CN111564850A - 一种基于有界性pid控制的虚拟同步发电机型逆变器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，包括：直流母线电容、电力电子模块、交流LC滤波器、基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器。所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器在传统的虚拟同步发电机控制技术上，增加了电压输出和频率输出的有界性设计，进而满足电网系统或者下一代智能电网系统电压与频率的有界性的需求。并且通过建立的有界性PID控制的核心算法，避免传统的积分饱和或者积分失控现象，使基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器在满足电压与频率输出有界的前提下，能够更加稳定可靠的运行。
Description
技术领域
本发明属于微电网或者智能电网领域，具体涉及一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器。
背景技术
虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术或者虚拟同步电机(Virtual Synchronous Machine,VSM)技术是针对于下一代智能电网的功率电子器件(或者逆变器)控制技术，它是由克劳斯塔尔工业大学的Hans-Peter Beck教授，及伊利诺伊理工大学的钟庆昌(Qing-Chang Zhong)教授等人提出。该项技术能够提供分布式新兴能源的智能电网并网的接口，而且能够主动参与电网、微电网或者智能电网系统的频率调整及电压调整，并且能够主动设计的系统惯量及不需要锁相环回路来测量电网的频率。从而实现未来电网系统的稳定、安全和可靠运行。与常规的基于通讯和信息系统的智能电网技术相比，该技术在控制层面上不依赖于通讯系统，这样在控制层面上能够避免网络攻击，进一步增加电控系统及电网系统的可靠性。
另一方面，虚拟同步发电机技术作为一种控制系统，可能出现控制器输出不可控或者不稳定的情况，例如系统超调或者不稳定运行。并且传统的虚拟同步发电机技术都是基于积分控制回路，在控制响应性方面存在一定的劣势。而对于电网系统或者下一代智能电网系统来说，电网电压与频率的有界性对电网的可靠性起着至关重要的作用。例如中华人民共和国民用电网要求的电压的波动范围为-10％～+7％，频率的波动范围为+/-0.2Hz。并且在一些极端的应用场合中，电压的波动范围和频率的波动范围要求更小。而传统的虚拟同步发电机技术往往很难适应上述要求。例如不同的惯量配置往往会导致系统的超调，从而进一步引起基于传统虚拟同步发电机型逆变器的输出电压及输出频率超出电网的需求范围。
在传统的设计中，为了达到控制系统输出有界的控制效果，比如针对传统的虚拟同步发电机技术的积分控制，往往在控制器输出(比如电压输出或者频率输出)端增加饱和单元(saturation unit)，但是饱和单元往往会造成一种积分饱和(integral windup)或者积分失控现象，从而导致基于传统的虚拟同步发电机控制系统的不稳定，从而甚至影响整个电网系统的可靠运行。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提出一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，实现了逆变器电压输出和频率输出的有界性，进而满足电网系统或者下一代智能电网系统电压与频率的有界性的需求。并且通过建立的有界性PID控制的核心算法，避免传统的积分饱和或者积分失控现象，使基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器在满足电压与频率输出有界的前提下，能够更加稳定可靠的运行。
一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，包括：直流母线电容、电力电子模块、交流LC滤波器、及基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器。
所述电力电子模块一端通过所述直流母线电容与新能源或者储能模块相连接，作为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输入；所述电力电子模块另一端与所述交流LC滤波器一端相连接，所述交流LC滤波器另一端与电网或者微电网相连接，作为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输出；所述新能源或者储能模块所采集的信息传递到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器中，同时所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器接收在交流LC滤波器处采集的电感电流及交流电容电压，通过该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，将所产生的PWM控制信号传递给所述电力电子模块。
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器根据需求采集所述新能源或者储能模块所采集的信息，比如新能源系统的最大功率跟踪点，或者储能系统的储能信息等。
所述新能源或者储能模块，将其他形式的能量转化为电能，为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器提供直流输入。
所述新能源或者储能模块，包含：蓄电池、光伏发电设备、风机发电设备等，或者包括与这些配套的电力电子设备用以产生直流输出，输入到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器中。
所述直流母线电容，用于接收所述新能源或者储能模块的直流输入，并且为所述电力电子模块提供直流滤波功能，消除或降低开关噪声及高次谐波。
所述电力电子模块，根据所述有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器提供的PWM控制信号，进行导通或截至的操作，以此将直流电转化为交流电，并将输出的三相交流电传递给所述交流LC滤波器。
所述电力电子模块可以为三相桥结构，也可以为其他结构，主要包含高速开关器件，如MOSFET或者IGBT等，为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器提供直流到交流的变换。
所述交流LC滤波器，接收所述电力电子模块传递过来的三相交流电，并通过滤波电感及滤波电容对传递过来的三相交流电进行滤波，将滤波后的三相交流电输送到电网中；所述交流LC滤波器用于消除三相交流电输出的开关噪声；在所述交流LC滤波器中，采集滤波电感的电流和滤波电容两端的电压，传递到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器中；
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，接收在所述交流LC滤波器中采集的三相电流及三相电压，同时接收所述新能源或者储能模块所采集的信息，基于有界性PID控制算法，并结合虚拟同步发电机技术，为所述电力电子模块提供PWM控制信号。
所述电网包括智能电网、微电网或者传统电网，所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器通过网络阻抗连接到电网中；所述网络阻抗包含导线的阻抗、感抗以及耦合电容。
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，包括：有功功率及无功功率计算单元、有功功率及频率控制回路、无功功率及电压控制回路、虚拟阻抗及PWM单元；
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器将在所述交流LC滤波器处采集的三相电流及三相电压输入到所述有功功率及无功功率计算单元，所述有功功率及无功功率计算单元的输出分别输入到所述有功功率及频率控制回路和所述无功功率及电压控制回路中，所述有功功率及频率控制回路的相角输出和所述无功功率及电压控制回路的电压输出分别输入到所述虚拟阻抗及PWM单元，所述虚拟阻抗及PWM单元将输出的PWM控制信号传递到所述电力电子模块。
所述有功功率及无功功率计算单元，接收在所述交流LC滤波器处采集的三相电流及三相电压，并计算有功功率及无功功率，考虑到可能的三相电压或者三相电流不平衡，采用如下精确的有功功率及无功功率计算公式：
其中，Pg和Qg分别为计算得到的所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器输出的有功功率和无功功率；ia，ib，ic分别为所述交流LC滤波器电感处采集的三相电流；uga，ugb，ugc分别为所述交流LC滤波器电容处采集的三相电压；T为定积分的计算周期，通常T可以选择为
秒或者
秒，ω为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作频率；ugaq，ugbq，ugcq分别为uga，ugb，ugc延时
秒的三相电压。其他有功功率及无功功率计算公式也可以适用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器。本发明对此不加以限定。
所述有功功率及频率控制回路，包括：有功功率控制和频率下垂控制；
所述有功功率控制，将有功功率的设定值Pset与从有功功率及无功功率计算单元计算得到的有功功率Pg相比较，得到有功功率的误差eP＝Pset-Pg；将该误差eP通过虚拟惯量增益
传输到第一有界性PID控制算法，其中J为该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的虚拟惯量设定值；从而得到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作频率ω；然后将该频率ω通过积分器，得到相角输出θ。其中有功功率的设定值Pset来源于新能源或者储能模块所采集的信息，比如Pset可以为新能源系统的最大功率跟踪点的输出功率，或者基于储能系统的储能信息计算得到。
所述频率下垂控制，将第一有界控制器输出的频率ω与额定的电网频率ω*相比较得到频率偏差eω；将该偏差eω通过频率下垂系数增益Dω对有功功率的误差eP进行修正，得到
eP＝Pset-Pg+Dω(ω*-ω)
所述积分器根据如下公式将频率ω转换成相角θ：
θ＝∫ωdt
其中，所述有功功率的控制用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器对电网的有功功率输送；所述频率下垂控制用于电网频率的调整；这两部分功能在具体应用中可以仅选择其中的某一个功能，或者两个功能都保留，示具体情况而定。
所述无功功率及电压控制回路，包括：无功功率控制和电压下垂控制；
所述无功功率控制将无功功率的设定值Qset与从有功功率及无功功率计算单元计算得到的无功功率Qg相比较，得到无功功率的误差eQ＝Qset-Qg；将该误差eQ输送到第二有界性PID控制算法；从而得到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作电压E。其中无功功率的设定值Qset通常设定为0用来保证较高的功率因数，也可以根据电网的需求进行设定。
所述电压下垂控制将额定的电网电压E*与采集到的电网电压Ug相比较得到电压偏差eU；将该偏差eU通过电压下垂系数增益DE对无功功率的误差eQ进行修正，得到：
eQ＝Qset-Qg+DE(E*-Ug)。
其中，电网电压Ug为三相电压uga，ugb，ugc有效值的均值。
其中，所述无功功率的控制用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器对电网的无功功率输送；所述电压下垂控制用于对电网电压的调整；这两部分功能在具体应用中可以仅选择其中的某一个功能，或者两个功能都保留，示具体情况而定。
所述虚拟阻抗及PWM单元，其中，PWM(脉冲宽度调制)是英文Pulse WidthModulation的缩写，简称脉宽调制，包括：三相电压计算单元、虚拟阻抗单元以及PWM生成器；
所述虚拟阻抗及PWM单元将有功功率及频率控制回路的输出θ与和无功功率及电压控制回路的输出E输入到所述三相电压计算单元，所述三相电压计算单元的输出与虚拟阻抗单元的输出之差，得到三相电压参考信号vr，将三相电压参考信号输入到PWM生成器，得到PWM控制信号。
所述三相电压计算单元，计算公式为：
其中，加减符号的使用视三相电压相序的情况而定，
为三相电压。
所述虚拟阻抗单元，用以增强或重新设计所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输出阻抗，一种RLC虚拟阻抗的设置方法如下所示
其中，RLC的虚拟阻抗值可以灵活配置。因此三相电压参考信号vr可表示为
vra＝ea-Zr(s)·ia
vrb＝eb-Zr(s)·ib
vrc＝ec-Zr(s)·ic
其中，
为三相电压参考信号。其他虚拟阻抗的设置方法也可以适用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，本发明对此不加以限定。
所述PWM生成器，将三相电压参考信号vr归一化，并且将归一化后的三相电压参考信号与一个统一的三角波信号或者锯齿波信号相比较，则得到最终的PWM控制信号。
所述第一有界性PID控制算法和所述第二有界性PID控制算法采用相同的设计，包括：带积分反馈的PID控制单元和有界控制单元。
所述带积分反馈的PID控制单元包括：比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元；
将误差或者带增益的误差输入Ei，i＝p,q，分别输入到所述带积分反馈的PID控制单元的比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元；再分别将所述比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元的输出相加后输入到所述有界控制单元；所述有界性控制单元又将时变控制参数k0i，i＝p,q，反馈给所述带积分反馈的PID控制单元的带反馈的积分单元。其中，带增益的误差输入Ep为
误差输入Eq为Eq＝eQ。
所述比例单元为KPiEi，其中，KPi为比例系数，Ei为误差或者带增益的误差输入，i＝p,q；
所述微分单元为
其中，KDi为微分系数，
为误差或者带增益的误差输入的微分，i＝p,q；
所述带反馈的积分单元为k0iKIi∫Eidt，其中，k0i为从第一或第二有界控制单元中反馈过来的时变控制参数，k0i∈(0,1]，KIi为积分系数，∫Eidt为对误差或者带增益的误差输入的积分，i＝p,q；
所述带积分反馈的PID控制单元表示为：
其中，umi是所述带积分反馈的PID控制单元的输出，为一个中间控制变量，能将其输入到有界控制单元中。
所述有界控制单元表示为：
其中，i＝p,q，ui为所述有界控制单元的输出，也是所述第一或第二有界性PID控制算法的最终输出，umaxi和umini为该输出的极大值(上界)与极小值(下界)，ki为一个固定控制参数，该有界控制单元并且将时变控制参数k0i∈(0,1]输入到所述带积分反馈的PID控制单元。其中所述第一有界性PID控制算法的最终输出up为up＝ω，所述第二有界性PID控制算法的最终输出uq为uq＝E。
针对所述有界控制单元的设计，通过李雅普诺夫分析得到，ui与k0i的关系为：
该方程为一个椭圆方程，其中，李雅普诺夫分析过程详见具体实施方式。因此ui最终被控制到ui∈(umini,umaxi)的固定范围，其中，上界umaxi和下界umini都可以灵活的人为配置。从而保证了所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器有界的电压输出和频率输出。
在所述第一和第二有界性PID控制算法中，可以注意到，如果有界控制单元的输出已经趋近于极大值或者极小值，即ui→umini,或者ui→umaxi，时变控制参数k0i将趋近于0，即k0i→0。然后通过k0i对所述带积分反馈的PID控制单元的积分项进行反馈，使该积分项也趋近于0，即k0iKIi∫Eidt→0，从而天然的避免了积分饱和或者积分失控现象。
本申请所达到的有益效果：
本申请实现了基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，基于带积分反馈的PID控制单元和有界控制单元，建立了针对有功功率及频率控制回路和无功功率及电压控制回路的有界性PID控制的核心算法。从而保证基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的电压输出和频率输出控制在固定范围以内，进而满足电网系统或者下一代智能电网系统电压与频率的有界性的需求。在有界性PID控制算法中引入了一个时变控制参数，这样有界性PID控制算法的最终输出和该时变控制参数被控制成一个椭圆方程，实现最终的控制器输出被控制到固定范围，而时变控制参数在0和1之间。并且有界性PID控制算法的最终输出达到极小值或者极大值时，该时变控制参数会趋近于0。通过将该时变控制参数反馈到带积分反馈的PID控制单元中，从而避免传统的积分饱和或者积分失控现象，使基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器在满足电压与频率输出有界的前提下，能够更加稳定可靠的运行。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器结构图；
图2为本发明实施例的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器结构图；
图3为本发明实施例的有功功率及频率控制回路；
图4为本发明实施例的无功功率及电压控制回路；
图5为本发明实施例的虚拟阻抗及PWM单元；
图6为本发明实施例的第一或第二有界性PID控制算法框图；
图7为本发明实施例的第一或第二有界性PID控制算法达到的最终控制输出ui与时变控制参数k0i关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。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申请的保护范围。
本发明提出一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，实现了逆变器电压输出和频率输出的有界性，进而满足电网系统或者下一代智能电网系统电压与频率的有界性的需求。并且通过建立的有界性PID控制的核心算法，避免传统的积分饱和或者积分失控现象，使基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器在满足电压与频率输出有界的前提下，能够更加稳定可靠的运行。
一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，如图1所示，包括：直流母线电容、电力电子模块、交流LC滤波器、及基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器；
所述电力电子模块一端通过所述直流母线电容与新能源或者储能模块相连接，作为该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输入；所述电力电子模块另一端与所述交流LC滤波器一端相连接，所述交流LC滤波器另一端与电网或者微电网相连接，作为该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输出；所述新能源或者储能模块所采集的信息传递到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器中，同时所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器接收在交流LC滤波器处采集的电感电流及交流电容电压，通过该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，将所产生的PWM控制信号传递给所述电力电子模块。
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器根据需求采集所述新能源或者储能模块所采集的信息，比如新能源系统的最大功率跟踪点，或者储能系统的储能信息等。
所述新能源或者储能模块，将其他形式的能量转化为电能，为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器提供直流输入。该新能源或者储能模块包含蓄电池、光伏发电设备、风机发电设备等，或者包括与这些配套的电力电子设备用以产生直流输出，输入到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器。
所述直流母线电容，用于接收所述新能源或者储能模块的直流输入，并且为所述电力电子模块提供直流滤波功能，消除或降低开关噪声及高次谐波。
所述电力电子模块，根据所述有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器提供的PWM控制信号，进行导通或截至的操作，以此将直流电转化为交流电，并将输出的三相交流电传递给所述交流LC滤波器。所述电力电子模块可以为三相桥结构，也可以为其他结构，主要包含高速开关器件，如MOSFET或者IGBT等，为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器提供直流到交流的变换。
所述交流LC滤波器，接收所述电力电子模块传递过来的三相交流电，并通过滤波电感及滤波电容对传递过来的三相交流电进行滤波，将滤波后的三相交流电输送到电网中；所述交流LC滤波器用于消除三相交流电输出的开关噪声；在所述交流LC滤波器中，采集滤波电感的电流和滤波电容两端的电压，传递到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器中；
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，接收在所述交流LC滤波器中采集的三相电流及三相电压，同时接收所述新能源或者储能模块所采集的信息(比如新能源系统的最大功率跟踪点，或者储能系统的储能信息等)，基于有界性PID控制算法，并结合虚拟同步发电机技术，为所述电力电子模块提供PWM控制信号。
所述电网包括智能电网、微电网或者传统电网；所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器通过网络阻抗连接到电网中。网络阻抗包含导线的阻抗、感抗以及耦合电容。
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，如图2所示，包括：有功功率及无功功率计算单元、有功功率及频率控制回路、无功功率及电压控制回路、虚拟阻抗及PWM单元；
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器将在所述交流LC滤波器处采集的三相电流及三相电压输入到所述有功功率及无功功率计算单元，所述有功功率及无功功率计算单元的输出分别输入到所述有功功率及频率控制回路和所述无功功率及电压控制回路中，所述有功功率及频率控制回路的相角输出和所述无功功率及电压控制回路的电压输出分别输入到所虚拟阻抗及PWM单元，所述虚拟阻抗及PWM单元将输出的PWM控制信号传递到所述电力电子模块。
所述有功功率及无功功率计算单元，接收在所述交流LC滤波器处采集的三相电流及三相电压，并计算有功功率及无功功率，考虑到可能的三相电压或者电流不平衡，采用如下精确的有功功率及无功功率计算公式：
其中Pg和Qg分别为计算得到的所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器输出的有功功率和无功功率；ia，ib，ic分别为所述交流LC滤波器电感处采集的三相电流；uga，ugb，ugc分别为所述交流LC滤波器电容处采集的三相电压；T为定积分的计算周期，通常T可以选择为
秒或者
秒，ω为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作频率；ugaq，ugbq，ugcq分别为uga，ugb，ugc延时
秒的三相电压。其他有功功率及无功功率计算公式也可以适用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器。本发明对此不加以限定。
所述有功功率及频率控制回路，如图3所示，包括有功功率控制和频率下垂控制两个方面；
所述有功功率控制将有功功率的设定值Pset与从有功功率及无功功率计算单元计算得到的有功功率Pg相比较，得到有功功率的误差eP＝Pset-Pg；将该误差eP通过虚拟惯量增益
传输到第一有界性PID控制算法，其中J为该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的虚拟惯量设定值；从而得到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作频率ω；然后将频率ω通过积分器，得到相角输出θ。其中有功功率的设定值Pset可以来源于新能源或者储能模块所采集的信息，比如Pset可以为新能源系统的最大功率跟踪点的输出功率，或者基于储能系统的储能信息计算得到。
所述频率下垂控制将第一有界控制器输出的频率ω与额定的电网频率ω*相比较得到频率偏差eω；将该偏差eω通过频率下垂系数增益Dω对有功功率的误差eP进行修正，可得
eP＝Pset-Pg+Dω(ω*-ω)。
所述积分器根据如下公式将频率ω转换成相角θ：
θ＝∫ωdt
其中，所述有功功率的控制用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器对电网的有功功率输送；所述频率下垂控制用于电网频率的调整；这两部分功能在具体应用中可以仅选择其中的某一个功能，或者两个功能都保留，示具体情况而定。
所述无功功率及电压控制回路，如图4所示，也包括无功功率控制和电压下垂控制两个方面；
所述无功功率控制将有功功率的设定值Qset与从有功功率及无功功率计算单元计算得到的无功功率Qg相比较，得到无功功率的误差eQ＝Qset-Qg；将该误差eQ输送到第二有界性PID控制算法；从而得到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作电压E。其中无功功率的设定值Qset通常设定为0用来保证较高的功率因数，也可以根据电网的需求进行设定。
所述电压下垂控制将采集到的电网电压Ug与额定的电网电压E*相比较得到电压偏差eU；将该偏差eU通过电压下垂系数增益DE对无功功率的误差eQ进行修正，可得
eQ＝Qset-Qg+DE(E*-Ug)
其中，电网电压Ug为三相电压uga，ugb，ugc有效值的均值。
其中，所述无功功率的控制用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器对电网的无功功率输送；所述电压下垂控制用于对电网电压的调整；这两部分功能在具体应用中可以仅选择其中的某一个功能，或者两个功能都保留，示具体情况而定。
所述虚拟阻抗及PWM单元，其中PWM(脉冲宽度调制)是英文Pulse WidthModulation的缩写，简称脉宽调制，如图5所示，包括：三相电压计算单元、虚拟阻抗单元以及PWM生成器；
所述虚拟阻抗及PWM单元将有功功率及频率控制回路的输出θ与和无功功率及电压控制回路的输出E输入到所述三相电压计算单元，所述三相电压计算单元的输出与虚拟阻抗单元的输出之差，得到三相电压参考信号vr，将三相电压参考信号输入到PWM生成器，得到PWM控制信号。
所述三相电压计算单元，计算公式为：
其中，加减符号的使用视三相电压相序的情况而定，
为三相电压。
所述虚拟阻抗单元，可以增强或重新设计所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输出阻抗，一种RLC虚拟阻抗的设置方法如下所示
其中，RLC的虚拟阻抗值可以灵活配置。因此三相电压参考信号vr可表示为
vra＝ea-Zr(s)·ia
vrb＝eb-Zr(s)·ib
vrc＝ec-Zr(s)·ic
其中，
为三相电压参考信号。其他虚拟阻抗的设置方法也可以适用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，本发明对此不加以限定。
所述PWM生成器，将三相电压参考信号vr归一化，并且将归一化后的三相电压参考信号与一个统一的三角波信号(或者锯齿波信号)相比较则得到最终的PWM控制信号。
所述第一有界性PID控制算法和所述第二有界性PID控制算法采用相同的设计，如图6所示，包括带积分反馈的PID控制单元和有界控制单元；
所述带积分反馈的PID控制单元包括：比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元；
将误差或者带增益的误差输入Ei，(i＝pq,)，分别输入到所述带积分反馈的PID控制单元的比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元；再分别将所述比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元的输出相加后输入到所述有界控制单元；所述有界性控制单元又将时变控制参数k0i(i＝p,q)反馈给所述带积分反馈的PID控制单元的带反馈的积分单元。其中带增益的误差输入Ep为
误差输入Eq为Eq＝eQ。
所述比例单元为KPiEi，其中，KPi为比例系数，Ei为误差或者带增益的误差输入，i＝p,q；
所述微分单元为
其中，KDi为微分系数，
为误差或者带增益的误差输入的微分，i＝p,q；
所述带反馈的积分单元为k0iKIi∫Eidt，其中，k0i为从第一或第二有界控制单元中反馈过来的时变控制参数，k0i∈(0,1]，KIi为积分系数，∫Eidt为对误差或者带增益的误差输入的积分，i＝p,q；
所述带积分反馈的PID控制单元表示为：
其中，umi是所述带积分反馈的PID控制单元的输出，为一个中间控制变量，能将其输入到有界控制单元中。
所述有界控制单元表示为：
其中，i＝p,q，ui为所述有界控制单元的输出，也是所述第一或第二有界性PID控制算法的最终输出，umaxi和umini为该输出的极大值(上界)与极小值(下界)，ki为一个固定控制参数，该有界控制单元并且将时变控制参数k0i∈(0,1]输入到所述带积分反馈的PID控制单元。其中所述第一有界性PID控制算法的最终输出up为up＝ω，所述第二有界性PID控制算法的最终输出uq为uq＝E。
针对所述有界控制单元，考虑以下李雅普诺夫函数：
对该李雅普诺夫函数求导可得：
将所述有界控制单元代入可得：
因此
是一个不变集，这样通过合适的选择Vi(t)的初始值Vi(0)，比如，使
和k0i(0)＝1，进一步通过以上公式，从而可得
一旦Vi(t)＝1，可以轻易的得到的ui与k0i关系为：
该方程为一个椭圆方程，如图7所示，因此ui最终被控制到ui∈(umini,umaxi)的固定范围，其中，上界umaxi和下界umini都可以灵活的人为配置；从而保证了所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器有界的电压输出和频率输出。并且可以注意到，如果第一或第二有界控制单元的输出已经趋近于极大值或者极小值，即ui→umini或者ui→umaxi，时变控制参数k0i将趋近于0，即k0i→0。然后通过k0i对所述带积分反馈的PID控制单元的积分项的反馈，使该积分项也趋近于0，即k0iKIi∫Eidt→0，从而天然的避免了积分饱和或者积分失控现象。
本发明实现了基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，基于带积分反馈的PID控制单元和有界控制单元，建立了针对有功功率及频率控制回路和无功功率及电压控制回路的有界性PID控制的核心算法。从而保证基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的电压输出和频率输出控制在固定范围以内，进而满足电网系统或者下一代智能电网系统电压与频率的有界性的需求。在有界性PID控制算法中引入了一个时变控制参数，这样有界性PID控制算法的最终输出和该时变控制参数被控制成一个椭圆方程，实现最终的控制器输出被控制到固定范围，而时变控制参数在0和1之间。并且有界性PID控制算法的最终输出达到极小值或者极大值时，该时变控制参数会趋近于0。通过将该时变控制参数反馈到带积分反馈的PID控制单元中，从而避免传统的积分饱和或者积分失控现象，使基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器在满足电压与频率输出有界的前提下，能够更加稳定可靠的运行。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，包括：直流母线电容、电力电子模块、交流LC滤波器、及基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器；
所述电力电子模块一端通过所述直流母线电容与新能源或者储能模块相连接，作为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输入；所述电力电子模块另一端与所述交流LC滤波器一端相连接，所述交流LC滤波器另一端与电网或者微电网相连接，作为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输出；所述新能源或者储能模块所采集的信息传递到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器中，同时所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器接收在交流LC滤波器处采集的电感电流及交流电容电压，通过该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，将所产生的PWM控制信号传递给所述电力电子模块；
所述直流母线电容，用于接收所述新能源或者储能模块的直流输入，并且为所述电力电子模块提供直流滤波功能；
所述电力电子模块，根据所述有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器提供的PWM控制信号，进行导通或截至的操作，以此将直流电转化为交流电，并将输出的三相交流电传递给所述交流LC滤波器；
所述交流LC滤波器，接收所述电力电子模块传递过来的三相交流电，并通过滤波电感及滤波电容对传递过来的三相交流电进行滤波，将滤波后的三相交流电输送到电网中；采集滤波电感的电流和滤波电容两端的电压，传递到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器中；
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，接收在所述交流LC滤波器中采集的三相电流及三相电压，同时接收所述新能源或者储能模块所采集的信息，基于有界性PID控制算法，并结合虚拟同步发电机技术，为所述电力电子模块提供PWM控制信号。
2.如权利要求1所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，
所述新能源或者储能模块，将其他形式的能量转化为电能，为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器提供直流输入；
所述新能源或者储能模块，包含：蓄电池、光伏发电设备、风机发电设备，或者包括与这些配套的电力电子设备，用以产生直流输出，输入到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器中。
3.如权利要求1所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，所述电网，包括：智能电网、微电网或者传统电网；所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器通过网络阻抗连接到电网中；所述网络阻抗，包含：导线的阻抗、感抗以及耦合电容。
4.如权利要求1所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器，包括：有功功率及无功功率计算单元、有功功率及频率控制回路、无功功率及电压控制回路、虚拟阻抗及PWM单元；
所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机控制器将在所述交流LC滤波器处采集的三相电流及三相电压输入到所述有功功率及无功功率计算单元，所述有功功率及无功功率计算单元的输出分别输入到所述有功功率及频率控制回路和所述无功功率及电压控制回路中，所述有功功率及频率控制回路的相角输出和所述无功功率及电压控制回路的电压输出分别输入到所述虚拟阻抗及PWM单元，所述虚拟阻抗及PWM单元将输出的PWM控制信号传递到所述电力电子模块。
5.如权利要求4所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，
所述有功功率及无功功率计算单元，接收在所述交流LC滤波器处采集的三相电流及三相电压，并计算有功功率及无功功率；考虑到可能的三相不平衡，采用如下精确的有功功率及无功功率计算公式：
其中，Pg和Qg分别为计算得到的所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器输出的有功功率和无功功率；ia，ib，ic分别为所述交流LC滤波器电感处采集的三相电流；uga，ugb，ugc分别为所述交流LC滤波器电容处采集的三相电压；T为定积分的计算周期，T为
秒或者
秒，ω为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作频率；ugaq，ugbq，ugcq分别为uga，ugb，ugc延时
秒的三相电压；其他有功功率及无功功率计算公式也可以适用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器。
6.如权利要求4所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，
所述有功功率及频率控制回路，包括：有功功率控制和频率下垂控制；
所述有功功率控制，将有功功率的设定值Pset与从有功功率及无功功率计算单元计算得到的有功功率Pg相比较，得到有功功率的误差eP＝Pset-Pg；将该误差eP通过虚拟惯量增益
传输到第一有界性PID控制算法，其中J为该基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的虚拟惯量设定值；从而得到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作频率ω；然后将该频率ω通过积分器，得到相角输出θ，该有功功率的设定值Pset来源于新能源或者储能模块所采集的信息；
所述频率下垂控制，将第一有界控制器输出的频率ω与额定的电网频率ω*相比较得到频率偏差eω；将该偏差eω通过频率下垂系数增益Dω对有功功率的误差eP进行修正，得到：
eP＝Pset-Pg+Dω(ω*-ω)
所述积分器根据如下公式将频率ω转换成相角θ：
θ＝∫ωdt
其中，所述有功功率的控制用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器对电网的有功功率输送；所述频率下垂控制用于对电网频率的调整；这两部分功能在具体应用中可以仅选择其中的某一个功能，或者两个功能都保留。
7.如权利要求4所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，
所述无功功率及电压控制回路，包括：无功功率控制和电压下垂控制；
所述无功功率控制将无功功率的设定值Qset与从有功功率及无功功率计算单元计算得到的无功功率Qg相比较，得到无功功率的误差eQ＝Qset-Qg；将该误差eQ输送到第二有界性PID控制算法；从而得到所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的工作电压E；
所述电压下垂控制将额定的电网电压E*与采集到的电网电压Ug相比较得到电压偏差eU；将该偏差eU通过电压下垂系数增益DE对无功功率的误差eQ进行修正，得到：
eQ＝Qset-Qg+DE(E*-Ug)
其中，电网电压Ug为三相电压uga，ugb，ugc有效值的均值；
其中，所述无功功率的控制用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器对电网的无功功率输送；所述电压下垂控制用于对电网电压的调整；这两部分功能在具体应用中可以仅选择其中的某一个功能，或者两个功能都保留。
8.如权利要求4所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，
所述虚拟阻抗及PWM单元，包括：三相电压计算单元、虚拟阻抗单元以及PWM生成器；
所述虚拟阻抗及PWM单元将有功功率及频率控制回路的输出相角θ与和无功功率及电压控制回路的输出电压E输入到所述三相电压计算单元，所述三相电压计算单元的输出与虚拟阻抗单元的输出之差，得到三相电压参考信号vr，将三相电压参考信号输入到PWM生成器，得到PWM控制信号；
所述三相电压计算单元，计算公式为：
其中，加减符号的使用视三相电压相序的情况而定，
为三相电压；
所述虚拟阻抗单元，用以增强或重新设计所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器的输出阻抗；通过虚拟阻抗的设计，三相电压参考信号vr可表示为：
vra＝ea-Zr(s)·ia
vrb＝eb-Zr(s)·ib
vrc＝ec-Zr(s)·ic
其中，
为三相电压参考信号；其中，一种虚拟阻抗的设置方法如下所示：
其他虚拟阻抗的设置方法也可以适用于所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器；
所述PWM生成器，将三相电压参考信号vr归一化，并且将归一化后的三相电压参考信号与一个统一的三角波信号或者锯齿波信号相比较，则得到最终的PWM控制信号。
9.如权利要求6或7所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，
所述第一有界性PID控制算法和所述第二有界性PID控制算法采用相同的设计，包括：带积分反馈的PID控制单元和有界控制单元；
所述带积分反馈的PID控制单元包括：比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元；
将误差或者带增益的误差输入Ei，i＝p,q，分别输入到所述带积分反馈的PID控制单元的比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元；再分别将所述比例单元、微分单元、和带反馈的积分单元的输出相加后输入到所述有界控制单元；所述有界性控制单元又将时变控制参数k0i，i＝p,q，反馈给所述带积分反馈的PID控制单元的带反馈的积分单元；其中，带增益的误差输入Ep为
误差输入Eq为Eq＝eQ；
所述比例单元为KPiEi，其中，KPi为比例系数，Ei为误差或者带增益的误差输入，i＝p,q；
所述微分单元为
其中，KDi为微分系数，
为误差或者带增益的误差输入的微分，i＝p,q；
所述带反馈的积分单元为k0iKIi∫Eidt，其中，k0i为从第一或第二有界控制单元中反馈过来的时变控制参数，k0i∈(0,1]，KIi为积分系数，∫Eidt为对误差或者带增益的误差输入的积分，i＝p,q；
所述带积分反馈的PID控制单元表示为：
其中，umi是所述带积分反馈的PID控制单元的输出，为一个中间控制变量，能将其输入到有界控制单元中；
所述有界控制单元表示为：
其中，i＝p,q，ui为所述有界控制单元的输出，也是所述第一或第二有界性PID控制算法的最终输出，umaxi和umini为该输出的极大值与极小值，ki为一个固定控制参数，该有界控制单元并且将时变控制参数k0i∈(0,1]输入到所述带积分反馈的PID控制单元；其中，所述第一有界性PID控制算法的最终输出up为up＝ω，所述第二有界性PID控制算法的最终输出uq为uq＝E；该所述第一和第二有界性PID控制算法为所述基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器提供有界的电压输出和频率输出。
10.如权利要求6或7所述的基于有界性PID控制的虚拟同步发电机型逆变器，其特征在于，
在所述第一或第二有界性PID控制算法中，如果有界控制单元的输出已经趋近于极大值或者极小值，时变控制参数k0i将趋近于0；通过k0i对所述带积分反馈的PID控制单元的积分项进行反馈，使该积分项也趋近于0。
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| GR01 | Patent grant | ||
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