CN114006402A - 一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法和装置 - Google Patents

一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法和装置，微电源为以电力电子逆变器为接口的基于V/f控制的逆变型微电源；逆变型微电源的控制方法包括在V/f控制模块的输入侧设置动态调节的虚拟阻抗，根据该虚拟阻抗计算虚拟压降，为V/f控制模块提供给定电压，采用第一控制策略对虚拟阻抗值进行动态调节；第一控制策略具体为：采用逆变型微电源的极限输出电流作为给定值，根据流过逆变型微电源中逆变器侧滤波电感的电流，通过第一控制器计算出虚拟阻抗的动态分量，并与虚拟阻抗的固定分量叠加后，得到最终的虚拟阻抗值。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、电流限制严格、电能质量高、物理意义明确等优点。

Description

一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法和装置
技术领域
本发明涉及微电网领域，尤其是涉及一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法和装置。
背景技术
微电网是由微电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统，具有自我控制和自我能量管理功能，能够实现大量可再生能源的并网与孤岛运行，具有很高的实用性。微电源是微电网的能量来源，因此研究微电源的控制策略对于整个能源系统具有重要意义。
微电网中的微电源以逆变型微电源(Inverter Interfaced DistributedGeneration，IIDG)为主。微电网系统的运行模式可分为并网运行与孤岛运行两种，在孤岛运行的主从控制微电网中，通常采用一个容量较大的基于V/f控制的逆变型微电源(V/f-IIDG)作为系统的主电源，负责维持微电网电压、频率的稳定。在故障条件下，由于V/f-IIDG的容量最大，在系统中起主导作用，因此V/f-IIDG故障控制策略将很大程度上决定系统的故障穿越能力。
IIDG经逆变器并网的并网方式使得其故障响应异于传统发电机。由于构成逆变器的开关器件过流能力受限，IIDG的最大输出电流通常被限制在其额定电流的1～2倍左右。这种严格的电流约束不仅使得IIDG在故障条件下容易发生过流损坏，限流控制成为难题，也导致IIDG无法为微电网注入较大的故障电流，难以支撑并网点电压，不利于微电网系统的故障穿越。
在V/f-IIDG的故障控制领域，现有技术中提出的控制策略在不同故障条件下故障响应差别较大，无法兼顾限制电流幅值与支撑并网点电压。因此，需要研究一种能够适用于复杂故障条件的微电源故障控制策略，使得微电网系统能够安全可靠地完成故障穿越。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于复杂故障条件，且能够兼顾电流幅值与支撑并网点电压的基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法和装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，所述微电源为以电力电子逆变器为接口的基于V/f控制的逆变型微电源，该逆变型微电源包括直流侧支撑电容、三相桥式逆变器和LCL滤波器；
所述逆变型微电源的控制方法包括在V/f控制模块的输入侧设置动态调节的虚拟阻抗，根据该虚拟阻抗计算虚拟压降，为V/f控制模块提供给定电压，采用第一控制策略对虚拟阻抗值进行动态调节；
所述第一控制策略具体为：采用逆变型微电源的极限输出电流作为给定值，根据流过逆变型微电源中逆变器侧滤波电感的电流，通过第一控制器计算出虚拟阻抗的动态分量，并与虚拟阻抗的固定分量叠加后，得到最终的虚拟阻抗值。
进一步地，所述第一控制器的输入值的表达式为：
Figure BDA0003325435560000021
式中，In1为第一控制器的输入值，Ilim为逆变型微电源的极限输出电流，作为第一控制器的给定值，
Figure BDA0003325435560000022
与
Figure BDA0003325435560000023
分别为流过逆变器侧滤波电感电流的正序、负序分量幅值；
所述第一控制器的输出值的表达式为：
Out1＝ΔRv
式中，Out1为第一控制器的输出值，ΔRv为虚拟阻抗值的动态分量。
进一步地，所述第一控制器为PI控制器。
进一步地，所述虚拟阻抗值的计算表达式为：
Rv＝Rv,base-ΔRv
式中，Rv为虚拟阻抗值，Rv,base为虚拟阻抗值的固定分量。
进一步地，所述虚拟阻抗的固定分量的计算表达式为：
Figure BDA0003325435560000024
式中，Rv,base为虚拟阻抗值的固定分量，UN为逆变型微电源的额定电压，Ilim为逆变型微电源的极限输出电流。
进一步地，所述V/f控制模块包括依次连接的电压外环、电流内环和PWM调制模块。
进一步地，所述电压外环通过第二控制器进行控制，所述第二控制器的输入值的表达式为：
Figure BDA0003325435560000031
式中，In2,d与In2,q分别为第二控制器dq轴的输入给定电压，Uref,d与Uref,q分别为给定电压的dq轴分量，ffault为故障标志位，故障时为1，正常运行时为0，Id为流过LCL滤波器的电流的d轴分量，Rv为虚拟阻抗值；
所述第二控制器为PI控制器。
进一步地，所述电流内环通过第三控制器进行控制，所述第三控制器的输入值的表达式为：
Figure BDA0003325435560000032
式中，In3,d与In3,q为第三控制器dq轴的输入值，Out2,d与Out2,q为第二控制器dq轴的输出值，UC,d与UC,q为滤波电容上dq轴的电压，ω为工频角频率，C为LCL滤波器中滤波电容的容值，IL1,d与IL1,q为流过LCL滤波器中滤波电感dq轴的电流；
所述第三控制器为PI控制器。
进一步地，所述PWM调制模块的输入调制电压的计算表达式为：
Figure BDA0003325435560000033
式中，Um,d与Um,q为PWM调制模块dq轴的调制电压，Out3,d与Out3,q为第三控制器dq轴的输出值，IL1,d与IL1,q为流过LCL滤波器中滤波电感dq轴的电流，L1为LCL滤波器中滤波电感。
本发明还提供一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)实现了并网点电压的最大化：本发明通过所述第一控制器对虚拟阻抗值的动态分量进行闭环调节，能够将故障电流的最高相幅值准确的控制在所述极限电流左右，在保证设备安全运行的前提下，将V/f-IIDG对微电网电压的支撑作用最大化，有利于微电网系统的故障穿越。
(2)无电流畸变：部分现有技术通过对输出电流进行限幅实现电流限制，在发生非对称故障时，dq轴控制回路中将存在由负序分量产生的振荡分量，在限幅的过程中导致信号的失真。本发明使用动态虚拟阻抗技术对电流进行限制，取代了现有技术中的限幅策略，不存在电流畸变的缺陷，改善了故障条件下的输出电流质量，提高了系统的稳定性。
(3)能够适应复杂的故障条件：本发明采用故障电流的正负序幅值和作为控制对象，兼顾了对称故障与非对称故障的故障特征；在三相对称故障、两相短路故障、单相接地故障等复杂的故障条件下，均能保证V/f-IIDG的安全可靠运行。
(4)物理意义明确：本发明提出的故障控制策略基于虚拟阻抗的思想，可以等效为在原电路的基础上增加一个输出阻抗，物理意义明确，便于系统的故障建模与分析计算。
(5)电流限制严格：本发明将虚拟阻抗值分为固定分量与动态分量，其中固定分量按照最恶劣故障条件(IIDG出口处三相短路故障)进行整定，能够实现故障瞬态对输出电流的快速限制，防止输出电流越限而损坏设备。
(6)不需要额外硬件设备：本发明提出的故障控制策略完全通过软件控制算法实现，不需要任何额外的硬件设备，具有可观的经济性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种V/f-IIDG系统结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种V/f-IIDG控制结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种动态虚拟阻抗的控制结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种虚拟阻抗的等效电路图；
图5为本发明实施例中提供的一种V/f控制的控制结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
本实施例提供一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，微电源为以电力电子逆变器为接口的基于V/f控制的逆变型微电源(V/f-IIDG)，该微电源的硬件架构包括直流侧支撑电容、三相桥式逆变器和LCL滤波器。LCL滤波器包括逆变器侧滤波电感、滤波电容与并网侧滤波电感。
微电源控制方法具体为：在检测到微电网中发生故障时，在V/f-IIDG的控制层面设置一个动态调节的虚拟阻抗，在虚拟阻抗的作用下降低给定电压，再利用V/f控制对给定电压的无静差跟踪，实现对输出电流的精准控制，使得V/f-IIDG能够在三相输出电流均不越限的前提下，提供最大的并网点电压。微电源的控制方法还包括：V/f-IIDG采用第一控制策略对虚拟阻抗值进行动态调节。
第一控制策略具体为：使用V/f-IIDG的极限输出电流作为给定值，根据流过逆变器侧滤波电感的电流，第一控制器计算出虚拟阻抗的动态分量，与虚拟阻抗的固定分量叠加后，得出最终的虚拟阻抗值。
作为一种优选的实施方式，第一控制器输入值的计算表达式为：
Figure BDA0003325435560000051
式中，In1为第一控制器的输入值，Ilim为V/f-IIDG的极限输出电流，作为第一控制器的给定值，
Figure BDA0003325435560000052
与
Figure BDA0003325435560000053
分别为流过逆变器侧滤波电感电流的正序、负序分量幅值，二者之和作为第一控制器的反馈值。
V/f-IIDG的极限输出电流的取值范围为1.5-2.5倍额定电流，优选为2倍额定电流。
第一控制器的输出值为：
Out1＝ΔRv
式中，Out1为第一控制器的输出值，即为虚拟阻抗值的动态分量ΔRv。
第一控制器优选为PI控制器。
作为一种优选的实施方式，LCL滤波器电流的正序、负序分量幅值使用旋转相量法进行计算。
旋转相量法具体为：首先测量流过逆变器侧滤波电感的三相电流，将测量值转换为相量，再经过序分量变换获得三相电流的正序、负序、零序幅值。各序分量的计算表达式为：
Figure BDA0003325435560000061
式中，
Figure BDA0003325435560000062
分别为三相电流的相量，a为旋转因子，a＝ej2π/3。
作为一种优选的实施方式，虚拟阻抗值的计算表达式为：
Rv＝Rv,base-ΔRv
式中，Rv为虚拟阻抗值，Rv,base为虚拟阻抗值的固定分量。
作为一种优选的实施方式，虚拟阻抗值的固定分量根据V/f-IIDG的额定电压、极限电流计算，用于实现V/f-IIDG在故障瞬间对输出电流的快速抑制。其计算表达式为：
Figure BDA0003325435560000063
式中，UN为V/f-IIDG的额定电压。
作为一种优选的实施方式，微电源控制策略还包括：V/f-IIDG采用预设的第二控制策略对给定的电压、频率进行跟踪控制。第二控制策略由dq坐标系下的电压外环、电流内环以及PWM调制模块构成。电压外环由第二控制器控制，电流内环由第三控制器控制。
作为一种优选的实施方式，第二控制器的输入值计算表达式为：
Figure BDA0003325435560000064
式中，In2,d与In2,q分别为第二控制器dq轴的输入给定电压，Uref,d与Uref,q分别为V/f控制的dq轴给定电压，ffault为故障标志位(故障时为1，正常运行时为0)，Id为流过LCL滤波器的电流的d轴分量，Rv为第一控制策略计算出的虚拟阻抗值；
作为一种优选的实施方式，第三控制器的输入值表达式为：
Figure BDA0003325435560000071
式中，In3,d与In3,q为第三控制器的输入值，Out2,d与Out2,q为第二控制器的输出值，UC,d与UC,q为滤波电容dq轴上的电压，ω为工频角频率，C为滤波电容，IL1,d与IL1,q为流过逆变器侧滤波电感dq轴的电流。
作为一种优选的实施方式，第二控制器和第三控制器均为PI控制器。
作为一种优选的实施方式，第二控制策略中，PWM调制模块的输入调制电压的计算表达式为：
Figure BDA0003325435560000072
式中，Um,d与Um,q为PWM调制模块dq轴的调制电压，Out3,d与Out3,q为第三控制器dq轴的输出值，IL1,d与IL1,q为流过逆变器侧滤波电感dq轴的电流，L1为逆变器侧滤波电感。
作为一种优选的实施方式，PWM调制模块采用SVPWM调制。
将上述优选的实施方式进行组合，可以得到一种最优的实施方式，下面对该最优实施方式的具体方案进行描述。
1、微电源硬件结构与总体控制结构
微电源为以电力电子逆变器为接口的基于V/f控制的逆变型微电源，其硬件架构如图1所示，直流侧设置支撑电容Cdc维持直流母线电压的相对稳定，Q1～Q6组成三相桥式逆变电路，输出端采用LCL滤波器以改善电能质量。
V/f-IIDG在dq轴下的控制结构如图2所示，控制器由动态虚拟阻抗环与V/f控制的双环串联构成。动态虚拟阻抗环对原始的给定电压Udq,0 *进行处理，生成新的给定电压作为V/f控制的参考电压。控制回路中的反馈电压UC取自滤波电容C，反馈电流IL1取自逆变器侧的滤波电感L1。
2、动态虚拟阻抗
动态虚拟阻抗法的控制结构如图3所示。第一控制器为PI控制器，给定值为V/f-IIDG的极限输出电流，反馈值输出电流的正、负序幅值和
Figure BDA0003325435560000073
通过旋转相量法计算得出。第一控制器的输出值为虚拟阻抗的动态分量，与固定分量叠加后得到虚拟阻抗的最终值。其中，虚拟阻抗的固定分量根据V/f-IIDG出口处三相短路故障进行整定。
虚拟阻抗的等效电路如图4所示，Uref,0为原始给定电压，Uref为经过虚拟阻抗作用后的给定电压，Rv为上述计算出的虚拟阻抗值，I为IIDG的输出电流，虚拟阻抗产生的虚拟电压降为I·Rv。特别地，在dq坐标系下，由于V/f-IIDG通常仅输出有功功率，因此虚拟阻抗仅在d轴作用。
3、V/f控制与SVPWM调制
V/f控制的控制结构如图5所示，以第二控制器与第三控制器为主体，二者均为PI控制器。其中，第二控制器的给定电压为上述经过虚拟阻抗作用后的给定电压，第二控制器的输出作为第三控制器的给定值。PWM调制模块选用SVPWM调制，以降低开关纹波，改善电能质量。
本实施例还提供一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法的步骤。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，所述微电源为以电力电子逆变器为接口的基于V/f控制的逆变型微电源，该逆变型微电源包括直流侧支撑电容、三相桥式逆变器和LCL滤波器；
其特征在于，所述逆变型微电源的控制方法包括在V/f控制模块的输入侧设置动态调节的虚拟阻抗，根据该虚拟阻抗计算虚拟压降，为V/f控制模块提供给定电压，采用第一控制策略对虚拟阻抗值进行动态调节；
所述第一控制策略具体为：采用逆变型微电源的极限输出电流作为给定值，根据流过逆变型微电源中逆变器侧滤波电感的电流，通过第一控制器计算出虚拟阻抗的动态分量，并与虚拟阻抗的固定分量叠加后，得到最终的虚拟阻抗值。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述第一控制器的输入值的表达式为：
Figure FDA0003325435550000011
式中，In1为第一控制器的输入值，Ilim为逆变型微电源的极限输出电流，作为第一控制器的给定值，
Figure FDA0003325435550000012
与
Figure FDA0003325435550000013
分别为流过逆变器侧滤波电感电流的正序、负序分量幅值；
所述第一控制器的输出值的表达式为：
Out1＝ΔRv
式中，Out1为第一控制器的输出值，ΔRv为虚拟阻抗值的动态分量。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述第一控制器为PI控制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述虚拟阻抗值的计算表达式为：
Rv＝Rv,base-ΔRv
式中，Rv为虚拟阻抗值，Rv,base为虚拟阻抗值的固定分量。
5.根据权利要求1所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述虚拟阻抗的固定分量的计算表达式为：
Figure FDA0003325435550000014
式中，Rv,base为虚拟阻抗值的固定分量，UN为逆变型微电源的额定电压，Ilim为逆变型微电源的极限输出电流。
6.根据权利要求1所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述V/f控制模块包括依次连接的电压外环、电流内环和PWM调制模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述电压外环通过第二控制器进行控制，所述第二控制器的输入值的表达式为：
Figure FDA0003325435550000021
式中，In2,d与In2,q分别为第二控制器dq轴的输入给定电压，Uref,d与Uref,q分别为给定电压的dq轴分量，ffault为故障标志位，故障时为1，正常运行时为0，Id为流过LCL滤波器的电流的d轴分量，Rv为虚拟阻抗值；
所述第二控制器为PI控制器。
8.根据权利要求6所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述电流内环通过第三控制器进行控制，所述第三控制器的输入值的表达式为：
Figure FDA0003325435550000022
式中，In3,d与In3,q为第三控制器dq轴的输入值，Out2,d与Out2,q为第二控制器dq轴的输出值，UC,d与UC,q为滤波电容上dq轴的电压，ω为工频角频率，C为LCL滤波器中滤波电容的容值，IL1,d与IL1,q为流过LCL滤波器中滤波电感dq轴的电流；
所述第三控制器为PI控制器。
9.根据权利要求6所述的一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制方法，其特征在于，所述PWM调制模块的输入调制电压的计算表达式为：
Figure FDA0003325435550000023
式中，Um,d与Um,q为PWM调制模块dq轴的调制电压，Out3,d与Out3,q为第三控制器dq轴的输出值，IL1,d与IL1,q为流过LCL滤波器中滤波电感dq轴的电流，L1为LCL滤波器中滤波电感。
10.一种基于动态虚拟阻抗的微电源控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如权利要求1～9任一所述的方法的步骤。
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Citations (11)

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