基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统的制作方法

本发明涉及逆变器多机并联技术领域，特别是一种基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统的设计。

背景技术：

目前，随着电源系统应用领域的日益推广和扩大，采用扩大单台变换器的功率的集中式供电方式已经不能满足实际需求。而分布式供电方式中的逆变器多模块并联可降低各模块的电流应力，提高系统可靠性和灵活性，成为了当今电源变换技术发展的重要方向之一。然而，逆变器多模块并联时由于各模块间参数不完全一样，会导致各并联模块间的环流问题。环流会对系统产生不利的影响，如使波形发生畸变，增加系统损耗，降低系统效率等，因此并联系统控制的关键是对环流进行抑制。

对于并联逆变器系统而言，各并联模块输出电压的矢量差是导致并联系统环流产生的主要原因。采用传统的功率下垂并联控制方式时，因常忽略线路阻抗影响或假定并联逆变器间阻抗呈纯感性且相等，使得功率无法达到精确均分，系统稳定性降低。目前抑制环流的一种行之有效的解决方法就是通过下垂控制在并联逆变器各相之间增加一个高阻抗电感。这种方法固然可以抑制环流，但同时也增加了系统体积、损耗及压降，尤其对大功率逆变器来说是无法接受的。因此，通过采用虚拟同步发电机控制策略来增加等效输出阻抗的方法被提出，本发明就是通过采用该控制策略并增加虚拟阻抗来实现抑制环流的目的。

同步发电机具有输出阻抗大(呈阻感性)、惯性大、自同步等诸多优点，通过一定的控制算法使逆变器具有同步发电机的基本特性，可以更好地满足微电网运行要求。同时，通过模拟同步发电机的高输出阻抗特性在逆变器多机并联时可有效抑制并联系统间的环流大小。且电压型虚拟同步发电机控制因其控制对象是逆变器输出电压，能很好地实现电压的稳定控制，可进一步降低并联系统间的环流。

技术实现要素：

为了克服现有解决方案的不足，本发明提出一种基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统。

本发明的一种基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统，其特征在于，该系统包括多个逆变器并联模块，多个逆变器彼此并联，共同带负荷，其中，各逆变器并联模块从输入至输出还包括直流电压源U_dc、直流侧储能电容C_dc、逆变桥、LC滤波电路、采样电路、控制器和PWM驱动保护电路再返回逆变桥；最后将控制器输出信号与PWM生成模块的三角载波相比较生成驱动三相逆变器的调制信号；

所述采样电路包括滤波电感电流采样、滤波电容电压采样、输出电流采样；

所述控制器包括含四部分控制器：虚拟同步发电机控制算法模块、虚拟阻抗环、电压控制器和电流控制器；其中，

所述虚拟同步发电机算法模块，根据给定的输入虚拟同步发电机模型的机械功率和励磁电动势来模拟同步发电机的电气特性和机械特性，实现调节输出频率、提供机械功率和调节励磁电压的作用；

所述虚拟阻抗环，通过增加虚拟的阻抗修正虚拟同步发电机模块输出的电压；

所述电压控制器和电流控制器构成电压电流双环控制，所述电压控制器根据虚拟阻抗环输出的参考电压信号来调节输出电压；所述电流控制器根据前级电压控制器模块输出的参考电流信号来调节输出电流。

与现有技术相比，本发明解决了现有方法通过串联高阻抗电感实现环流抑制时所带来的系统体积、成本较大且电压波动较大的问题。

附图说明

图1为本发明的基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器多模块并联环流抑制系统结构图；

图2为本发明的基于虚拟同步发电机控制策略的采用虚拟阻抗环的级联电压电流环(VSG)控制框图；

图3为本发明实施例的基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统的两逆变器并联仿真波形图；两台逆变器的额定容量均为10KVA，开关频率为10KHz，电网额定频率为50Hz，负荷所需有功功率为5Kw，所需无功功率为500Var。t＝0时刻，逆变器1#单独带负荷运行；t＝0.3s时刻，逆变器2#接入系统，与逆变器1#并联共同为负载供电。(a)为逆变器1#输出电压和电流波形图，(b)为逆变器1#输出电压的频率波形图，(c)为两并联逆变器共同带负荷时的环流波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的解释说明。

如图1所示，本发明的基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统，具体包括多个逆变器并联模块，所述逆变器并联模块包括直流电压源、直流侧储能电容、逆变桥、LC滤波电路、采样电路、控制和驱动保护电路。其中直流电压源可采用直接电压源形式，也可以是经过多种新能源形式得到的直流电压，如光伏电池经单级DC/DC升压电路或风机经两级变换电路(AC/DC/DC)得到。

逆变器开关器件的死区会引起输出电压波形严重失真，同时由于死区效应会随开关频率的提高而增强，因此仅靠提高开关频率并不能明显改善输出波形，但通过电压瞬时值的反馈控制可得到良好的校正波形。

将因死区等因素引起的逆变器输出电压的偏差作为一种扰动，该扰动既含有基波分量，也含有谐波分量。前者影响输出电压的稳压精度，后者则引起了输出电压波形的失真。因此，只要抑制该偏差电压的影响，也就抑制了谐波失真，同时也改善了稳压精度。

采用电压瞬时值反馈控制能够抑制该电压偏差产生的谐波失真，使逆变器的元器件参数尽量保持一致，故而能够抑制环流。同时在电压环的基础上再增加电流环，因电流内环还具有自动限流的功能，可有效抑制电流的干扰，同时又使得电压外环的设计得到简化。

本发明的基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统模型中一共包含四部分控制器：虚拟同步发电机控制算法、虚拟阻抗环、电压控制器和电流控制器。其中，虚拟同步发电机算法模块的作用是根据给定的输入虚拟同步发电机模型的机械功率和励磁电动势来模拟同步发电机的电气特性和机械特性；虚拟阻抗环的作用是通过增加虚拟的阻抗修正虚拟同步发电机模块输出的电压；引入了电压电流双环控制，其中电压控制器的作用是根据虚拟阻抗环输出的参考电压信号来调节输出电压；电流控制器的作用则是根据前级电压控制器模块输出的参考电流信号来调节输出电流；最后将该模块输出的信号与PWM生成模块的三角载波相比较生成驱动三相逆变器电力电子器件的调制信号。

图2为本发明的基于虚拟同步发电机控制策略的采用虚拟阻抗环的级联电压电流环控制框图，级联的含义是：外环是电压环，内环是电流环；该图中，由虚拟同步发电机模块输出的电压U首先减去流经虚拟阻抗Z_v上的输出电流i_o产生的电压压降得到新的电压值U_ref，该值作为外环电压环的输入参考值与滤波电容电压U_o作差比较后经过比例积分(PI)调节器后得到内环电流环的电流参考值i_ref，该参考值再与输出电流i_o作差比较后经过比例积分(PI)调节器和逆变桥等效增益环节k_pwm后得到逆变桥输出电压，该值再与输出电压U_o作差比较后经过滤波电感环节得到滤波电感电流i_L，该电流值与输出电流i_o作差比较后得到滤波电容电流i_C，接着由该电容电流经过滤波电容环节后得到输出滤波电容电压U_o。基于二阶机电暂态模型的虚拟同步发电机(VSG)控制算法通过模拟实际同步发电机控制系统中的原动机和调速器以及励磁调节器的功能，实现调节输出频率、提供机械功率和调节励磁电压的作用。

图3为本发明实施例的基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器并联环流抑制系统的两逆变器并联仿真波形图；两台逆变器的额定容量均为10KVA，开关频率为10KHz，电网额定频率为50Hz，负荷所需有功功率为5Kw，所需无功功率为500Var。t＝0时刻，逆变器1#单独带负荷运行；t＝0.3s时刻，逆变器2#接入系统，与逆变器1#并联共同为负载供电。图3中(a)为逆变器1#输出电压和电流波形图，图3中(b)为逆变器1#输出电压的频率波形图，图3中(c)为两并联逆变器共同带负荷时的环流波形图。