CN111431191A - 基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法和系统 - Google Patents

基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法和系统 Download PDF

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CN111431191A CN202010149196.6A CN202010149196A CN111431191A CN 111431191 A CN111431191 A CN 111431191A CN 202010149196 A CN202010149196 A CN 202010149196A CN 111431191 A CN111431191 A CN 111431191A
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李琼林
张江南
范斗
畅广辉
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伍兴煌
吴坡
宫灿锋
任鹏凌
阮冲
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Abstract

本申请涉及一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法和系统，在逆变器内部模拟虚拟转子，通过使用虚拟转子角下垂控制和无功‑电压下垂控制，得到虚拟转子的转子角度和逆变器虚拟内电势矢量的幅值；在逆变器内部模拟虚拟阻抗，并计算流过逆变器内部所述虚拟阻抗和实际阻抗的电流；计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量。本发明在使用虚拟阻抗之后，可以很好的解决大电抗下电压利用率过低的问题。

Description

基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法和系统
技术领域
本申请属于逆变器的控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法和系统。
背景技术
频率控制和相应的有功功率控制在独立微电网中非常重要。曾有澳大利亚学者提出了一种新的有效功率控制策略——角度下垂控制。该策略根据有功偏差决定内电势角度数值，可以将负荷变化按额定容量比例分配给多个分布式电源。与传统的频率下垂控制相比较，角度控制可以直接实现无差的频率控制。尽管该策略取得了不少成果，但仍有许多问题有待解决，特别是其电压源角度直接由有功决定，可能导致频率反复小幅度跳跃和稳定裕度变小。
近年来，出现了一种新的发电机控制策略：发电机转子角控制。发电机转子角控制被提出的最初目的是能够在没有远程量测的帮助下更有效的抑制低频振荡，但是后来研究表明，转子角控制也是一种有效的负荷跟踪/频率控制策略。
在集成虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术后，可以在电压型逆变器中实现虚拟转子角度下垂(virtual rotor angle droop,VRAD)控制。这将带来转子角控制固有的许多优点。例如，可以实现无差的频率控制、负载变化几乎可以在多逆变器中与额定容量成比例分配等等。但VSG在有功控制和负荷跟踪方面主要还是沿用传统同步发电机及微网逆变电源的控制策略。
而且，目前的VRAD控制为了确保角度和有功功率相关(以及内电势幅值和无功相关)，使用了一个很大的内电抗。虽然这样能够保证网络中电抗占优，但结果是电压利用率太低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决现有技术中VRAD控制电压利用率低的问题，从而提供一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法和系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，包括：
在逆变器内部模拟虚拟转子，通过使用虚拟转子角下垂控制，得到虚拟转子的绝对转子角度，并根据无功-电压下垂控制，得到期望的虚拟内电势矢量的幅值；
在逆变器内部模拟虚拟阻抗，并计算流过逆变器内部所述虚拟阻抗和实际阻抗的电流；
根据所述电流和逆变器出口端电压，以及所述期望虚拟内电势矢量的幅值和虚拟转子的绝对转子角度，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量。
独立微电网中的功率平衡和系统频率可以通过转子角下垂控制器自主恢复。转子角下垂控制器可以将负载变化按其额定容量成比例地分配给逆变器。在使用虚拟阻抗之后，可以很好的解决大电抗下电压利用率过低的问题，同时可以使得角度和功率相关，在这个前提下，虚拟阻抗大小对负载变化分配的影响不大。此外在加入无功-电压下垂控制之后，使用更小的下垂系数可以使得负载变化的分配更符合逆变器额定功率的比例。
本发明第二方面还提供了一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制系统，包括：
虚拟内电势计算模块，用于通过使用虚拟转子角下垂控制，得到虚拟转子的绝对转子角度，并根据无功-电压下垂控制，得到期望的虚拟内电势矢量的幅值；
虚拟阻抗模拟模块，用于在逆变器内部模拟虚拟阻抗，并计算流过逆变器内部所述虚拟阻抗和实际阻抗的电流；
实际内电势计算模块，用于根据所述电流和逆变器出口端电压，以及所述期望虚拟内电势矢量的幅值和虚拟转子的绝对转子角度，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量。
本发明的有益效果是：本发明本质上仍然是在实施虚拟转子角下垂控制，所以其功率均分的优点仍能得到保留，在使用虚拟阻抗之后，可以很好的解决大电抗下电压利用率过低的问题，同时可以使得角度和功率相关，在这个前提下，虚拟阻抗大小对负载变化分配的影响不大。
此外在加入无功-电压下垂控制之后，使用更小的下垂系数可以使得负载变化的分配更符合逆变器额定功率的比例。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的转子角下垂控制的结构框图；
图3是本发明实施例针对大规模电网的内阻抗等效电路图；
图4是本发明实施例针对小规模电网的内阻抗等效电路图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本发明提供了一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，如图1所示，包括：
在逆变器内部模拟虚拟转子，通过使用虚拟转子角下垂控制，得到虚拟转子的绝对转子角度，并根据无功-电压下垂控制，得到期望的逆变器虚拟内电势矢量的幅值；
在逆变器内部模拟虚拟阻抗，并计算流过逆变器内部所述虚拟阻抗和实际阻抗的电流；
根据所述电流和逆变器出口端电压，以及所述期望虚拟内电势矢量的幅值和虚拟转子的绝对转子角度，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量。
本实施例的方案使用虚拟阻抗来代替实际电抗，确保电抗占优(这是转子角下垂控制的前提)的同时，提高电压利用率。独立微电网中的功率平衡和系统频率可以通过转子角下垂控制器自主恢复。转子角下垂控制器可以将负载变化按其额定容量成比例地分配给逆变器。在使用虚拟阻抗之后，可以很好的解决大电抗下电压利用率过低的问题，同时可以使得角度和功率相关，在这个前提下，虚拟阻抗大小对负载变化分配的影响不大。此外在加入无功-电压下垂控制之后，使用更小的下垂系数可以使得负载变化的分配更符合逆变器额定功率的比例。
本实施例在逆变器内部模拟一个虚拟转子(如：同步发电机转子)。虚拟转子具有惯性时间常数Tj、实际输出有功功率Pe(Pe的值就是逆变器实际输出的有功功率，可以用有功功率计测量得到，或者用输出电流电压向量计算得到)和虚拟输入机械功率Pm(相当于汽轮机输出)。虚拟转子的运动也可以采用如下摆动方程来描述，即：
Figure BDA0002401833000000051
Figure BDA0002401833000000052
Δω是虚拟转子的角速度偏差，δ为虚拟转子的绝对转子角度，ω0为逆变器额定频率下的虚拟转子角速度。
转子角下垂控制用于控制虚拟转子的Pm，其结构如图2所示。转子角下垂控制(RAD)使用PD(比例微分控制)算法，RAD控制器输入的是虚拟转子的绝对转子角度，它是从虚拟转子的输出反馈得到的。
本实施例中，虚拟转子的绝对转子角度的计算过程如下：
(1)计算虚拟转子的虚拟输入机械功率：
将虚拟转子输出反馈的绝对转子角度作为输入，采用虚拟转子角下垂控制来计算虚拟转子的虚拟输入机械功率，即：
Pm＝(kp*(δ-δ0)+kd*s*δ)*Pn+P0
δ0为虚拟转子初始状态的绝对转子角度，Pn为逆变器的额定功率，kp为比例微分控制的比例增益，kd比例微分控制的微分增益，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟转子的绝对转子角度，P0为虚拟转子的实际输出有功功率初值。
(2)绝对转子角度的计算：
将所述虚拟转子的虚拟输入机械功率作为输入，并根据测量得到的虚拟转子的实际输出有功功率，利用虚拟转子运动的摆动方程，得到虚拟转子在GPS确定的同步旋转坐标系中的绝对转子角度δ，即
Figure BDA0002401833000000061
ω0为逆变器额定频率下的虚拟转子角速度。计算得到的δ作为输出反馈参与虚拟转子的虚拟输入机械功率Pm的计算。
本实施对于虚拟内电势矢量的幅值，则使用无功-电压下垂控制得到，即：E＝ke(Q-Q0)+E0
其中，E为虚拟内电势矢量的幅值，Q为逆变器当前输出的无功功率，Q0为无功功率的初值，ke为无功-电压下垂系数，E0为逆变器空载时的虚拟内电势幅值。
如果逆变器内的滤波电抗足够大，使用有功-角度下垂和无功-电压下垂得到前述内电势角度和幅值后，即可直接得到PWM控制需要的调制波。但是太大的滤波电抗(内电抗)会降低电压利用率。为了避免这种现象，本实施例在使用较小的实际滤波电抗xf同时，在逆变器内部使用控制逻辑模拟一个大的虚拟阻抗xve。如图3所示，逆变器内除了滤波电抗xf之外，还存在一个虚拟阻抗xve。
如图3所示，逆变器出口端电压为
Figure BDA0002401833000000078
没有采用虚拟阻抗时，希望控制的内电势矢量为
Figure BDA0002401833000000079
需要寻找一个新的内电势矢量
Figure BDA00024018330000000710
来用于控制PWM波生成。
本实施例中，对于大规模电网，如图3所示，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量为：
Figure BDA0002401833000000071
Figure BDA0002401833000000072
其中，
Figure BDA0002401833000000073
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure BDA0002401833000000074
是期望的逆变器虚拟内电势矢量，
Figure BDA0002401833000000075
为逆变器出口端电压，xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure BDA0002401833000000076
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
虚拟阻抗xve可以为任意正值，本实施例为了便于分析，设虚拟阻抗xve为实际的滤波电抗xf的整数倍，即当xve＝N*xf时(N为正整数)：
Figure BDA0002401833000000077
若
Figure BDA0002401833000000081
并通过选择坐标系角度让Vq＝0，则可以得到：
Figure BDA0002401833000000082
Vd表示
Figure BDA0002401833000000083
在d轴的电压分量，Vq表示
Figure BDA0002401833000000084
在q轴的电压分量。
本实施例是在逆变器出口电压不变的情况得到上述
Figure BDA0002401833000000085
主要适用于规模较大的微电网。对规模较小的微电网，逆变器出口电压不这种情况是不成立的，需要做适当的调整。本实施例中，对于小规模电网，将外部微电网等效为戴维南等效电路，如图4所示，xo为戴维南等效电路的等效阻抗，
Figure BDA0002401833000000086
为戴维南等效电路的等效电压，根据图4，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量为：
Figure BDA0002401833000000087
Figure BDA0002401833000000088
其中，
Figure BDA0002401833000000089
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure BDA00024018330000000810
是期望的逆变器虚拟内电势矢量,xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure BDA00024018330000000811
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
实施例2
本实施例提供了一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制系统，包括：
虚拟内电势计算模块，用于通过使用虚拟转子角下垂控制，得到虚拟转子的绝对转子角度，并根据无功-电压下垂控制，得到期望的虚拟内电势矢量的幅值；
虚拟阻抗模拟模块，用于在逆变器内部模拟虚拟阻抗，并计算流过逆变器内部所述虚拟阻抗和实际阻抗的电流；
实际内电势计算模块，用于根据所述电流和逆变器出口端电压，以及所述期望虚拟内电势矢量的幅值和虚拟转子的绝对转子角度，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量。
进一步地，本实施例所述虚拟内电势计算模块包括：
虚拟转子角下垂控制单元，用于根据虚拟转子输出反馈的绝对转子角度，采用虚拟转子角下垂控制计算得到逆变器内部虚拟转子的虚拟输入机械功率；
虚拟转子模拟单元，用于将所述虚拟转子的虚拟输入机械功率作为输入，并根据测量得到的虚拟转子的实际输出有功功率，利用转子运动方程，得到虚拟转子在GPS确定的同步旋转坐标系中的绝对转子角度；
无功-电压下垂控制单元，用于根据无功-电压下垂控制，得到虚拟内电势矢量的幅值。
本实施例对于虚拟转子的虚拟输入机械功率、绝对转子角度以及虚拟内电势幅值的计算，均与实施例1相同，在此不再赘述；
进一步地，本实施例所述无功-电压下垂控制单元包括：
第一计算单元，用于针对大规模电网，计算实际PWM控制需要的内电势矢量，即：
Figure BDA0002401833000000091
Figure BDA0002401833000000092
其中，
Figure BDA0002401833000000093
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure BDA0002401833000000094
是期望的逆变器虚拟内电势矢量，
Figure BDA0002401833000000101
为逆变器出口端电压，xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure BDA0002401833000000102
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
进一步地，本实施例所述无功-电压下垂控制单元还包括：
第二计算单元，用于针对小规模电网，将外部微电网等效为戴维南等效电路，计算实际PWM控制需要的内电势矢量，即：
Figure BDA0002401833000000103
Figure BDA0002401833000000104
其中，
Figure BDA0002401833000000105
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure BDA0002401833000000106
是期望的逆变器虚拟内电势矢量，
Figure BDA0002401833000000107
为戴维南等效电路中的等效电压，xo为戴维南等效电路的等效阻抗，xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure BDA0002401833000000108
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，其特征在于，包括：
在逆变器内部模拟虚拟转子，通过使用虚拟转子角下垂控制，得到虚拟转子的绝对转子角度，并根据无功-电压下垂控制，得到期望的逆变器虚拟内电势矢量的幅值；
在逆变器内部模拟虚拟阻抗，并计算流过逆变器内部所述虚拟阻抗和实际阻抗的电流；
根据所述电流和逆变器出口端电压，以及所述期望虚拟内电势矢量的幅值和虚拟转子的绝对转子角度，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，其特征在于，所述虚拟转子的绝对转子角度的计算包括：
将虚拟转子输出反馈的绝对转子角度作为输入，采用虚拟转子角下垂控制来计算虚拟转子的虚拟输入机械功率；
将所述虚拟转子的虚拟输入机械功率作为输入，并根据测量得到的虚拟转子的实际输出有功功率，利用转子运动方程，得到虚拟转子在GPS确定的同步旋转坐标系中的绝对转子角度。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，其特征在于，对于大规模电网，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量为：
Figure FDA0002401832990000011
Figure FDA0002401832990000012
其中，
Figure FDA0002401832990000021
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000022
是期望的逆变器虚拟内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000023
为逆变器出口端电压，xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure FDA0002401832990000024
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，其特征在于，对于小规模电网，将外部微电网等效为戴维南等效电路，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量为：
Figure FDA0002401832990000025
Figure FDA0002401832990000026
其中，
Figure FDA0002401832990000027
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000028
是期望的逆变器虚拟内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000029
为戴维南等效电路的等效电压，xo为戴维南等效电路的等效阻抗，xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure FDA00024018329900000210
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
5.根据权利要求2所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，其特征在于，所述虚拟转子的绝对转子角度的具体计算过程如下：
所述虚拟转子角下垂控制采用的是比例微分控制算法，计算得到所述虚拟转子的虚拟输入机械功率为：
Pm＝(kp*(δ-δ0)+kd*s*δ)*Pn+P0
从而得到虚拟转子的绝对转子角度，即：
Figure FDA00024018329900000211
δ为虚拟转子的绝对转子角度，Pe虚拟转子的实际输出有功功率，Pm为虚拟转子的虚拟输入机械功率，Pn为逆变器的额定功率，Tj为虚拟转子具有惯性时间常数，δ0为虚拟转子初始状态的绝对转子角度，ω0为逆变器额定频率下的虚拟转子角速度，kp为比例微分控制的比例增益，kd比例微分控制的微分增益，s为拉普拉斯算子，P0为虚拟转子的实际输出有功功率初值。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制方法，其特征在于，所述虚拟内电势矢量幅值的具体计算如下：
E＝ke(Q-Q0)+E0
其中，E为虚拟内电势矢量的幅值，Q为逆变器当前输出的无功功率，Q0为无功功率的初值，ke为无功-电压下垂系数，E0为逆变器空载时的虚拟内电势幅值。
7.一种基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制系统，其特征在于，包括：
虚拟内电势计算模块，用于通过使用虚拟转子角下垂控制，得到虚拟转子的绝对转子角度，并根据无功-电压下垂控制，得到期望的虚拟内电势矢量的幅值；
虚拟阻抗模拟模块，用于在逆变器内部模拟虚拟阻抗，并计算流过逆变器内部所述虚拟阻抗和实际阻抗的电流；
实际内电势计算模块，用于根据所述电流和逆变器出口端电压，以及所述期望虚拟内电势矢量的幅值和虚拟转子的绝对转子角度，计算得到实际PWM控制需要的内电势矢量。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制系统，其特征在于，所述虚拟内电势计算模块包括：
虚拟转子角下垂控制单元，用于根据虚拟转子输出反馈的绝对转子角度，采用虚拟转子角下垂控制计算得到逆变器内部虚拟转子的虚拟输入机械功率；
虚拟转子模拟单元，用于将所述虚拟转子的虚拟输入机械功率作为输入，并根据测量得到的虚拟转子的实际输出有功功率，利用转子运动方程，得到虚拟转子在GPS确定的同步旋转坐标系中的绝对转子角度；
无功-电压下垂控制单元，用于根据无功-电压下垂控制，得到虚拟内电势矢量的幅值。
9.根据权利要求8所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制系统，其特征在于，所述无功-电压下垂控制单元包括：
第一计算单元，用于针对大规模电网，计算实际PWM控制需要的内电势矢量，即：
Figure FDA0002401832990000041
Figure FDA0002401832990000042
其中，
Figure FDA0002401832990000043
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000044
是期望的逆变器虚拟内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000045
为逆变器出口端电压，xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure FDA0002401832990000046
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
10.根据权利要求9所述的基于虚拟阻抗的逆变器转子角下垂控制系统，其特征在于，所述无功-电压下垂控制单元包括：
第二计算单元，用于针对小规模电网，将外部微电网等效为戴维南等效电路，计算实际PWM控制需要的内电势矢量，即：
Figure FDA0002401832990000051
Figure FDA0002401832990000052
其中，
Figure FDA0002401832990000053
为实际PWM控制需要的内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000054
是期望的逆变器虚拟内电势矢量，
Figure FDA0002401832990000055
为戴维南等效电路中的等效电压，xo为戴维南等效电路的等效阻抗，xve为虚拟阻抗，xf为实际的滤波电抗，
Figure FDA0002401832990000056
为流过逆变器内部虚拟阻抗和实际滤波电抗的电流。
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