CN108199396A - 储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统及其设计方法，通过建立同步机的转子运动方程和励磁绕组电磁动态方程，得到适用于储能逆变器虚拟同步机控制的实用数学模型。在虚拟励磁控制器的设计过程中，采用递归设计方法构造系统的李雅普诺夫函数，保证闭环系统在平衡点附近局部稳定性的前提下，能够直接补偿虚拟同步发电机的阻尼系数。本发明的特点是针对含有储能组件的微电网，使其在并网运行或孤岛运行时，能够通过虚拟励磁控制器对自身进行充放电进行控制，平抑可再生能源的波动引起的微电网电压不稳定，改善微电网系统的暂态稳定性。

Description

储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流器，特别是一种储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统及其设计方法。

背景技术

面对能源危机和环境污染等一系列问题，再生能源正在发挥着巨大作用。光伏、风力发电等作为一种清洁高效的再生能源，备受分布式再生能源发电技术专家的青睐。其中，分布式发电单元通常需要通过电力电子变流器将电能馈送至交流母线，相比于运行成熟的传统发电设备(如同步发电机)，电力电子变换器具有响应迅速和控制灵活等优势，但是也有缺乏惯性和阻尼等缺点，从而给电力系统的稳定性带来了一系列的挑战。

在传统的电网运行中，源侧和负载侧有功功率的不平衡导致同步机转子转速变化，同步机转子由于其固有的惯性，改变转速补偿系统的功率缺额，以平缓频率波动。由此看来，同步发电机依靠其充足的旋转备用容量和转动惯量，能够为配电网提供必要的电压和频率支撑，表现出对电网友好接入的优良特性。如果按照常规电网的运行方式，使得电力电子并网逆变器具有同步发电机的外特性，则可以实现分布式新能源的友好接入，提高电力系统稳定性，优化电能质量，并能方便地将一些传统电网的运行控制策略移植到含分布式电源的电网中。为此，有文献借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使得并网逆变器在机理上和外特性上均能与同步发电机相媲美，该类控制策略称为虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术，其特别适用于储能装置与配电网之间的连接，有望在未来主动支撑电网中发挥重要作用。

在传统电力系统中，发电机组的励磁控制是改善电力系统稳定性的最有效而又最经济的手段，最早期的励磁调节的主要任务是维持发电机端电压的调节精度在一个给定的范围内，因此，发电机的励磁调节器大多采用基于发电机端电压偏差进行比例积分微分调节，简称PID调节，其控制目标是机端电压的调节精度，即传统同步机组的自动电压调节器AVR(automatic voltage regulator)。受该种控制的启发，基于虚拟同步机控制策略的逆变器也多采用PID调节手段，这种调节方式虽然能够保证端电压的调节精度，但是难以有效改善电力系统的稳定性和故障后系统的动态品质。

在随后的励磁调节器设计方面，新的控制律利用微分几何方法，对非线性系统采用精确的反馈线性化方法，通过非线性反馈将非线性电力系统转化为线性系统，然后按照线性系统的设计理论进行励磁调节的设计，但是对模型的精确度要求较高，在面对系统参数或结构不确定等情况下，难以保证控制效果。

发明内容

为应对上述传统方法的不足，本发明提供一种适用于微电网储能逆变器的虚拟励磁控制器设计方法，以通过逆变器改善电力系统暂态稳定性和动态品质。该控制器构造的李雅普诺夫函数采用了递归的设计方法，并充分利用了虚拟同步机本身的暂态能量函数。

本发明的技术解决方案如下：

一种储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统，其特点在于，包括虚拟励磁控制器、储能充放电控制单元、并网逆变器、交流电压互感器、交流电流传感器、直流电压传感器，上述部件的连接关系如下：

所述的虚拟励磁控制器的充放电控制端与所述的储能充放电单元相应的控制端相连，所述的虚拟励磁控制器的并网逆变控制端与所述的并网逆变单元相应的控制端相连，所述的虚拟励磁控制器的交流电压输入端与所述交流电压互感器的输出端相连，所述的虚拟励磁控制器的交流电流输入端与所述交流电流传感器的输出端相连，所述的控制器的直流电压输入端与所述直流电压传感器的输出端相连；

所述的储能充放电单元的直流输入端与储能输出端相连，所述的充放电单元的直流输出端与所述并网逆变单元的直流母线端相连；

所述的并网逆变单元的直流母线端与所述充放电单元的直流输出端的直流母线端相连，所述的并网逆变单元的交流输出端连接微网交流母线，微电网通过快速开关与交流电网公共点相连；

所述的交流电压互感器的输入端与微电网交流母线相连；

所述的交流电流传感器的输入端串联接于所述并网逆变单元的交流输出端；

所述的直流电压传感器的输入端与所述充放电单元的直流输出端相连。

上述储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统的设计方法，由所述的虚拟励磁控制器实现，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的数学模型；

2)定义具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的系统平衡点；

3)直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计。

所述的建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型，包括：

1)采用与同步机转子运动方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中，δ[rad]为逆变器虚拟功角，表示无穷大母线电压与逆变器出口电压之间的夹角；ω_r[p.u.]为虚拟转子角速度与同步角速度的偏差；ω_s＝2πf为同步角速度；P_set[p.u.]为虚拟同步控制下逆变器的参考功率指令，对应于传统同步机的机械功率P_m；P_e[p.u.]为逆变器输出电磁功率；

2)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：

式中，K′_d是励磁绕组的时间常数(s)；V_set[p.u.]为对应于系统稳态运行时的给定励磁电压；u_f为对应于励磁电压的调节量；V_q是逆变器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；是暂态电势，根据定义V_q与V′_q存在关系为：

V_q＝V′_q+(x_vir-x′_vir)I_d (22)

其中，x_vir表示虚拟定子电抗，用虚拟阻抗方法进行模拟；x′_vir表示虚拟暂态同步电抗，同样用虚拟阻抗方法模拟；I_d为母线电流d轴分量，表示为：

其中，U为无限大系统的母线电压，可看作常数，x′_d∑＝x′_vir+x_l，表示为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和；

3)建立虚拟同步机电磁功率方程为：

其中，U_d、U_q，I_d、I_q分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量；

4)根据虚拟同步机虚拟励磁绕组电磁动态方程(2)，将式(3)代入式(4)，得到V_q与V′_q之间的如下关系成立：

5)已知电动势、电压和电流的关系为：

6)根据虚拟同步机电磁功率方程(5)，得到虚拟同步机有功功率表达式：将式(7)代入式(5)得到虚拟同步机送入无穷大系统的有功功率表达式为：

7)根据虚拟同步机转子运动方程(1)和虚拟励磁绕组电磁动态方程(2)，最终建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型为：

所述的定义具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的平衡点，包括下列步骤：

1)将所述的具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型(9)简写为：

其中，u＝V_set+u_f

2)根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统的平衡点是指满足f(x)≡0的点，定义系统(10)的状态变量为δ，ω_r，V′_q，并且其平衡点用(δ_s,ω_rs,V′_qs)表示，根据该定义，系统(10)的平衡点应满足如下条件：

当给定逆变器预设功率P_set和虚拟励磁电压V_set时，通过求解(11)非线性代数方程得到系统平衡点。

所述直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计方法，具体包括：

1)考虑化简后的系统模型(10)中的子系统(δ,ω_r)，并将暂态电势V′_q表示为V′_q＝V′_qs+ΔV′_q，则ΔV′_q＝V′_q-V′_qs，子系统(δ,ω_r)可写为：

其中，P_e0＝a₁V′_qssinδ-a₂sin2δ；

2)将ΔV′_q看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节逆变器虚拟励磁使q轴暂态电势的变化ΔV′_q满足a₁ΔV′_qsinδ＝M·k_Dω_r，由于存在调节误差，定义调节误差为：

e＝M·k_Dω_r-a₁ΔV′_qsinδ (32)

其中，k_D为自定义变量且k_D＞0，Mk_D为理想补偿逆变器虚拟阻尼系数，由此可得：

定义构造李雅普诺夫函数为：

对上式求导得到：

选取控制律r为：

r＝-ω_sω_r-k_ee (36)

其中，k_e为自定义变量且大于零，则满足

由此，得到直接改善虚拟同步机阻尼系数的励磁控制律u为：

3)设逆变器调制波电压幅值为E，逆变器调制波电压幅值与逆变器出口电压幅值存在关系：

V_q＝V_dc·E， (20)

其中，V_dc为直流侧电压估计值，将控制律u代入式(2)(3)，通过递归计算得逆变器出口电压参考值V_q，进而得到逆变器调制波电压幅值E，结合虚拟同步机转子运动方程得到的虚拟功角δ，即可得到调制波信号为E∠δ，三相调制波信号表达式为：

4)将三相调制波信号与载波信号作比较，用于控制逆变器的开关工作。

本发明的优点和积极效果在于：

1、建立励磁控制与直接补偿阻尼系数的控制对应关系，对于储能逆变器模拟同步发电机并改善电力系统暂态稳定性和动态品质的效果更为显著。

2、对虚拟同步控制下的储能逆变器进行了与传统同步机相对应的精确建模，对于研究虚拟同步控制并借鉴传统同步机控制策略提供了参照。

3、易于应用于多种可再生能源通过逆变器并网的微电网系统中，并可以通过新能源并网为微电网提供支撑和惯性储备，提高微电网的电压稳定性。

附图说明

图1是本发明储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统的结构图。

图2是虚拟同步控制下储能逆变器对应传统同步机示意图。

图3储能逆变器整体控制流程示意图。

图4控制生成逆变器调制波示意图。

图5参考功率发生突变时逆变器出口端电压幅值。

图6参考功率发生突变时虚拟转子角速度。

图7参考功率发生摄动时虚拟功角波形。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明适用于微电网储能逆变器的虚拟励磁控制器设计方法，该方法实施流程图如图3所示，其步骤包括：

S10建立具有励磁控制器的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型；

具体地，该步骤包括：参照图2，采用与同步发电机参数对应的方式，建立虚拟同步发电机控制下的逆变器转子运动方程，励磁绕组电磁动态方程以及虚拟同步机电磁动态方程，最终得到虚拟同步发电机控制下的逆变器系统数学模型表达式；

S20根据虚拟同步发电机控制下的逆变器系统数学模型表达式，定义具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网平衡点，并通过解非线性代数方程得到系统平衡点，用于虚拟励磁控制器的设计；

S30结合步骤一所得模型和步骤二得到的平衡点，构造李雅普诺夫函数，对直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器进行递归设计；

S40根据S30所设计的控制律，得到用于逆变器控制的调制波信号幅值E，如图4所示。结合S10得到的虚拟功角δ，即可生成调制波信号E∠δ。该信号与载波作比较，生成的脉冲信号用于控制三相桥逆变器开关管的导通和关断。

下面结合一个具体实例，对本发明的应用作进一步说明。

连接无穷大电网以S_B＝10kVA为基准容量，以线电压有效值为基准电压，采用标幺值对电气量进行控制。逆变器滤波电路的取值分别为L＝1.5mH，R＝0.1Ω，C＝25μF，电网额定频率为50Hz，逆变器载波频率10kHz。其他物理参数如下表所示：

表1.本发明实施例所述系统物理参数表

ωs	1.0p.u.	Pset	4.0p.u.
				D	0.6p.u.	xvir	1.5p.u.
M	5s	xv′ir	0.8p.u.
				K′d	7s	xl	0.49p.u.
Vset	0.95p.u.	U	1.0p.u.

控制器(31)的参数选取为k_D＝2，k_e＝5。

实验算例考虑虚拟同步机预设功率，即P_set发生摄动和突变情况下的仿真结果。

设计某时刻Pset发生功率摄动，经过1.2s后恢复；

对该算例进行仿真研究，仿真中取ΔP_set＝2。实线表示加入了动态反馈虚拟励磁控制器的闭环系统响应，虚线表示未加入虚拟励磁反馈控制的系统响应结果。

由图5可以看出，由于加入了虚拟励磁反馈控制环节，逆变器端电压可以被调节到与设定值V_set＝0.95p.u.有一个很小的容许误差的值；相比之下，未加入反馈控制的逆变器端电压则与设定值相差很大，不利于整个系统的稳定。通过图6的虚拟转子角频率曲线可以推断出逆变器附近母线电压频率，在加入了虚拟励磁控制器后，频率的波动更小，有利于逆变器本地负载的稳定运行，不会因频率波动较大造成切负荷等事故发生。图7所示的功角曲线可以看出，加入了虚拟励磁反馈调节，功角很快稳定到平衡点附近，系统响应更为迅速，动态性能更好。

Claims (5)

1.一种储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统，其特征在于，包括虚拟励磁控制器(1)、储能充放电控制单元(2)、并网逆变器(3)、交流电压互感器(4)、交流电流传感器(5)、直流电压传感器(6)，上述部件的连接关系如下：

所述的虚拟励磁控制器(1)的充放电控制端与所述的储能充放电单元(2)相应的控制端相连，所述的虚拟励磁控制器的并网逆变控制端与所述的并网逆变单元(3)相应的控制端相连，所述的虚拟励磁控制器(1)的交流电压输入端与所述交流电压互感器(4)的输出端相连，所述的虚拟励磁控制器(1)的交流电流输入端与所述交流电流传感器(5)的输出端相连，所述的控制器(1)的直流电压输入端与所述直流电压传感器(6)的输出端相连；

所述的储能充放电单元(2)的直流输入端与储能输出端相连，所述的充放电单元(2)的直流输出端与所述并网逆变单元(3)的直流母线端相连；

所述的并网逆变单元(3)的直流母线端与所述充放电单元(2)的直流输出端的直流母线端相连，所述的并网逆变单元(3)的交流输出端连接微网交流母线，微电网通过快速开关与交流电网公共点相连；

所述的交流电压互感器(4)的输入端与微电网交流母线相连；

所述的交流电流传感器(5)的输入端串联接于所述并网逆变单元(3)的交流输出端；

所述的直流电压传感器(6)的输入端与所述充放电单元(2)的直流输出端相连。

2.根据权利要求1所述的储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统的设计方法，由所述的虚拟励磁控制器(1)实现，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的数学模型；

2)定义具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的系统平衡点；

3)直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型，包括：

1)采用与同步机转子运动方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中，δ[rad]为逆变器虚拟功角，表示无穷大母线电压与逆变器出口电压之间的夹角；ω_r[p.u.]为虚拟转子角速度与同步角速度的偏差；ω_s＝2πf为同步角速度；P_set[p.u.]为虚拟同步控制下逆变器的参考功率指令，对应于传统同步机的机械功率P_m；P_e[p.u.]为逆变器输出电磁功率；

2)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：

式中，K_d′是励磁绕组的时间常数(s)；V_set[p.u.]为对应于系统稳态运行时的给定励磁电压；u_f为对应于励磁电压的调节量；V_q是逆变器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；是暂态电势，根据定义V_q与V_q′存在关系为：

V_q＝V_q′+(x_vir-x_v′_ir)I_d (3)

其中，x_vir表示虚拟定子电抗，用虚拟阻抗方法进行模拟；x_v′_ir表示虚拟暂态同步电抗，同样用虚拟阻抗方法模拟；I_d为母线电流d轴分量，表示为：

其中，U为无限大系统的母线电压，可看作常数，x′_d∑＝x_v′_ir+x_l，表示为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和；

3)建立虚拟同步机电磁功率方程为：

其中，U_d、U_q，I_d、I_q分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量；

4)根据虚拟同步机虚拟励磁绕组电磁动态方程(2)，将式(3)代入式(4)，得到V_q与V_q′之间的如下关系成立：

5)已知电动势、电压和电流的关系为：

6)根据虚拟同步机电磁功率方程(5)，得到虚拟同步机有功功率表达式：将式(7)代入式(5)得到虚拟同步机送入无穷大系统的有功功率表达式为：

7)根据虚拟同步机转子运动方程(1)和虚拟励磁绕组电磁动态方程(2)，最终建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型为：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的定义具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的平衡点，包括下列步骤：

1)将所述的具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型(9)简写为：

其中，u＝V_set+u_f

2)根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统的平衡点是指满足f(x)≡0的点，定义系统(10)的状态变量为δ，ω_r，V_q′，并且其平衡点用(δ_s,ω_rs,V_q′_s)表示，根据该定义，系统(10)的平衡点应满足如下条件：

当给定逆变器预设功率P_set和虚拟励磁电压V_set时，通过求解(11)非线性代数方程得到系统平衡点。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计方法，具体包括：

1)考虑化简后的系统模型(10)中的子系统(δ,ω_r)，并将暂态电势V_q′表示为V_q′＝V_q′_s+ΔV_q′，则ΔV_q′＝V_q′-V_q′_s，子系统(δ,ω_r)可写为：

其中，P_e0＝a₁V_q′_ssinδ-a₂sin2δ；

2)将ΔV_q′看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节逆变器虚拟励磁使q轴暂态电势的变化ΔV_q′满足a₁ΔV_q′sinδ＝M·k_Dω_r，由于存在调节误差，定义调节误差为：

e＝M·k_Dω_r-a₁ΔV_q′sinδ (13)

其中，k_D为自定义变量且k_D＞0，Mk_D为理想补偿逆变器虚拟阻尼系数，由此可得：

定义构造李雅普诺夫函数为：

对上式求导得到：

选取控制律r为：

r＝-ω_sω_r-k_ee (17)

其中，k_e为自定义变量且大于零，则满足

由此，得到直接改善虚拟同步机阻尼系数的励磁控制律u为：

3)设逆变器调制波电压幅值为E，逆变器调制波电压幅值与逆变器出口电压幅值存在关系：

V_q＝V_dc·E， (20)

其中，V_dc为直流侧电压估计值，将控制律u代入式(2)(3)，通过递归计算得逆变器出口电压参考值V_q，进而得到逆变器调制波电压幅值E，结合虚拟同步机转子运动方程得到的虚拟功角δ，即可得到调制波信号为E∠δ，三相调制波信号表达式为：

4)将三相调制波信号与载波信号作比较，用于控制逆变器的开关工作。