CN112187073B - 一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器 - Google Patents

一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器，所述逆变器控制器包括dq变换模块、输出有功无功和端电压有效值计算模块、调制波信号幅值计算模块、模拟转子运动方程模块、dq反变换和PWM调制模块以及附加阻尼控制模块，所述逆变器控制器模拟了同步发电机转子运动方程，并通过基于振荡能量函数的附加阻尼控制模块，调整逆变器控制器中调制波的幅值和相位，进而调节逆变器输出的有功功率和无功功率，从而提高系统阻尼，以获得较好的电力系统低频振荡抑制效果。

Description

一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器
技术领域
本发明涉及电力电子逆变器技术领域，具体涉及一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器。
背景技术
随着风、光、太阳能等间隙性清洁能源在电力系统中所占比重的增加，智能电网，特别是微电网相继成为电力领域的研究热点。由于风能、太阳能等一次可再生资源的随机性、间歇性，自身很难控制其有功出力的缺点。因此常规的逆变器控制策略在微电网多逆变器并网运行的情况下无法为微电网系统提供电压、频率支撑，也很难合理的分配各逆变器之间的输出功率，成为制约微电网发展的问题。具有传统电力系统中同步发电机特性的虚拟同步发电机技术应运而生。和下垂控制相比，虚拟同步发电机控制算法不仅具有稳态的功率下垂持性，而且还可模拟同步发电机的转子惯性，动态弥补功率的差额，减少频率波动的程度。虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator,VSG)已成为目前研究的热点。然而，虚拟同步发电机在改善系统频率稳定性的同时，却有可能恶化了系统的功角稳定性。
为了改善功角稳定性，学术界对逆变器模拟同步发电机高阶模型进行了相关研究，并提出一些改进型的虚拟同步发电机控制策略。部分文献提出一种基于乒乓控制的转动惯量可调的VSG控制策略，实现转动惯量对频率的实时跟踪，但未给转动惯量上下限的取值原则。有学者根据同步发电机功角特性提出一种转动惯量自适应控制策略，根据虚拟转子的角加速度变化率在线调整转动惯量，但其系数选取缺乏理论依据。还有文献提出在负载扰动时采用较大的转动惯量使频率变化缓慢，扰动消除时采用较小的转动惯量以加快频率恢复，但未列出两种工作模式下转动惯量的具体表达式。此外，还有部分文献从SG二阶模型出发，先建立虚拟角频率变化率和转动惯量、阻尼系数之间的理论关系式，然后据此设计VSG控制器参数自适应调整控制策略。这种方法在单机无穷大模式下理论依据的充分发。但微电网并不能等效为无穷大电网，同时该思路忽略VSG与网侧其他设备之间的相互作用和微电网内复杂的动态特性，要做到推广应用，理论基础不足，仍有大量的研究工作需要开展。本发明从能量角度出发，通过增大系统相关能量函数的下降率以提高阻尼，从而达到改善系统功角稳定的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器，利用逆变器输出功率的可调节性，从能量函数角度来调节逆变器的调制波的幅值和相位，提高系统的功角稳定性，以适应高比例可再生能源并网电力电子化系统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：
一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器，包括dq变换模块、输出有功无功和端电压有效值计算模块、调制波信号幅值计算模块、模拟转子运动方程模块、附加阻尼控制模块、dq反变换和PWM(Pulse Width Modulation)调制模块，所述逆变器控制器模拟了同步发电机转子运动方程，以获得较好的电力系统低频振荡抑制效果。
进一步地，dq变换模块用于将逆变器LC滤波器上电容的三相电压ea、eb、ec和电感上流过的三相电流ia、ib、ic，分解到逆变器的同步旋转坐标系下得到其dq轴分量ud、uq和id、iq。
进一步地，输出有功无功和端电压有效值计算模块的计算公式如式(1)所示：
Figure BDA0002681993410000021
式中，P为有功功率，Q为无功功率，Et为输出电压幅值。
进一步地，调制波信号幅值计算模块用于计算调制波幅值的基础分量，所用公式为：
Eq＝∫Ke[(E*-Et)-n(Q-Q*)]dt (2)
式中，E*为逆变器端电压的设定值；Q*为逆变器无功功率的设定值；Ke为放大增益；n为无功电压环节的下垂系数；Eq为逆变器调制波幅值的基础分量的q轴分量，调制波幅值的基础分量的0轴和d轴分量均为0。
进一步地，模拟转子运动方程模块用于计算逆变器虚拟的角频率ω和调制波相位角的基础分量δ，计算公式如式(3)(4)所示：
Figure BDA0002681993410000022
δ＝ωn∫ωdt (4)
式中，J为逆变器虚拟转动惯量；m为有功下垂系数；P*为逆变器输出有功功率的设定值；Kd为逆变器虚拟阻尼系数；ωn为角频率基准值。
进一步地，附加阻尼控制模块通过逆变器输出的端电压的幅值Et和相位θ调整逆变器的调制波幅值Eq和调制波相位δ，其中Et和θ可以分别通过幅值测量环节和锁相环来进行测量；系统遭遇扰动后，逆变器端口流入逆变器的耗散能量流Win即由系统偏差量构成的能量函数，其表达式为
Figure BDA0002681993410000023
式中，Et,s和θs为逆变器输出端电压幅值和相位的稳态值，Et和θ为逆变器当前输出端电压幅值和相位值；ΔP和ΔQ分别为逆变器输出的有功功率偏差量和无功功率偏差量。
耗散能量函数的下降率为
Figure BDA0002681993410000031
利用输电线路功率传输方程的计算公式可以求取逆变器输出有功功率P与无功功率Q，具体公式如下：
Figure BDA0002681993410000032
式中，Rf和Xf为逆变器滤波器的电阻和电抗，其中Xf＝ωnLf,Lf为滤波器的电感值；
根据式(7)得到P和Q的小信号ΔP和ΔQ为
Figure BDA0002681993410000033
式中，Et0和Eq0为逆变器输出端电压幅值和调制波幅值的稳态值；
附加阻尼控制策略为
Figure BDA0002681993410000034
结合式(8)-(9)可得
Figure BDA0002681993410000035
式中，Δδ和ΔEq分别为逆变器调制波相位的附加阻尼分量和调制波幅值的附加阻尼分量；Kδ为调制波相位附加阻尼控制参数，KE1和KE2为调制波电压幅值附加阻尼控制相关的参数；Kpθ为频率控制相关的参数，Kqv为电压相关的控制参数。
因此，附加阻尼控制后能量函数的下降率为
Figure BDA0002681993410000036
从上式看出，引入附加阻尼控制后，耗散能量函数的下降率变大，且控制参数Kpθ和Kqv越大，耗散能量函数的下降率越大；
进一步地，附加阻尼控制后的调制波的幅值Eq,s和相位δs为
Figure BDA0002681993410000041
进一步地，dq反变换和PWM调制模块用于将调制波信号幅值计算模块、模拟转子运动方程模块和附加阻尼控制模块的计算结果经dq反变换后得到调制波信号ua、ub、uc，再根据PWM算法生成PWM控制信号驱动三相逆变桥，实现逆变功能。
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为本发明的逆变器控制器的主电路拓扑及其控制框图；
图2为本发明的逆变器控制器的控制框图。
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，下面结合实施例和附图，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：
图1为本发明的逆变器控制器的主电路拓扑及其控制框图，包括功率电路、电流和电压测量单元、控制器、驱动电路等模块。下面结合图1，具体介绍各部分结构和功能：
1)功率电路部分：这部分电路包括逆变直流侧、三相全桥逆变电路、LC滤波器和合闸开关KM等，主要用于电能的传输。图1中，Rf和Lf为逆变器LC滤波器中电感L部分的等效电感及电阻，通常这个电阻相比于电感很小，以至于可以忽略。Cf为逆变器LC滤波器中电容C。r和L为逆变器到所连电网的输电线路的等效电阻和电感。Udc为直流侧电源电压，如蓄电池等。三相全桥逆变电路包含6个全控电力电子器件，在驱动电路输出的电压信号的控制下导通或者关断，从而实现逆变的功能。
2)电流和电压测量单元部分：这部分主要是电压和电流传感器实现逆变器端口电压和输出电流的测量。其中，LC滤波器中电容C上测量得到的三相电压表示为ea、eb、ec，电感L上测量得到的流过电流为ia、ib、ic。
3)控制器部分：这部分主要是实现控制功能，具体而言，是将测量的三相电压ea、eb、ec和电流信号ia、ib、ic送入该控制模块，依据控制策略产生并输出控制信号，用于驱动电路控制电力电子器件的通断。在本发明中，控制器具体的控制策略可见图2。
4)驱动电路部分：这部分主要是依据PWM信号控制电力电子器件的通断。
如图2所示，本发明一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器，包括dq变换模块、输出有功无功和端电压有效值计算模块、调制波信号幅值计算模块、模拟转子运动方程模块、附加阻尼控制模块、dq反变换和PWM调制模块：
dq变换模块：用于将逆变器LC滤波器上电容的三相电压ea、eb、ec和电感上流过的三相电流ia、ib、ic，分解到逆变器的同步旋转坐标系下得到其dq轴分量ud、uq和id、iq。
输出有功无功和端电压有效值计算模块：计算公式如式(1)所示：
Figure BDA0002681993410000051
式中，P为有功功率，Q为无功功率，Et为输出电压幅值。
调制波信号幅值计算模块：调制波信号幅值计算模块用于计算调制波幅值的基础分量，所用公式为：
Eq＝∫Ke[(E*-Et)-n(Q-Q*)]dt (14)
式中，E*为逆变器端电压的设定值；Q*为逆变器无功功率的设定值；Ke为放大增益；n为无功电压环节的下垂系数；Eq为逆变器调制波幅值的基础分量的q轴分量，调制波幅值的基础分量的0轴和d轴分量均为0。
模拟转子运动方程模块：根据式(3)(4)得到逆变器虚拟的角频率ω和调制波相位角的基础分量δ，计算公式如式(3)(4)所示：
Figure BDA0002681993410000052
δ＝ωn∫ωdt (16)
式中，J为逆变器虚拟转动惯量；m为有功下垂系数；P*为逆变器输出有功功率的设定值；Kd为逆变器虚拟阻尼系数；ωn为角频率基准值；
附加阻尼控制模块：通过逆变器输出的端电压的幅值Et和相位θ调整逆变器的调制波幅值Eq和调制波相位δ，其中Et和θ可以分别通过幅值测量环节和锁相环来进行测量；系统遭遇扰动后，逆变器端口流入逆变器的耗散能量流Win即由系统偏差量构成的能量函数，其表达式为
Figure BDA0002681993410000061
式中，Et,s和θs为逆变器输出端电压幅值和相位的稳态值，Et和θ为逆变器当前输出端电压幅值和相位值；ΔP和ΔQ分别为逆变器输出的有功功率偏差量和无功功率偏差量。
耗散能量函数的下降率为
Figure BDA0002681993410000062
利用输电线路功率传输方程的计算公式可以求取逆变器输出有功功率P与无功功率Q，具体公式如下：
Figure BDA0002681993410000063
式中，Rf和Xf为逆变器滤波器的电阻和电抗，其中Xf＝ωnLf,Lf为滤波器的电感值；
根据式(7)得到P和Q的小信号ΔP和ΔQ为
Figure BDA0002681993410000064
式中，Et0和Eq0为逆变器输出端电压幅值和调制波幅值的稳态值；
附加阻尼控制策略为
Figure BDA0002681993410000065
结合式(8)-(9)可得
Figure BDA0002681993410000066
式中，Δδ和ΔEq分别为逆变器调制波相位的附加阻尼分量和调制波幅值的附加阻尼分量；Kδ为调制波相位附加阻尼控制参数，KE1和KE2为调制波电压幅值附加阻尼控制相关的参数；Kpθ为频率控制相关的参数，Kqv为电压相关的控制参数。
因此，附加阻尼控制后能量函数的下降率为
Figure BDA0002681993410000071
从上式看出，引入附加阻尼控制后，耗散能量函数的下降率变大，且控制参数Kpθ和Kqv越大，耗散能量函数的下降率越大；
附加阻尼控制后的调制波的幅值Eq,s和相位δs为
Figure BDA0002681993410000072
dq反变换和PWM调制模块：用于将公式(12)计算的Eq,s置于q轴，并补充d轴和0轴上的信号为0，利用公式(3)和(12)的ω和δs经dq反变换后得到调制波信号ua、ub、uc，再根据PWM算法生成PWM控制信号驱动三相逆变桥，实现逆变功能。
下面作为实施例，给出了一种参与电力系统低频振荡抑制的逆变器控制器的具体参数。三相逆变器的额定电压为380V，额定频率50Hz，额定功率为100kW。对应的，逆变器直流端额定电压Udc＝750V。三相全桥逆变电路电力电子器件为IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)，型号为英飞凌F150R12RT4。PWM载波频率为5kHz。LC滤波器的电阻Rf为0.01Ω；电感Lf为2.8mH，电容为40μF，选取型号C67S1136-002700。直流母线上的储能电容选取日立的电容，容值2200μF，耐压450V，每两个串联，共6个，总容值3300μF。电流传感器选型为HAS150-S(LEM)。
逆变器控制器内的参数设置为E*＝1.00，P*＝0.85，Q*＝0.00，这些参数均为标幺值。角频率基准值ωn＝314.15927rad/s。虚拟同步发电机相关控制参数选取为m＝n＝0.1，Ke＝100，J＝0.5，Kd＝1.00。附加阻尼控制模块的相关参数Kpθ＝2，Kqv＝4，Kδ＝－1.9663，KE1＝-3.4166，KE2＝1.4408。逆变器的调制波幅值和端口电压幅值的初始值Eq0＝0.5759，Et0＝1.0298。
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 (1)

1.一种具有附加阻尼控制的逆变器控制器，其特征在于，包括虚拟同步发电机控制模块和附加阻尼控制模块，所述逆变器控制器模拟了同步发电机转子运动方程，通过调整逆变器控制器的调制波的幅值和相位，进而调节逆变器输出的实际的有功功率和无功功率来提高系统阻尼，以获得较好的电力系统低频振荡抑制效果；
首先是虚拟同步发电机控制模块，其中包括dq变换模块、输出有功无功和端电压有效值计算模块、调制波信号幅值计算模块、模拟转子运动方程模块、dq反变换和PWM调制模块：
——dq变换模块用于将逆变器LC滤波器上电容的三相电压ea、eb、ec和电感上流过的三相电流ia、ib、ic，分解到逆变器的同步旋转坐标系下得到其dq轴分量ud、uq和id、iq；
——输出有功无功和端电压有效值计算模块的计算公式如式(1)所示：
Figure FDA0003277575420000011
式中，P为有功功率，Q为无功功率，Et为输出电压幅值；
——调制波信号幅值计算模块用于计算调制波幅值Eq，所用公式为：
Eq＝∫Ke(E*-Et)-n(Q-Q*)]dt (2)
式中，E*为逆变器端电压的设定值；Q*为逆变器无功功率的设定值；Ke为放大增益；n为无功电压环节的下垂系数；Eq为逆变器调制波信号中的q轴分量，调制波信号的0轴和d轴分量均为0；
——模拟转子运动方程模块用于计算逆变器虚拟的角频率ω和调制波的相位角δ，计算公式如式(3)(4)所示：
Figure FDA0003277575420000012
δ＝ωn∫ωdt (4)
式中，J为逆变器虚拟转动惯量；m为有功下垂系数；P*为逆变器输出有功功率的设定值；Kd为逆变器虚拟阻尼系数；δ为逆变器调制波相位；ωn为角频率基准值；
——dq反变换和PWM调制模块用于将调制波信号幅值计算模块、模拟转子运动方程模块的计算结果经dq反变换后得到调制波信号ua、ub、uc，再根据PWM算法生成PWM控制信号驱动三相逆变桥，实现逆变功能；
其次是附加阻尼控制模块，其遵循能量最低原理，利用逆变器输出的端电压的幅值Et和相位θ调整逆变器的调制波幅值和相位，附加阻尼控制策略表达式为
Figure FDA0003277575420000021
式中，Δδ和ΔEq分别为逆变器调制波相位的附加阻尼分量和调制波幅值的附加阻尼分量；Kδ为调制波相位附加阻尼控制参数，KE1和KE2为调制波幅值附加阻尼控制相关的参数；Kpθ为频率控制相关的参数，Kqv为电压相关的控制参数；Xf为逆变器的滤波电抗，Et0和Eq0为逆变器输出端电压幅值和调制波幅值的稳态值；
其中附加阻尼控制的逆变器调制波的幅值和相位，都是由基础分量和附加阻尼分量两部分构成，其表示式如下
Figure FDA0003277575420000022
式中，Eq,s和δs分别为附加阻尼控制的逆变器调制波的幅值和相位。
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