CN110460113B - 一种逆变器电源的机械惯性模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，电网发生较小的功率扰动导致电网的频率波动在一次调频控制死区范围内，通过实时计算得到实时电磁功率Pk，将当前时刻的实时电磁功率Pk与电磁功率平均值Pave的差值∆Pe作为控制的反馈量，将差值∆Pe代入转子运动方程从而实现对逆变器电源的内部频率的快速采样；在电网发生较小的功率扰动导致并网点的频率波动在一次调频控制死区范围内时，逆变器电源内部的储能元件吸收或释放实现对机械惯量的等效，逆变器电源内部的储能元件通过反馈控制，将逆变器电源内部的储能元件的储能对应的电磁惯性等效模拟机械惯性。在一次调频控制死区内发生小扰动时，逆变器内部有储能，其储能元件可以在∆P变化时，通过储能的变化实现类似同步发电机的效果。

Description

一种逆变器电源的机械惯性模拟方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，属于新能源并网技术领域。
背景技术
在当前构建全球能源生态以及推动能源互联网的趋势下，未来电网的形态将发生较大变化。虽然常规的火电机组等仍是电网调频的重要构成，但是由于新能源发电比例越来越高，因此如何实现新能源发电电源具备类似的惯性特性与调频能力，对未来的混合电源交流电网的安全稳定运行具有重要的意义。随着各国新能源的发展和电力行业向清洁化转型进程的推进，并网逆变器作为光伏电站与电网连接的重要装置，各大生产逆变器的企业得到迅猛发展。
在提升逆变器硬件性能的基础上，进一步研究变流器的控制策略对于提升供电可靠性和改善电能质量具有重要的意义。
为了防止干扰或过度控制所导致的不利影响，一次调频设置相应死区是必要的。若电网发生较小的功率扰动导致频率波动在死区范围内，则一次调频控制不会启动。对实际的机械旋转电机而言，即使在控制死区内，依靠转子储能仍然会对较小的功率扰动做出响应，即机械惯性仍然会发挥作用。因此提出了一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，构建了相应控制器，可用于较小干扰下逆变电源的惯性响应特性模拟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，在一次调频控制死区内发生小扰动时，逆变器内部有可利用的储能，其内部的储能元件如电容、电感等可以在ΔP变化时，通过储能的变化实现类似同步发电机的效果。
为达到上述目的，本发明提供一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，
电网发生较小的功率扰动导致电网的频率波动在一次调频控制死区范围内，通过实时计算得到三相电源的实时电磁功率Pk，将三相电源的电磁功率平均值Pave与当前时刻的实时电磁功率Pk的差值ΔPe作为控制的反馈量，将差值ΔPe代入转子运动方程从而实现对逆变器电源的内部频率的快速采样；
在电网发生较小的功率扰动导致并网点的外部频率波动在一次调频控制死区范围内时，逆变器电源内部的储能元件吸收或释放实现对机械惯量的等效，逆变器电源内部的储能元件通过反馈控制，将逆变器电源内部的储能元件的储能对应的电磁惯性等效模拟机械惯性。
优先地，包括以下步骤：
步骤一：实时采集并网点PCC的电压与电流信号；
步骤二：根据公式Pk＝uaia+ubib+ucic计算，得到三相电源的实时电磁功率Pk的数值并存储Pk，其中，ua、ub、uc分别为三相电源的电压，ia、ib和ic分别为ua、ub、uc对应的电流；
优先地，包括以下步骤：步骤三：将当前时刻至前n个周波的三相电源的实时电磁功率Pk代入公式
Figure GDA0003693086050000021
中，计算得到三相电源的功率平均值Pave。
优先地，包括以下步骤：步骤三中，n取值为10；步骤四，计算得到实时电磁功率Pk经过低通滤波器后得到稳定输出的实时电磁功率Pe。
优先地，包括以下步骤：步骤五：根据步骤三中的公式实时计算该时刻前n个周波的三相电源的实时电磁功率Pk的功率平均值Pave。
优先地，包括以下步骤：步骤六将三相电源的电磁功率平均值Pave与当前时刻的实时电磁功率Pk作差计算得ΔPe后送转子运动方程，当系统稳定时差值为0，当网侧出现扰动时ΔPe≠0。
优先地，包括以下步骤：步骤七：根据转子运动方程标幺值下的小信号模型：
Figure GDA0003693086050000022
ΔPe＝-(Pk-Pave)，
其中，J是转动惯量，Δω是角频率偏差量,ΔPm是功率偏差量，将实时电磁功率Pk与功率平均值Pave的差值ΔPe作为控制的反馈量，并通过对转子运动方程的利用从而实现对逆变器电源的内部角频率的采样。
优先地，包括以下步骤：步骤八：转子运动方程比锁相环更快地预估逆变器电源的内部角频率，同时将逆变器电源的内部角频率作为逆变器输出电压的相位指令，相位指令用于电流内环的坐标变换。
优先地，包括以下步骤：步骤九：在当前时刻功率与平均功率值作差后可以得到功率偏差量ΔPm，将功率偏差量ΔPm与初始功率P0的比值对电压调制波信号的幅值Uabc *进行修正。
优先地，包括以下步骤：步骤十：综合考虑电网电压前馈项和电流反馈项，得到期望输出参考电压Uabc的d轴分量Umd和q轴分量Umq，结合相位指令实现dq坐标到abc坐标的反Park变换，之后送入PWM调制生成控制信号。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，在一次调频控制死区内发生小扰动时，逆变器内部有可利用的储能，其内部的储能元件如电容、电感等可以在ΔP变化时，通过储能的变化实现类似同步发电机的效果，且逆变器在模拟机械惯性时，只进行内部控制，因此，这种逆变电源的等效机械惯性控制策略会比一般控制策略更加精确、更加近似于同步发电机的机械惯性。以往的惯性是通过控制得到的，本发明所描述的等效机械惯性对应对的能量来自于电容储能，是有实际对应的。且本发明能够维持系统电压及频率的稳定，即使是在孤网下，也可以提供准确的、在额定值附近的电压、频率，因此，该方法不仅适用于纯阻性负载，也适用于单独接入异步电动机等无源负载。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实际电力系统中，负荷无时无刻不在变化之中。当出现较大的功率扰动时，系统频率变化量超出调速器动作死区的设定值时，一次调频系统调整原动机汽门(进水阀)开度以改变输入机械功率，从而平衡系统中的有功功率，并在一定程度上补偿先前转子惯性能量输出造成的转速变化，由于转子转速不会回到原先的初始转速值，因此一次调频属于有差调节。一次调频的死区范围内，是靠惯性起平衡作用，为了防止干扰或过度控制所导致的不利影响，一次调频设置相应死区是必不可少的。由于机械惯性响应只取决于机械旋转系统的自身属性，并不需要进行任何额外的控制，也不存在死区的问题。若发生较小的功率扰动，由于系统惯性的存在，转子转速会自动发生相应变化，通过转子动能的增加/减少以消除系统的功率不平衡，从而平缓频率波动。
在逆变器电源中，逆变器内部有可利用的储能，其内部的储能元件(如电容、电感等)可以在ΔP变化时，通过储能的变化实现类似同步发电机的效果：当ΔP<0时，内部频率下降，此时逆变器电源内部的储能元件释放储能；当ΔP>0时，内部频率上升，此时逆变器电源内部的储能元件吸收多余能量。
电网发生较小的功率扰动导致频率波动在一次调频控制死区范围内，在使用逆变器进行机械惯性等效时，不使用PLL(Phase locked loop,锁相环)进行频率采集，通过实时计算电磁功率，将三相电源的电磁功率平均值Pave与当前时刻的实时电磁功率Pk的差值ΔPe作为控制的反馈量，并通过对转子运动方程的利用从而实现对内部频率的快速采样。在发生小扰动时，逆变器电源内部的储能元件通过储能的吸收/释放实现对机械惯量的等效，并通过反馈控制手段，将逆变器储能元件的储能对应的电磁惯性等效模拟机械惯性，由此，可以更贴切地模拟同步发电机的机械惯性。
参阅图1，优选的，所述实际测量的电磁功率Pe存在随机波动，因此考虑使用其平均值Pave代替稳态运行时的Pe。Pave与历史数据相关，从某种层面认为其数值更接近真实的稳态电磁功率，因此可以将Pave等效为电磁功率部分。
优选的，当负荷功率增加时，此时的负荷增加以脉冲形式的小扰动出现，原动机输入功率不变，根据同步发电机的惯性响应，此时转子的动能会有一部分转化为电能以补偿负荷增量，因此转子的转速会出现较小的跌落过程；在负荷扰动消失后，转子转速将趋于稳定，此时同步发电机将进入新的稳定运行状态。同样地，当出现脉冲型的负荷增量时，类似于同步发电机的原动机输入功率不变，逆变器的输入功率也不变，此时依靠逆变器等效惯性进行响应。出现小扰动后，逆变器的内部储能元件中会有一部分储能转化为电能以补偿负荷增量，此时不仅内部储能元件的状态量(电容电压、电感电流等)会出现较小的跌落过程，而且等效内部角频率也会出现较小的跌落过程；在负荷扰动消失后，储能元件的状态量、等效内部转速将趋于稳定，此时逆变器将进入新的稳定运行状态。
优选的，功率变换器采用典型的双环控制方法，电压外环主要是控制逆变侧电容电压的稳定，从功率变换器电容两端取实际电压值Udc与给定参考电压U* dc比较，经过PI控制器后，输出作为电流内环的参考值。电流内环主要是为了让实际值快速跟踪到参考指令，从而实现稳态无误差控制。d轴电流参考值I* d取自外环输出，q轴电流参考值I* q直接设置为0，实际电流值与二者分别比较后，送入PI控制器。
优选的，本发明能够维持系统电压及频率的稳定，即使是在孤网下，也可以提供准确的、在额定值附近的电压、频率，因此，该方法不仅适用于纯阻性负载，也适用于单独接入异步电动机等无源负载。
优选的，根据转子运动方程标幺值下的小信号模型，构建控制器结构与对应的算法。具体而言，加入了平均功率Pave，将三相电源的电磁功率平均值Pave与当前时刻的实时电磁功率Pk的差值ΔPe作为控制的反馈量，并通过对转子运动方程的利用从而实现对内部频率的快速采样。
优选的，考虑到电容的影响，将电容储能
Figure GDA0003693086050000041
与转子动能
Figure GDA0003693086050000042
的变化对应起来，具体的能量即电容储能的变化，将对应虚拟转子角速度的变化，将逆变器储能元件的储能对应的电磁惯性等效为机械惯性，故而在发生小扰动时，逆变器电源内部储能的吸收/释放的过程可以通过反馈控制手段，实现对机械惯量的等效，进而等效出转速。
一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，
电网发生较小的功率扰动导致电网的频率波动在一次调频控制死区范围内，通过实时计算得到三相电源的实时电磁功率Pk，将当前时刻的实时电磁功率Pk与三相电源的电磁功率平均值Pave的差值ΔPe作为控制的反馈量，将差值ΔPe代入转子运动方程从而实现对逆变器电源的内部频率的快速采样；
在电网发生较小的功率扰动导致并网点的外部频率波动在一次调频控制死区范围内时，逆变器电源内部的储能元件吸收或释放实现对机械惯量的等效，逆变器电源内部的储能元件通过反馈控制，将逆变器电源内部的储能元件的储能对应的电磁惯性等效模拟机械惯性。
进一步地，包括以下步骤：
步骤一：实时采集并网点PCC的电压与电流信号；
步骤二：根据公式Pk＝uaia+ubib+ucic计算，得到三相电源的实时电磁功率Pk的数值并存储Pk，其中，ua、ub、uc分别为三相电源的电压，ia、ib和ic分别为ua、ub、uc对应的电流；
进一步地，包括以下步骤：步骤三：将当前时刻至前n个周波的三相电源的实时电磁功率Pk代入公式
Figure GDA0003693086050000051
中，计算得到三相电源的功率平均值Pave。
进一步地，包括以下步骤：步骤三中，n取值为10；步骤四，计算得到实时电磁功率Pk经过低通滤波器后得到稳定输出的实时电磁功率Pe。
进一步地，包括以下步骤：步骤五：根据步骤三中的公式实时计算该时刻前n个周波的三相电源的实时电磁功率Pk的功率平均值Pave。
进一步地，包括以下步骤：步骤六：将三相电源的电磁功率平均值Pave与当前时刻的实时电磁功率Pk作差计算得ΔPe后送转子运动方程，当系统稳定时差值为0，当网侧出现扰动时ΔPe≠0。
进一步地，包括以下步骤：步骤七：根据转子运动方程标幺值下的小信号模型：
Figure GDA0003693086050000052
ΔPe＝-(Pk-Pave)，
其中，J是转动惯量，Δω是角频率偏差量,ΔPm是功率偏差量，将实时电磁功率Pk与功率平均值Pave的差值ΔPe作为控制的反馈量，并通过对转子运动方程的利用从而实现对逆变器电源的内部角频率的采样。
进一步地，包括以下步骤：步骤八：转子运动方程比锁相环更快地预估逆变器电源的内部角频率，同时将逆变器电源的内部角频率作为逆变器输出电压的相位指令，相位指令用于电流内环的坐标变换。
进一步地，包括以下步骤：步骤九：在当前时刻功率与平均功率值作差后可以得到功率偏差量ΔPm，将功率偏差量ΔPm与初始功率P0的比值对电压调制波信号的幅值Uabc *进行修正。
进一步地，包括以下步骤：步骤十：综合考虑电网电压前馈项和电流反馈项，得到期望输出参考电压Uabc的d轴分量Umd和q轴分量Umq，结合相位指令实现dq坐标到abc坐标的反Park变换，之后送入PWM调制生成控制信号。
光伏发电系统是本发明的一个特殊应用的解释说明。在光伏发电系统中，将光伏发电系统的有功出力Ppv类比于同步发电机的原动机输入机械功率Pm，在小扰动期间，在稳定运行点附近线性化后，Ppv与Pm维持原始出力而保持近似不变，因此将Ppv等效为机械功率部分，同时ΔPm＝ΔPpv＝0，进而根据公式
Figure GDA0003693086050000061
计算出逆变器电源的内部转速/角频率变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，其特征在于，
电网发生较小的功率扰动导致电网的频率波动在一次调频控制死区范围内，通过实时计算得到三相电源的实时电磁功率Pk，将三相电源的电磁功率平均值Pave与当前时刻的实时电磁功率Pk的差值ΔPe作为控制的反馈量，将差值ΔPe代入转子运动方程从而实现对逆变器电源的内部频率的快速采样；
在电网发生较小的功率扰动导致并网点的外部频率波动在一次调频控制死区范围内时，逆变器电源内部的储能元件吸收或释放实现对机械惯量的等效，逆变器电源内部的储能元件通过反馈控制，将逆变器电源内部的储能元件的储能对应的电磁惯性等效模拟机械惯性；
包括以下步骤：
步骤一：实时采集并网点PCC的电压与电流信号；
步骤二：根据公式Pk＝uaia+ubib+ucic计算，得到三相电源的实时电磁功率Pk的数值并存储Pk，其中，ua、ub、uc分别为三相电源的电压，ia、ib和ic分别为ua、ub、uc对应的电流；
步骤三：基于公式
Figure FDA0003693086040000011
计算得到三相电源的电磁功率平均值Pave；
步骤三中，n取值为10；步骤四，计算得到实时电磁功率Pk经过低通滤波器后得到稳定输出的实时电磁功率Pe；
包括以下步骤：步骤五：根据步骤三中的公式实时计算该时刻前n个周波的三相电源的实时电磁功率Pk的功率平均值Pave；
包括以下步骤：步骤六：将三相电源的电磁功率平均值Pave与当前时刻的实时电磁功率Pk作差计算得ΔPe后送转子运动方程，当系统稳定时差值为0，当网侧出现扰动时ΔPe≠0；
包括以下步骤：步骤七：根据转子运动方程标幺值下的小信号模型：
Figure FDA0003693086040000012
ΔPe＝-(Pk-Pave)，
其中，J是转动惯量，Δω是角频率偏差量,ΔPm是功率偏差量，将实时电磁功率Pk与功率平均值Pave的差值ΔPe作为控制的反馈量，并通过对转子运动方程的利用从而实现对逆变器电源的内部角频率的采样。
2.根据权利要求1所述的一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤八：转子运动方程比锁相环更快地预估逆变器电源的内部角频率，同时将逆变器电源的内部角频率作为逆变器输出电压的相位指令，相位指令用于电流内环的坐标变换。
3.根据权利要求2所述的一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤九：在当前时刻功率与平均功率值作差后可以得到功率偏差量ΔPm，将功率偏差量ΔPm与初始功率P0的比值对电压调制波信号的幅值Uabc *进行修正。
4.根据权利要求3所述的一种逆变器电源的机械惯性模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤十：综合考虑电网电压前馈项和电流反馈项，得到期望输出参考电压Uabc的d轴分量Umd和q轴分量Umq，结合相位指令实现dq坐标到abc坐标的反Park变换，之后送入PWM调制生成控制信号。
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