CN116054614A - 一种逆变器控制方法和系统 - Google Patents

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金庆忍
张龙飞
奉斌
莫枝阅
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Abstract

本发明属于电力领域，尤其涉及一种逆变器控制方法和系统，方法包括计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，确保了逆变器安全不过流的同时实现了暂态同步稳定，提升了逆变器的可靠并网运行能力。

Description

一种逆变器控制方法和系统
技术领域
本发明属于电力领域，尤其涉及一种逆变器控制方法和系统。
背景技术
随着能源危机的加剧，越来越多的逆变器装备接入电网，逆变器是一种可以将直流电能转化为交流电能的重要装置，在新能源发电领域得到了广泛应用。
电网结构复杂，容易受到极端天气的影响，且面临大规模切除机组、短路故障等因素的考验，导致电网电压与频率出现大范围波动。当电网发生暂态故障时，电网电压迅速跌落，并网逆变器输出电流快速上升。由于逆变器过流能力弱，故障深度较深时，故障电流可能烧毁逆变器，因此，需要逆变器的紧急限流控制对逆变器的自身安全至关重要。现有的技术研究了多种限流方法，主要思想是针对逆变器实时输出电流的大小调整逆变器的等效内电势幅值与相位。但是，调整逆变器的内电势改变了逆变器的暂态运行特性，可能降低逆变器的稳定性并引发逆变器暂态失稳。现有的研究虽然考虑到了逆变器的失稳问题，但多从小信号层面优化了扰动对逆变器稳定性的影响，未考虑到深度故障条件下逆变器的暂态稳定运行特性，或是忽略了限流控制的影响。
发明内容
为了解决或者改善上述问题，本发明提供了一种逆变器控制方法和系统，具体技术方案如下：
本发明提供一种逆变器控制方法，包括：计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；根据所述电容电压幅值调整参考有功功率。
优选的，方法还包括：计算控制环输出的内电势和角频率；对应的，所述对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，包括：基于所述内电势和所述角频率对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换。
优选的，所述电容电压幅值
Figure BDA0004038706570000021
其中，所述vd和vq是dq坐标系下的电容电压；
Figure BDA0004038706570000022
其中，va、vb和vv是所述原始电容电压。
优选的，所述根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，包括：
待调整的所述参考有功功率
Figure BDA0004038706570000023
其中，Pn为逆变器额定参考功率值，vn为逆变器额定输出电压幅值，h为功率调整比例系数,Rv1为低频等效阻抗。
优选的，所述预设的变量调整参数，包括：逆变器限幅器限幅值，数值为120A；虚拟阻抗比例值，数值为1；阻抗比值，数值为0.3；功率调整比例系数，数值为1；低通滤波器值，数值为0.01s；额定参考有功功率，数值为34kw；参考角频率，数值为314.15926rad/s；无功下垂控制参考内电势幅值，数值为320V；额定电容电压幅值，数值为311V。
本发明提供一种逆变器控制系统，包括：第一单元，用于计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；第二单元，用于根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；第三单元，用于对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；第四单元，用于根据所述电容电压幅值调整参考有功功率。
优选的，所述第一单元，还用于计算控制环输出的内电势和角频率；对应的，所述第三单元，用于基于所述内电势和所述角频率对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换。
优选的，所述电容电压幅值
Figure BDA0004038706570000031
其中，所述vd和vq是dq坐标系下的电容电压；
Figure BDA0004038706570000032
其中，va、vb和vv是所述原始电容电压。
优选的，所述根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，包括：
待调整的所述参考有功功率
Figure BDA0004038706570000033
其中，Pn为逆变器额定参考功率值，vn为逆变器额定输出电压幅值，h为功率调整比例系数,Rv1为低频等效阻抗。
优选的，所述预设的变量调整参数，包括：逆变器限幅器限幅值，数值为120A；虚拟阻抗比例值，数值为1；阻抗比值，数值为0.3；功率调整比例系数，数值为1；低通滤波器值，数值为0.01s；额定参考有功功率，数值为34kw；参考角频率，数值为314.15926rad/s；无功下垂控制参考内电势幅值，数值为320V；额定电容电压幅值，数值为311V。
本发明的有益效果为：计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，确保了逆变器安全不过流的同时实现了暂态同步稳定，提升了逆变器的可靠并网运行能力。
附图说明
图1是根据本发明的逆变器控制方法的示意图；
图2是根据本发明的逆变器的结构框图；
图3是根据本发明的虚拟阻抗限流控制的结构图；
图4是根据本发明的不同控制状态下逆变器的功率曲线图；
图5是根据本发明的使用功率调节控制的逆变器的功角变化曲线图；
图6是传统限流控制方案时逆变器的功角、输出功率示意图；
图7是根据逆变器的A相电容电压、A相输出电流；
图8是根据本发明的逆变器的功角、输出功率示意图；
图9是根据本发明的逆变器的A相电容电压、A相输出电流；
图10是根据本发明的执行方法示意图。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
为了解决或者改善对背景所提出的问题，本发明提供如图1所示一种逆变器控制方法，包括：S1、计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；S2、根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；S3、对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；S4、根据所述电容电压幅值调整参考有功功率。
逆变器控制的解决思路：
步骤一：根据逆变器的输出角频率对逆变器电感电流与电容电压进行dq坐标变换。
选择下垂逆变器为主要研究对象，逆变器的结构框图如图2所示。Pset与Qset分别为逆变器的参考有功/无功功率。E0为无功下垂环参考内电势幅值，ω0为有功下垂控制环参考角频率。E与ωout分别为逆变器有功/无功控制环输出内电势与角频率。Lf与Rf为滤波器电感的感值与阻值，Lg与Rg为线路电感的感值与阻值，Cf为滤波器电容。iabc与vabc分别为滤波器电感电流与电容电压，Udc为直流侧母线电压。
逆变器PWM调制角的相位可表示为：δ＝∫ωoutdt，(1)，其中t为时间。逆变器dq坐标系下的电感电流与电容电压分别表示如下：
Figure BDA0004038706570000051
其中，idq与vdq分别为dq坐标系下的逆变器电感电流与电容电压。i0与v0分别为逆变器零序电感电流与零序电容电压。
步骤二：设计逆变器虚拟阻抗限流控制策略
当检测到逆变器输出电流大于逆变器允许电流值时，为了抑制逆变器故障电流，设计了逆变器虚拟阻抗限流控制方法，虚拟阻抗限流控制的结构如图3所示。Imax为逆变器输出电流限幅值，kvr虚拟电阻的比例系数，kxr为虚拟阻抗的阻抗比。输入至开关管进行PWM调制的dq轴调制电压信号分别为eind与einq，可表示为：
Figure BDA0004038706570000061
其中，udv与uqv分别为虚拟阻抗在dq轴上的等效压降。
逆变器的功率传输曲线表达式如下：
Figure BDA0004038706570000062
其中，Einv为逆变器等效内电势，Ug为电网电压，XΣ为逆变器桥臂中点与电网间等效线路电感，θ为逆变器功角。
由式(5)可知，当逆变器电网侧故障发生时，逆变器电容电压降低，故障电流上升，降低了逆变器允许的最大传输功率。当逆变器达到电流限幅条件时，虚拟阻抗增加，逆变器传输功率进一步下降，不同控制状态下逆变器的功率曲线可如图4表示。图4中L1为无故障条件下逆变器的功角传输曲线，L2为故障不限流条件下逆变器的功角传输曲线，L3为故障条件下逆变器虚拟阻抗限流控制策略动作时的功角传输曲线。值得注意的是，当逆变器工作在曲线L2时，由于故障深度较浅，逆变器输出电流未超过逆变器的限幅值，此时虚拟阻抗限流控制不动作。当逆变器工作在曲线L3时，故障深度较深，逆变器输出电流超过逆变器的限幅值，此时虚拟阻抗限流控制动作。
从图4可知，当电网发生轻度故障时，逆变器最大传输功率降低，逆变器运行点从L1转移至L2的过程中，功角增加，逆变器存在稳定平衡点。当发生深度故障时，限流控制器动作，逆变器功角传输曲线与参考功率线不存在交点，即此时系统不存在稳定平衡点，此时逆变器的输出功角持续增加。根据电力系统功角稳定理论，当逆变器功角大于180°时，逆变器将发生持续失稳。
步骤三：检测逆变器电容电压
由以上分析可知，在不同故障深度条件下，电网电压跌落程度不同，逆变器的功角传输特性不同，并引起逆变器的输出功率与功角发生不同的改变。电网电压大幅跌落时，会引起逆变器电容电压大幅下降，因此，检测逆变器的电容电压是调整逆变器暂态稳定性的重要标志之一。逆变器电容电压幅值的计算表达式如下：
Figure BDA0004038706570000071
其中，vamp是逆变器电容电压幅值。逆变器的控制器通过电压传感器实时采集逆变器abc三相电容电压，并根据式(3)与(6)计算逆变器电容电压幅值。
步骤四：调整逆变器参考有功功率
由以上分析可知，在深度故障条件下，逆变器不存在稳定平衡点，功角会在故障期间持续增加。因此，为了提高逆变器的暂态稳定性，需要降低逆变器的输出功率。逆变器输出功率的调整表达式如下：
Figure BDA0004038706570000072
其中，Pn为逆变器额定参考功率值，vn为逆变器额定输出电压幅值，h为功率调整比例系数。Rv1为低频等效阻抗，表达式为：
Figure BDA0004038706570000073
其中，Tf为低通滤波器的时间常数。选择低通滤波器的原因是电流限幅器的输出存在高频扰动，因此使用低通滤波器滤除高频干扰得到低频等效虚拟阻抗Rv1。该方式根据vamp的幅值范围调整参考有功功率，当故障深度较浅时(vamp≥0.8vn，其中vn为额定电容电压幅值)，逆变器功角曲线存在稳定平衡点，则此时不需要调整逆变器的参考有功功率。当故障深度较深时(vamp<0.8vn)，逆变器的功角曲线较难存在稳定平衡点，因此需要降低逆变器的参考有功功率。根据式(7)，当Rv1为0时，Pset＝Pn，当Rv1>0且vamp<0.8vn时，Pset<Pn，因此该方式有效实现了逆变器参考功率自适应调整。根据表达式(7)可画出使用功率调节控制的逆变器的功角变化曲线，如图5所示。其中Pset与Pset1分别为调整前与调整后的参考功率，θ0为故障发生前逆变器稳定平衡点的功角。使用该控制策略确保了故障期间使用限流控制的逆变器存在稳定平衡点。同时根据等面积定则可得到逆变器的加速与减速面积，由于故障后逆变器的运行曲线转移至曲线L3，参考功率降低至Pset1，由图可知，此时不存在加速面积，仅有最大减速面积。根据等面积定则，逆变器在故障期间将维持稳定。
具体的验证原理包括：
在一并网逆变器上进行实际测试与验证，分别得到逆变器功角、输出有功功率、输出无功功率、A相电容电压、A相输出电流等多种信息。电网在4s时发生跌落，并在4.3s时恢复。当使用传统限流控制方案时逆变器的功角、输出功率如图6所示。从图中可以看出，故障前逆变器的输出功率为34kW，功角维持在较小的范围。当故障发生后，功角快速增加，并在故障清除后持续增加，最终超过360°。同时，逆变器输出有功无功功率在故障清除后仍持续振荡。逆变器的A相电容电压、A相输出电流如图7所示，逆变器的电容电压幅值在故障期间跌落至100V，逆变器在故障发生后维持在限制电流值输出。但故障清除后，电容电压恢复，但逆变器的输出电流持续振荡，系统失稳。
当使用本发明提出的控制方案时逆变器的功角、输出功率如图8所示。使用本发明提出的控制方案时逆变器的A相电容电压、A相输出电流如图9所示。从图8可以看出，故障发生前逆变器的功角为14°，在故障清除后逆变器功角增加至16°，最终恢复稳定。同时，逆变器输出有功无功功率在故障清除后也恢复稳定。逆变器的电容电压幅值在故障期间跌落至100V，逆变器在故障发生后维持在限制电流值输出。但故障清除后，逆变器的电容电压与输出电流快速恢复，系统恢复稳定。
本发明的实施流程：
首先通过电压互感器与电流互感器分别获取实时的电容电压与电感电流，计算逆变器的输出有功/无功功率。
然后在逆变器的控制器中写入有功与无功功率下垂控制环的程序，分别得到逆变器有功/无功控制环输出内电势与角频率。
随后，执行逆变器的限流控制策略，具体执行方法如图10所示，图10中的变量名如前所述。接着进行电容电压的dq变换得到vd与vq，并计算逆变器电容电压幅值vamp。
最后根据电容电压的幅值调整逆变器的参考有功功率。如vamp≥0.8vn，则逆变器的参考有功功率不改变，如vamp<0.8vn，则调整逆变器的参考有功功率，调整表达式参考式(7)。图10中主要变量的参数如下：
Figure BDA0004038706570000091
Figure BDA0004038706570000101
方法还包括：计算控制环输出的内电势和角频率；对应的，所述对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，包括：基于所述内电势和所述角频率对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换。
所述电容电压幅值
Figure BDA0004038706570000102
其中，所述vd和vq是dq坐标系下的电容电压；
Figure BDA0004038706570000103
其中，va、vb和vv是所述原始电容电压。
所述根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，包括：
待调整的所述参考有功功率
Figure BDA0004038706570000104
其中，Pn为逆变器额定参考功率值，vn为逆变器额定输出电压幅值，h为功率调整比例系数,Rv1为低频等效阻抗。
所述预设的变量调整参数，包括：逆变器限幅器限幅值，数值为120A；虚拟阻抗比例值，数值为1；阻抗比值，数值为0.3；功率调整比例系数，数值为1；低通滤波器值，数值为0.01s；额定参考有功功率，数值为34kw；参考角频率，数值为314.15926rad/s；无功下垂控制参考内电势幅值，数值为320V；额定电容电压幅值，数值为311V。
本发明提供一种逆变器控制系统，包括：第一单元，用于计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；第二单元，用于根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；第三单元，用于对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；第四单元，用于根据所述电容电压幅值调整参考有功功率。
所述第一单元，还用于计算控制环输出的内电势和角频率；对应的，所述第三单元，用于基于所述内电势和所述角频率对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换。
所述电容电压幅值
Figure BDA0004038706570000111
其中，所述vd和vq是dq坐标系下的电容电压；
Figure BDA0004038706570000112
其中，va、vb和vv是所述原始电容电压。
所述根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，包括：
待调整的所述参考有功功率
Figure BDA0004038706570000113
其中，Pn为逆变器额定参考功率值，vn为逆变器额定输出电压幅值，h为功率调整比例系数,Rv1为低频等效阻抗。
所述预设的变量调整参数，包括：逆变器限幅器限幅值，数值为120A；虚拟阻抗比例值，数值为1；阻抗比值，数值为0.3；功率调整比例系数，数值为1；低通滤波器值，数值为0.01s；额定参考有功功率，数值为34kw；参考角频率，数值为314.15926rad/s；无功下垂控制参考内电势幅值，数值为320V；额定电容电压幅值，数值为311V。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元，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。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。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种逆变器控制方法，其特征在于，包括：
计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；
根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；
对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；
根据所述电容电压幅值调整参考有功功率。
2.根据权利要求1所述逆变器控制方法，其特征在于，还包括：
计算控制环输出的内电势和角频率；
对应的，所述对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，包括：
基于所述内电势和所述角频率对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换。
3.根据权利要求2所述逆变器控制方法，其特征在于，所述电容电压幅值
Figure FDA0004038706560000011
其中，所述vd和vq是dq坐标系下的电容电压；
Figure FDA0004038706560000012
其中，va、vb和vv是所述原始电容电压。
4.根据权利要求3所述逆变器控制方法，其特征在于，所述根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，包括：
待调整的所述参考有功功率
Figure FDA0004038706560000013
其中，Pn为逆变器额定参考功率值，vn为逆变器额定输出电压幅值，h为功率调整比例系数,Rv1为低频等效阻抗。
5.根据权利要求4所述逆变器控制方法，其特征在于，所述预设的变量调整参数，包括：
逆变器限幅器限幅值，数值为120A；
虚拟阻抗比例值，数值为1；
阻抗比值，数值为0.3；
功率调整比例系数，数值为1；
低通滤波器值，数值为0.01s；
额定参考有功功率，数值为34kw；
参考角频率，数值为314.15926rad/s；
无功下垂控制参考内电势幅值，数值为320V；
额定电容电压幅值，数值为311V。
6.一种逆变器控制系统，其特征在于，包括：
第一单元，用于计算有功功率和无功功率，并分别设置对应的下垂控制环流程；
第二单元，用于根据预设的变量调整参数，执行虚拟阻抗限流控制策略；
第三单元，用于对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换，并计算得到电容电压幅值；
第四单元，用于根据所述电容电压幅值调整参考有功功率。
7.根据权利要求6所述逆变器控制系统，其特征在于，所述第一单元，还用于计算控制环输出的内电势和角频率；
对应的，所述第三单元，用于基于所述内电势和所述角频率对采集到的原始电感电流和原始电容电压进行dq坐标变换。
8.根据权利要求7所述逆变器控制系统，其特征在于，所述电容电压幅值
Figure FDA0004038706560000031
其中，所述vd和vq是dq坐标系下的电容电压；
Figure FDA0004038706560000032
其中，va、vb和vv是所述原始电容电压。
9.根据权利要求8所述逆变器控制系统，其特征在于，所述根据所述电容电压幅值调整参考有功功率，包括：
待调整的所述参考有功功率
Figure FDA0004038706560000033
其中，Pn为逆变器额定参考功率值，vn为逆变器额定输出电压幅值，h为功率调整比例系数,Rv1为低频等效阻抗。
10.根据权利要求9所述逆变器控制系统，其特征在于，所述预设的变量调整参数，包括：
逆变器限幅器限幅值，数值为120A；
虚拟阻抗比例值，数值为1；
阻抗比值，数值为0.3；
功率调整比例系数，数值为1；
低通滤波器值，数值为0.01s；
额定参考有功功率，数值为34kw；
参考角频率，数值为314.15926rad/s；
无功下垂控制参考内电势幅值，数值为320V；
额定电容电压幅值，数值为311V。
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