CN114665503A - 基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法 - Google Patents

基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法 Download PDF

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张波
陈垣
丘东元
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Abstract

本发明公开了一种基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，包括：1)获取并网逆变器的运行参数；2)计算并网逆变器的瞬时有功功率偏差值和瞬时频率偏差值；3)计算并网逆变器的最优切换边界；4)计算并网逆变器的频率变化率；5)计算并网逆变器的输出频率。本发明实现了对并网逆变器有功功率和频率的高效快速控制，在保证并网逆变器满足电网的频率变化率要求的前提下，具有较快的响应速度和较小的有功功率超调量，利用本发明可以进行并网逆变器的有功‑频率控制环的设计，降低并网逆变器的成本，提高并网逆变器的运行性能。

Description

基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器控制的技术领域，尤其是指一种基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法。
背景技术
与传统同步发电机相比，新能源的输出电压为直流或不稳定的交流，需要并网逆变器将其转换为稳定的交流以实现并网。传统的并网逆变器通过下垂控制获得频率参考值以实现与电网同步，但是传统的下垂控制不为电网提供惯性，导致并网逆变器的频率变化率极大，电网的频率稳定性恶化。为了解决这一问题，提出了虚拟同步机控制，通过模拟传统同步发电机的有功-频率特性，间接调节并网逆变器的频率变化率，以实现对电力系统频率稳定性的支撑，但存在调节速度慢、有功功率超调量大等缺点，导致并网逆变器必须采用更大容量的器件，增加了并网逆变器的成本和体积。进而提出的广义下垂控制和自适应虚拟同步机控制等控制方法，改进效果并不明显。为此，亟需提出一种新的并网逆变器输出频率控制方法，在满足电网对并网逆变器的频率变化率的要求的前提下，具有更快的调节速度和更小的有功功率超调量，以降低并网逆变器的成本，提高并网逆变器的运行性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，在保证并网逆变器满足电网的频率变化率要求的前提下，具有较快的响应速度和较小的有功功率超调量，利用本发明可以改进并网逆变器的有功-频率控制环的设计，降低并网逆变器的成本，提高并网逆变器的运行性能。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，包括以下步骤：
1)获取并网逆变器的运行参数；
2)根据步骤1)获取的并网逆变器的运行参数，计算并网逆变器的瞬时有功功率偏差值和瞬时频率偏差值；
3)根据步骤1)获取的并网逆变器的运行参数和步骤2)计算所得的并网逆变器的瞬时有功功率偏差值、瞬时频率偏差值，计算并网逆变器的最优切换边界；
4)根据步骤3)计算所得的并网逆变器的最优切换边界，计算并网逆变器的频率变化率；
5)根据步骤4)计算所得的并网逆变器的频率变化率，计算并网逆变器的频率。
进一步，在步骤1)中，需要获得的运行参数包括并网逆变器的有功功率P、并网逆变器的最大有功传输功率Pm、并网逆变器正常运行设定功率P0、并网逆变器正常运行设定频率ω0、容许的最大频率变化率umax、并网逆变器一次调频系数kp、电网频率ωg和并网逆变器频率ω。
进一步，在步骤2)中，计算得到的并网逆变器的瞬时有功功率偏差值ΔP和瞬时频率偏差值Δω满足以下公式：
Figure BDA0003574458820000021
其中：P为并网逆变器的有功功率；P0为并网逆变器正常运行设定功率；kp为并网逆变器一次调频系数；ω0为并网逆变器正常运行设定频率；ωg为电网频率；ω为并网逆变器频率。
进一步，在步骤3)中，计算得到的最优切换边界h满足以下公式：
Figure BDA0003574458820000031
其中：ΔP为并网逆变器的瞬时有功功率偏差值；Δω为并网逆变器的瞬时频率偏差值；Pm为并网逆变器的最大有功传输功率；umax为容许的最大频率变化率；|·|运算表示取绝对值。
进一步，在步骤4)中，计算得到的并网逆变器的频率变化率ROCOF满足以下公式：
ROCOF＝-sgn(h)umax (3)
其中：sgn(·)为符号函数；h为最优切换边界；umax为容许的最大频率变化率。
进一步，在步骤5)中，根据步骤4)获得的并网逆变器的频率变化率ROCOF，对时间t积分，计算得到并网逆变器的频率ω。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、在最大频率变化率上，本方法设计的并网逆变器的最大频率变化率为umax，然而虚拟同步机控制及其改进控制，需要通过设计惯量和阻尼来间接控制最大频率变化率，本方法的控制参数设计更加简单、直接。
2、在响应速度上，由于本方法是最优时间控制，使用本方法设计的并网逆变器与基于其它方法设计的并网逆变器相比，具有最快的响应速度。
3、在有功功率超调上，有功功率超调产生的原因是并网逆变器频率ω和电网频率ωg存在差值导致的功角超调，由于本方法可以实现对并网逆变器频率ω的快速调节，功角超调也较小，因此本方法设计的并网逆变器与基于其它方法设计的并网逆变器相比，具有较小的有功功率超调。
综上所述，本发明既有可以简单调节的最大频率变化率，同时又具有较快的响应速度和较小的有功功率超调量，使用本发明进行并网逆变器的有功-频率控制环设计，可以降低并网逆变器的成本，提高并网逆变器的运行性能，本发明具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为通过本发明设计的并网逆变器有功-频率控制环框图。
图3a为有功功率增加的情况下基于本发明方法与其它控制方法设计的并网逆变器有功功率的对比图。
图3b为有功功率增加的情况下基于本发明方法与其它控制方法设计的并网逆变器频率的对比图。
图3c为有功功率增加的情况下基于本发明方法与其它控制方法设计的并网逆变器频率变化率的对比图。
图4a为电网频率减小的情况下基于本发明方法与其它控制方法设计的并网逆变器有功功率的对比图。
图4b为电网频率减小的情况下基于本发明方法与其它控制方法设计的并网逆变器频率的对比图。
图4c为电网频率减小的情况下基于本发明方法与其它控制方法设计的并网逆变器频率变化率的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供了一种基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，包括以下步骤：
1)获得并网逆变器的运行参数，包括并网逆变器的有功功率P、并网逆变器的最大有功传输功率Pm、并网逆变器正常运行设定功率P0、并网逆变器正常运行设定频率ω0、容许的最大频率变化率umax、并网逆变器一次调频系数kp、电网频率ωg和并网逆变器频率ω。其中，在本实施例中，并网逆变器的最大有功传输功率Pm为2200W，并网逆变器正常运行设定功率P0为300W，并网逆变器正常运行设定频率ω0为100πrad/s，容许的最大频率变化率umax为0.5Hz/s，并网逆变器一次调频系数kp为300J/rad，而有功功率P、电网频率ωg和并网逆变器输出频率ω，则根据并网逆变器当前运行状态得到。
2)根据步骤1)获得的并网逆变器的有功功率P、并网逆变器正常运行设定功率P0、并网逆变器正常运行设定频率ω0、并网逆变器一次调频系数kp、电网频率ωg和并网逆变器频率ω，计算得到并网逆变器的瞬时有功功率偏差值ΔP和瞬时频率偏差值Δω如下：
Figure BDA0003574458820000051
3)根据步骤1)获得的并网逆变器的最大有功传输功率Pm、容许的最大频率变化率umax和步骤2)获得的并网逆变器的瞬时有功功率偏差值ΔP和瞬时频率偏差值Δω，计算得到并网逆变器的最优切换边界h如下：
Figure BDA0003574458820000052
4)根据步骤3)获得的最优切换边界，计算得到并网逆变器的频率变化率ROCOF如下：
ROCOF＝-sgn(h)umax＝-0.5sgn(h) (6)
其中：sgn(·)为符号函数。
5)根据步骤4)获得的并网逆变器的频率变化率ROCOF，对时间t积分，计算得到并网逆变器的频率ω。
本发明设计通过以上步骤可以得到的并网逆变器有功-频率控制环框图，如图2所示。
当并网逆变器正常运行设定功率P0由300W增加到600W，电网频率ωg保持100πrad/s不变时，基于本方法与其它控制方法设计的并网逆变器输出有功功率、频率和频率变化率的对比，如图3a、3b、3c所示。通过图3a、3b、3c可以看出，在保证最大频率变化率相同的前提下，基于本方法设计的并网逆变器的有功功率无超调，而基于其它控制方法设计的并网逆变器的有功功率存在超调，此外基于本方法设计的并网逆变器的响应速度最快。
当电网频率ωg由100πrad/s减少到(100π-1)rad/s时，基于本方法与其它控制方法设计的并网逆变器输出有功功率、频率和频率变化率的对比，如图4a、4b、4c所示。由图4a、4b、4c可以看出，在保证最大频率变化率相同的前提下，基于本方法设计的并网逆变器的有功功率超调量最小，由传统虚拟同步机控制的28.3％降低到16.5％，此外基于本方法设计的并网逆变器的响应速度最快，也具有更加优异的性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取并网逆变器的运行参数；
2)根据步骤1)获取的并网逆变器的运行参数，计算并网逆变器的瞬时有功功率偏差值和瞬时频率偏差值；
3)根据步骤1)获取的并网逆变器的运行参数和步骤2)计算所得的并网逆变器的瞬时有功功率偏差值、瞬时频率偏差值，计算并网逆变器的最优切换边界；
4)根据步骤3)计算所得的并网逆变器的最优切换边界，计算并网逆变器的频率变化率；
5)根据步骤4)计算所得的并网逆变器的频率变化率，计算并网逆变器的频率。
2.根据权利要求1所述的基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，其特征在于：在步骤1)中，需要获得的运行参数包括并网逆变器的有功功率P、并网逆变器的最大有功传输功率Pm、并网逆变器正常运行设定功率P0、并网逆变器正常运行设定频率ω0、容许的最大频率变化率umax、并网逆变器一次调频系数kp、电网频率ωg和并网逆变器频率ω。
3.根据权利要求1所述的基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，其特征在于：在步骤2)中，计算得到的并网逆变器的瞬时有功功率偏差值ΔP和瞬时频率偏差值Δω满足以下公式：
Figure FDA0003574458810000011
其中：P为并网逆变器的有功功率；P0为并网逆变器正常运行设定功率；kp为并网逆变器一次调频系数；ω0为并网逆变器正常运行设定频率；ωg为电网频率；ω为并网逆变器频率。
4.根据权利要求1所述的基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，其特征在于：在步骤3)中，计算得到的最优切换边界h满足以下公式：
Figure FDA0003574458810000021
其中：ΔP为并网逆变器的瞬时有功功率偏差值；Δω为并网逆变器的瞬时频率偏差值；Pm为并网逆变器的最大有功传输功率；umax为容许的最大频率变化率；|·|运算表示取绝对值。
5.根据权利要求1所述的基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，其特征在于：在步骤4)中，计算得到的并网逆变器的频率变化率ROCOF满足以下公式：
ROCOF＝-sgn(h)umax (3)
其中：sgn(·)为符号函数；h为最优切换边界；umax为容许的最大频率变化率。
6.根据权利要求1所述的基于直接频率变化率控制的并网逆变器频率控制方法，其特征在于：在步骤5)中，根据步骤4)获得的并网逆变器的频率变化率ROCOF，对时间t积分，计算得到并网逆变器的频率ω。
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