CN108521130A - 一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法。目前的逆变器无功控制方法控制不精准，当电网电压轻微波动时，无法做到电压的无差控制；当电网电压跌落较深时，无法发挥其全部无功能力。本发明的无功控制分为三个阶段：当监测到并网点电压正常时，无功控制模块以控制逆变器的输出无功为目标；当监测到并网点电压跌落时，无功控制模块叠加并网点电压进行控制，以减缓电压跌落程度；当监测到并网点电压进一步跌落时，LVRT控制模块控制逆变器切换至低电压穿越控制模式，进行低电压穿越。本发明能够自动、灵活控制逆变器输出无功，提高逆变器无功利用率，稳定并网点电压，降低电网电压跌落程度，同时不影响其低电压穿越能力。

Description

一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法

技术领域

本发明涉及电网光伏并网逆变器控制领域，特别是一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法。

背景技术

近年来，大批光伏并网逆变器接入电网，为电网的运行和控制带来了严峻的挑战。传统电网中的同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，且能自主运行并参与电网电压和频率的调节。在此背景下，国内外研究学者提出了虚拟同步技术，从外特性上模拟或部分模拟出传统同步发电机的频率及电压控制特性，并为系统提供阻尼特性，从而改善分布式系统的稳定性。

此外，传统的光伏逆变器通常以单位功率因数运行，尽可能多地输出有功功率而基本不输出无功功率，在非满功率运行时造成一定程度视在功率的浪费。当电网电压波动时，传统逆变器的恒功率控制模式无法抑制电网电压变化，且恒压恒频模式的平滑切换算法复杂，效果不佳；当电网电压跌落时，传统逆变器被动进入低电压穿越模式，浪费了本身所具有的无功输出潜能。

因此，在虚拟同步逆变器的基础上，挖掘其无功功率备用潜能，研究集中式光伏机组的无功控制策略，实现对电网的无功电压支撑，具有十分重要的现实意义。

目前，基于虚拟同步机理的逆变器无功控制策略较少，且大多思路是将低电压穿越控制与虚拟同步控制相结合，即在故障发生时将虚拟同步控制切换至传统的低电压穿越控制，待故障恢复后立即切换至虚拟同步控制控制。但该类方法控制不精准，当电网电压轻微波动时，无法做到电压的无差控制；当电网电压跌落较深时，无法发挥其全部无功能力。公开号为CN105743130A的中国专利公开了一种提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方法，这种方法并未考虑低电压穿越时的无功补偿策略。公开号为CN105978042A的中国专利公开了一种用于虚拟同步机的故障保护和穿越控制系统及方法，这种方法直接判断电网电压跌落深度进行被动式穿越，并未利用虚拟同步机自身的无功补偿能力，在电压轻微跌落时进行最大化支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，实时监测并网点电压，并通过虚拟同步机的无功控制原理，增强对电网的无功电压支撑；当电网电压跌落较小时，切换控制对象使并网点电压恢复，维持系统稳定；而当电网电压跌落较深时，支撑电压恢复到一定程度，并进入低穿模式。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，该方法采用的模块包括LVRT控制模块和无功控制模块，无功控制方式分为三种，即无功控制模式、电压控制模式和低电压穿越控制模式，三者相互独立且切换控制：

当LVRT控制模块监测到并网点电压正常时，无功控制模块控制逆变器输出无功为设定值；当LVRT控制模块监测到并网点电压跌落时，无功控制模块控制并网点电压为设定值，阻止或减缓电压跌落；当LVRT控制模块监测到并网点电压继续跌落时，将逆变器切换至低电压穿越控制模式。

无功控制模块根据当前无功调节程度自动调整控制参数。

作为上述技术方案的补充，所述的LVRT控制模块用于实时监测并网点电压跌落情况，并能够产生三种并网点电压跌落标志，用于控制逆变器工作模式：当并网点电压大于等于设定的跌落阈值时，LVRT控制模块控制逆变器工作于无功控制模式；当并网点电压小于设定的跌落阈值时，LVRT控制模块控制逆变器工作于电压控制模式；当并网点电压小于等于90％额定电压时，LVRT控制模块控制逆变器进行低电压穿越。

作为上述技术方案的补充，所述的无功控制模式如下：并网点电压正常时，无功控制模块按照虚拟同步机理，对逆变器输出无功功率进行控制，即：无功参考值Q_ref减去无功实际值Q，乘以无功调节系数n，再加上电压初始值U₀，得到无功控制模块的电压参考值U_ref，即：U_ref＝U₀+n(Q_ref-Q)。

作为上述技术方案的补充，所述的电压控制模式如下：采用一个PI调节器，当并网点电压跌落至阈值U_X时，无功控制模块叠加控制电压调节部分：并网点电压U_T减去U_X，所得误差进入该PI调节器进行计算，最终结果再叠加到上述无功控制模式中，即其中k_p为PI调节器比例系数，k_i为PI调节器积分系数，s为拉普拉斯变换中的复变量。

作为上述技术方案的补充，所述的低电压穿越控制模式如下：低电压穿越时，LVRT控制模块设定有功电流为0，以获得最大无功输出能力；设定无功电流跟随并网点电压线性变化，电压跌落越深，无功电流越大，无功电流最大不超过1.05倍的额定电流。

作为上述技术方案的补充，无功调节系数n为变参数控制，以减小无功振荡，抑制无功超调：当无功实际值Q逐渐靠近无功参考值Q_ref时，无功调节系数n逐渐减小，即：n＝k·|Q_ref-Q|+n₀，其中k为无功调节系数增益，n₀为无功调节系数的初始值。

本发明具有的有益效果主要有：

1、电网电压正常时，能够按照虚拟同步控制原理，自动、灵活的控制逆变器输出无功，具备阻尼性，减小对电网的冲击，提高光伏逆变器的无功利用率。

2、电网电压跌落10％额定电压以内(可整定)时，能够自动稳定并网点电压，或减缓电压跌落趋势。

3、电网电压跌落较深时，能够按相关国标进行低电压穿越，同时利用其无功潜能，最大程度输出无功。

4、采用变参数控制，能够降低无功变化时的振荡，减小无功响应时间。

本发明适用于大规模光伏电站，易于实现，在工程应用中稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的电网电压控制过程图；

图2为本发明的无功控制方法框图；

图2中，ω₀为额定电网电压角速度，ω为实际电网电压角速度，m为有功-频率下垂系数，n为无功-电压下垂系数，J为转动惯量，s为拉普拉斯变换中的复变量，P_ref为有功功率参考值，Q_ref为无功功率参考值，P_m为等效机械功率，P为逆变器有功功率实际值，Q为逆变器无功功率实际值，I_g为逆变器输出电流，U_g为逆变器并网点电压，θ_ref为逆变器输出电压角速度参考值，U_ref为逆变器输出电压幅值参考值，I_dref为逆变器输出电流d轴参考值，I_qref为逆变器输出电流q轴参考值，U₀为电网电压额定值，U_X为并网点电压跌落阈值；

图3为本发明的变参数控制示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做更详细的描述。

本发明为一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，无功控制方式分为三种：无功控制模式、电压控制模式和低电压穿越控制模式。三者控制模式相互独立，互不干扰，且可以自由切换。当LVRT控制模块监测到并网点电压正常时，无功控制模块控制逆变器输出无功为设定值；当LVRT控制模块监测到并网点电压跌落时，无功控制模块控制并网点电压为设定值，阻止或减缓电压跌落；当LVRT控制模块监测到并网点电压继续跌落时，控制逆变器切换至低电压穿越控制模式。逆变器工作时，电流采集模块、电压采集模块采样并网点电压I_g和进网电流U_g；电流变换模块和电压变换模块通过Park变换和Clark变换计算得到逆变器实际输出无功值Q；通过人为或上位机通讯设定无功参考值Q_ref；通过人为或上位机通讯设定电压初始值U₀；LVRT控制模块监测并网点电压跌落状态，如图2所示。

U_T为并网点电压标幺值；I_N为逆变器额定输出电流；U_X为并网点电压跌落阈值(标幺值)。

如图1所示，当并网点电压正常(U_X≤U_T≤1pu)时，逆变器为无功控制模式，此时根据虚拟同步控制原理，Q_ref与Q相加，乘以无功调节系数n后，再与电压初始值U₀相加，得到无功控制模块的电压参考值U_ref。即：

U_ref＝U₀+n(Q_ref-Q)，

此时逆变器控制目标为逆变器输出无功。

当LVRT控制模块监测到并网点电压开始跌落(0.9pu<U_T<U_X)时，自动触发电压控制方式。此时电压采集模块将采集得到并网点电压U_T减去电压跌落阈值U_X后，送入PI调节器进行计算。所得结果再叠加到无功控制方式中。即：

其中，k_p为PI调节器比例系数，k_i为PI调节器积分系数。

此时逆变器控制目标为其并网点电压，以尽可能维持电网电压，其输出无功不再跟随Q_ref变化。

当LVRT控制模块监测到并网点电压进一步跌落(U_T≤0.9pu)时，此时逆变器的无功控制能力不再足以维持电网电压稳定，逆变器进入低电压穿越模式。其中，0.9pu为低电压穿越技术规范书所提出的新能源设备不脱网的最低电压限值。逆变器仍维持电压控制方式，以便于低穿过程结束后逆变器输出功率实现平滑切换。此时令有功电流参考值I_dref为0，以获取最大无功输出能力，无功电流I_qref按以下策略给定：

I_N为逆变器额定无功电流。

当并网点电压恢复至0.9pu时，逆变器进入电压控制模式，且I_dref从0开始缓慢增长到设定值。

当并网点电压恢复至U_X时，逆变器进入无功控制模式，响应功率指令。

如图3所示，无功调节系数n为变参数控制。当无功实际值Q逐渐靠近无功参考值Q_ref时，无功调节系数n逐渐减小。即：

n＝k·|Q_ref-Q|+n₀，

其中，k为无功调节系数增益，n₀为无功调节系数初始值。无功调节系数n最大不超过n’，n’为设定的无功调节系数上限。通过采用无功调节系数变参数控制，降低无功变化时的振荡，减小无功响应时间。

控制器电压参考值U_ref经三相调制信号计算模块计算得到调制波，并通过脉宽调制波生成模块生成最终PWM调制波。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，该方法采用的模块包括LVRT控制模块和无功控制模块，其特征在于，无功控制方式分为三种，即无功控制模式、电压控制模式和低电压穿越控制模式，三者相互独立且切换控制：

当LVRT控制模块监测到并网点电压正常时，无功控制模块控制逆变器输出无功为设定值；当LVRT控制模块监测到并网点电压跌落时，无功控制模块控制并网点电压为设定值，阻止或减缓电压跌落；当LVRT控制模块监测到并网点电压继续跌落时，将逆变器切换至低电压穿越控制模式。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，其特征在于，所述的LVRT控制模块用于实时监测并网点电压跌落情况，并能够产生三种并网点电压跌落标志，用于控制逆变器工作模式：当并网点电压大于等于设定的跌落阈值时，LVRT控制模块控制逆变器工作于无功控制模式；当并网点电压小于设定的跌落阈值时，LVRT控制模块控制逆变器工作于电压控制模式；当并网点电压小于等于90％额定电压时，LVRT控制模块控制逆变器进行低电压穿越。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，其特征在于，所述的无功控制模式如下：并网点电压正常时，无功控制模块按照虚拟同步机理，对逆变器输出无功功率进行控制，即：无功参考值Q_ref减去无功实际值Q，乘以无功调节系数n，再加上电压初始值U₀，得到无功控制模块的电压参考值U_ref，即：U_ref＝U₀+n(Q_ref-Q)。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，其特征在于，所述的电压控制模式如下：采用一个PI调节器，当并网点电压跌落至阈值U_X时，无功控制模块叠加控制电压调节部分：并网点电压U_T减去U_X，所得误差进入该PI调节器进行计算，最终结果再叠加到上述无功控制模式中，即其中k_p为PI调节器比例系数，k_i为PI调节器积分系数，s为拉普拉斯变换中的复变量。

5.根据权利要求3所述的基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，其特征在于，所述的低电压穿越控制模式如下：低电压穿越时，LVRT控制模块设定有功电流为0，以获得最大无功输出能力；设定无功电流跟随并网点电压线性变化，电压跌落越深，无功电流越大，无功电流最大不超过1.05倍的额定电流。

6.根据权利要求3或4所述的基于虚拟同步机理的逆变器无功控制方法，其特征在于，无功调节系数n为变参数控制，以减小无功振荡，抑制无功超调：当无功实际值Q逐渐靠近无功参考值Q_ref时，无功调节系数n逐渐减小，即：n＝k·|Q_ref-Q|+n₀，其中k为无功调节系数增益，n₀为无功调节系数的初始值。