CN110797885A - 基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，采用包括功率控制外环、虚拟阻抗矫正环节及电压电流控制内环的控制环路实施，包括步骤：①采集逆变器输出电流电压信号计算输出有功功率和无功功率；②计算有功—频率功率环输出电压相角；③计算无功—电压功率环输出电压有效值；④在虚拟阻抗矫正模块计算各轴电压修正量用以矫正各轴控制内环的指令值；⑤电压电流控制内环根据修正得到的各轴指令值进行控制，计算结果送入PWM调制模块；⑥利用空间矢量脉宽调制产生调制信号驱动并控制开关管通断状态，使逆变器在具备同步发电机特性的同时实现功率解耦。本发明能有效解决因中低压线路阻抗呈阻感或阻性导致的输出功率耦合问题。

Description

基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法

技术领域

本发明涉及具有并离网模式切换功能的三相四桥臂逆变器控制技术，尤其是一种基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法。

背景技术

在分布式能源高渗透率接入及电网高电力电子化的发展背景下，虚拟同步电机技术通过模拟传统同步发电机的转子方程为系统提供惯量及阻尼支撑，并通过无功功率—电压控制使得分布式电源具有良好的频率、电压支撑与调节作用，已在微电网系统中得到了广泛的研究与应用。但是该控制策略在并网工作时存在功率耦合问题，一般在分析时通常认为线路阻抗呈感性，在此基础上功率耦合程度明显。然而在中低压电网中线路阻抗往往呈现阻感或电阻特性，该情况下其耦合程度明显加强，将严重影响控制性能。由于虚拟同步发电机技术往往应用在电压等级较低的中低压配电网场景下，因此如何实现有功功率与无功功率的耦合问题，是虚拟同步电机技术进一步发展的关键之一。

为解决功率耦合问题，业界提出了“虚拟阻抗法”。虚拟阻抗法通过在控制回路中以输出电流反馈量用于矫正电压参考值，从控制策略上完成了功率耦合的消除，能够有效地解决因线路阻抗所引起的功率耦合问题。通过引入虚拟阻抗方法，使线路阻抗在控制策略中等效为以感性为主，以此实现对有功功率与无功功率的独立有效控制。

针对中低压电网下虚拟同步发电机技术中因线路阻抗不呈感性而产生的功率耦合问题，虚拟阻抗解耦控制是潜在的解决方案之一，目前国内外已展开相关研究，但是对于适用于三相四桥臂逆变器拓扑的解耦控制策略鲜有提及，因此亟需对基于三相四桥臂虚拟同步发电机的功率耦合机理及解耦策略展开研究。

发明内容

本发明的目的是：本发明在模拟同步发电机惯性与阻尼特性从而使逆变器具备主动参与电网调节、为电网提供频率和电压支撑能力的同时，解决因中低压线路阻抗呈阻感或阻性导致的输出功率耦合问题，提升虚拟同步发电机系统的运行性能。

本发明的技术方案是：本发明的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，采用包括功率控制外环、虚拟阻抗矫正环节及电压电流控制内环的控制环路实施，控制方法包括如下步骤：

第一步，分别采集逆变器输出电流信号i_La,b,c及电压信号U_ca,b,c，并将采样变量转换至dq0坐标系，计算输出有功功率P和无功功率Q；

第二步，根据有功功率环路控制方程，计算得到有功—频率功率环输出电压相角θ；

第三步，根据无功功率环路控制方程，计算得到无功—电压功率环输出电压有效值E；

第四步，在虚拟阻抗矫正模块计算各轴电压修正量E_dq0，所得结果用以矫正各轴控制内环的指令值；

第五步，电压电流控制内环根据修正得到的各轴指令值进行控制，计算结果送入PWM调制模块；

第六步，利用空间矢量脉宽调制(SVPWM)产生调制信号，以此驱动并控制各开关管的通断状态，使逆变器在具备同步发电机特性的同时实现功率解耦。

进一步的方案是，所述第一步包括如下具体步骤：

步骤101，从逆变器输出侧采集滤波电感电流信号i_La,b,c及滤波输出电压信号U_ca,b,c，并将变量转至dq0坐标系下，对应的Park坐标变换方程为：

步骤102，根据瞬时功率理论，在dq0坐标系下计算有功及无功输出功率P、Q，计算公式如下：

式中，u_cdq与i_Ldq分别为逆变器输出电压及电流在dq0坐标系下的值。

进一步的方案是，所述第二步根据以下公式对有功—频率功率环进行计算并得到输出角速度ω，最终经积分得到相角θ：

式中，J为同步电机的转动惯量，ω为机械角速度，ω_n为额定角频率，P_set、P_e分别为有功输出指令值与实际值，D_p为有功-频率下垂系数。

进一步的方案是，所述第三步根据以下公式对无功—电压功率环进行计算并得到输出电压有效值E：

式中，Q_e为逆变器逆变侧实际输出无功功率值，Q_set为无功环中设定的无功功率给定值，D_q为无功—电压下垂系数，U_n为输出电压额定有效值，U_o为逆变器逆变侧实际输出电压有效值，K可以等效为无功—电压控制环路的惯性系数，E为无功环计算得到的电压指令值。

进一步的方案是，所述第四步根据以下公式进行虚拟阻抗电压矫正计算：

式中，E^* _{ref_dq0}为dq0坐标系下传统功率环输出的参考电势，与权利要求4中输出电压有效值E对应；R_v与X_v为所加入的虚拟电阻和感抗值。

进一步的方案是，所述第五步包括如下具体步骤：

步骤501，以虚拟阻抗修正后的输出电压有效值作为dq0各轴电压控制环路的计算参考值，利用比例—积分调节对逆变器输出电压进行控制；

步骤502，以电压控制环输出值作为电流控制环的计算参考值，利用单比例调节对逆变器输出电流进行控制；

步骤503，将电流控制环输出值最终送入PWM调制模块。

进一步的方案是：将计算输出量送入调制模块前，还包括对输出变量的Park反变换环节，将变量从dq0反变换至abc坐标系下，有功—功率环输出值相角θ为坐标变换所用角度。

本发明具有积极的效果：本发明对于并网逆变器采用基于虚拟阻抗的虚拟同步功率解耦控制策略，功率控制环、电压电流双环及虚拟阻抗矫正环节组成了多环路的控制方法，逆变器采用三相四桥臂逆变拓扑，能工作在并网和孤岛运行两种模式；本发明对逆变器采用虚拟同步电机技术，使整个系统都具有同步电机的惯性和电磁暂态特性，改善系统运行特性，能更好地参与电网调节，给予电网一定的电压和频率支撑，实时响应电网频率和电压的变化，改善系统的动态调节特性；同时，虚拟阻抗矫正环节能有效实现控制策略中有功功率和无功功率的解耦，使该控制方法能有效应用在中低压线路阻抗呈阻感或阻性的并网场景下，进一步提升了系统的控制性能；电压电流双环控制能够快速准确地控制系统的电压电流，提高系统的动态特性。

附图说明

图1是本发明实施例所采用的三相四桥臂逆变器的拓扑结构图；

图2是基于虚拟阻抗的三相四桥臂功率解耦控制方法的整体控制框图；

图3是有功功率环的控制框图；

图4是无功功率环的控制框图；

图5是虚拟阻抗矫正环节的控制框图；

图6是电压电流双环的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

(实施例1)

本实施例的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，以图1所示的三相四桥臂逆变器的拓扑结构为例进行说明。图1中U_dc为直流电压源；C_dc为直流侧电容；S₁～S₈为四桥臂开关管；L_a,b,c,n桥臂侧滤波电感；i_La,b,c为桥臂侧电感电流；C_a,b,c为输出侧滤波电容；U_ca,b,c为滤波电容电压；Z_a,b,c为本地负载；L_ga,b,c为网侧联线电感；V_ga,b,c为电网电压。

参见图2至图6，本实施例的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，采用包括功率控制模块、虚拟阻抗矫正模块、电压电流双环模块和PWM调制模块实施，具体由以下步骤实现。

第一步，分别采集逆变器输出电流信号i_La,b,c及电压信号U_ca,b,c，并将采样变量转换至dq0坐标系，计算输出有功功率P和无功功率Q；具体步骤如下：

步骤101，从逆变器输出侧采集滤波电感电流信号i_La,b,c及滤波输出电压信号U_ca,b,c，并将变量转至dq0坐标系下，对应的Park坐标变换方程为：

步骤102，根据瞬时功率理论，在dq0坐标系下计算有功及无功输出功率P、Q，计算公式如下：

式中，u_cdq与i_Ldq分别为逆变器输出电压及电流在dq0坐标系下的值。

第二步，根据有功功率环路控制方程，计算得到有功—频率功率环输出电压相角θ；

具体根据以下公式对有功—频率功率环进行计算并得到输出角速度ω，最终经积分得到相角θ：

式中，J为同步电机的转动惯量，ω为机械角速度，ω_n为额定角频率，P_set、P_e分别为有功输出指令值与实际值，D_p为有功-频率下垂系数。

第三步，根据无功功率环路控制方程，计算得到无功—电压功率环输出电压有效值E；

根据以下公式对无功—电压功率环进行计算并得到输出电压有效值E：

式中，Q_e为逆变器逆变侧实际输出无功功率值，Q_set为无功环中设定的无功功率给定值，D_q为无功—电压下垂系数，U_n为输出电压额定有效值，U_o为逆变器逆变侧实际输出电压有效值，K可以等效为无功—电压控制环路的惯性系数，E为无功环计算得到的电压指令值。

第四步，在虚拟阻抗矫正模块计算各轴电压修正量E_dq0，所得结果用以矫正各轴控制内环的指令值；

根据以下公式进行虚拟阻抗电压矫正计算：

式中，E^* _{ref_dq0}为dq0坐标系下传统功率环输出的参考电势，与权利要求4中输出电压有效值E对应；R_v与X_v为所加入的虚拟电阻和感抗值。

第五步，电压电流控制内环根据修正得到的各轴指令值进行控制，计算结果送入PWM调制模块；包括如下具体步骤：

步骤501，以虚拟阻抗修正后的输出电压有效值作为dq0各轴电压控制环路的计算参考值，利用比例—积分调节对逆变器输出电压进行控制；

步骤502，以电压控制环输出值作为电流控制环的计算参考值，利用单比例调节对逆变器输出电流进行控制；

步骤503，将电流控制环输出值最终送入PWM调制模块。

第六步，利用空间矢量脉宽调制(SVPWM)产生调制信号，以此驱动并控制各开关管的通断状态，使逆变器在具备同步发电机特性的同时实现功率解耦；将计算输出量送入调制模块前，还包括对输出变量的Park反变换环节，将变量从dq0反变换至abc坐标系下，有功—功率环输出值相角θ为坐标变换所用角度。

本发明对于并网逆变器采用基于虚拟阻抗的虚拟同步功率解耦控制策略，功率控制环、电压电流双环及虚拟阻抗矫正环节组成了多环路的控制方法。逆变器采用三相四桥臂逆变拓扑，能工作在并网和孤岛运行两种模式。本发明对逆变器采用虚拟同步电机技术，使整个系统都具有同步电机的惯性和电磁暂态特性，改善系统运行特性，能更好地参与电网调节，给予电网一定的电压和频率支撑，实时响应电网频率和电压的变化，改善系统的动态调节特性。同时，虚拟阻抗矫正环节能有效实现控制策略中有功功率和无功功率的解耦，使该控制策略能有效应用在中低压线路阻抗呈阻感或阻性的并网场景下，进一步提升了系统的控制系统。电压电流双环控制能够快速准确地控制系统的电压电流，提高系统的动态特性。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，其特征在于，采用包括功率控制外环、虚拟阻抗矫正环节及电压电流控制内环的控制环路实施，控制方法包括如下步骤：

第一步，分别采集逆变器输出电流信号i_La,b,c及电压信号U_ca,b,c，并将采样变量转换至dq0坐标系，计算输出有功功率P和无功功率Q；

第二步，根据有功功率环路控制方程，计算得到有功—频率功率环输出电压相角θ；

第三步，根据无功功率环路控制方程，计算得到无功—电压功率环输出电压有效值E；

第四步，在虚拟阻抗矫正模块计算各轴电压修正量E_dq0，所得结果用以矫正各轴控制内环的指令值；

第五步，电压电流控制内环根据修正得到的各轴指令值进行控制，计算结果送入PWM调制模块；

第六步，利用空间矢量脉宽调制产生调制信号，以此驱动并控制各开关管的通断状态，使逆变器在具备同步发电机特性的同时实现功率解耦。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，其特征在于，所述第一步包括如下具体步骤：

步骤101，从逆变器输出侧采集滤波电感电流信号i_La,b,c及滤波输出电压信号U_ca,b,c，并将变量转至dq0坐标系下，对应的Park坐标变换方程为：

步骤102，根据瞬时功率理论，在dq0坐标系下计算有功及无功输出功率P、Q，计算公式如下：

式中，u_cdq与i_Ldq分别为逆变器输出电压及电流在dq0坐标系下的值。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，其特征在于，所述第二步根据以下公式对有功—频率功率环进行计算并得到输出角速度ω，最终经积分得到相角θ：

式中，J为同步电机的转动惯量，ω为机械角速度，ω_n为额定角频率，P_set、P_e分别为有功输出指令值与实际值，D_p为有功-频率下垂系数。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，其特征在于，所述第三步根据以下公式对无功—电压功率环进行计算并得到输出电压有效值E：

式中，Q_e为逆变器逆变侧实际输出无功功率值，Q_set为无功环中设定的无功功率给定值，D_q为无功—电压下垂系数，U_n为输出电压额定有效值，U_o为逆变器逆变侧实际输出电压有效值，K可以等效为无功—电压控制环路的惯性系数，E为无功环计算得到的电压指令值。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，其特征在于，所述第四步根据以下公式进行虚拟阻抗电压矫正计算：

式中，E^* _{ref_dq0}为dq0坐标系下传统功率环输出的参考电势，与权利要求4中输出电压有效值E对应；R_v与X_v为所加入的虚拟电阻和感抗值。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，其特征在于，所述第五步包括如下具体步骤：

步骤501，以虚拟阻抗修正后的输出电压有效值作为dq0各轴电压控制环路的计算参考值，利用比例—积分调节对逆变器输出电压进行控制；

步骤502，以电压控制环输出值作为电流控制环的计算参考值，利用单比例调节对逆变器输出电流进行控制；

步骤503，将电流控制环输出值最终送入PWM调制模块。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟阻抗的三相四桥臂虚拟同步功率解耦控制方法，其特征在于，将计算输出量送入调制模块前，还包括对输出变量的Park反变换环节，将变量从dq0反变换至abc坐标系下，有功—功率环输出值相角θ为坐标变换所用角度。

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