CN113517716A - 一种微电网逆变器的无缝切换控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变器控制技术领域，公开了一种微电网逆变器的无缝切换控制策略，该逆变器结构包括光伏阵列、DC‑DC升压电路、单相全桥拓扑结构、LC/LCL可变滤波器、负载、抗饱和虚拟惯性模块、电压加权控制模块、SPWM调制模块，在微电网逆变器进入并网运行时，对电流控制环加入电压加权控制；当系统发生故障使得微电网运行在孤岛模式时，引入抗饱和虚拟惯性模块来给控制器增加阻尼。本发明克服了逆变器运行在孤岛模式下不具备成网能力的缺点，还避免了逆变器在脱网过程中，误差大幅波动造成的网侧电压超调的现象；还缓解电流型独立运行阶段的暂态电流冲击，在不增加控制器复杂度的前提下实现控制模式无缝切换。

Description

一种微电网逆变器的无缝切换控制策略

技术领域

本发明涉及逆变器控制技术领域，具体涉及一种微电网逆变器的无缝切换控制策略。

背景技术

微电网是在分布式发电基础上形成的一种新型供电方式，可以连接主电网并网运行，也可以脱离主电网孤岛运行，两种方式是为了能使逆变器更安全可靠的为系统负荷供电。我国光伏微电网的主要特征为“小微电网、大市场”。当光伏阵列产生的电能充足时，系统并网运行，在该模式下系统既能够保证本地负载的正常工作，又可以将逆变器输出的多余电能输送至电网，可充分提高能源的利用率；当发生电网故障或者停电的情况下，系统切换至孤岛模式，独立地给本地负载供电。

在正常的工业生产中，为了保证对敏感、重要的负载提供持续、不间断的交流电，在很多情况下系统需要改变工作模式，在两种模式的切换过程中，逆变系统以及电网设备的相关环节可能出现较大的电压、电流冲击，这对电网、负载和逆变器都极为不利。这就要求控制系统必须准确、快速地实现两种控制方式的转换，保证切换时刻，本地负载电压突变尽可能要小，以减少其(特别是敏感性负载)损害，同时并网电流要控制得当，以免过电流对电网设备造成影响。因此，本发明提出一种抗饱和虚拟惯性的微电网逆变器电压加权控制策略，来完成微电网逆变器运行模式间的无缝切换。

发明内容

发明目的：针对现有技术中微电网切换过程容易失稳的问题，本发明提供一种微电网逆变器的无缝切换控制策略，在微电网逆变器进入并网运行时，对电流控制环加入电压加权控制以缓解切换过程中的瞬态电流冲击；当系统发生故障使得微电网运行在孤岛模式时，引入抗饱和虚拟惯性模块来给控制器增加阻尼，防止电流瞬间剧烈变化损坏器件。

技术方案：本发明提供了一种微电网逆变器的无缝切换控制策略，所述逆变器结构包括依次相连的光伏阵列PV、DC-DC升压电路、单相全桥拓扑、LC/LCL可变滤波器以及负载，还包括双模式无缝切换控制模块，所述双模式无缝切换控制模块电压加权控制模块、抗饱和虚拟惯性模块，在双模式无缝切换控制模块的控制下产生的SPWM开关函数驱动单相全桥拓扑的功率开关器件运作，使得直流电压V_dc对电感进行充放电，经滤波后在负载侧输出交流电；孤岛运行模式采用负载侧电容电压独立控制；并网运行模式采用进网电流并网控制，所述控制方法如下：

电压型独立控制阶段：所述微电网逆变器运行在孤岛模式，连接至本地负载，电压给定

按照需求给定，微电网逆变器工作在并网模式时，判断输出电压、相位、频率满足并网要求后，驱动双向晶闸管使得LC/LCL可变滤波器中的S1关断，S2导通进入并网运行；

由于控制模式优先切换完成，系统进入暂态电流型独立控制阶段，电流环控制受到电压加权控制模块的电压加权K·H_c(s)作用后输出控制力；

待暂态结束后，逆变器进入电流型并网控制阶段，逆变器输出电压u_c受到钳位后等于电网电压u_g，通过进网电流i_g计算用户所需功率，进一步给定电流频率f^*与峰值

经过误差计算与所述抗饱和虚拟惯性模块后合成电流进网电流参考值进行电流型并网控制。

进一步地，所述LC/LCL可变滤波器设计包含如下步骤：

微电网逆变器运行在孤岛模式下，连接至本地负载，使双向晶闸管向LC滤波器导通；所述LC滤波器电感L₁与电容C₃为固定参数用于满足孤岛模式下的工作要求；

微电网逆变器运行在并网模式下，连接至电网，使双向晶闸管向LCL滤波器导通；所述LCL滤波器中的电感L₂为自由参数与LC滤波器中的固定参数协同整定，以满足并网的工作要求；

进一步地，所述电压加权控制模块设计包含如下步骤：

S1：上位机判断电网电压幅值、相位、频率满足并网要求后，发出指令触发双向晶闸管进行运行型模式切换；同时，控制模式也进行切换。但由于延迟，控制模式切换会优先完成，因此进入暂态的电流型独立控制阶段；

S2：在电流环内加入电压加权误差调整关系得到：

其中，e为电流环误差，

为并网电流参考值，e_u为电压加权控制误差；当电流环存在误差时电压加权误差始终小于零，从而可使当电流环误差逐渐趋于零时可得

S3：设计电压加权控制后的暂态电流形独立控制的误差表达式为：

S4：加入后级PI控制可得电流形独立控制的电压加权控制律为：

其中，k_p为比例增益，k_i为积分增益，s为拉普拉斯算子，K为加权因子，|H_c(s)|为前级孤岛运行时电压型独立控制的比例-积分调节增益。

进一步地，所述抗饱和虚拟惯性模块设计包含如下步骤：

S1：电流型并网控制阶段通过锁相环(PLL)测量微电网电压u_c与进网电流i_g并进行功率计算完成与电网电压频率及幅值的同步，在电流环中加入虚拟惯性：

其中，M为惯性常数，Δω_k(k＝m,n)为切换工作模式过程中的虚拟角速度偏差值，D为阻尼系数，e_k(k＝m,n)为电流环有功功率误差与峰值误差；所述惯性常数M与阻尼系数D可模拟同步发电机转子惯性运动特征得到：

其中，T_m为逆变器低通滤波器的时间参量，|H_d(s)|为前级频率控制的比例-积分调节增益，当处于v_peak电压峰值调节时，增益可视为无增益即|H_d(s)|＝1；

S2：设计一种接近二阶等容惯性的自趋优微电网逆变器低通滤波器的时间常数T_m：

其中，ε为自趋优增益，t、t₁、t₂均为时间参数；

S3：设计具有抗饱和特性的虚拟惯性模块的关系式为：

其中，i_k为模块输出，u_q为前级比例积分控制输出，e_k为模块误差输入，K_p,K_i,K_c为调节增益。

有益效果：

1、本发明在负载侧采用LC/LCL可变滤波器，在不同工作模式运行时进行切换，以获取更好的滤波效果。一方面当微电网运行在孤岛模式下，双向晶闸管向LC滤波器导通，参数整定容易，滤波效果好。另一方面当微电网运行在并网模式下，由于负载侧接入电网，电网中会有较大的反馈电流，因此在电网侧再加一个电感使用LCL滤波器的效果更佳。所述的LC/LCL可变滤波器可共用电感L₁与电容C₃，参数设计按照孤岛运行优先的原则，而电感L₂为自由参数用于协同调整L₁、C₃使LCL滤波器满足并网工作要求。该可变滤波器在设计过程中节省了一个电感与电容，节约了成本。

2、本发明在微电网逆变器孤岛运行切换至并网运行的暂态过程中，加入了电压加权控制。在暂态控制开始时，并网电流参考值大于零，但由于晶闸管闭合延时使得并网电流反馈值仍然是零，从而导致了误差增大。而加权了切换前的电压控制环，控制器会在并网进行反馈前产生调节量抑制了误差的增大，避免了切换时刻的冲击电流的震荡响应。

3、本发明引入了自趋优惯性常数的虚拟惯性为控制器增加了阻尼。在发生短路故障时，回路电流突然增大，引起电流的阶跃响应易对电网电压造成波动。本发明中逆变器电能转换规律与同步转子发电机的惯性运动类似，因此提出了一种自趋优的惯性系数设计方法整定了滤波器时间常数T_m，使虚拟惯性呈现一种先快后缓的惯性供给模式。使得脱网阶段能缓和阶跃响应平滑过渡工作模式。

4、本发明在虚拟惯性模块上改进前向通道u_q使得该模块具备抗饱和能力。在前向通道上加入限幅器防止电路故障带来的电流过冲现象。进一步地，可以计算出流过限幅器的过冲量形成反作用于积分环节的控制力Δu，过冲量越大控制力越大、对积分环节的退饱和作用越强；反之，则退饱和作用越弱。该抗饱和模块防止了过饱和电流对用电器造成损害，增加了微电网的可靠性。

附图说明

图1为本发明设计的微电网逆变器拓扑结构；

图2为本发明双控制模式切换结构图；

图3为本发明抗饱和虚拟惯性等效结构图；

图4为本发明自趋优增益变化曲线；

图5为本发明并网暂态过程冲击电流抑制波形图；

图6为本发明脱网阶段网侧电压波动波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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发明的保护范围。

参照图1，为本发明公开的微电网逆变器拓扑结构，该结构包含光伏阵列PV、DC-DC升压电路、单相全桥拓扑、LC/LCL可变滤波器、负载。光伏阵列PV在太阳能的作用下产生直流电，经过MPPT技术控制DC-DC变换器完成逆变器直流侧的升压与稳压。还包括双模式无缝切换控制模块，双模式无缝切换控制模块电压加权控制模块、抗饱和虚拟惯性模块，在双模式无缝切换控制模块的控制下产生的SPWM开关函数驱动功率开关器件T1、T2、T3、T4运作，使得直流电压V_dc对电感进行充放电，经滤波后在负载侧输出交流电。

参照图2，为双控制模式切换结构图，本发明中孤岛运行模式采用负载侧电容电压独立控制；并网运行模式采用进网电流并网控制。双模式逆变器模式转换由硬件电路完成，而控制模式转换需要由软件程序完成。电压型独立控制阶段，微电网逆变器运行在孤岛模式，连接至本地负载，电压给定

按照需求给定。微电网逆变器工作在并网模式时，上位机程序判断输出电压、相位、频率满足并网要求后，发出指令驱动双向晶闸管使得S1关断，S2导通进入并网运行。由于控制模式优先切换完成，系统进入暂态电流型独立控制阶段，电流环控制受到电压加权K·H_c(s)作用后输出控制力，防止电流冲击。待暂态结束后，逆变器进入电流型并网控制阶段。此时，逆变器输出电压u_c受到钳位后等于电网电压u_g，通过进网电流i_g计算用户所需功率，进一步给定电流频率f^*与峰值

经过误差计算与抗饱和虚拟惯性模块后合成电流进网电流参考值进行电流型并网控制。在发生故障时双向晶闸管S1导通，S2关断，逆变器从并网运行阶段进入孤岛运行阶段。

参照图3，为本发明的抗饱和虚拟惯性结构图，当系统故障产生过饱和电流时，虚拟惯性模块会给微电网逆变器提供一定阻尼，防止电压受到阶跃响应影响而产生较大的波动。除此以外，比例环节后输出u_q在加入限幅作用后的得到的调节参数Δu反馈至积分环节，可迅速使得积分环节的误差累计停止，进入退饱和状态。

下面对本发明微电网逆变器的无缝切换控制策略，进行简单的描述，主要步骤如下：

步骤1：构建双模式微电网逆变器的可变滤波器；

参照图1本发明为了使微电网逆变器在不同模式下的网侧输出波形质量更高，在孤岛模式下为本地负载供电时，可变滤波器投切至LC滤波器。LC滤波器为电感与电容并联的二阶结构，滤波效果优于L型，其并联电容有稳压作用。在并网模式下为电网供电时，可变滤波器投切至LCL滤波器。LCL型滤波器为两个电感与电容并联的三阶结构，它可以更大地衰减开关频率谐波电流。由于并网需求，可按照并网标准设计LCL参数，当进行模式切换时负载侧电感L₁与电容C₃为固定参数需要满足孤岛运行需求，而L₂为自由参数按并网要求整定。

步骤2：设计电流型独立运行阶段电压加权控制模块；

参照图2所示，由于运行模式切换延迟而产生电流型独立运行暂态。为了防止切换过程的冲击电流在电流环加入电压加权。定义u_c为负载电压，

为电压型独立工作的逆变器输出电压给定值，u_g为电网电压，

在并网开始阶段即暂态的电流型独立控制，并网电流i_g由并网电流给定与并网电流反馈误差值的调节器输出决定。当逆变器向电网输出功率时，并网电流参考值必定为

假设暂态过程中并网电流反馈值i_g＝0，则存在误差关系式：

由于逆变器实际输出电流增大造成负载电压反馈值

因此可以得到电压加权控制器输出为：

当电流环误差加入电压加权后，由式(1)(2)得误差关系式为：

通过(2)式可知e_u在存在误差时始终小于零，进而由式(3)可知电流环误差e将逐渐减小，当e趋于零时可得：

由式(4)设计电压加权控制后的暂态电流形独立控制的误差表达式为：

进一步，通过后级PI控制可得电流形独立控制的控制律为：

其中，k_p为比例增益，k_i为积分增益，s为拉普拉斯算子，K为加权因子，|H_c(s)|为前级孤岛运行时电压型独立控制的比例-积分调节增益。该控制律中电压加权因子K决定是否在进入暂态模式时加入电压加权控制，使切换过程电压可控，且与|H_c(s)|共同决定了控制力大小，完成该过程中快速性与稳定性的折中达到最优控制效果。上述过程中当电压加权控制器输出趋于进网电流参考值时，系统恢复到正常输出，负载电压也变为孤岛运行时的电压值。当并网开关闭合后K置零，系统完全进入电流型并网控制，此时负载电压与电网电压差值较小，电流几乎没有冲击，从而实现并网无缝切换。

步骤3：构建抗饱和虚拟惯性模块；

离网阶段由于短路等故障，并网电流在离网瞬间会快速饱和而对电网电压造成扰动，因此本发明引入抗饱和虚拟惯性模块来给电流环控制增加阻尼，防止电流瞬间变化的阶跃响应损坏器件。

步骤3.1：设计电流环虚拟惯性；

参照图2电流型并网控制阶段，电流给定的频率f与电压峰值v_peak由电网施加。通过锁相环(PLL)测量微电网电压u_c与进网电流i_g并进行功率计算完成与电网电压频率及幅值的同步。为了在微电网中模拟转动惯量，在电流环中加入惯性方程：

其中，M为惯性常数，Δω_k(k＝m,n)为切换工作模式过程中的虚拟角速度偏差值，D为阻尼系数，e_k(k＝m,n)为电流环有功功率误差与峰值误差。

进一步，惯性常数M与阻尼系数D与同步发电机转子惯性运动特征类似可得：

其中，T_m为逆变器低通滤波器的时间参量，|H_d(s)|为前级频率控制的比例-积分调节增益，当处于v_peak电压峰值调节时，增益可视为无增益即|H_d(s)|＝1。

步骤3.2：惯性常数设计

在微电网中逆变器运行模式切换过程中，针对常规PI控制下系统在响应负荷功率进行快速变换时易造成暂态失稳的现象，设计适合的惯性常数有助于为控制器提供阻尼，实现电网切换过程的优化。

为了抑制并联系统在动态过程中的变化，可以通过改变微电网逆变器低通滤波器的时间常数T_m来调节M实现最优变化，达到惯量匹配的目的。因此，本发明提出了一种接近二阶等容惯性的自趋优低通滤波器参量：

其中，ε为自趋优增益，t、t₁、t₂均为时间参数。T_m通过确定恰当的自趋优增益ε调节变化幅度，t、t₁、t₂决定了参量进行快速变化的时间点以及能否平滑变化。改参量在t到t₁时刻软启动阶段，进入t₁时刻，参量逐渐增大满足系统跟踪快速性的要求，t₂时刻后参量变化率逐渐减小趋于定值满足稳定性要求。

步骤3.2设计抗饱和模块；

参照图3为本发明抗饱和虚拟惯性模块，内含有比例积分控制。内部积分器离散化表达式如下：

其中，K_i为积分增益，

表示离散时间Δt内误差从1到k的累加。由于脱网瞬间进网电流极易饱和引起误差剧烈变化，电压大幅波动。从式(10)可以看出随着时间的增加，积分器因为误差的大幅增加而有很大的累计量，而每次累积较大的误差很容易造成积分饱和并产生较大的过冲。而当误差变为负时，由于之前积分器累积的值已经很大，因此比例积分控制依然会保持较大的输出一段时间，从而会使过冲仍维持一段时间之后才恢复正常情况。这种现象一方面会使系统输出产生较大的超调，另一方面，如果产生正向饱和，则系统对于反向的变化会偏慢。

为了防止该模块出现积分饱和的现象，本发明在输出部分加入限幅器，把输入信号和输出信号的差值作为反馈值输入到积分部分，从而达到抑制积分饱和现象的目的。

进一步得到抗饱和虚拟惯性模块的关系式为：

其中，i_k为模块输出，u_q为前级比例积分控制输出，e_k为模块误差输入，K_p,K_i,K_c为调节增益。当u_q＝i_k时，不难发现限幅器未对积分器造成影响，模块按照常规比例积分控制输出；当u_q≠i_k时，假设系统发生正向或饱和，那么限幅器工作防止产生过冲，并且将饱和差值通过增益K_c调节反馈到积分部分(增益K_c越大积分器退出饱和的作用越强，反之越弱)，相当于从积分器的累计值中减去饱和差值Δu，这样就削弱了积分作用，让控制器调节退出饱和状态。

为了验证本发明的可行性进行了如下仿真：

参照图4，为本发明提出的虚拟惯性中低通滤波器参量，在取不同自趋优增益ε后所产生的响应曲线。通过设定t1的取值为0.002s为系统预留软启动时间，另外，当ε＝0.85时，可以看出虚拟惯性模块具有相对较快的跟踪速度，但在趋优过程中存在锚点，容易引起系统失衡；当ε＝0.45时：响应锚点虽然消除，但导致了快速性大幅下降。为了折中既保留一定快速性满足跟踪精度，又使得惯性模块能平滑过度趋于最优值，故取ε＝0.6。

参照图5，为本发明并网暂态过程冲击电流抑制波形图。从波形可以看出系统在0至0.04秒运行在孤岛模式为本地负载供电，在0.04秒后系统进入并网运行。在此过程中，上位机在0.04秒处下达指令进行工作模式与控制模式的切换，传统比例积分控制明显存在将近40A较大的电流冲击，持续一段时间后才能恢复正常跟踪。而本发明所述的加入电压加权控制的暂态过程几乎消除了电流冲击，更可靠的保证了切换时刻的系统稳定与安全用电。

参照图6，为本发明为本发明电路故障时逆变器脱网网侧电压波动波形图。为了验证抗饱和虚拟惯性模块的作用，本发明在0.027秒处模拟微电网故障进行脱网。传统PI控制输出在短路瞬间由于过饱和的电流影响，对网侧电压造成了超出约1倍的电压干扰，极易烧坏用电器，造成经济损失。而加入本发明所述的抗饱和虚拟惯性模块为控制系统提供了阻尼，有效的防止电流极巨变化导致的电压超调现象产生，如0.03秒至0.05秒处所示，虽然还是存在小幅稳态误差，但在可接受范围内。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微电网逆变器的无缝切换控制策略，其特征在于，所述逆变器结构包括依次相连的光伏阵列PV、DC-DC升压电路、单相全桥拓扑、LC/LCL可变滤波器以及负载，还包括双模式无缝切换控制模块，所述双模式无缝切换控制模块电压加权控制模块、抗饱和虚拟惯性模块，在双模式无缝切换控制模块的控制下产生的SPWM开关函数驱动单相全桥拓扑的功率开关器件运作，使得直流电压V_dc对电感进行充放电，经滤波后在负载侧输出交流电；孤岛运行模式采用负载侧电容电压独立控制；并网运行模式采用进网电流并网控制，所述控制方法如下：

电压型独立控制阶段：所述微电网逆变器运行在孤岛模式，连接至本地负载，电压给定

按照需求给定，微电网逆变器工作在并网模式时，判断输出电压、相位、频率满足并网要求后，驱动双向晶闸管使得LC/LCL可变滤波器中的S1关断，S2导通进入并网运行；

由于控制模式优先切换完成，系统进入暂态电流型独立控制阶段，电流环控制受到电压加权控制模块的电压加权K·H_c(s)作用后输出控制力；

待暂态结束后，逆变器进入电流型并网控制阶段，逆变器输出电压u_c受到钳位后等于电网电压u_g，通过进网电流i_g计算用户所需功率，进一步给定电流频率f^*与峰值

经过误差计算与所述抗饱和虚拟惯性模块后合成电流进网电流参考值进行电流型并网控制。

2.根据权利要求1所述的微电网逆变器的无缝切换控制策略，其特征在于，所述LC/LCL可变滤波器设计包含如下步骤：

微电网逆变器运行在孤岛模式下，连接至本地负载，使双向晶闸管向LC滤波器导通；所述LC滤波器电感L₁与电容C₃为固定参数用于满足孤岛模式下的工作要求；

微电网逆变器运行在并网模式下，连接至电网，使双向晶闸管向LCL滤波器导通；所述LCL滤波器中的电感L₂为自由参数与LC滤波器中的固定参数协同整定，以满足并网的工作要求。

3.根据权利要求1所述的微电网逆变器的无缝切换控制策略，其特征在于，所述电压加权控制模块设计包含如下步骤：

S1：上位机判断电网电压幅值、相位、频率满足并网要求后，发出指令触发双向晶闸管进行运行型模式切换；同时，控制模式也进行切换。但由于延迟，控制模式切换会优先完成，因此进入暂态的电流型独立控制阶段；

S2：在电流环内加入电压加权误差调整关系得到：

其中，e为电流环误差，

为并网电流参考值，e_u为电压加权控制误差；当电流环存在误差时电压加权误差始终小于零，从而可使当电流环误差逐渐趋于零时可得

S3：设计电压加权控制后的暂态电流形独立控制的误差表达式为：

S4：加入后级PI控制可得电流形独立控制的电压加权控制律为：

其中，k_p为比例增益，k_i为积分增益，s为拉普拉斯算子，K为加权因子，|H_c(s)|为前级孤岛运行时电压型独立控制的比例-积分调节增益。

4.根据权利要求1所述的微电网逆变器的无缝切换控制策略，其特征在于，所述抗饱和虚拟惯性模块设计包含如下步骤：

S1：电流型并网控制阶段通过锁相环(PLL)测量微电网电压u_c与进网电流i_g并进行功率计算完成与电网电压频率及幅值的同步，在电流环中加入虚拟惯性：

其中，M为惯性常数，Δω_k(k＝m,n)为切换工作模式过程中的虚拟角速度偏差值，D为阻尼系数，e_k(k＝m,n)为电流环有功功率误差与峰值误差；所述惯性常数M与阻尼系数D可模拟同步发电机转子惯性运动特征得到：

其中，T_m为逆变器低通滤波器的时间参量，|H_d(s)|为前级频率控制的比例-积分调节增益，当处于v_peak电压峰值调节时，增益可视为无增益即|H_d(s)|＝1；

S2：设计一种接近二阶等容惯性的自趋优微电网逆变器低通滤波器的时间常数T_m：

其中，ε为自趋优增益，t、t₁、t₂均为时间参数；

S3：设计具有抗饱和特性的虚拟惯性模块的关系式为：

其中，i_k为模块输出，u_q为前级比例积分控制输出，e_k为模块误差输入，K_p,K_i,K_c为调节增益。

Images