CN110350580A - 一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电网领域逆变电源领域，涉及低压阻性环境下逆变器功率输出控制与保护，具体为一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法，解决了背景技术中的问题，本发明中所述PQ功率解耦控制、所述暂态限流控制、所述稳态均流控制和所述功角协同控制下得到的所有开关管abc三相的矩形脉冲触发信号作用于三相斩波桥，进而实现了对低压微网下逆变器的功率控制。本发明在逆变器解耦下垂控制基础上构造了自适应虚拟阻抗，并据其变化强度调节功角进行协同控制，提高了逆变器并网时的功率均分程度与限流稳定性。

Description

一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法

技术领域

本发明属于微电网领域逆变电源领域，涉及低压阻性环境下逆变器功率输出控制与保护，具体为一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法。

背景技术

随着分布式能源的发展，集合了微源、储能和本地负荷的微电网(简称为微网)抑制了并网时的功率波动，以及提高了本地负荷的供电可靠性。微电网运行时可以与主网断开，独立满足本地负荷需求。离网情况下，需要根据负荷或网内特征量的变化对各个微源进行出力分配，并且至少有一个微源能够快速响应负荷变化来抑制电压、频率波动，如柴油发电机、储能变换器或者其它快速响应源。其中，柴油发电机与小型水电机组等都是通过同步发电机直接并网，对调峰、调频以及能量管理方面发挥着不可替代的作用。

现有如图1所示的电路拓扑结构，图1中微网由一个直流源、一个三相斩波桥以及三相滤波电感串联构成，其中三相滤波电感输出三相电路通过主开关S与主网相连，所述三相滤波电感与主开关S之间的三相电路上连接有高频滤波电路。为了使微网具有更好的控制性能，微网中也普遍引入逆变器和SPWM触发器对微网进行调节，对逆变器的具体控制有很多种，比如说如图2所示的逆变器采用电压外环与电流内环的双环控制，所述电压外环与电流内环的双环控制在逆变器电压电流双环控制设计及研究[J]有详细介绍，作者为孙静,曹炜,苏虎,et al，上海电力学院学报,2015,31(2):121-126。为了使微网具有更好的控制性能，在采用电压外环与电流内环的双环控制原有反馈电流中，加入自适应虚拟阻抗，即改变输出电压，达到实际阻抗的效果，在逆变器双环控制中加入自适应虚拟阻抗在现有技术中相对成熟的，但是也有一些问题，比如说传统控制中，自适应虚拟阻抗整定值为固定值，不能有效的应对各种情况或只能考虑高压感性环境下的功率控制，对低压馈线的阻感环境往往会导致传统下垂控制失败。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中的问题，涉及低压阻性环境下逆变器功率输出控制与保护，提供了一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法。通过该方法能实现低压阻感环境下微网逆变器的功率控制，更符合微网的电压等级而且能根据逆变器自身的容量大小调节虚拟阻抗的大小。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法，具体包括PQ功率解耦控制；

所述PQ功率解耦控制为：采集三相斩波桥交流侧的输出电压信号V_o,abc与输出电流信号i_o,abc，然后对V_o,abc和i_o,abc分别进行Park变换得到d轴电压V_od、q轴电压V_oq、d轴电流i_od和q轴电流i_oq，Park变换所需相角为逆变器输出相角θ；将d轴电压V_od、q轴电压V_oq、d轴电流i_od和q轴电流i_oq通过截止频率为ω_c的低通滤波器，滤波后得到有功功率无功功率其中s为频域拉普拉斯变换；对有功功率P和无功功率Q进行解耦下垂控制，其中下垂系数为m和n，线路阻抗比为r；逆变器的额定角速度ω_ref与rn乘以无功功率Q的值之和减去m乘以有功功率P后再减去修正角速度Δω得到角速度参考值ω，即ω＝ω_ref-mP+rnQ-Δω，角速度参考值ω经过积分器得到逆变器输出相角θ；微网的电压值V₀减去rm乘以有功功率P后再减去n乘以无功功率Q再减去d轴虚拟阻抗压降E_d,vi得到逆变器d轴输出电压跟踪值即逆变器q轴输出电压参考值减去虚拟阻抗形成的q轴压降E_q,vi得到逆变器q轴输出电压跟踪值其中逆变器q轴输出电压参考值是根据应用场合设计的，且令将逆变器d轴输出电压跟踪值与d轴电压V_od、负的q轴虚拟阻抗压降E_q,vi与q轴电压V_oq分别作差经过逆变器电压、电流双环控制得到开关管控制信号dq，开关管控制信号dq再经过反Park变换得到开关管abc正弦信号，反Park变换所需相角为逆变器输出相角θ，最后经过SPWM触发器，得到所有开关管abc三相的矩形脉冲触发信号；

其中所述d轴虚拟阻抗压降E_d,vi和所述q轴虚拟阻抗压降E_q,vi是通过暂态限流控制和稳态均流控制得到的,所述修正角速度Δω是通过功角协同控制得到的；

所述暂态限流控制为：将d轴电流i_od经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电阻的值和q轴电流i_oq经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电抗的值相减得到d轴高次抑制压降即将d轴电流i_od经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以的高次抑制电抗值和q轴电流i_oq经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电阻的值相加得到q轴高次抑制压降 所述截止频率为ω_c,hpf、高次抑制电阻高次抑制电抗是根据应用场合设计的，将d轴电流i_od和q轴电流i_oq的瞬时有效值减去逆变器的额定电流I_thresh，再取大于零的部分，即为逆变器输出电流超出逆变器额定流量部分，再乘以限负荷阻抗比例增益得到限负荷虚拟电阻即限负荷虚拟电阻乘以1/r得到限负荷虚拟电抗即所述限负荷阻抗比例增益是根据应用场合设计的；将限负荷虚拟电阻乘以d轴电流i_od的值减去q轴电流i_oq乘以限负荷虚拟电抗的值得到d轴限负荷压降即将q轴电流i_oq乘以限负荷虚拟电阻的值加上d轴电流i_od乘以d轴电流i_od得到q轴限负荷压降即d轴限负荷压降加上d轴高次抑制压降得到d轴总暂态限流控制压降，q轴限负荷压降加上q轴高次抑制压降得到q轴总暂态限流控制压降；

所述稳态均流控制为：中央控制器向逆变器发送功率指令信号P^*/Q^*，将逆变器的有功功率P与中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值P^*相减的值再除以逆变器的有功功率P，再经过一个比例系数为K_i·P的积分器得到馈线修正电阻将逆变器的有功功率P^*与中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值P^*相减的值再除以逆变器的有功功率P，再经过一个比例系数为K_i·Q的积分器得到馈线修正电抗 所述比例系数K_i·P是根据应用场合设计的，且K_i·Q＝K_i·P/r；所述Q^*为中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值；将d轴电流i_od乘以馈线修正电阻的值减去q轴电流i_oq乘以馈线修正电抗的值得到d轴稳态均流压降即将q轴电流i_oq乘以馈线修正电阻的值减去d轴电流i_od乘以馈线修正电抗的值得到q轴稳态均流压降

所述d轴虚拟阻抗压降E_d,vi则为d轴总暂态限流控制压降与d轴稳态均流压降之和，即所述q轴虚拟阻抗压降E_q,vi则为q轴总暂态限流控制压降与q轴稳态均流压降之和，即

所述功角协同控制为：将限负荷虚拟电阻与馈线修正电阻相加的值经过一个比例系数为K_p·δ的微分器后，再经过截止频率为2π的低通滤波器得到修正角速度Δω；所述比例系数为K_p·δ是根据应用场合设计的；

最终通过所述PQ功率解耦控制、所述暂态限流控制、所述稳态均流控制和所述功角协同控制下得到的所有开关管abc三相的矩形脉冲触发信号作用于三相斩波桥，进而实现了对低压微网下逆变器的功率控制。

所述PQ功率解耦控制考虑了低压阻感环境下的功率控制，更符合微网的电压等级；通过所述暂态限流控制能在暂态时对逆变器进行限流保护；所述稳态均流控制是根据外部指令信号调节虚拟阻抗大小，提高稳态时的功率均分，更适合复杂的网络结构；在虚拟阻抗变化时，又能通过所述功角协同控制有效抑制无功拨动。

本发明的有益效果是：解决了背景技术中的问题，涉及低压阻性环境下逆变器功率输出控制与保护，通过该方法能实现低压阻感环境下微网逆变器的功率控制，基于线路本身特性对功率进行解耦控制，实现了阻感环境下，具有下垂控制特性的微源间功率的有效分配，提高了环境适应性；只对逆变器的过电流进行限制，并能根据其过流强度进行限流控制，从而充分发挥逆变器的带载能力；能够接收中央控制器的调度指令，根据功率误差信号调节输出内阻，使功率输出更加精确；根据虚拟电阻变化大小对输出功角进行微调，能有效减少无功震荡，提高系统的稳定性；综上，本发明在逆变器解耦下垂控制基础上构造了自适应虚拟阻抗，并据自适应虚拟阻抗变化强度调节功角进行协同控制，提高了逆变器并网时的功率均分程度与限流稳定性。

附图说明

图1为本发明所述低压微网的电路拓扑结构。

图2为本发明所述低压微网的逆变器的双环控制框图。

图3为本发明所述方法中的PQ功率解耦控制框图。

图4为本发明所述方法中的暂态限流控制、稳态均流控制和功角协同控制框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见附图1、2、3、4，现对本发明提供的一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法进行说明。

一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法，具体包括PQ功率解耦控制；

如图3所示，所述PQ功率解耦控制为：采集三相斩波桥交流侧的输出电压信号V_o,abc与输出电流信号i_o,abc，然后对V_o,abc和i_o,abc分别进行Park变换得到d轴电压V_od、q轴电压V_oq、d轴电流i_od和q轴电流i_oq，Park变换所需相角为逆变器输出相角θ，从静止坐标系变为旋转坐标系下，实现内外双环PI(比例积分)控制；将d轴电压V_od、q轴电压V_oq、d轴电流i_od和q轴电流i_oq通过截止频率为ω_c的低通滤波器，滤波后得到有功功率无功功率其中s为频域拉普拉斯变换；对有功功率P和无功功率Q进行解耦下垂控制，其中下垂系数为m和n，线路阻抗比为r；逆变器的额定角速度ω_ref与rn乘以无功功率Q的值之和减去m乘以有功功率P后再减去修正角速度Δω得到角速度参考值ω，即ω＝ω_ref-mP+rnQ-Δω，角速度参考值ω经过积分器得到逆变器输出相角θ；微网的电压值V₀减去rm乘以有功功率P后再减去n乘以无功功率Q再减去d轴虚拟阻抗压降E_d,vi得到逆变器d轴输出电压跟踪值即逆变器q轴输出电压参考值减去虚拟阻抗形成的q轴压降E_q,vi得到逆变器q轴输出电压跟踪值其中逆变器q轴输出电压参考值是根据应用场合设计的，且令将逆变器d轴输出电压跟踪值与d轴电压V_od、负的q轴虚拟阻抗压降E_q,vi与q轴电压V_oq分别作差经过逆变器电压、电流双环控制得到开关管控制信号dq，开关管控制信号dq再经过反Park变换得到开关管abc正弦信号，反Park变换所需相角为逆变器输出相角θ，最后经过SPWM触发器，得到所有开关管abc三相的矩形脉冲触发信号；

如图4所示，其中所述d轴虚拟阻抗压降E_d,vi和所述q轴虚拟阻抗压降E_q,vi是通过暂态限流控制和稳态均流控制得到的,所述修正角速度Δω是通过功角协同控制得到的；

如图4所示，所述暂态限流控制为：将d轴电流i_od经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电阻的值和q轴电流i_oq经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电抗的值相减得到d轴高次抑制压降即将d轴电流i_od经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以的高次抑制电抗值和q轴电流i_oq经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电阻的值相加得到q轴高次抑制压降 所述截止频率为ω_c,hpf、高次抑制电阻高次抑制电抗是根据应用场合设计的，将d轴电流i_od和q轴电流i_oq的瞬时有效值减去逆变器的额定电流I_thresh，再取大于零的部分，即为逆变器输出电流超出逆变器额定流量部分，再乘以限负荷阻抗比例增益得到限负荷虚拟电阻即限负荷虚拟电阻乘以1/r得到限负荷虚拟电抗即所述限负荷阻抗比例增益是根据应用场合设计的；将限负荷虚拟电阻乘以d轴电流i_od的值减去q轴电流i_oq乘以限负荷虚拟电抗的值得到d轴限负荷压降即将q轴电流i_oq乘以限负荷虚拟电阻的值加上d轴电流i_od乘以d轴电流i_od得到q轴限负荷压降即d轴限负荷压降加上d轴高次抑制压降得到d轴总暂态限流控制压降，q轴限负荷压降加上q轴高次抑制压降得到q轴总暂态限流控制压降；在暂态情况下，为尽可能利用逆变器的快速爬坡特性，只对过流部分进行控制；暂态时，会有冲击电流，对冲击电流进行高通滤波，能够得到此条件下会有的冲击信号，经过比例调制，转变为限制逆变器输出的电压降，能够有效降低冲击电流幅值；同时，对冲击后的过流部分经过比例调节为虚拟阻抗，能够大幅度降低过流幅值；

如图4所示，所述稳态均流控制为：中央控制器向逆变器发送功率指令信号P^*/Q^*，将逆变器的有功功率P与中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值P^*相减的值再除以逆变器的有功功率P，再经过一个比例系数为K_i·P的积分器得到馈线修正电阻将逆变器的有功功率P与中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值P^*相减的值再除以逆变器的有功功率P，再经过一个比例系数为K_i·Q的积分器得到馈线修正电抗 所述比例系数K_i·P是根据应用场合设计的，且K_i·Q＝K_i·P/r；所述Q^*为中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值；将d轴电流乘以馈线修正电阻的值减去q轴电流乘以馈线修正电抗的值得到d轴稳态均流压降即将q轴电流乘以馈线修正电阻的值减去d轴电流乘以馈线修正电抗的值得到q轴稳态均流压降

所述d轴虚拟阻抗压降E_d,vi则为d轴总暂态限流控制压降与d轴稳态均流压降之和，即所述q轴虚拟阻抗压降E_q,vi则为q轴总暂态限流控制压降与q轴稳态均流压降之和，即在各微源并联运行的时候，中央控制器会对各微源进行调度调节，此时，逆变器会接受到功率指令信号P^*/Q^*；将逆变器输出口测量得到的瞬时功率经过低通滤波器，与指令信号相减，并对误差进行积分，得到馈线修正阻抗；当外部联络信号丢失或损坏，导致馈线修正阻抗闭锁保持原样，却不会影响系统的稳定运行，适用于复杂的网络结构；

如图4所示，所述功角协同控制为：将限负荷虚拟电阻与馈线修正电阻相加的值经过一个比例系数为K_p·δ的微分器后，再经过截止频率为2π的低通滤波器得到修正角速度Δω；所述比例系数为K_p·δ是根据应用场合设计的；低压环境下，根据虚拟电阻与无功功率变化的内在联系，对功角进行微调，有效解决了阻性环境下无功震荡的问题；

最终通过所述PQ功率解耦控制、所述暂态限流控制、所述稳态均流控制和所述功角协同控制下得到的所有开关管abc三相的矩形脉冲触发信号作用于三相斩波桥，进而实现了对低压微网下逆变器的功率控制。

微源间的功率分配和爬坡速率主要受馈线阻抗以及微源内在特性的影响，而虚拟阻抗能够改变逆变器的内在特性与输出阻抗，改善暂态、稳态情况下机组的出力以及系统稳定性。

逆变器采用电压外环与电流内环的双环控制，前者确保稳态精度而后者提高系统响应速度，在其中加入虚拟阻抗，即改变输出电压，达到加入实际阻抗的效果。在控制单元中加入虚拟阻抗环后，原输出特性会发生变化，分析得出，除了系统的内在特征，输出阻抗与虚拟阻抗密切相关，尤其低频情况下,输出阻抗主要受虚拟电阻的影响。因此，虚拟阻抗能够改变逆变器的输出特性，增加系统的阻尼系数，提高功率分配精度与限流稳定性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于自适应虚拟阻抗的低压微网逆变器的控制方法，其特征在于，具体包括PQ功率解耦控制；

所述PQ功率解耦控制为：采集三相斩波桥交流侧的输出电压信号V_o,abc与输出电流信号i_o,abc，然后对V_o,abc和i_o,abc分别进行Park变换得到d轴电压V_od、q轴电压V_oq、d轴电流i_od和q轴电流i_oq，Park变换所需相角为逆变器输出相角θ；将d轴电压V_od、q轴电压V_oq、d轴电流i_od和q轴电流i_oq通过截止频率为ω_c的低通滤波器，滤波后得到有功功率无功功率其中s为频域拉普拉斯变换；对有功功率P和无功功率Q进行解耦下垂控制，其中下垂系数为m和n，线路阻抗比为r；逆变器的额定角速度ω_ref与rn乘以无功功率Q的值之和减去m乘以有功功率P后再减去修正角速度Δω得到角速度参考值ω，即ω＝ω_ref-mP+rnQ-Δω，角速度参考值ω经过积分器得到逆变器输出相角θ；微网的电压值V₀减去rm乘以有功功率P后再减去n乘以无功功率Q再减去d轴虚拟阻抗压降E_d,vi得到逆变器d轴输出电压跟踪值即逆变器q轴输出电压参考值减去虚拟阻抗形成的q轴压降E_q,vi得到逆变器q轴输出电压跟踪值其中逆变器q轴输出电压参考值是根据应用场合设计的，且令将逆变器d轴输出电压跟踪值与d轴电压V_od、负的q轴虚拟阻抗压降E_q,vi与q轴电压V_oq分别作差经过逆变器电压、电流双环控制得到开关管控制信号dq，开关管控制信号dq再经过反Park变换得到开关管abc正弦信号，反Park变换所需相角为逆变器输出相角θ，最后经过SPWM触发器，得到所有开关管abc三相的矩形脉冲触发信号；

其中所述d轴虚拟阻抗压降E_d,vi和所述q轴虚拟阻抗压降E_q,vi是通过暂态限流控制和稳态均流控制得到的,所述修正角速度Δω是通过功角协同控制得到的；

所述暂态限流控制为：将d轴电流i_od经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电阻的值和q轴电流i_oq经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电抗的值相减得到d轴高次抑制压降即将d轴电流i_od经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以的高次抑制电抗值和q轴电流i_oq经过截止频率为ω_c,hpf的高通滤波器再乘以高次抑制电阻的值相加得到q轴高次抑制压降 所述截止频率为ω_c,hpf、高次抑制电阻高次抑制电抗是根据应用场合设计的，将d轴电流i_od和q轴电流i_oq的瞬时有效值减去逆变器的额定电流I_thresh，再取大于零的部分，即为逆变器输出电流超出逆变器额定流量部分，再乘以限负荷阻抗比例增益得到限负荷虚拟电阻即限负荷虚拟电阻乘以1/r得到限负荷虚拟电抗即所述限负荷阻抗比例增益是根据应用场合设计的；将限负荷虚拟电阻乘以d轴电流i_od的值减去q轴电流i_oq乘以限负荷虚拟电抗的值得到d轴限负荷压降即将q轴电流i_oq乘以限负荷虚拟电阻的值加上d轴电流i_od乘以d轴电流i_od得到q轴限负荷压降即d轴限负荷压降加上d轴高次抑制压降得到d轴总暂态限流控制压降，q轴限负荷压降加上q轴高次抑制压降得到q轴总暂态限流控制压降；

所述稳态均流控制为：中央控制器向逆变器发送功率指令信号P^*/Q^*，将逆变器的有功功率P与中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值P^*相减的值再除以逆变器的有功功率P，再经过一个比例系数为K_i·P的积分器得到馈线修正电阻将逆变器的有功功率P与中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值P^*相减的值再除以逆变器的有功功率P，再经过一个比例系数为K_i·Q的积分器得到馈线修正电抗 所述比例系数K_i·P是根据应用场合设计的，且K_i·Q＝K_i·P/r；所述Q^*为中央处理器发送给逆变器的有功功率参考值；将d轴电流i_od乘以馈线修正电阻的值减去q轴电流i_oq乘以馈线修正电抗的值得到d轴稳态均流压降即将q轴电流i_oq乘以馈线修正电阻的值减去d轴电流i_od乘以馈线修正电抗的值得到q轴稳态均流压降

所述d轴虚拟阻抗压降E_d,vi则为d轴总暂态限流控制压降与d轴稳态均流压降之和，即所述q轴虚拟阻抗压降E_q,vi则为q轴总暂态限流控制压降与q轴稳态均流压降之和，即

所述功角协同控制为：将限负荷虚拟电阻与馈线修正电阻相加的值经过一个比例系数为K_p·δ的微分器后，再经过截止频率为2π的低通滤波器得到修正角速度Δω；所述比例系数为K_p·δ是根据应用场合设计的；

最终通过所述PQ功率解耦控制、所述暂态限流控制、所述稳态均流控制和所述功角协同控制下得到的所有开关管abc三相的矩形脉冲触发信号作用于三相斩波桥，进而实现了对低压微网下逆变器的功率控制。