CN109067220A - 一种具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器。该控制器可以通过下列步骤在线调整虚拟阻尼系数：系统参数的输入、电流电压的采集与变换、电网侧电压角频率及幅值的计算、输出功率及电压幅值的计算、调制波幅值的计算、调制波频率及相位的计算、坐标反变换及PWM信号的生成。在调制波相位的计算中，本发明首先通过实时建立逆变器的特征方程、计算特征根，并根据特征根实部判断系统是否在稳定域满足稳定裕度要求；其次通过分解输出功率得到虚拟阻尼转矩与虚拟同步转矩，计算系统阻尼比；最后通过调节虚拟阻尼系数使系统达到最佳的阻尼状态。该方法不仅使得逆变器有较好的运行特性，而且能够有效改善系统的稳定性。

Description

一种具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器

技术领域

本发明涉及电力电子逆变器领域，特别涉及一种具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器。

背景技术

鉴于能源、环保和供电可靠性的压力，分布式发电(Distributed Generation，DG)、微电网、智能电网相继成为电力领域的研究热点。在DG和微电网中，输出功率具有随机性的新能源(如光伏，风电，电动汽车等)将大面积取代传统电力系统中的同步发电机。作为新电源并网发电的重要接口，逆变器虽因控制灵活、成本低廉和使用方便等优点得到广泛应用，但也存在着过载能力差、输出阻抗小和几乎不存在惯性等缺点。比如，当输出功率变化或负荷突变时，同步发电机会通过释放储存在转子上的动能以抑制频率的快速变化，而逆变器因惯性的缺失容易导致频率的突变。针对上述不足，相关学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制技术，该技术模拟了同步发电机的外特性，将同步发电机中的转子运动方程引入逆变器的有功频率环节，增加了系统的惯性。然而，虚拟同步发电机在改善系统频率稳定性的同时，却有可能恶化了系统的功角稳定性。比如，对于含VSG的单机无穷大系统来说，当系统参数一定时，虽然VSG通过引入同步发电机的机械电磁方程使其具有一定的惯量和阻尼，但由于其引入的惯量和阻尼相对于整个系统来说比较小，系统中的其他部分可能会发生负阻尼作用从而抵消系统中原有的正阻尼，降低系统稳定性。

为了改善功角稳定性，学术界对逆变器模拟同步发电机高阶模型进行了相关研究，并提出一些改进型的虚拟同步发电机控制策略。这些控制策略虽然丰富了虚拟同步发电机的理论，但控制策略也变越来越复杂。这导致系统的稳定机理不明确，也增加了系统的不可靠。除该方案之外，有学者考虑到，相比同步发电机的参数受到限制，虚拟同步发电机的参数具有更强的可控性，故提出通过在线整定控制器参数的策略以改善系统稳定性，并成为了一种较为有效的手段。专利“一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法”中提出根据功率偏差调节虚拟阻尼系数以抑制低频振荡。然而，该专利中在动态调整阻尼系数的同时，又增加新的调节系数，增加了参数整定的复杂性。并且，该方法只是从振荡表象即功率偏差出发对阻尼系数进行调节，而没有从逆变器振荡机理出发调节阻尼系数，也没有使阻尼系数达到最优。因此，如何设计一种虚拟同步发电机系统的控制器，使系统具有最佳阻尼以改善系统功角稳定性，成为现如今一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器。该装置的主要执行步骤如下：

步骤1，逆变器初次使用时，输入系统所需参数。该参数包括逆变器所接滤波器和联接至公共耦合点线路的电路参数以及部分控制参数。所述电路参数包括逆变器所接滤波器的滤波电感L_f，滤波电容C_f及寄生电阻R_a，逆变器联接到公共耦合点的线路阻抗R_E和L_E。所述控制参数为有功下垂系数m_p、虚拟转动惯量J、无功下垂系数n_p、电压积分系数K、电压反馈系数K_a。

步骤2，采集电网侧三相电压v_pcca、v_pccb、v_pccc，逆变器三相输出电压(即电容电压)e_a、e_b、e_c和三相输出电流i_a、i_b、i_c。并通过dq坐标变换单元将采集的三相电压或电流分解到逆变器控制器ω-δ为参考频率和相位的旋转坐标系下，得到逆变器输出电压的dq分量e_d、e_q和输出电流的dq分量i_d、i_q。所述参考频率ω、参考相位δ可通过步骤4中的有功频率环节得到。

步骤3，根据步骤2中得到的电网侧三相电压v_pcca、v_pccb、v_pccc，经过锁相环与幅值计算单元得到电网角频率ω_g与电网侧电压幅值V_pcc。

步骤4，根据步骤2中得到的逆变器输出电压的dq分量e_d、e_q和输出电流的dq分量i_d、i_q，经过功率及幅值计算单元得到有功功率P、无功功率Q和输出电压幅值E_t。

所述的功率及幅值计算单元包括有功功率计算方程、无功功率计算方程和输入电压幅值计算方程，可表示为：

步骤5，根据步骤4中得到的无功功率Q及逆变器输出电压幅值E_t、逆变器给定的无功功率Q^*、逆变器给定的电压E^*、无功下垂系数n_p、电压积分系数K、电压反馈系数K_a，经过无功电压环节得到逆变器调制波幅值U。

所述无功电压环节可表示为：

步骤6，根据步骤3中得到的网侧频率ω_g、步骤4中得到的有功功率P、逆变器给定的有功功率P*、逆变器给定的角频率ω*、有功下垂系数m_p、虚拟转动惯量J、虚拟阻尼K_d，经过有功频率环节得到逆变器的角频率ω，对该角频率ω积分得到逆变器调制波相位δ。该δ角等效于传统的同步发电机中的转子位置角。在逆变器启动t_s分钟后，所述虚拟阻尼K_d等于通过阻尼整定单元计算得到的最优虚拟阻尼而t_s分钟之内，则等于固定值逆变器其他参数则由人为整定。

所述有功频率环节为：

其中，s为拉普拉斯算子。

所述阻尼整定单元的计算流程为：首先通过线性化式(1)～(3)可获得系统的特征方程表达式。然后，将步骤1中得到的系统参数、步骤2采集的系统状态代入该表达式中，求解该方程，可得系统的特征根。紧接着，根据所得系统特征根判断系统是否满足稳定裕度要求。若不满足，则根据最优阻尼计算单元得到的最优虚拟阻尼系数调整阻尼系数，若满足，则保持阻尼系数不变。

所述系统的特征方程表达式为：

(Js²+K_ds+ω₀c₁m_p)(Ks+n_pd₂+K_af₂)+ω₀c₂m_p(-n_pd₁+K_af₁)＝0 (4)

式中，ω₀为额定频率，通常取值为50Hz。其他参数如下：

所述系统是否满足稳定裕度要求判断条件为：是否存在实部大于σ_s的系统特征根。若存在，则判定系统不满足稳定裕度要求，并得到实部最大的特征根，将其记为λ_i＝σ_i+jω_i；若不存在，则判定系统满足稳定裕度要求。

所述最优阻尼计算单元包括虚拟转矩系数计算方程与最优虚拟阻尼计算方程。所述虚拟转矩系数计算方程中计算了特征根λ_i对应虚拟同步系数T_sinv(λ_i)及部分虚拟阻尼系数T_ds(λ_i)。值得注意的是，系统虚拟转矩系数T_dinv(λ_i)应该为K_d与T_ds(λ_i)两者之和，即

T_dinv(λ_i)＝K_d+T_ds(λ_i) (5)

所述虚拟转矩系数计算方程如下：

式中，Re[F_eu(λ_i)]与Im[F_eu(λ_i)]分别表示为函数的实部和虚部。

所述最优虚拟阻尼计算方程为：

式中，ξ为阻尼比，最优值常取值0.774以保障系统处于最佳状态。

步骤7，将步骤5中逆变器调制波幅值U置于逆变器旋转坐标系的q轴，并令该坐标系d轴和0轴上电压都为0，同时结合步骤6中得到的逆变器输出调制波相位δ，经dq反变换单元得到调制波信号再根据脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动三相桥式逆变电路。所述dq反变换单元中所需初始角为δ，通过步骤6中的有功频率环节得到。

与现有技术相比，本发明的优点体现在：本发明综合考虑了系统中有功频率环节与无功电压环节对系统阻尼的影响，提高了所调节虚拟阻尼系数的准确度。同时，提出根据求解虚拟同发电机的特征方程得到系统特征根以判断系统是否满足稳定裕度要求。并以系统稳定机理为基础，将影响功率振荡的转矩分解为虚拟阻尼转矩分量与虚拟同步转矩分量，进而根据最优阻尼比得到系统最佳虚拟阻尼系数。这提高了系统的运行特性(调节时间、超调量等)，也有效的改善了系统稳定性问题。

附图说明

图1是逆变器控制器实现阻尼实时控制功能的方法流程图；

图2是具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器的结构示意图；

图3是本发明实施例中无功电压控制结构图；

图4是本发明实施例中有功频率控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图2～图4对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2是具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器的结构示意图。图中Q_S为一个虚拟阻尼系数选择开关，该开关默认掷在1点处，在逆变器启动t_s分钟后掷在2点。该虚拟开关是通过逆变芯片中程序代码中实现。

在本实施例中，逆变器的额定容量为50kW，直流母线电压U_dc为700V，输出交流线电压为380V/50Hz。逆变器中三相桥式逆变电路由六个IGBT组成，IGBT采用英飞凌的FF50R12RT4，IGBT驱动芯片采用Concept公司的2SC0108T。逆变器中滤波器采用LC滤波器，滤波电感及其寄生电阻分别为2.8mH和0.01Ω、寄生电容为40uF。逆变器联接到公共耦合点每千米线路阻抗为0.460+2.8ω₀Ω，线路长度为0.2km。控制芯片选取TI公司的TMS320F28335，t_s取为3。值得提醒的是，除上述电参数，本例中的其他数据皆为标幺值。

步骤1，输入系统参数。逆变器初次使用时，输入逆变器所接滤波器和联接至公共耦合点线路的电路参数以及部分控制参数。在此例中，电路参数R_a＝0.01Ω、L_f＝2.8mH、C_f＝2.840uF、R_E＝5.6Ω、L_E＝0.092mH。控制参数的取值及整定原理在后续步骤中介绍。

步骤2，采集电压电流数据。实时采集电网侧三相电压v_pcca、v_pccb、v_pccc，逆变器三相输出电压e_a、e_b、e_c和三相输出电流i_a、i_b、i_c，并通过dq坐标变换单元可获得逆变器输出电压的dq分量e_d、e_q和输出电流的dq分量i_d、i_q。本例采样了逆变运行4分钟后，输出电压与电流，如表1所示。所述dq变换单元中所需初始角为δ，通过步骤6中的有功频率环节得到。

表1逆变器输出电压与电流的标幺值

步骤3，根据步骤2中得到的电网侧三相电压，经过锁相环与幅值计算单元得到电网角频率ω_g与网侧电压幅值Vpcc，本例中ω_g＝0.999pu，Vpcc＝1pu。

步骤4，根据步骤2中得到输出电压和输出电流的dq分量e_d、e_q、i_d、i_q，通过式(3)可得有功功率P、无功功率Q和输出电压幅值E_t。

步骤5，本例中无功电压环节采用的无功电压控制策略，可表示为：

其中，无功功率Q与逆变器输出电压幅值E_t由步骤4得到；逆变器给定的无功功率Q^*与给定电压E^*可以根据逆变器的运行要求给定，本例中分别为0与1.05。参数K_a与K为参考同等功率的同步发电机中励磁环节参数设计，本例中分别取20与1。

本实施例的无功电压控制结构可参见图3。

步骤6，本例中有功频率环节采用的有功频率控制策略，可表示为：

其中，有功功率P由步骤4得到；逆变器给定的有功功率P^*与给定角频率ω^*可以根据逆变器的运行要求给定，本例中分别为0.8与1；m_p为有功频率下垂系数，取值原则为有功功率变化100％时，频率变化应在额定频率的1％以内，本例中取0.01；虚拟转动惯量J为参考同等功率的同步发电机中运动方程中的转动惯量，本例中分别取20。虚拟阻尼系数K_d在逆变器启动3分钟后通过阻尼整定模块得到，在3分钟之内，则为0.11。

本例中阻尼整定模块的整定过程如下：

首先，将步骤1～5所计算或采集的数据，带入式(4)中，可获得系统特征方程为：

0.25s³+2.49s²+57.08s¹+417.08＝0 (10)

其中特征方程中具体系数，如表2所示。

表2特征方程系数

然后，求解特征根方程(10)，可获得系统特征根λ_1～3，分别为-7.87、-1.043-14.519j、-1.043+14.519j。根据经验值或小信号稳定域理论确定σ_s，本例中σ_s取为-6。由于λ_2～3的实部都小于-6，则判定系统不满足稳定裕度要求，且实部最大的特征根为λ₂(可在λ_2～3中任取一个)。

紧接着，将λ₂代入式(6)中可得虚拟同步系数T_sinv(λ₂)＝0.0337与部分虚拟阻尼系数T_ds(λ₂)＝-0.0057。

最后，将T_sinv(λ_i)与T_ds(λ_i)代入式(7)中，可得最优虚拟阻尼并将其赋值给K_d。

本实施例的有功频率控制结构可参见图4。

步骤7，将步骤5中逆变器调制波幅值U置于逆变器旋转坐标系的q轴，并令该坐标系d与0轴上电压为0，同时结合步骤6中得到的逆变器输出调制波相位δ，经dq反变换单元得到调制波信号u_a、u_b、u_c。再根据脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动三相桥式逆变电路。所述dq反变换单元中所需初始角为δ，通过步骤6中的有功频率环节得到。

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 (2)

1.一种具有阻尼实时控制功能的逆变器控制器，其特征在于该控制器能够通过下列步骤在线调整系统虚拟阻尼系数：

步骤1，逆变器初次使用时，输入系统所需参数，该参数包括逆变器所接滤波器和联接至公共耦合点线路的电路参数以及部分控制参数；

步骤2，采集电网侧三相电压v_pcca、v_pccb、v_pccc，逆变器三相输出电压e_a、e_b、e_c和三相输出电流i_a、i_b、i_c，并将采集的三相输出电压以及三相输出电流分解到逆变器旋转坐标系下，得到逆变器输出电压的dq分量e_d、e_q和输出电流的dq分量i_d、i_q；

步骤3，根据步骤2中得到的电网侧三相电压，经过锁相环与幅值计算单元得到电网角频率ω_g与电网侧电压幅值V_pcc；

步骤4，根据功率及幅值计算单元计算逆变器输出的有功功率P、无功功率Q和输出电压幅值E_t；

步骤5，根据无功电压环节得到逆变器调制波幅值U；

步骤6，通过VSG有功频率环节得到逆变器的角频率ω，对该角频率ω积分可得到逆变器调制波相位δ；

所述有功频率环节可表示为：

式中，s为拉普拉斯算子；有功功率P由步骤4得到；P^*、ω^*分别为逆变器给定的有功功率与给定角频率，m_p、J、K_d分别为有功频率下垂系数、虚拟转动惯量、虚拟阻尼系数，在逆变器启动t_s分钟后，K_d等于通过阻尼整定单元计算得到的最优虚拟阻尼而t_s分钟之内，则等于固定值

步骤7，将步骤5中逆变器调制波幅值U置于逆变器旋转坐标系的q轴，并令该坐标系d轴与0轴上电压为0，同时结合步骤6中得到的逆变器输出调制波相位δ，经dq反变换单元得到调制波信号u_a、u_b、u_c，再根据脉宽调制算法，生成脉冲宽度调制信号驱动三相桥式逆变电路，所述dq反变换单元中所需初始角为δ，通过步骤6中的有功频率环节得到。

2.根据权利要求1中所述步骤6中阻尼整定单元，其特征在于：通过实时建立逆变器的特征方程、计算特征根，并根据特征根实部判断系统是否满足稳定裕度要求；若存在实部大于σ_s的特征根，则认为系统不满足稳定裕度要求，并筛选出其中实部最大的特征根λ_i＝σ_i+jω_i；紧接着，通过分解输出功率得到虚拟阻尼转矩与虚拟同步转矩，并且计算出系统阻尼比表达式；最后通过调节虚拟阻尼系数使系统阻尼比为最优，以保证系统达到最佳运行状态；若不存在实部大于σ_s的特征根，则认为系统满足稳定裕度要求，并保持虚拟阻尼系数不变；虚拟同步发电机特征方程、虚拟阻尼转矩系数T_dinv(λ_i)、虚拟同步转矩系数T_sinv(λ_i)与最优虚拟阻尼计算方程可以表示为：

式中，ξ为系统最优阻尼比，Re[F_eu(λ_i)]与Im[F_eu(λ_i)]分别表示为函数F_eu(λ_i)的实部和虚部。其他参数为：

R_T＝R_a+R_E L_T＝L_f+L_E 。