CN113765149A - 一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，包括如下步骤：在主电网与微电网之间设置一虚拟电阻，计算流经所述虚拟电阻的虚拟电流；计算控制虚拟电流为零所需的调制电压；对调制电压进行正弦脉冲宽度调制，得到驱动脉冲信号；将驱动脉冲信号输入至全桥变流器。

Description

一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，属于微电网控制领域。

背景技术

微电网是一个小型的电力系统，可以将不稳定的分布式电源转变成高质量的电能，是利用新能源的有效途径。微电网自成一体，既可以并网运行，又可以离网模式运行。在并网模式下，微电网向主电网输出或者吸收功率；在离网模式下，微电网单独为本地负载供电。微电网逆变器要保证在离网模式或并网模式下稳定运行的同时，还要实现两种模式之间的平滑切换。在离网向并网切换时，由于微电网电压与主电网电压在相位和幅值方面存在偏离，直接合闸会产生瞬时过电压或过电流，危害主电网的稳定运行。所以，在微电网接入主电网之前要调控微电网电压与主电网同步。此外，由于主电网传输线路、单相负载及主电网不对称故障等原因，主电网经常存在三相电压不平衡的情况。所以还需对不平衡主电网进行相位跟踪。

传统的相位预同步方法通常运用锁相环(phase locked loop，PLL)获取微电网电压和主电网电压的相位，接着将两者的相位差输入PI调节器进行调节来实现同步。此方法控制结构复杂，运算量大，而且需要调节众多参数。此外，锁相环在电压平衡的情况下具有良好的性能，然而在电压不平衡时其性能显著下降，影响系统的稳定运行。

公开号为CN103715704A的专利《一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法》公开了：对微电网系统PCC节点处母线负序电压进行直接补偿，微电网中的各个分布式电源能够自动响应微电网PCC节点处母线电压不平衡度的变化，自适应调整负序电压补偿控制器(UVC)，使得各个分布式电源按照其额定负序无功容量输出负序无功，维持PCC节点处母线的电压平衡度。本发明可以使得微电网中并联的分布式电源具有抑制微电网电压不平衡的功能。

公开号为CN111313474A的专利《一种改进的微电网并网预同步控制方法》公开了：获取逆变器运行参数，计算平均有功功率和无功功率，采用下垂控制方法调节参考电压幅值及参考角频率，通过电压合成得到参考电压，利用电压电流双环控制输出PWM调制信号，同时采用预同步控制策略得到逆变器误差补偿角频率并对下垂控制中的参考角频率进行补偿。本发明针对低压直流微电网，在三相电压源型逆变器拓扑结构下，采用预同步控制策略既能实现微电网并/离网的安全切换，降低并/离网瞬间的电压电流冲击与功率波动，同时能够有效抑制谐波带来的干扰且在一定程度上能够抑制谐波。但此方案只能实现对不平衡电压的相位追踪，不能实现对不平衡电压的幅值追踪。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，通过计算控制虚拟电流为零所需的调制电压；并将该调制电压转化为驱动脉冲信号输入至全桥变流器，实现对微电网逆变器的预同步控制，控制结构简单，参数整定容易，运算量小，避免锁相环延迟和精度不足的问题，可以快速实现相位跟踪。

本发明的技术方案如下：

技术方案一：

一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，包括如下步骤：在主电网与微电网之间设置一虚拟电阻，计算流经所述虚拟电阻的虚拟电流；计算控制虚拟电流为零所需的调制电压；对调制电压进行正弦脉冲宽度调制，得到驱动脉冲信号；将驱动脉冲信号输入至全桥变流器。

进一步的，所述计算流经所述虚拟电阻的虚拟电流，以公式表达为：

式中，i_vabc表示虚拟电流；u_gabc表示主电网电压；u_oabc表示微电网电压；R_v表示虚拟电阻的电阻值。

进一步的，所述计算控制虚拟电流为零所需的调制电压，具体为：

提取虚拟电流的正序分量和负序分量；计算虚拟电流正序分量为零所需的正序调制电压；计算虚拟电流负序分量为零所需的负序调制电压；叠加正序调制电压和负序调制电压，得到调制电压。

进一步的，所述计算虚拟电流正序分量为零所需的正序调制电压，具体为：

计算虚拟电流正序分量为零时的电压幅值调节量和角频率调节量；根据逆变器输出有功功率和输出无功功率，通过下垂控制方法得到第一参考电压幅值和第一参考角频率；叠加第一参考电压幅值和电压幅值调节量，得到第二参考电压幅值；叠加第一参考角频率和角频率调节量，得到第二参考角频率；对第二参考角频率和第二参考电压进行电压合成，得到参考电压；对参考电压进行电压电流双环控制，得到正序调制电压；

进一步的，所述计算虚拟电流正序分量为零时的电压幅值调节量，具体为：

对虚拟电流进行正负序分离和Park变换，得到虚拟电流正序d轴分量；对虚拟电流正序d轴分量进行积分，得到电压幅值调节量。

进一步的，所述计算虚拟电流正序分量为零时的角频率调节量，具体为：

对虚拟电流进行正负序分离和Park变换，得到虚拟电流正序q轴分量；利用比例系数K_q，对虚拟电流正序q轴分量进行放大，得到角频率调节量。

进一步的，所述计算虚拟电流负序分量为零所需的负序调制电压，具体为：

对虚拟电流进行正负序分离和Park变换，得到虚拟电流负序d轴分量和虚拟电流负序q轴分量；

分别设置虚拟电流负序d轴分量和虚拟电流负序q轴分量的参考值为零；计算虚拟电流负序d轴分量与其参考值的第一差值，计算虚拟电流负序q轴分量与其参考值的第二差值；分别对第一差值和第二差值进行比例积分控制，得到负序调制电压d轴分量和负序调制电压q轴分量；对负序调制电压d轴分量和负序调制电压q轴分量进行Park变换，得到负序调制电压。

本发明具有如下有益效果：

1、通过计算控制虚拟电流为零所需的调制电压；并将该调制电压转化为驱动脉冲信号输入至全桥变流器，实现对微电网逆变器的预同步控制，控制结构简单，参数整定容易，运算量小，避免锁相环延迟和精度不足的问题，可以快速实现相位跟踪。

2、分离虚拟电流的正负序分量，利用正序分量计算相应的正序调制电压，利用负序分量计算相应的负序调制电压，叠加负序调制电压和正序调制电压得到调制电压，实现主电网电压不平衡条件下的相位预同步和电压幅值跟踪。其中，正序调制电压用于实现主电网电压不平衡条件下的相位预同步，负序调制电压用于实现主电网电压不平衡条件下的电压幅值跟踪。

附图说明

图1为主电网电压不平衡下逆变器预同步控制关系示意图；

图2为微电网逆变器与主电网连接关系示意图；

图3为主电网电压不平衡下逆变器预同步控制结构示意图；

图4为本发明一实施例逆变器输出电压和主电网电压对比波形；

图5为本发明一实施例逆变器输出三相电压波形；

图6为本发明一实施例逆变器输出三相电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例一

一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，包括以下步骤：

在主电网与微电网之间设置一虚拟电阻，计算流经所述虚拟电阻的虚拟电流；计算控制虚拟电流为零所需的调制电压；对调制电压进行正弦脉冲宽度调制，得到驱动脉冲信号；将驱动脉冲信号输入至全桥变流器。

本实施例的有益效果在于，通过计算控制虚拟电流为零所需的调制电压；并将该调制电压转化为驱动脉冲信号输入至全桥变流器，实现对微电网逆变器的预同步控制，控制结构简单，参数整定容易，运算量小，避免锁相环延迟和精度不足的问题，可以快速实现相位的跟踪。

实施例二

参见图1至图3，图2包括直流电源U_dc、三相全桥变流器、滤波器L、滤波器C、本地负载Z、静态切换开关(static transfer switch，STS)、主电网侧电感L_g、主电网侧电阻R_g以及主电网等。其中，u_oabc为逆变器输出电压，也指微电网的交流母线电压；公共连接点(pointof common coupling，PCC)的电压为u_gabc。当STS闭合时，微电网与主电网连接，逆变器工作在并网模式；STS断开时，逆变器工作在离网模式。

一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，包括如下步骤：

S1、如图1所示，计算虚拟电流i_V：

通过电压互感器检测主电网的三相电压u_gabc和微电网三相电压u_oabc。微电网和主电网的电压在相位和幅值方面存在差异，两者的电压偏差u_err以公式表达为：

u_err＝u_gabc-u_oabc

为实现微电网与主电网之间的电压同步，在微电网交流母线和主电网PCC点之间引入一个虚拟电阻R_v。则流经虚拟电阻的虚拟电流i_V为：

由上式可知，当微电网电压和主电网电压的幅值和相位相等时，虚拟电流将变为零。因此，本发明通过设计以下控制策略调节虚拟电流为零，以实现微电网与主电网电压的同步。

S2、如图1所示，对虚拟电流进行正负序分离和PARK变换，得到正序旋转坐标系下的虚拟电流和负序旋转坐标系下的虚拟电流：

三相静止坐标系下虚拟电流的正负序分量以公式表达为：

正序Park变换的矩阵为：

负序Park变换的矩阵为：

利用上述两个矩阵将三相静止坐标系下的正序分量转化到两相旋转坐标系下，得到正序旋转坐标系下的虚拟电流为：

负序旋转坐标系下的虚拟电流为：

式中，

分别为虚拟电流正序分量幅值、虚拟电流负序分量幅值；θ⁺、θ^-分别为虚拟电流正序分量相角、虚拟电流负序分量相角；

分别为虚拟电流正序d轴分量、虚拟电流正序q轴分量；

为虚拟电流负序d轴分量、虚拟电流负序q轴分量。

S3、计算正序调制电压：

由于虚拟电阻为纯阻性，虚拟电流正序分量的相位与电压偏差U_err的相位一致，虚拟电流正序q轴分量

可以反映微电网电压与主电网电压之间的相位关系。

S31、调节虚拟电流正序q轴分量

为零，以实现微电网电压和主电网电压的相位同步，具体为：

如图3所示，利用相位同步模块将虚拟电流正序q轴分量

经比例系数K_q放大得到角频率调节量ω_c；将ω_c与下垂控制得到的第一参考角频率相加生成参考角频率ω_ref。角频率调节量ω_c和参考角频率ω_ref以公式表达为：

ω_ref＝n(P_ref-P)+ω_o+ω_c

式中：P为逆变器输出有功功率；P_ref为逆变器参考有功功率；n为下垂系数；ω₀为微电网额定角频率。

对参考角频率ω_ref进行积分得到参考电压相角

与此相角一致，

为此相角的相反数。(图1至图3中，

表示

表示

的相反数)

S32、调节虚拟电流正序q轴分量

为零，以实现微电网电压和主电网电压的幅值同步，具体为：

如图3所示，对虚拟电流正序d轴分量

进行积分得到电压幅值调节量U_c；将U_c与下垂控制得到的电压幅值相加，得到参考电压幅值U_ref。电压幅值调节量U_c和参考电压幅值U_ref以公式表达为：

U_ref＝m(Q_ref-Q)+U_o+U_c

式中：Q为逆变器输出无功功率；Q_ref为逆变器参考无功功率；m为下垂系数；U₀为微电网的额定电压幅值；

为积分环节；K_d为电压幅值积分系数。

S33、根据参考电压相角

和参考电压幅值U_ref，得到参考电压信号

将参考电压信号

输入至电压电流双环控制模块，得到正序调制电压。

S4、计算负序调制电压：

在如图3所示的负序控制模块中，分别设置虚拟电流负序d轴分量和虚拟电流负序q轴分量的参考值为零；计算虚拟电流负序d轴分量与其参考值的第一差值，计算虚拟电流负序q轴分量与其参考值的第二差值；分别对第一差值和第二差值进行比例积分控制，得到负序调制电压d轴分量和负序调制电压q轴分量，以公式表达为：

式中，K_p、K_i分别是比例系数和积分系数。

对负序调制电压d轴分量和负序调制电压q轴分量进行Park变换，得到负序调制电压。

S5、叠加正序调制电压和负序调制电压，得到调制电压；将调制电压输入至SPWM模块得到用于驱动脉冲信号。将驱动脉冲信号输入至全桥变流器中实现微电网与主电网的预同步控制。

本实施例的进步之处在于，分离虚拟电流的正负序分量，利用正序分量计算相应的正序调制电压，利用负序分量计算相应的负序调制电压，叠加负序调制电压和正序调制电压得到调制电压，通过调制电压得到的驱动脉冲信号实现主电网电压不平衡条件下的相位预同步和电压幅值跟踪。

实施例三

结合图3说明本发明工作原理：

首先启动相位同步模块，将由虚拟电流正序q轴分量

经得到的角频率调节量ω_c作为角频率补偿到参考角频率ω_ref。若主电网电压超前微电网电压，由参考角频率ω_ref得到的驱动脉冲信号使微电网电压的频率逐渐增大，相位差逐渐减小；若主电网电压滞后微电网电压，由参考角频率ω_ref得到的驱动脉冲信号使微电网电压的频率逐渐减小，相位差也逐渐减小。此过程中

逐渐减小至零，最终实现微电网电压对不平衡主电网电压的相位追踪。

接近零后，启动幅值同步模块，将虚拟电流正序d轴分量通过积分环节补偿到参考电压幅值U_ref，将虚拟电流负序d轴分量和负序q轴分量通过负序控制模块补偿到调制电压。这个过程中，虚拟电流的正序d轴分量和虚拟电流负序d、q轴分量逐渐减小至零，实现微电网电压对不平衡主电网电压的幅值追踪。

最后断路器合闸逆变器进入并网状态运行。需要注意相位同步和幅值同步要分开进行，同时工作会使调节量过大造成电压波动。

实施例四

结合图4至图6，说明本发明效果：

如图4所示，为本发明实施例逆变器输出电压和主电网电压对比波形，在相位同步启动前，微电网电压和主电网电压的相位相差大约50°，在0.4s时闭合开关S₁，相位同步模块启动，微电网电压快速跟踪主电网电压相位，约0.04s完成相位同步。由此可见，本发明的方法可以实现对不平衡电压相位的快速跟踪。

本实施例中设定主电网A相电压为0.9倍的电压幅值，B相和C相为正常的电压幅值。如图5所示，为本发明实施例逆变器输出电压波形图，在幅值同步启动前，逆变器输出的三相电压平衡，在0.6s时闭合开关S₂和S₃，幅值同步模块启动，逆变器输出A相电压逐渐减小，接近0.9倍的电压幅值，由此可见，本发明的方法可以实现主电网不平衡电压的幅值跟踪。如图6所示，为本发明实施例逆变器输出电流波形图，在1s时断路器合闸，逆变器进入并网状态运行，向主电网输送功率，输出电流逐渐增大，没出现冲击。

综上，本发明所提出的逆变器预同步控制方法可以实现微电网电压对不平衡主电网电压的相位和幅值跟踪。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在主电网与微电网之间设置一虚拟电阻，计算流经所述虚拟电阻的虚拟电流；计算控制虚拟电流为零所需的调制电压；对调制电压进行正弦脉冲宽度调制，得到驱动脉冲信号；将驱动脉冲信号输入至全桥变流器。

2.根据权利要求1所述的一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，其特征在于，所述计算流经所述虚拟电阻的虚拟电流，以公式表达为：

式中，i_vabc表示虚拟电流；u_gabc表示主电网电压；u_oabc表示微电网电压；Z_v表示虚拟电阻的电阻值。

3.根据权利要求1所述的一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，其特征在于，所述计算控制虚拟电流为零所需的调制电压，具体为：

提取虚拟电流的正序分量和负序分量；计算虚拟电流正序分量为零所需的正序调制电压；计算虚拟电流负序分量为零所需的负序调制电压；叠加正序调制电压和负序调制电压，得到调制电压。

4.根据权利要求3所述的一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，其特征在于，所述计算虚拟电流正序分量为零所需的正序调制电压，具体为：

计算虚拟电流正序分量为零时的电压幅值调节量和角频率调节量；根据逆变器输出有功功率和输出无功功率，通过下垂控制方法得到第一参考电压幅值和第一参考角频率；叠加第一参考电压幅值和电压幅值调节量，得到第二参考电压幅值；叠加第一参考角频率和角频率调节量，得到第二参考角频率；对第二参考角频率和第二参考电压进行电压合成，得到参考电压；对参考电压进行电压电流双环控制，得到正序调制电压。

5.根据权利要求4所述的一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，其特征在于，所述计算虚拟电流正序分量为零时的电压幅值调节量，具体为：

对虚拟电流进行正负序分离和Park变换，得到虚拟电流正序d轴分量；对虚拟电流正序d轴分量进行积分，得到电压幅值调节量。

6.根据权利要求4所述的一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，其特征在于，所述计算虚拟电流正序分量为零时的角频率调节量，具体为：

对虚拟电流进行正负序分离和Park变换，得到虚拟电流正序q轴分量；利用比例系数K_q，对虚拟电流正序q轴分量进行放大，得到角频率调节量。

7.根据权利要求3所述的一种主电网电压不平衡下逆变器的预同步控制方法，其特征在于，所述计算虚拟电流负序分量为零所需的负序调制电压，具体为：

对虚拟电流进行正负序分离和Park变换，得到虚拟电流负序d轴分量和虚拟电流负序q轴分量；

分别设置虚拟电流负序d轴分量和虚拟电流负序q轴分量的参考值为零；计算虚拟电流负序d轴分量与其参考值的第一差值，计算虚拟电流负序q轴分量与其参考值的第二差值；分别对第一差值和第二差值进行比例积分控制，得到负序调制电压d轴分量和负序调制电压q轴分量；对负序调制电压d轴分量和负序调制电压q轴分量进行Park变换，得到负序调制电压。

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