CN107968591A - 基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法 - Google Patents
基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
为了解决现有虚拟惯性控制的并网逆变器的功率解耦不足的问题，本发明提供一种基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，属于可再生能源发电中并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制领域。本发明包括：步骤一：对并网逆变器进行虚拟惯性控制，获得虚拟励磁电动势幅值E和同步发电机的转子运动电角度θ；步骤二：使并网逆变器输出的无功功率等于无功功率参考值，预测出公共点电压upcc_calculate；步骤三：对E进行更新：将步骤一的E和步骤二的upcc_calculate进行叠加，得到更新后的虚拟励磁电动势幅值E；步骤四：根据步骤一的θ和步骤三得到的更新后的E，求出三相调制波，将三相调制波转换为并网逆变器中三相逆变桥的IGBT驱动信号，实现虚拟惯性控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，属于可再生能源发电中并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制领域。
背景技术
能源在社会不断发展的过程中起着至关重要的作用。为了应对日渐突出的能源危机和环境压力，以太阳能、风能等分布式电源为代表的可再生能源受到了各国越来越广泛的重视。随着包含各种可再生能源的分布式电源在电网的渗透率越来越高，电网中的转动惯量和旋转备用容量将逐渐降低，电网的稳定性问题越发严峻。加上分布式电源的不可预测性，很难实现即插即用的主动状态运行。
为了解决分布式能源中电力电子器件响应速度过快，缺乏传统同步发电机的转动惯量和阻尼特性等问题，国内外学者就提出了虚拟惯性的概念。虚拟惯性是指将同步发电机的数学模型应用到并网逆变器的控制上，使其能够模拟同步发电机的转动惯量和阻尼，增强系统的可靠运行能力。而微电网输出的有功功率与无功功率都受电源电压的相角和幅值控制，互相耦合，使功率控制性能下降。因而对于虚拟惯性控制并网逆变器的功率解耦问题亟待解决。
目前国内外学者针对虚拟惯性控制并网逆变器的功率解耦问题取得的研究成果：
由张也等发表于《电网技术》2016年第49卷第3期812页-828页，题为“微网功率耦合特性分析及解耦控制”的论文，该论文在线路功率传输模型的基础上，使用相对增益矩阵分析功率产生的原因，给出耦合度的计算方法，提出基于前馈补偿的解耦算法。但是该方法的前提是已知单位长度线路阻抗，是局部静态解耦，受到电力系统运行方式的影响。在实际应用中，当系统运行方式变化较大时，耦合效果将会随之减弱。
由Wu Teng等发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》2016年第31卷第8期5587页-5603页，题为“A Unified Virtual Power Decoupling Method for Droop-Controlled Parallel Inverters in Microgrids”的论文，该论文通过将线路阻抗引入坐标旋转矩阵，将真实的相互耦合的功率变换为虚拟的解耦功率。该方法仅能避免与控制目标产生很大的偏差值，并没有实现真正的功率解耦。
由Zhang Ping等发表于《IET Power Electronics》2016年第9卷第5期1037页-1044页，题为“Power Decoupling Strategy Based on‘Virtual Negative Resistor’forInverters in Low-voltage Microgrids”的论文，该论文分析在低压情况下，产生功率耦合的原因。之后，通过控制增加等效电抗，减弱由电阻形成的耦合作用。但是该方法仅仅能减弱功率耦合的程度，不能实现完全解耦，同时增加等效电抗，还会增加电压降。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有虚拟惯性控制的并网逆变器的功率解耦不足的问题，本发明提供一种基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法。
本发明的一种基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：对并网逆变器进行虚拟惯性控制，获得虚拟励磁电动势幅值E和同步发电机的转子运动电角度θ；
步骤二：使并网逆变器输出的无功功率等于无功功率参考值，预测出公共点电压upcc_calculate；
步骤三：对虚拟励磁电动势幅值E进行更新：将步骤一获得的虚拟励磁电动势幅值E和步骤二的公共点电压upcc_calculate进行叠加，得到更新后的虚拟励磁电动势幅值E；
步骤四：根据步骤一获得的同步发电机的转子运动电角度θ和步骤三得到的更新后的虚拟励磁电动势幅值E，求出三相调制波，将三相调制波转换为并网逆变器中三相逆变桥的IGBT驱动信号，实现虚拟惯性控制。
优选的是，所述步骤一包括：
步骤一一：根据同步发电机的有功功率和频率的关系，对并网逆变器进行虚拟调频，获得同步发电机的虚拟机械功率Pm；
步骤一二：根据步骤一一获得的虚拟机械功率Pm和同步发电机的转子运动方程，实现并网逆变器的虚拟惯性控制，获得电角度θ，所述转子运动方程中含有微电网的转动惯量和阻尼系数；
步骤一三：模拟同步发电机的励磁调节器，根据同步发电机的无功功率和电压调节关系，对并网逆变器进行虚拟调压，获得虚拟励磁电动势幅值E。
优选的是，所述步骤一一中，同步发电机的虚拟机械功率Pm为：
Pm＝Pref-kf(f-f0)；
其中，Pref为并网逆变器输出有功功率的给定值；kf为频率调节系数；f为机端电压频率；f0为电网额定频率。
优选的是，所述步骤一二中，同步发电机的转子运动方程为：
其中J为微电网的转动惯量；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩；D为阻尼系数；ω为实际电角速度；ω0为额定电角速度；θ为电角度；Pe为电磁功率。
优选的是，所述步骤一三中，虚拟励磁电动势幅值E为：
其中，Qref为无功功率给定值；E0为电压基准值；ki为电压调整系数；kq为无功功率和电压幅值的影响系数；Uref为电压参考值；Uo为机端电压；Qe为输出无功功率。
优选的是，所述步骤二中，公共点电压upcc_calculate：
其中Rg为线路电阻；Lg为线路电感；uo为并网逆变器经过滤波器后的电压的瞬时值；io为并网逆变器经过滤波器后的电流的瞬时值。
优选的是，所述更新后的虚拟励磁电动势幅值E：
优选的是，所述步骤一二中，转动惯量J的取值方法为：
定义一个惯性时间常数H，表示额定功率下同步发电机空载启动过程中，同步电机转子从静止到额定转速所用的时间：
其中Sn为同步发电机的额定容量；
将惯性时间常数H代入到转子运动方程，将该转子运动方程化简为对同步发电机具有普遍适用性的二阶模型：
其中“*”为参数标幺值，ωr为转速偏差标幺值；
根据输入输出变量的比值关系建立虚拟同步发电机控制的并网逆变器的传递函数：
其中S*为同步功率标幺值，α为滤波器阻抗角，为逆变器的功率角，和En分别为在有功功率和无功功率指定值下稳定运行时的电压和相位，U为电网电压有效值，Sn为同步发电机的额定容量；
在单位阶跃响应，不同虚拟惯性下，观察的响应速度、超调量和振荡时间，选择合适的转动惯量J的取值。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明针对虚拟惯性控制的并网逆变器的功率耦合问题提出基于预测公共点电压的解耦控制方法，通过追踪公共点的电压，避免因为线路阻抗的存在而造成的功率耦合，满足功率解耦的要求，实现有功功率和无功功率的动态解耦。不同于传统的虚拟阻抗方法，本发明能够完全使其能够追踪其参考值，从而降低线路阻抗对功率耦合的影响，并且没有复杂的设计和计算，实用性强。
附图说明
图1为本发明建立的并网逆变器的整体结构模型；
图2为虚拟调频环节的原理示意图；
图3为虚拟惯性控制环节的原理示意图；
图4为虚拟调压环节的原理示意图；
图5为单位阶跃响应G(s)，不同虚拟惯性下，系统动态响应的示意图，其中横坐标t表示时间，s为秒；
图6为本发明将预测的公共点电压和虚拟励磁电动势幅值E进行叠加，获得更新后的虚拟励磁电动势幅值E的原理示意图，其中，RMS表示均方根。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，建立虚拟惯性控制的整体模型，如图1所示，包括：
步骤一：对并网逆变器进行虚拟惯性控制，根据无功功率给定值Qref，获得虚拟励磁电动势幅值E，根据并网逆变器输出有功功率的给定值Pref，获得同步发电机的转子运动电角度θ；
步骤二：为了补偿线路的电压降落，使并网逆变器输出的无功功率等于无功功率参考值的预测方法，预测出公共点电压upcc_calculate，实现对公共点电压的追踪；
步骤三：对虚拟励磁电动势幅值E进行更新：将步骤一获得的虚拟励磁电动势幅值E和步骤二的公共点电压upcc_calculate的有效值进行叠加，得到更新后的虚拟励磁电动势幅值E；
本步骤根据通过追踪公共点的电压，满足功率解耦的要求，实现有功功率和无功功率的动态解耦，从而降低线路阻抗对功率耦合的影响。
步骤四：根据步骤一获得的同步发电机的转子运动电角度θ和步骤三得到的更新后的虚拟励磁电动势幅值E，求出三相调制波：
利用PWM调制器得到三相逆变桥的IGBT驱动信号，实现虚拟惯性控制。
优选实施例中，步骤一对并网逆变器进行虚拟惯性控制，包括虚拟调频环节、虚拟惯性环节和虚拟调压环节；
步骤一一、根据同步发电机的有功功率-频率调节原理，设计虚拟调频环节：根据同步发电机的有功功率和频率的关系，对并网逆变器进行虚拟调频，获得同步发电机的虚拟机械功率Pm；
步骤一二、结合同步发电机的转子运动方程，建立并网逆变器的虚拟惯性控制环节：根据步骤一一获得的虚拟机械功率Pm和同步发电机的转子运动方程，实现并网逆变器的虚拟惯性控制，获得电角度θ，在转子运动方程中含有微电网的转动惯量和阻尼系数；
步骤一三：结合同步发电机的无功功率-电压调节原理，设计虚拟调压环节：模拟同步发电机的励磁调节器，根据同步发电机的无功功率和电压调节关系，对并网逆变器进行虚拟调压，获得虚拟励磁电动势幅值E。
本实施方式给出了虚拟惯性控制的具体手段，采用虚拟调频、虚拟惯性和虚拟调压，获得功率解耦控制需要的参数：电角度θ和虚拟励磁电动势幅值E。
优选实施例中，如图2所示，步骤一一中，同步发电机的虚拟机械功率Pm为：
Pm＝Pref-kf(f-f0)；
其中，Pref为并网逆变器输出有功功率的给定值；kf为频率调节系数；f为机端电压频率；f0为电网额定频率。
本实施方式通过改变虚拟机械功率Pm，实现对转子频率和输出有功功率变化的调节
优选实施例中，如图3所示，步骤一二中，同步发电机的转子运动方程为：
其中J为微电网的转动惯量；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩；D为阻尼系数；ω为实际电角速度；ω0为额定电角速度；θ为电角度；Pe为电磁功率。
优选实施例中，如图4所示，步骤一三中，虚拟励磁电动势幅值E为：
其中，Qref为无功功率给定值；E0为电压基准值；ki为电压调整系数；kq为无功功率和电压幅值的影响系数；Uref为电压参考值；Uo为机端电压；Qe为输出无功功率。
优选实施例中，所述步骤二中，公共点电压upcc_calculate：
其中Rg为线路电阻；Lg为线路电感；uo为并网逆变器经过滤波器后的电压的瞬时值；io为并网逆变器经过滤波器后的电流的瞬时值。
将步骤一获得的虚拟励磁电动势幅值E和步骤二的公共点电压upcc_calculate的有效值进行叠加，如图6所示，
优选实施例中，所述步骤一二中，转动惯量J的取值方法为：
为了选取合适的虚拟惯性数值，定义一个惯性时间常数H，表示额定功率下同步发电机空载启动过程中，同步电机转子从静止到额定转速所用的时间：
其中Sn为同步发电机的额定容量；
将惯性时间常数H代入到转子运动方程，将该转子运动方程化简为对同步发电机具有普遍适用性的二阶模型：
其中“*”为参数标幺值，ωr为转速偏差标幺值；
根据输入输出变量的比值关系建立虚拟同步发电机控制的并网逆变器的传递函数：
其中S*为同步功率标幺值，α为滤波器阻抗角，为逆变器的功率角，和En为在有功功率和无功功率指定值下稳定运行时的电压和相位，U为电网电压有效值，Sn为同步发电机的额定容量；
在单位阶跃响应，不同虚拟惯性下，观察的响应速度、超调量和振荡时间，选择合适的转动惯量J的取值。
具体实施例：
本实施例的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，建立虚拟惯性控制的整体模型，如图1所示，本实施例有关的电气参数设置如下：并网逆变器的直流母线侧电压Udc为800V,滤波电感为2mH,滤波电阻为0.05Ω，线路电阻Rg为0.5Ω，线路电抗Xg为0.83Ω，虚拟阻尼D为0.7N·m·s/rad，kf为4，kq为195，ki为10，Qref为3kVar，Pref为8kW。本实施例的方法包括：
步骤1、根据同步发电机的有功功率-频率调节原理，设计虚拟调频环节：根据同步发电机的有功功率和频率的关系，对并网逆变器进行虚拟调频，获得同步发电机的虚拟机械功率Pm；
Pm＝Pref-kf(f-f0) (1)；
步骤2、结合同步发电机的转子运动方程，建立并网逆变器的虚拟惯性控制环节：根据步骤1获得的虚拟机械功率Pm和同步发电机的转子运动方程，实现并网逆变器的虚拟惯性控制，获得电角度θ，在转子运动方程中含有微电网的转动惯量和阻尼系数；
同步发电机的转子运动方程为：
步骤3：结合同步发电机的无功功率-电压调节原理，设计虚拟调压环节：模拟同步发电机的励磁调节器，根据同步发电机的无功功率和电压调节关系，对并网逆变器进行虚拟调压，获得虚拟励磁电动势幅值E；
虚拟励磁电动势幅值E为：
步骤4：为了补偿线路的电压降落，使并网逆变器输出的无功功率等于无功功率参考值的预测方法，预测出公共点电压upcc_calculate，实现对公共点电压的追踪；
其中Rg为线路电阻；Lg为线路电感；uo为并网逆变器经过滤波器后的电压的瞬时值；io为并网逆变器经过滤波器后的电流的瞬时值。
步骤5：为了选取合适的虚拟惯性数值，定义一个惯性时间常数H，表示额定功率下同步发电机空载启动过程中，同步电机转子从静止到额定转速所用的时间；
其中Sn为同步发电机的额定容量。
将式(5)定义的时间常数H代入步骤2中的转子运动方程，化简为对同步发电机具有普遍适用性的二阶模型，可写作：
其中“*”为参数标幺值。
根据输入输出变量的比值关系可以建立虚拟同步发电机控制的并网逆变器的传递函数，可写作：
其中S*为同步功率标幺值。
步骤6：在单位阶跃响应，分别取J＝0.25kg·m2，J＝0.5kg·m2，J＝1kg·m2观察式(7)的单位阶跃响应如图5所示，根据图5，选择J＝0.5kg·m2。
步骤7：对虚拟励磁电动势幅值E进行更新：将步骤3获得的虚拟励磁电动势幅值E和步骤4的公共点电压upcc_calculate的有效值进行叠加，得到更新后的虚拟励磁电动势幅值E；
本步骤根据通过追踪公共点的电压，满足功率解耦的要求，实现有功功率和无功功率的动态解耦，从而降低线路阻抗对功率耦合的影响。
步骤8：根据步骤2获得的同步发电机的转子运动电角度θ和步骤4得到的更新后的虚拟励磁电动势幅值E，求出三相调制波：
利用PWM调制器得到三相逆变桥的IGBT驱动信号，实现虚拟惯性控制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (8)
1.一种基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：对并网逆变器进行虚拟惯性控制，获得虚拟励磁电动势幅值E和同步发电机的转子运动电角度θ；
步骤二：使并网逆变器输出的无功功率等于无功功率参考值，预测出公共点电压upcc_calculate；
步骤三：对虚拟励磁电动势幅值E进行更新：将步骤一获得的虚拟励磁电动势幅值E和步骤二的公共点电压upcc_calculate的有效值进行叠加，得到更新后的虚拟励磁电动势幅值E；
步骤四：根据步骤一获得的同步发电机的转子运动电角度θ和步骤三得到的更新后的虚拟励磁电动势幅值E，求出三相调制波，将三相调制波转换为并网逆变器中三相逆变桥的IGBT驱动信号，实现虚拟惯性控制。
2.根据权利要求1所述的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤一一：根据同步发电机的有功功率和频率的关系，对并网逆变器进行虚拟调频，获得同步发电机的虚拟机械功率Pm；
步骤一二：根据步骤一一获得的虚拟机械功率Pm和同步发电机的转子运动方程，实现并网逆变器的虚拟惯性控制，获得电角度θ，所述转子运动方程中含有微电网的转动惯量和阻尼系数；
步骤一三：模拟同步发电机的励磁调节器，根据同步发电机的无功功率和电压调节关系，对并网逆变器进行虚拟调压，获得虚拟励磁电动势幅值E。
3.根据权利要求2所述的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述步骤一一中，同步发电机的虚拟机械功率Pm为：
Pm＝Pref-kf(f-f0)；
其中，Pref为并网逆变器输出有功功率的给定值；kf为频率调节系数；f为机端电压频率；f0为电网额定频率。
4.根据权利要求2所述的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述步骤一二中，同步发电机的转子运动方程为：
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其中J为微电网的转动惯量；Tm为机械转矩；Te为电磁转矩；D为阻尼系数；ω为实际电角速度；ω0为额定电角速度；θ为电角度；Pe为电磁功率。
5.根据权利要求2所述的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述步骤一三中，虚拟励磁电动势幅值E为：
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其中，Qref为无功功率给定值；E0为电压基准值；ki为电压调整系数；kq为无功功率和电压幅值的影响系数；Uref为电压参考值；Uo为机端电压；Qe为输出无功功率。
6.根据权利要求5所述的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述步骤二中，公共点电压upcc_calculate：
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其中Rg为线路电阻；Lg为线路电感；uo为并网逆变器经过滤波器后的电压的瞬时值；io为并网逆变器经过滤波器后的电流的瞬时值。
7.根据权利要求6所述的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述更新后的虚拟励磁电动势幅值E：
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<mn>2</mn>
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<mi>d</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msqrt>
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</mrow>
8.根据权利要求4所述的基于预测公共点电压的并网逆变器虚拟惯性功率解耦控制方法，其特征在于，所述步骤一二中，转动惯量J的取值方法为：
定义一个惯性时间常数H，表示额定功率下同步发电机空载启动过程中，同步电机转子从静止到额定转速所用的时间：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msubsup>
<mi>J&omega;</mi>
<mn>0</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中Sn为同步发电机的额定容量；
将惯性时间常数H代入到转子运动方程，将该转子运动方程化简为对同步发电机具有普遍适用性的二阶模型：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>&theta;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
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<mo>=</mo>
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<mrow>
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<mi>D&omega;</mi>
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<mi>P</mi>
<mi>m</mi>
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<mi>P</mi>
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<mo>*</mo>
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<mo>-</mo>
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<mi>D&omega;</mi>
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<mtd>
<mrow>
<msub>
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<mrow>
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<mn>0</mn>
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</mrow>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中“*”为参数标幺值，ωr为转速偏差标幺值；
根据输入输出变量的比值关系建立虚拟同步发电机控制的并网逆变器的传递函数：
<mrow>
<mi>G</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>s</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
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<mn>0</mn>
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<mi>S</mi>
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<mi>s</mi>
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<mo>+</mo>
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<mi>H</mi>
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</mrow>
<mi>s</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<msup>
<mi>S</mi>
<mo>*</mo>
</msup>
<mo>/</mo>
<mi>H</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中S*为同步功率标幺值，α为滤波器阻抗角，为逆变器的功率角，和En分别为在有功功率和无功功率指定值下稳定运行时的电压和相位，U为电网电压有效值，Sn为同步发电机的额定容量；
在单位阶跃响应，不同虚拟惯性下，观察的响应速度、超调量和振荡时间，选择合适的转动惯量J的取值。
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