输入机械功率给定值。具体为：将并网逆变器的额定角频率w0与电气角频率w作差比较，得到角频率差值，然后再与有功-频率下垂系数kw相乘，此后再与功率给定值Pref相加后得到逆变器的输入机械功率给定值Pm。
而VSG算法模块则采用了实际发电机的二阶暂态模型，模拟了发电机的旋转转子特性。其中，阻尼功率Pd通过带通滤波器得到，其表达式为Pd＝fd(s)*(w-w0)，fd(s)＝Ds/(1+Tls)(1+Ths)；fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度，D为恒定阻尼系数。该带通滤波器包括一个低频截止频率1/Tl和一个高频截止频率1/Th。在低频段，带通滤波器的阻尼系数接近于零，表明稳态时阻尼功率为零；在中频段，带通滤波器的阻尼特性与传统恒定阻尼系数特性一致，消除了阻尼功率对下垂系数的影响，表明动态时将产生阻尼功率以抑制逆变器的功率波动。具体为：将由有功调节器得到的逆变器输入机械功率给定值Pm与电磁功率Pe作差比较后，再减去基于带通滤波器fd(s)得到的阻尼功率Pd。得到的值经过惯性时间常数1/J和一阶微分环节1/s后得到逆变器角频率的变化量。该变化量再与逆变器额定角频率w0相加后得到逆变器实际输出角频率w。该角频率再经一阶微分环节1/s后得到逆变器输出功角θ。
图2(b)为同步发电机改进无功励磁控制框图。励磁调节模块模拟了同步发电机的一次调压特性，但与传统无功-电压下垂(Q-V)控制不同，引入了新颖无功-电压微分项下垂
控制。
代表了电压幅值V随时间的变化率，通过调节电压幅值V，可减小无功功率分配对逆变器等效输出阻抗的依赖，进而提高无功分配精度。首先，将给定电压幅值随时间的变化率
与实际逆变器的电压幅值随时间的变化率
作差比较，然后将该差值与含微分项的系数1/kqs相乘，再与无功功率参考值Qref相加后得到逆变器无功功率给定值
该值再与逆变器实际无功功率Qe作差比较后与新颖的无功-电压微分项下垂系数ki相乘，得到逆变器电压幅值随时间变化率的变化量。之后，该变化量再与电压幅值随时间的变化率给定值
相加后得到逆变器的电压幅值随时间变化率的实际值
由于励磁调节器模拟同步发电机的一次调压特性，故需要将此前得到的实际值
经一阶微分环节1/s后得到逆变器实际输出电压幅值Uo。
此外，引入了公共连接点处的电压反馈得到一个不受线路电压降影响的控制变量，通过控制公共连接点电压跟踪其给定参考值可解决虚拟阻抗控制对功率分配动态响应的影响，实现逆变器输出无功的独立控制。具体为：利用公共连接点处的电压参考值Upcc*减去由逆变器输出电流io流经电网阻抗(Rg+Lg)引入的电压降的有效值(RMS)，再将该差值与系数kv相乘后叠加到先前得到的逆变器实际输出电压幅值Uo，最后该值再与逆变器空载输出电势E0相加后逆变器的电势E。
图3(a)、3(b)为本发明基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的并联逆变器系统仿真波形图，其中，图3(a)、3(b)分别为虚拟逆变器输出有功功率和无功功率的波形图。初始时刻逆变器1#单独带负荷离网运行，在t＝0.3s时，逆变器2#投入系统，两台逆变器并联运行。由图3(a)和3(b)可知，在0-0.3s时，负荷所需有功、无功功率完全由逆变器1#提供。在t＝0.3s时刻，逆变器2#投入系统，与逆变器1#并联共同为负荷供电，此时每台逆变器各承担负荷功率的一半。由此说明采用虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联系统实现了功率的合理分配。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统，包括由直流电压源、三相桥式逆变电路、LCL滤波器、公共电网、负荷及控制驱动电路构成的由虚拟同步发电机控制的并网逆变器系统，其特征在于，逆变器系统由有功调节器、励磁调节器、VSG算法模块和电压电流双闭环控制模块组成；所述有功调节器用于模拟同步发电机的一次调频特性，采用有功-频率下垂(P-f)控制，以得到逆变器的输入机械功率给定值；励磁调节器用于模拟同步发电机的一次调压特性，采用无功-电压微分项下垂
控制，
表示电压幅值V随时间的变化率，通过调节电压幅值V，以减小无功功率分配对逆变器等效输出阻抗的依赖，提高无功分配精度；
所述励磁调节器用于模拟同步发电机的一次调压特性，采用无功-电压微分项下垂
控制，具体为：
将给定电压幅值随时间的变化率
与实际逆变器的电压幅值随时间的变化率
作差比较，然后将该差值与含微分项的系数1/kqs相乘，再与无功功率参考值Qref相加后得到逆变器无功功率给定值Q*；逆变器无功功率给定值Q*再与逆变器实际无功功率Qe作差比较后与无功-电压微分项下垂系数ki相乘，得到逆变器电压幅值随时间变化率的变化量；该变化量再与电压幅值随时间的变化率给定值
相加后得到逆变器的电压幅值随时间变化率的实际值
将实际值
经一阶微分环节1/s后得到逆变器实际输出电压幅值Uo；利用公共连接点处的电压参考值Upcc*减去由逆变器输出电流io流经电网阻抗Rg+Lg引入的电压降的有效值RMS，再将该差值与系数kv相乘后叠加到先前得到的逆变器实际输出电压幅值Uo，最后逆变器实际输出电压幅值Uo再与逆变器空载输出电势E0相加后逆变器的电势E；
VSG算法模块采用二阶暂态模型，用于模拟同步发电机的旋转转子特性，VSG算法模块基于带通滤波器得到阻尼功率，分别引入一个低频截止频率和一个高频截止频率，在低频段，带通滤波器的阻尼系数接近于零，表明稳态时阻尼功率为零且不影响下垂控制；在中频段，带通滤波器的阻尼特性消除了阻尼功率对下垂系数的影响，表明动态时产生阻尼功率以抑制虚拟逆变器的功率波动；具体为：将由有功调节器得到的逆变器输入机械功率给定值Pm与电磁功率Pe作差比较后，再减去基于带通滤波器fd(s)得到的阻尼功率Pd；得到的值经过惯性时间常数1/J和一阶微分环节1/s后得到逆变器角频率的变化量；该变化量再与逆变器额定角频率w0相加后得到逆变器实际输出角频率w；该角频率再经一阶微分环节1/s后得到逆变器输出功角θ；其表达式为Pd＝fd(s)*(w-w0)，fd(s)＝Ds/(1+Tls)(1+Ths)；fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为实际输出角频率，w0为额定角频率，D为恒定阻尼系数；
电压电流双闭环控制模块用于调节逆变器的输出电压和电流，通过将LCL滤波器滤波得到的三相电压和电流作为采样信号，送至逆变器的控制外环，得到三相定子电压，作为该电压电流双闭环控制模块的电压参考值，电压环根据所述电压参考值调节逆变器的输出电压同时生成后级电流环的电流参考值，其后的电流控制器以及相应的PWM生成模块共同调制得到触发脉冲，以驱动三相桥式逆变电路各开关管的开通与关断。
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Non-Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN107732978A (zh) | 2018-02-23 |
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