CN108879770A - 一种逆变器控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变器控制器，由主电路、dq变换和dq反变换单元、无功电压控制单元、有功频率控制单元、逆变器功率计算方程、功角微分项计算方程这六个部分构成。主电路主要指逆变器的硬件电路；dq变换和dq反变化单元提供了旋转坐标和静止坐标的转化方式；电压控制单元为IGBT桥路提供输出电压控制量的幅值；有功频率单元主要包含引入了功角微分项δ＇的虚拟转子运动方程，为IGBT桥路提供输出电压控制量的角频率；逆变器功率计算方程计算逆变器输出功率；功角微分项计算方程是通过端电压相位和幅值计算出转子运动方程中引入的δ＇。本发明使得逆变器的输出功率能够间接跟随输出电压相位α角的波动，有利于系统的功角稳定。

Description

一种逆变器控制器

技术领域

本发明涉及微电网和分布式发电领域，特别涉及一种虚拟同步发电机逆变器控制器。

背景技术

随着风、光、太阳能等间隙性清洁能源在电力系统中所占比重的增加，智能电网，特别是微电网相继成为电力领域的研究热点。由于风能、太阳能等一次可再生资源的随机性、间歇性，自身很难控制其有功出力的缺点。因此常规的逆变器控制策略在微电网多逆变器并网运行的情况下无法为微电网系统提供电压、频率支撑，也很难合理的分配各逆变器之间的输出功率，成为制约微电网发展的问题。具有传统电力系统中同步发电机特性的虚拟同步发电机技术应运而生。和下垂控制相比，虚拟同步发电机控制算法不仅具有稳态的功率下垂持性，而且还可模拟同步发电机的转子惯性，动态弥补功率的差额，减少频率波动的程度。虚拟同步发电机技术已成为目前研究的热点。

目前，常见的虚拟同步发电机逆变器控制策略，通过转子运动方程，控制调制波的相位θ，并利用该θ角去做dq变换以及dq反变换等。这个θ角可以视作传统的同步发电机中的转子位置角。依照电力系统分析中功角的概念，该θ角与逆变器机端电压的相位α之差δ(δ＝θ-α)，可以视作虚拟同步发电机的功角。功角δ不仅影响虚拟同步发电机的输出有功功率(对于一段输电线路，知道功角和两端电压的幅值以及线路阻抗，可以计算功率)，同时也是功角稳定分析和控制中重要的状态变量。功角过大，不仅输出有功功率大，同时也更容易失去稳定。现有的虚拟同步发电机控制策略，往往会在转子运动方程中，通过引入虚拟阻尼绕组的控制作用，甚至添加虚拟转子转速微分有关的虚拟转矩，去间接地控制转子转速及其位置角θ。逆变器运行在电网的低压侧。这里更接近负荷所在的位置，且多种新能源发电方式并存，系统内节点电压的幅值及相位α往往更为多变。根据功角δ的表达式(δ＝θ-α)可知，虚拟同步发电机仅控制自身的调制波相位角θ，是无法控制功角的大小的。这就有可能危及系统的功角稳定性。因此，本发明充分利用逆变器控制器设计的灵活性，在虚拟的转子运动方程中，添加了反映功角θ-α变化的量，使得逆变器的输出功率能够间接跟随端电压相位α角的波动，有利于系统的功角稳定。该逆变器控制器的主要特点是：在测量逆变器端电压幅值和相位后，逆变器输出功率可以跟踪网侧节点电压相位的波动，使得功角变化不至于过大。

发明内容

为实现上述目的，本发明采用如下技术方法实现：

如本发明提供了一种引入功角微分项的虚拟同步发电机逆变器控制器所述，本发明仅对逆变器输出电压进行采样便可求得功角微分项以及输出功率，并得到电力电子逆变电路控制所需要的信号。需要明确两个概念：这里所说的逆变器输出电压为逆变器所接LC滤波器后端的电容上的电压；而逆变器三相全桥逆变电路的输出电压为LC滤波器前端电力电子器件处的输出电压(在忽略三相全桥逆变电路的滞后、衰减和高频分量后，等于调制信号)。

本发明中，逆变器的基本控制结构如图1所示，主要包含以下六部分：主电路、dq变换和dq反变换单元、无功电压控制单元、有功频率控制单元、逆变器功率计算方程、功角微分项计算方程。

(1).主电路：包括IGBT三相全桥逆变电路(IGBT Bridge)和LC滤波器以及电压传感器。其中，L_f为LC滤波器电感，R_f为L_f上等效电阻，C_f为LC滤波器电容。Z_L为入网线路阻抗，为网侧电压。u_a、u_b、u_c为电压传感器测量得到的逆变器输出三相电压。

(2).dq变换和dq反变换单元：执行dq变换与dq反变换所需要的参考角频率ω_r和相位θ由第4个部分有功频率控制单元提供。dq变换单元的输入为电压传感器测量得到的三相电压u_a、u_b、u_c，通过变换后得到三相电压dq轴分量u_d、u_q。dq反变换单元的输入为电压控制部分输出Eq，将其作为q轴分量，并补齐恒为0的d轴分量E_d与0轴分量E₀，反变换后得到三相PWM调制波，控制IGBT Bridge工作。

(3).无功电压控制单元：根据上述逆变器输出电压dq轴分量u_d、u_q、与给定的电压参考V_ref、以及无功功率给定Q_set和逆变器输出无功功率Q。同时考虑电压幅值的控制与无功功率与逆变器输出电压的下垂关系，利用如下微分方程计算逆变桥路输出电压的控制量：

上式中，K_a电压幅值增益；n_q为无功下垂增益；U_o为逆变器输出电压幅值，其计算公式如下：

得到逆变桥路输出电压的控制量E_q后，将其作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒等于零的d轴分量E_d与0轴分量E₀，经过dq反变换后得到PWM三相调制波，可实现对逆变器三相全桥逆变电路开关进行控制。

上述的输出无功功率Q由本发明控制器的第5个部分逆变器功率计算方程计算得到。

(4).有功频率控制单元：虚拟的同步发电机的转子运动方程可用下式描述。

其中J为虚拟的转子转动惯量，P_m和P_e分别为虚拟的输入功率和输出电磁功率，ω_r为虚拟的转子旋转角速度，对ω_r积分可得其相位θ。在忽略逆变器三相全桥逆变电路损耗的前提下，ω_r即为逆变器三相全桥逆变电路输出电压的角频率。

本发明在此处采用的是一种新型有功-频率的下垂控制，具体做法：在传统的有功-频率下垂控制引入功角微分项δ＇，得到逆变器输出频率ω_r与输入功率P_m的关系。该微分方程如下：

其中P_set为输出有功功率给定，K_d为阻尼系数，K_d1为功角阻尼系数，ω_n为电网频率。

公式(3)中虚拟的电磁功率P_e和公式(4)中功角微分项δ＇分别由逆变器第5部分中的逆变器功率计算方程和逆变器第6部分中的功角微分项计算方程计算得到。转子运动方程部分详细结构如图3所示。

(5).逆变器功率计算方程：利用输电线路功率传输方程的计算公式可以求取逆变器输出有功功率P与无功功率Q。利用电力系统分析相关知识，第4部分转子运动方程中所需要的虚拟的电磁功率P_e可用输电线路功率传输方程求取。具体公式如下：

其中，X_f为LC滤波器电感L_f的感抗，X_f＝ω_r×L_f。

同理，无功功率Q计算公式如下：

式中sinδ的表达式如下：

cosδ的表达式如下:

(6).功角微分项计算方程：依据式(7)(8)，同时因逆变器输出电压与逆变器三相全桥逆变电路输出电压相位差δ其值极小，可简化为如下表达式：

则功角微分项可表示为：

通过(10)式求解功角微分项，可避免求反三角函数，减少计算工作量，提高控制的实时性。

功角δ的运行状态：在稳定状态下，功角δ变化率为零。当系统受到扰动，输出功率突增时，逆变器输出电压与逆变器三相全桥逆变电路输出电压相位差δ急速变化，此时功角δ的变化率不为零。为了抑制功角的迅速变化，将功角微分项作为负反馈信号，该信号通过比例环节送入到有功频率下垂控制策略中，使得功角δ不会变化过快，进而抑制系统功率突变，使得逆变器所连位置的电压幅值和相位变化能跟踪网侧电压幅值和相位变化的功能。

与现有技术相比，本发明的优点体现在：在虚拟转子运动方程引入功角微分项δ＇，且只需通过端电压的逆变器输出电压dq轴分量，即可计算出功角δ的变化率，不需要通过额外的测量单元，节约了制造成本。频率控制考虑了频率与有功功率的下垂关系，在控制功角稳定的同时抑制有功功率的突变。

附图说明

图1是本发明一种逆变器控制器的总体结构图；

图2为电压控制与逆变器输出功率计算方程部分结构；

图3为转子运动方程模块详细结构。

具体实施方式

下面给出了本发明涉及的逆变器控制器的一种具体参数。

逆变器参数：IGBT采用英飞凌的FF50R12RT4；IGBT驱动芯片采用Concept公司的2SC0108T；DSP采用TI公司的TMS320F28335；三相逆变器额定频率f_n＝50Hz；额定输出功率50kW；额定电压V_ref为380V；额定输出功率Q_set为0var。额定的直流端电压为700V；滤波器部分参数为L_f＝2mH；对应的X_f＝0.628Ω；R_f＝0.1Ω；C_f＝13μF；阻尼系数K_d＝10⁵；下垂系数n_q＝7.4×10^-4；电压幅值增益K_a＝20；虚拟的转子转动惯量J＝0.2kg·m²；功角阻尼系数K_d1＝100。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种逆变器控制器，主要包含以下六部分：主电路、dq变换和dq反变换单元、无功电压控制单元、有功频率控制单元、逆变器功率计算方程、功角微分项计算方程；其特征在于：在传统虚拟转子运动方程引入功角微分项δ＇，使得逆变器的输出功率能够间接跟随端电压相位α角的波动，有利于系统的功角稳定。

2.根据权利要求1所述引入功角微分项δ＇，其特征在于：不需要通过额外的测量单元计算功角δ的变化率，通过端电压相位和幅值，则可计算出逆变桥路输出电压与逆变器输出电压相位差即功角δ，端电压dq轴分量可表示为：

u_d＝U_o×sinδ (1)

u_q＝U_o×cosδ (2)

式中U_o为逆变器输出电压幅值。

因线路阻抗小，故功角δ其值较小，计算公式可近似表达为：

则功角微分项δ＇可表示为：

3.根据权利要求1所述的一种逆变器控制器，其特征在于：在传统有功-功率控制环节中引入功角微分项，表示如下：

式中，J为虚拟的转子转动惯量；ω_n为电网频率；P_set为输出有功功率给定；K_d阻尼系数；P_e输出电磁功率即逆变器输出有功功率；K_d1为功角阻尼系数。