CN113991745A - 逆变器控制方法、逆变控制器、逆变器及供电系统 - Google Patents

逆变器控制方法、逆变控制器、逆变器及供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的逆变器控制方法、逆变控制器、逆变器及供电系统，应用于电力电子技术领域，该方法在逆变器以电压源模式工作的情况下，获取与逆变器运行状态相关的目标电气参数，如果根据目标电气参数判定逆变器满足过流保护条件，则降低逆变器的端口电压，以使逆变器的输出电流处于安全电流范围内。通过本发明提供的控制方法，在逆变器工作在电压源模式的情况下，通过降低逆变器端口电压的方式将逆变器的输出电流控制在安全电流范围内，不再将逆变器切换至电流源模式，从而避免系统失去电压支撑，维持供电系统稳定运行。

Description

逆变器控制方法、逆变控制器、逆变器及供电系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种逆变器控制方法逆变器控制方法、逆变控制器、逆变器及供电系统。
背景技术
虚拟同步发电机技术主要是通过逆变器模拟同步发电机的工作特性，实现分布式能源虚拟电站的建设目标，同时解决由于大量电力电子变换器应用于交流电网而导致的低惯量、欠阻尼等稳定性问题。
在基于逆变器实现的虚拟同步发电机技术的实际应用中，逆变器可以工作在电压源模式或电流源模式。在逆变器以电压源模式连接交流电网的情况下，逆变器的控制目标是维持电压幅值和相位的稳定，因此，当交流电网的发生短路时，逆变器依然维持短路前的输出电压，这样导致逆变器的输出电流迅速增加，逆变器会因为过流而停机。
现有技术为了解决这一问题，会在出现上述情况时将逆变器由电压源模式切换为电流源模式以实现故障穿越，待故障恢复后再切换回电压源模式。但是，当逆变器切换至电流源模式时，基于逆变器构成的供电系统将失去电压支撑，严重影响供电系统的稳定性。
发明内容
本发明提供一种逆变器控制方法逆变器控制方法、逆变控制器、逆变器及供电系统，在逆变器工作在电压源模式的情况下，通过降低逆变器端口电压的方式将逆变器的输出电流控制在安全电流范围内，不再将逆变器切换至电流源模式，从而避免系统失去电压支撑，维持供电系统稳定运行。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种逆变器控制方法，包括：
在逆变器以电压源模式工作的情况下，获取与所述逆变器运行状态相关的目标电气参数；
根据所述目标电气参数判断所述逆变器是否满足过流保护条件；
若所述逆变器满足过流保护条件，降低所述逆变器的端口电压，以使所述逆变器的输出电流处于安全电流范围内。
可选的，所述目标电气参数包括当前电网电压和所述逆变器的当前输出电流；
所述根据所述目标电气参数判断所述逆变器是否满足过流保护条件，包括：
若所述逆变器的当前输出电流大于预设电流阈值，且所述当前电网电压小于预设电压阈值，判定所述逆变器满足过流保护条件；
若所述逆变器的当前输出电流小于等于所述预设电流阈值，或者，所述当前电网电压大于等于所述预设电压阈值，判定所述逆变器不满足所述过流保护条件。
可选的，所述目标电气参数包括当前电网电压；
所述降低所述逆变器的端口电压，包括：
确定所述逆变器的当前给定电压，且所述当前给定电压小于所述当前电网电压；
按照所述当前给定电压降低所述逆变器的端口电压。
可选的，所述确定所述逆变器的当前给定电压，包括：
确定所述逆变器的输出电流的电流增量以及与所述逆变器的端口电压负相关的目标虚拟阻抗；
将所述电流增量与所述目标虚拟阻抗之积作为电压调节量；
将所述逆变器的额定给定电压与所述电压调节量之差，作为所述逆变器的当前给定电压。
可选的，所述目标电气参数包括当前输出电流；
确定所述逆变器的输出电流的电流增量的过程，包括：
计算所述逆变器的当前输出电流与预设电流阈值的差值；
将所述差值作为所述逆变器的输出电流的电流增量。
可选的，确定所述目标虚拟阻抗的过程，包括：
获取目标阻抗调节系数和所述逆变器的额定虚拟阻抗；
其中，所述目标阻抗调节系数与所述逆变器的端口电压负相关；
将所述目标阻抗调节系数与所述额定虚拟阻抗的乘积，作为目标虚拟阻抗。
可选的，所述获取目标阻抗调节系数，包括：
根据所述逆变器的当前端口电压和额定端口电压计算目标电压标幺值；
根据预设映射关系确定所述目标电压标幺值对应的目标阻抗调节系数；
其中，所述预设映射关系中记录有所述逆变器的不同电压标幺值与阻抗调节系数之间的对应关系。
可选的，若所述逆变器不满足所述过流保护条件，基于预设基准虚拟阻抗调节所述逆变器的端口电压。
第二方面，本发明提供一种逆变控制器，包括:存储器和处理器；所述存储器存储有适于所述处理器执行的程序，以实现本发明第一方面任一项所述的逆变器控制方法。
第三方面，本发明提供一种逆变器，包括：逆变主电路和本发明第二方面所述的逆变控制器，其中，
所述逆变控制器与所述逆变主电路的控制端相连。
第三方面，本发明提供一种供电系统，包括：至少一个直流电源和本发明第二方面所述的逆变器，其中，
各所述直流电源分别与所述逆变器的直流侧相连；
所述逆变器的交流侧与交流电网相连。
可选的，所述直流电源包括光伏组件、储能电池、风力发电机中的至少一种。
本发明提供的逆变器控制方法，在逆变器以电压源模式工作的情况下，获取与逆变器运行状态相关的目标电气参数，如果根据目标电气参数判定逆变器满足过流保护条件，则降低逆变器的端口电压，以使逆变器的输出电流处于安全电流范围内。通过本发明提供的控制方法，在逆变器工作在电压源模式的情况下，通过降低逆变器端口电压的方式将逆变器的输出电流控制在安全电流范围内，不再将逆变器切换至电流源模式，从而避免系统失去电压支撑，维持供电系统稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种逆变器控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的另一种逆变器控制方法的流程图；
图3是逆变器输出电流与逆变器的给定电压之间的对应关系；
图4是逆变器的端口电压与虚拟阻抗之间的对应关系；
图5是本发明实施例提供的逆变器控制方法的实现原理示意图；
图6是本发明实施例提供的一种逆变控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供的逆变器控制方法，可以应用于电子设备，该电子设备可以是用于控制逆变器运行的、逆变器自身的控制器，也可以是独立于逆变器的其他控制器，对于其他控制器的选择，可以结合逆变器的具体应用场景确定。当然，在某些情况下，还可以应用于网络侧的控制器。参见图1，图1是本发明实施例提供的一种逆变器控制方法的流程图，本实施例提供的逆变器控制方法的流程，包括：
S100、在逆变器以电压源模式工作的情况下，获取与逆变器运行状态相关的目标电气参数。
如前所述，在基于逆变器实现的VSG(Virtual Synchronous Generator，虚拟同步发电机)技术中，逆变器可以工作于电压源模式或者电流源模式，本发明实施例提供的逆变器控制方法，针对的是逆变器工作于电压源模式情况下，如何避免逆变器因为输出电流过大而故障停机。
可选的，在本实施例中，与逆变器运行状态相关的目标电气参数主要包括当前电网电压和逆变器的当前输出电流，其中，需要说明的是，在电网故障发生初期，逆变器的端口电压与交流电网当前电网电压是一致的，交流电网的当前电网电压即逆变器输出至交流电网的端口电压，相应的，当前输出电流表示逆变器当前输出至交流电网的电流。
需要说明的是，其他能够表征逆变器运行状态的、满足后续步骤使用要求的电气参数也是可选的，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样属于本发明保护的范围内。
S110、根据目标电气参数判断逆变器是否满足过流保护条件，若是，执行S120。
在得到目标电气参数后，判断所得目标电气参数是否满足过流保护条件，如果满足，则执行S120，可选的，如果不满足过流保护条件，则可以退出当前的控制流程，转而采用现有技术中对逆变器的控制方法。
对于过流保护条件的具体设置，因实际应用中所选择的目标电气参数的不同而有所差异，此处暂不展开，将在后续内容的其他实施例中给出可选的实现方式。
S120、降低逆变器的端口电压，以使逆变器的输出电流处于安全电流范围内。
如前所述，工作于电压源模式的逆变器之所以会在交流电网发生短路故障时出现输出电流过大的现象，是因为在交流电网发生短路时，电网电压会迅速降低，而由于电压源模式的特性，会使得逆变器仍然维持输出电网故障前的端口电压，逆变器端口电压与电网电压的压差迅速变大，进而导致逆变器的输出电流迅速增大。
基于上述原因，在经过前述步骤判定满足过流保护条件之后，即降低逆变器的端口电压，从而降低逆变器端口电压与电网电压之间的压差，减少逆变器的输出电流，确保逆变器的输出电流处于安全电流范围内。
可选的，考虑到绝大部分逆变器的电压控制都是基于电压闭环实现的，在具体调节过程通过改变逆变器的给定电压最终实现逆变器端口电压的调节，因此，在降低逆变器的端口电压的具体实现上，将交流电网的当前电网电压(如前所述，此时逆变器的当前端口电压与当前电网电压是一致的)作为前述目标电气参数之一，确定一个小于当前电网电压(即逆变器的当前端口电压)的当前给定电压，并按照该当前给定电压降低逆变器实际输出的端口电压。
综上所述，通过本发明提供的控制方法，在逆变器工作在电压源模式的情况下，通过降低逆变器端口电压的方式将逆变器的输出电流控制在安全电流范围内，不再将逆变器切换至电流源模式，从而避免系统失去电压支撑，维持供电系统稳定运行。
可选的，参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种逆变器控制方法的流程图，在图1所示实施例的基础上，本实施例提供的控制方法的流程，具体包括：
S200、在逆变器以电压源模式工作的情况下，获取与逆变器运行状态相关的目标电气参数。
可选的，S200的可选实现方式可以参照图1所示实施例中S100的实现过程，此处不再复述。
进一步的，在本实施例中，与逆变器运行状态相关的目标电气参数选用当前电网电压和逆变器的当前输出电流。
S210、判断逆变器的当前输出电流是否大于预设电流阈值，若是，执行S220，若否，执行S270。
如前所述，当逆变器所连接的交流电网发生短路时，当然，对于交流电网过载的情况也是适用的，逆变器的输出电流会迅速增大，因此，可以将逆变器的输出电流的变化情况作为判断条件之一。其中，预设电流阈值可以基于逆变器的特性设置，比如，可以直接取逆变器的额定电流，当然，为了更好的保护逆变器，可以将预设电流阈值设置为小于逆变器额定电流的值，本发明对于预设电流阈值的具体取值不做限定。
S220、判断当前电网电压是否小于预设电压阈值，若是，执行S230，若否，执行S270。
如前所述，在交流电网发生短路故障时，交流电网的电网电压会迅速降低，因此，可以将交流电网的电压变化情况作为过流保护条件之一。在逆变器的当前输出电流大于预设电流阈值的情况下，进一步判断当前电网电压是否小于预设电压阈值，如果当前电网电压小于预设电压阈值，则执行S230，否则，执行S270.
至于预设电压阈值的具体设置，可以结合实际控制需求灵活选择，本发明对于预设电压阈值的具体取值不做限定。
S230、确定逆变器的输出电流的电流增量以及与当前电网电压负相关的目标虚拟阻抗。
在逆变器的当前输出电流大于预设电流阈值，且当前电网电压小于预设电压阈值的情况下，可以判定逆变器满足预设过流保护条件，继续执行本步骤以及后续各个相关步骤。
具体的，计算逆变器的当前输出电流与预设电流阈值的差值，所得电流的差值即逆变器的输出电流的电流增量。
进一步的，确定逆变器的目标虚拟阻抗。基于逆变器的基本原理可知，逆变器内部并不存在实际可以调节阻抗值大小的阻抗电路，但当逆变器以一定的端口电压和输出电流工作时，端口电压与输出电流的比值，既可以看作是逆变器的阻抗，因此，本发明将其定义为虚拟阻抗。结合图3所示，逆变器的端口电压与逆变器的虚拟阻抗之间的关系可以表示为：Uo＝UgN-ZN×IL，其中，Uo表示逆变器的端口电压，VgN表示逆变器的额定端口电压，IL表示逆变器的输出电流，Ith表示前述预设电流阈值。
由于逆变器的虚拟阻抗与逆变器的端口电压是负相关的，即端口电压越小，虚拟阻抗越大，二者之间对应关系可以如图4所示，其中，Zi表示逆变器的虚拟阻抗，Uo表示逆变器的端口电压，Uth表示预设电压阈值。本发明实施例通过阻抗调节系数表征二者之间的相关性，并设置预设映射关系，该预设映射关系中记录有逆变器的不同电压标幺值与阻抗调节系数之间的对应关系，其中，电压标幺值即逆变器实际端口电压与额定端口电压的比值。通过该预设映射关系，可以确定任一电压标幺值对应的阻抗调节系数。如图4所示，当端口电压大于预设电压阈值时，此时虚拟阻抗值是一恒定值，当端口电压低于预设值后，虚拟阻抗值按照一个近似反比例的线性的关系进行调，至于预设映射关系的获取，在实际应用中可以基于大量的试验数据获得，此处不再展开。
基于此，在确定逆变器的额定虚拟阻抗之后，根据逆变器的当前端口电压和额定端口电压计算目标电压标幺值，然后即可根据预设映射关系确定目标电压标幺值对应的目标阻抗调节系数，计算目标阻抗调节系数与额定虚拟阻抗的乘积，即得到当前控制过程中逆变器的目标虚拟阻抗。
可以理解的是，目标虚拟阻抗仅仅是用于确定逆变器给定电压的中间计算值，在实际应用中，是没有办法直接改变逆变器的阻抗值的。
S240、将电流增量与目标虚拟阻抗之积作为电压调节量。
进过前述步骤，计算所得电流增量与目标虚拟阻抗之积，所得结果即电压调节量。
S250、将逆变器的额定给定电压与电压调节量之差，作为逆变器的当前给定电压。
可选的，参见图5，图5示出本发明实施例提供的控制方法对逆变器进行控制的实现原理，Vg计算得到的当前给定电压，Zvir表示计算得到的目标虚拟阻抗，Zg表示逆变器值交流电网之间的等效阻抗，其余参数的含义可参见前述内容，此处不再复述。经过前述步骤计算得到目标虚拟阻抗，即可反推计算得到逆变器的当前给定电压。
S260、按照当前给定电压降低逆变器的端口电压。
可选的，S260的可选实现方式可以参照图1所示实施例中S120的实现过程，此处不再复述。
S270、基于预设基准虚拟阻抗调节逆变器的端口电压。
在逆变器的当前输出电流小于等于预设电流阈值，或者，当前电网电压大于等于预设电压阈值的情况下，判定逆变器不满足过流保护条件，即逆变器处于正常运行状态，则可基于预设基准虚拟阻抗调节逆变器的端口电压。需要说明的是，本步骤中述及的预设基准虚拟阻抗并非固定的阻抗值，会随着逆变器实际运行，特别是电网运行状态的变化出现小幅变化，以满足逆变器有功功率和无功功率均分的要求。
综上所述，本发明实施例在前述实施例基础上，给出一种更为具体的逆变器控制方法，根据逆变器当前输出电压和当前输出电流的实际情况，确定逆变器的虚拟阻抗，进一步通过虚拟阻抗计算确定逆变器的给定电压，调节逆变器的端口电压，从而间接的调整逆变器的输出电流，使逆变器的输出电流可以处于安全电流范围之内，确保逆变器的运行安全。
可选的，图6为本发明实施例提供的逆变控制器的结构框图，参见图6所示，可以包括：至少一个处理器100，至少一个通信接口200，至少一个存储器300和至少一个通信总线400；
在本发明实施例中，处理器100、通信接口200、存储器300、通信总线400的数量为至少一个，且处理器100、通信接口200、存储器300通过通信总线400完成相互间的通信；显然，图6所示的处理器100、通信接口200、存储器300和通信总线400所示的通信连接示意仅是可选的；
可选的，通信接口200可以为通信模块的接口，如GSM模块的接口；
处理器100可能是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
存储器300，存储有应用程序，可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
其中，处理器100具体用于执行存储器内的应用程序，以实现上述所述的逆变器控制方法的任一实施例。
可选的，本发明还提供一种逆变器，包括：逆变主电路和上述实施例所述的逆变控制器，其中，
所述逆变控制器与所述逆变主电路的控制端相连。
可选的，本发明还提供一种供电系统，包括：至少一个直流电源和上述实施例所述的逆变器，其中，
各所述直流电源分别与所述逆变器的直流侧相连；
所述逆变器的交流侧与交流电网相连。
可选的，所述直流电源包括光伏组件、储能电池、风力发电机中的至少一种。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种逆变器控制方法，其特征在于，包括：
在逆变器以电压源模式工作的情况下，获取与所述逆变器运行状态相关的目标电气参数；
根据所述目标电气参数判断所述逆变器是否满足过流保护条件；
若所述逆变器满足过流保护条件，降低所述逆变器的端口电压，以使所述逆变器的输出电流处于安全电流范围内。
2.根据权利要求1所述的逆变器控制方法，其特征在于，所述目标电气参数包括当前电网电压和所述逆变器的当前输出电流；
所述根据所述目标电气参数判断所述逆变器是否满足过流保护条件，包括：
若所述逆变器的当前输出电流大于预设电流阈值，且所述当前电网电压小于预设电压阈值，判定所述逆变器满足过流保护条件；
若所述逆变器的当前输出电流小于等于所述预设电流阈值，或者，所述当前电网电压大于等于所述预设电压阈值，判定所述逆变器不满足所述过流保护条件。
3.根据权利要求1所述的逆变器控制方法，其特征在于，所述目标电气参数包括当前电网电压；
所述降低所述逆变器的端口电压，包括：
确定所述逆变器的当前给定电压，且所述当前给定电压小于所述当前电网电压；
按照所述当前给定电压降低所述逆变器的端口电压。
4.根据权利要求3所述的逆变器控制方法，其特征在于，所述确定所述逆变器的当前给定电压，包括：
确定所述逆变器的输出电流的电流增量以及与所述逆变器的端口电压负相关的目标虚拟阻抗；
将所述电流增量与所述目标虚拟阻抗之积作为电压调节量；
将所述逆变器的额定给定电压与所述电压调节量之差，作为所述逆变器的当前给定电压。
5.根据权利要求4所述的逆变器控制方法，其特征在于，所述目标电气参数包括当前输出电流；
确定所述逆变器的输出电流的电流增量的过程，包括：
计算所述逆变器的当前输出电流与预设电流阈值的差值；
将所述差值作为所述逆变器的输出电流的电流增量。
6.根据权利要求4所述的逆变器控制方法，其特征在于，确定所述目标虚拟阻抗的过程，包括：
获取目标阻抗调节系数和所述逆变器的额定虚拟阻抗；
其中，所述目标阻抗调节系数与所述逆变器的端口电压负相关；
将所述目标阻抗调节系数与所述额定虚拟阻抗的乘积，作为目标虚拟阻抗。
7.根据权利要求6所述的逆变器控制方法，其特征在于，所述获取目标阻抗调节系数，包括：
根据所述逆变器的当前端口电压和额定端口电压计算目标电压标幺值；
根据预设映射关系确定所述目标电压标幺值对应的目标阻抗调节系数；
其中，所述预设映射关系中记录有所述逆变器的不同电压标幺值与阻抗调节系数之间的对应关系。
8.根据权利要求1-7任一项所述的逆变器控制方法，其特征在于，若所述逆变器不满足所述过流保护条件，基于预设基准虚拟阻抗调节所述逆变器的端口电压。
9.一种逆变控制器，其特征在于，包括:存储器和处理器；所述存储器存储有适于所述处理器执行的程序，以实现权利要求1至8任一项所述的逆变器控制方法。
10.一种逆变器，其特征在于，包括：逆变主电路和权利要求9所述的逆变控制器，其中，
所述逆变控制器与所述逆变主电路的控制端相连。
11.一种供电系统，其特征在于，包括：至少一个直流电源和权利要求10所述的逆变器，其中，
各所述直流电源分别与所述逆变器的直流侧相连；
所述逆变器的交流侧与交流电网相连。
12.根据权利要求11所述的供电系统，其特征在于，所述直流电源包括光伏组件、储能电池、风力发电机中的至少一种。
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