CN110829461A - 一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，所述逆变器控制器包括dq变换单元、逆变器输出功率和端电压计算单元、无功电压单元、模拟同步发电机的有功频率单元、虚拟转动惯量自适应调整单元、虚拟阻尼系数自适应调整单元、dq反变换和脉宽调制单元，所述逆变器控制器通过模拟同步发电机的转动方程，并根据虚拟角频率和逆变器输出功率微分的大小及正负符号自适应地改变虚拟转动惯量和阻尼系数。有利于抑制系统低频振荡，改善电力系统的稳定性。本发明所述逆变器控制器充分考虑了虚拟阻尼系数的自适应调整，以适应易振荡环境下的逆变器的运行控制。

Description

一种具有参与系统低频振荡抑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，具体涉及一种具有参与系统低频振荡抑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(DG：Distributed Generation)和可再生能源发电技术成为电力领域的研究热点。电力电子逆变器作为一种直流电到交流电的电能转换设备，在光伏，风电，储能等领域得到了广泛应用。但和传统的同步发电机相比，逆变器虽然具有结构简单、控制灵活、成本低廉和使用方便等优点，但也存在着过载能力差、响应速度快和几乎不存在惯性等缺点。传统的同步发电机本身具有一定的转动惯量，而这种转动惯量在频率稳定中起着重要的作用。如，当输出功率变化或负荷突变时，在转子旋转方程的作用下，同步发电机通过调节自身转子转速改变了转子储存的动能，进而调节注入电网的电功率，避免了注入电网功率快速变化的局面，有利于系统频率稳定。因此，相比之下，缺乏物理的旋转转子、全为电路的逆变器因惯性的缺失容易导致逆变器输出功率地快速变化，不利于系统的频率稳定。

针对上述不足，近10年来，逆变器领域的研究人员提出了一种虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制技术。其核心思想是将同步发电机转子运动方程引入到逆变器的控制策略中。这样，当逆变器遭遇扰动时，这个虚拟引入的转子运动方程可以明显地减慢逆变器输出功率变化的速度，模拟了同步发电机转子转动惯量的作用。但这种技术在增加系统惯性的同时，也继承了同步发电机转子易振荡的特性。从功角稳定的角度，有必要采取进一步的措施防范系统失稳的风险。针对此问题，结合逆变器参数灵活可控的特点，学界从转动惯量和阻尼系数的自适应控制角度提出了一系列的控制措施。有人提出了一种仅仅根据VSG自己虚拟角频率的变化率dω/dt就调整虚拟转子惯量的VSG控制算法。即，若dω/dt超过了某一阈值，则增加虚拟的转动惯量J，反之则减少。但这种自适应控制策略没有考虑虚拟阻尼系数的自适应调整。也有人从同步发电机的二阶模型，推导出转动惯量J与阻尼系数D对超调、阻尼、响应时间、自然频率、阻尼比等指标的数学关系，并将这种内在联系转化为VSG虚拟转子dω/dt的正负号、转速偏差△ω与转动惯量J、阻尼系数D的对应关系来实现自适应地调整。但在VSG中，这些方法中利用dω/dt及△ω为一个虚拟的转动惯量，仅存在于逆变器的控制算法之中，并非一个真正存在的物理量。且ω及dω/dt的大小，和控制器参数的选取密切相关。例如，假设网侧的振荡过程是一样的，但逆变器设定的虚拟转动惯量不同，就可以获得不同的ω及dω/dt。因此，用它们来描述系统的动态过程并用以调整逆变器的控制器参数，未必客观且准确。与之对应的情况是，在同步发电机的PSS中会利用ω的变化来抑制系统的振荡。因为在同步发电机中，ω是一个真正存在的物理量，其微分能够反映了同步发电机转子加速和减速的情况，代表同步发电机转子中动能的变化，间接反映同步发电机注入电网的电功率的变化情况。因此，能否利用逆变器与电网侧真正存在的物理上的联系，来实现易振荡环境下逆变器的自适应控制，成为一个需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，本发明所述逆变器控制器充分考虑了虚拟阻尼系数的自适应调整，以适应易振荡环境下的逆变器的运行控制。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，所述逆变器控制器包括dq变换单元、逆变器输出功率和端电压计算单元、无功电压单元、模拟同步发电机的有功频率单元、虚拟转动惯量自适应调整单元、虚拟阻尼系数自适应调整单元、dq反变换和脉宽调制单元，所述逆变器控制器通过模拟同步发电机的转动方程，并根据虚拟角频率和逆变器输出功率微分的大小及正负符号自适应地改变虚拟转动惯量和阻尼系数。

进一步地，dq变换单元用于采集逆变器输出三相电压(即逆变器LC滤波器中电容上的电压)e_a、e_b、e_c和输出三相电流i_a、i_b、i_c，并将采集的三相电压或电流分解到逆变器同步旋转坐标系下(角频率ω和相位δ由转子运动方程计算得出)，通过dq变换单元得到逆变器输出电压的d、q分量e_d、e_q和输出电流d、q分量i_d、i_q。

进一步地，逆变器输出功率和端电压计算单元用于计算有功功率P、无功功率Q和输出电压幅值U，计算公式如式(1)所示：

式中，s为拉普拉斯算子，e_d、e_q分别为逆变器输出电压的d、q的分量；i_d、i_q分别为输出电流d、q的分量。

进一步地，无功电压单元用于计算获取得到逆变器调制波幅值Eq，计算公式如式(2)所示：

E_q＝∫K_e[(U_ref-U)-n(Q-Q_ref)]d(t) (2)

式中，Uref为逆变器端电压的设定值；Ke为无功电压环节放大增益，n为无功下垂系数；U、Q为逆变器输出功率和端电压计算单元计算出来的电压和无功功率；积分输出的结果Eq为逆变器调制波信号中的q轴分量。

进一步地，模拟同步发电机的有功频率单元用于根据逆变器输出功率和端电压计算单元获得的逆变器输出有功功率P，在模拟同步发电机的有功频率环节，计算模拟同步发电机的转子运动方程，得到逆变器调制波的相位角δ，计算公式如(3)(4)所示：

δ＝∫ωd(t) (4)

式中，ω为逆变器的虚拟的角频率；m为有功下垂系数；J为虚拟的转动惯量，为一可调整的参数；Pref为设定的逆变器输出有功功率；P为逆变器输出功率和端电压计算环节中计算出来的有功功率；ω₀为逆变器所连电网的额定频率；D为逆变器虚拟的阻尼系数；δ为逆变器调制波的相位，该相位和虚拟的角频率ω一道，也为dq变换与反变换单元提供参考频率和相位。

进一步地，虚拟转动惯量自适应调整单元用于自适应地调整逆变器自身的虚拟转动惯量J，如公式(5)所示：

式中，M_j为设定的阈值；k_j为一比例系数；J₀为初始的转动惯量设计值。

进一步地，虚拟阻尼系数自适应调整单元用于自适应地调整逆变器自身的虚拟阻尼系数，如公式(6)所示：

式中，dP/dt为逆变器输出功率的微分量；M_d为设定的阈值；k_d为一比例系数；D₀为初始的阻尼系数设计值。

进一步地，dq反变换和脉宽调制单元用于将无功电压单元中的控制信号Eq置于同步旋转坐标系的q轴，并令该坐标系d轴和0轴上电压为0，结合模拟同步发电机的有功频率单元中得到的相角δ，经dq反变换后得到调制波信号u_a、u_b、u_c，再根据脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动三相逆变桥，实现包含抑制系统低频振荡抑制辅助功能的逆变。

本发明特别适合在易振荡环境下运行的逆变器控制器。该控制器在虚拟同步发电机控制技术的基础上，增加了自适应控制的功能。具体而言，该控制器由dq变换环节(单元)、逆变器输出功率和端电压计算环节(单元)、无功电压环节(单元)、模拟同步发电机的有功频率环节(单元)、虚拟转动惯量自适应调整环节(单元)、虚拟阻尼系数自适应调整环节(单元)、dq反变换及脉宽调制环节(单元)这七个部分构成。该逆变器控制器通过模拟同步发电机的转动方程，并根据虚拟角频率和逆变器输出功率微分的大小及正负符号自适应地改变虚拟转动惯量和阻尼系数。有利于抑制系统低频振荡，改善电力系统的稳定性。

本发明在自适应控制调整阻尼系数中，本发明采用了逆变器输出功率P的微分，而不是现有方法中仅仅通过逆变器虚拟的角频率ω及其微分来调整J和D。逆变器输出功率P是逆变器与电网联系中真正存在的物理量，直接反映二者之间的功率交换。因此利用P的微分来调整逆变器控制器参数，更直接反映系统与逆变器的动态过程，有利于抑制系统的振荡。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明在自适应控制调整阻尼系数中，本发明采用了逆变器输出功率P的微分，而不是现有方法中仅仅通过逆变器虚拟的角频率ω及其微分来调整J和D。逆变器输出功率P是逆变器与电网联系中真正存在的物理量，直接反映二者之间的功率交换。因此利用P的微分来调整逆变器控制器参数，更直接反映系统与逆变器的动态过程，有利于抑制系统的振荡。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的逆变器主电路拓扑及其控制框图；

图2为本发明的逆变器控制器控制框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1、图2所示，图1是本发明一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器的主电路拓扑及其控制框图，包括主电路、电压电流测量模块、逆变器控制器、PWM信号发生器和驱动电路等单元。下面结合图1，具体介绍各部分结构和功能：

1)主电路部分，包括直流端、三相全桥逆变电路、LC滤波器和合闸开关KM等。其中，r_f和L_f为LC滤波器中电感上的等效电阻和电感，下标abc表示三相。三相全桥逆变电路包含6个电力电子器件，在驱动电路的作用下导通或者关断，实现将直流电转变为交流电的功能。

2)电压电流测量模块部分，e_a、e_b、e_c为电压传感器在LC滤波器的电容上测量得到的逆变器端口的三相电压；i_a、i_b、i_c为逆变器滤波器电感上的三相电流。二者通过电压和电流传感器测量得到。

3)逆变器控制器部分，将上述测量的电流和电压信号送入该控制模块，产生并输出调制波信号。具体的内部控制策略可见图2。

4)PWM信号发生器和驱动电路部分，根据逆变器控制器输出的调制波信号，依据冲量等效原理，利用三角波作为载波通过规则采样法产生电力电子器件的通断信号，并由驱动电路控制电力电子器件的通断。

图2是本发明一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器的控制框图，反映了本发明提出的控制策略。下面结合图2，具体介绍各部分结构和功能。它包括dq变换单元、逆变器输出功率和端电压计算单元、无功电压单元、模拟同步发电机的有功频率单元、虚拟转动惯量自适应调整单元、虚拟阻尼系数自适应调整单元、dq反变换和脉宽调制单元7个部分：

dq变换单元：采集逆变器输出三相电压(即逆变器LC滤波器电容上的电压)e_a、e_b、e_c和输出三相电流i_a、i_b、i_c。并将采集的三相电压或电流分解到逆变器同步旋转坐标系下(角频率ω和相位δ由转子运动方程计算得出)，通过dq变换单元得到逆变器输出电压的d、q分量e_d、e_q和输出电流d、q分量i_d、i_q。

逆变器输出功率和端电压计算单元，计算有功功率P、无功功率Q和输出电压幅值U，所依据的公式是

式中，s为拉普拉斯算子；

通常，在逆变器控制器中，这种计算出来的功率和电压有效值后面都会跟随一个低通滤波器，用以平滑计算的结果，其数学模型通常是1/(0.02s+1)，如(1)式所示。

无功电压单元，根据无功电压环节公式(2)计算得到逆变器调制波幅值Eq，

E_q＝∫K_e[(U_ref-U)-n(Q-Q_ref)]d(t) (2)

式中，Uref为逆变器端电压的设定值；Ke为无功电压环节放大增益，n为无功下垂系数；U、Q为逆变器输出功率和端电压计算单元计算出来的电压和无功功率；积分输出的结果Eq为逆变器的调制波信号中的q轴分量。在稳态的时候，由于积分器的输入必为0，因此有(U_ref-U)-n(Q-Q_ref)＝0。这表明，这种策略设计的控制器也符合无功——电压下垂控制策略。即，若端电压U的幅值没有达到设定值Uref，则逆变器输出无功Q将会大于Qref。反之亦然。这种策略有利于系统的电压幅值稳定。

模拟同步发电机的有功频率单元，根据逆变器输出功率和端电压计算环节获得的逆变器输出有功功率P，以及逆变器设定的输出功率，在模拟同步发电机的有功频率环节，依据公式(3)(4)模拟同步发电机的转子运动方程，得到逆变器调制波的相位角δ；

δ＝∫ωd(t) (4)

式中，ω为逆变器的虚拟的角频率；m为有功下垂系数；J为虚拟的转动惯量，为一可调整的参数；Pref为设定的逆变器输出有功功率；P为逆变器输出功率和端电压计算环节中计算出来的有功功率；ω₀为逆变器所连电网的额定频率；D为逆变器虚拟的阻尼系数；δ为逆变器调制波的相位，该相位和虚拟的角频率ω一道，也为dq变换与反变换单元提供参考频率和相位。和上面无功电压环节的分析类似，在稳态的时候，必有m(P_ref-P)-D(ω-ω₀)＝0。这表明，本控制器这部分策略符合有功-频率的下垂控制策略。即，若系统的频率ω没有达到设定值ω₀，则逆变器输出有功P将会大于Pref。反之亦然。因此，逆变器会根据系统此时的频率偏差自动调节自己的输出有功，有利于系统的频率稳定。

虚拟转动惯量自适应调整单元，根据下面的公式(5)自适应地调整逆变器自身的虚拟转动惯量J，

式中，M_j为设定的阈值；k_j为一比例系数；J₀为初始的转动惯量设计值。依据同步发电机的有关知识，当dω/dt过大，则可以增加转动惯量来抑制ω的增长。这是选取dω/dt来自适应调整J的原因。同时，考虑到电力电子通常具有快速的响应速度，因此J₀的值一般可以取得比较小，以保持快速的响应。只是在振荡过大的时候，才采取较大的J来抑制系统的振荡。

虚拟阻尼系数自适应调整单元，根据下面的公式(6)自适应地调整逆变器自身的虚拟阻尼系数，

式中，dP/dt为逆变器输出功率P的微分；M_d为设定的阈值；k_d为一比例系数；D₀为初始的阻尼系数设计值。依据同步发电机的有关知识，输出的有功功率P的表达式及其微分也可以用(7)式来表达：

其中，X_L为LC滤波器电感L_f的电抗值；α为端电压U的相位，由电网侧频率ω_g决定。因此，当dP/dt为正，且超出了某一阈值，则表明ω显著大于ω_g。此时，增加D，则可以在转子运动方程(9)中增加阻尼转矩，使虚拟转子减速。反之，当dP/dt为负，且超出了某一阈值，则表明ω_g显著大于ω。此时，减少D使虚拟转子加速，可减少|dP/dt|，进而减少逆变器并网输出功率P的波动。这有利于系统振荡的衰减。功率P是真正反映逆变器和电网动态交互作用的物理量。

dq反变换和脉宽调制单元，将无功电压环节单元中的控制信号Eq置于同步旋转坐标系的q轴，并令该坐标系d轴、0轴上电压为0，结合模拟同步发电机的有功频率环节中得到的相角δ，经dq反变换后得到调制波信号u_a、u_b、u_c，再根据脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动三相逆变桥。

下面给出了一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器的具体参数。逆变器额定电压为380V，额定功率为50kW，频率为50Hz。逆变器直流端的电压U_dc＝750V。三相全桥逆变电路的器件可以选择IGBT。PWM载波频率为10kHz。逆变器工作的额定值Pref＝0.8，Qref＝0.0，Uref＝1.01，ω₀＝1.0，这些参数均为标幺值。下垂系数m＝n＝0.1，Ke＝100，J₀＝0.02，D＝1.00。自适应控制系数方面，M_j＝0.3，M_d＝0.2，k_j＝0.3，k_d＝2。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述逆变器控制器包括dq变换单元、逆变器输出功率和端电压计算单元、无功电压单元、模拟同步发电机的有功频率单元、虚拟转动惯量自适应调整单元、虚拟阻尼系数自适应调整单元、dq反变换和脉宽调制单元，所述逆变器控制器通过模拟同步发电机的转动方程，并根据虚拟角频率和逆变器输出功率微分的大小及正负符号自适应地改变虚拟转动惯量和阻尼系数。

2.根据权利要求1所述的一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述dq变换单元用于采集逆变器输出三相电压e_a、e_b、e_c和输出三相电流i_a、i_b、i_c，并将采集的三相电压或电流分解到逆变器同步旋转坐标系下，通过dq变换单元得到逆变器输出电压的d、q分量e_d、e_q和输出电流d、q分量i_d、i_q。

3.根据权利要求1所述的一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述逆变器输出功率和端电压计算单元用于计算有功功率P、无功功率Q和输出电压幅值U，计算公式如式(1)所示：

式中，s为拉普拉斯算子，e_d、e_q分别为逆变器输出电压的d、q的分量；i_d、i_q分别为输出电流d、q的分量。

4.根据权利要求1所述的一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述无功电压单元用于计算获取得到逆变器调制波幅值Eq，计算公式如式(2)所示：

E_q＝∫K_e[(U_ref-U)-n(Q-Q_ref)]d(t) (2)

式中，Uref为逆变器端电压的设定值；Ke为无功电压环节放大增益，n为无功下垂系数；U、Q为逆变器输出功率和端电压计算单元计算出来的电压和无功功率；积分输出的结果Eq为逆变器调制波信号中的q轴分量。

5.根据权利要求1所述的一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述模拟同步发电机的有功频率单元用于根据逆变器输出功率和端电压计算单元获得的逆变器输出有功功率P，在模拟同步发电机的有功频率环节，计算模拟同步发电机的转子运动方程，得到逆变器调制波的相位角δ，计算公式如(3)(4)所示：

δ＝∫ωd(t) (4)

式中，ω为逆变器的虚拟的角频率；m为有功下垂系数；J为虚拟的转动惯量，为一可调整的参数；Pref为设定的逆变器输出有功功率；P为逆变器输出功率和端电压计算环节中计算出来的有功功率；ω₀为逆变器所连电网的额定频率；D为逆变器虚拟的阻尼系数；δ为逆变器调制波的相位，该相位和虚拟的角频率ω一道，也为dq变换与反变换单元提供参考频率和相位。

6.根据权利要求1所述的一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述虚拟转动惯量自适应调整单元用于自适应地调整逆变器自身的虚拟转动惯量J，如公式(5)所示：

式中，M_j为设定的阈值；k_j为一比例系数；J₀为初始的转动惯量设计值。

7.根据权利要求1所述的一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述虚拟阻尼系数自适应调整单元用于自适应地调整逆变器自身的虚拟阻尼系数，如公式(6)所示：

式中，dP/dt为逆变器输出功率的微分量；M_d为设定的阈值；k_d为一比例系数；D₀为初始的阻尼系数设计值。

8.根据权利要求1所述的一种具有参与系统低频振荡抑制功能的逆变器控制器，其特征在于，所述dq反变换和脉宽调制单元用于将无功电压单元中的控制信号Eq置于同步旋转坐标系的q轴，并令该坐标系d轴和0轴上电压为0，结合模拟同步发电机的有功频率单元中得到的相角δ，经dq反变换后得到调制波信号u_a、u_b、u_c，再根据脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动三相逆变桥，实现包含抑制系统低频振荡抑制辅助功能的逆变。

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