一种虚拟同步逆变器的控制方法及系统与流程

本发明属于新能源发电领域，具体涉及一种虚拟同步逆变器的控制方法及系统。

背景技术：

光伏、风能等可再生能源被认为是应对能源危机和环境污染的一种可靠解决方案，微电网技术是提升可再生能源渗透率的一种重要形式。由于太阳能和风能受环境的影响较大，出力不稳定也不连续，故新能源发电系统通常需要电力电子变换装置将电能馈送到交流母线上。传统并网逆变器控制策略没有考虑其惯性缺失而导致频率变化率过快的问题。因而学者们提出了可模拟实际同步发电机工作特性的虚拟同步发电机的控制方法。

实际同步发电机通过存在于气隙的旋转磁场检测出电网频率，并通过阻尼绕组感应出的电流产生阻尼功率进而抑制系统的频率波动。此时的阻尼功率是由转子旋转角频率与电网频率之差再乘以阻尼系数得到。但逆变器不具有同步机的旋转转子结构使其不能完全像同步机那样运行，因此需要pll环节检测得到电网频率。该方法需要得到并网电压信息，不适用于弱电网或者电网发生严重畸变的情形，此时的pll环节将会影响系统的稳定性。另一种方法是采用将电网标称频率代替pll环节得到的电网频率，由此得到的阻尼功率将是由转子旋转角频率与电网标称频率之差再乘以阻尼系数得到，会对功率分配和频率调节产生影响。此外，由于微电网系统的线路阻抗通常呈阻性或阻感性，基于下垂控制的有功和无功调节之间产生一定的耦合，影响系统的稳定性和动态性能。传统功率解耦控制是通过引入虚拟阻抗补偿线路电压降，虚拟阻抗的实现方法是通过低通滤波器引入一个微分项来抑制高频干扰，该微分项会影响虚拟阻抗的性能甚至会恶化功率的动态响应和功率分配的精度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述不足问题，本发明提供一种虚拟同步逆变器的控制方法及系统。

一种虚拟同步逆变器的控制方法，包括：

基于频率调节阻尼系数改进虚拟同步发电机控制有功调节；

基于虚拟同步逆变器的输出电压、电流和线路阻抗，改进公共连接点电压计算环节控制无功调节；

基于所述有功调节和所述无功调节对逆变器输出的功率进行解耦控制。

优选的，所述基于频率调节阻尼系数改进虚拟同步发电机的阻尼功率控制有功调节，包括：

基于所述频率调节带通滤波器的阻尼系数；

基于所述带通滤波器的阻尼系数计算阻尼功率；

根据所述阻尼功率计算机械功率进而控制有功调节。

优选的，所述基于所述频率调节带通滤波器的阻尼系数，包括：

在低频段，带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|＝0；

在中频段，所述带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|≈d；

其中，fd(s)为带通滤波器的阻尼系数；d为恒定阻尼系数。

优选的，所述带通滤波器阻尼系数fd(s)如下式计算：

fd(s)＝ds/(1+tls)(1+ths)

式中，s为拉普拉斯变换，d为恒定阻尼系数，1/tl为低频截止频率，1/th为高频截止频率。

优选的，所述机械功率如下式计算：

pm＝pe+pd

式中，pm为机械功率，pd为阻尼功率，pe为电磁功率。

优选的，所述阻尼功率按下式计算：

pd＝fd(s)*(w-w0)

式中，fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度。

优选的，所述公共连接点电压计算式如下：

e＝e0+(q^*-qe)/kis+kv*{upcc^*-[uo-io*(rg+wcslg/(s+wc))]}

式中，e为励磁控制器输出电压值，e0为励磁控制器输出电压参考值，q^*为无功功率参考值，qe为无功功率值，ki为积分系数，s为拉普拉斯变换，kv为电压系数，upcc^*为公共连接点电压参考值，uo为逆变器输出电压值，io为逆变器输出电流值，rg为线路阻抗的电阻值，lg为线路阻抗的电抗值，wc为截止频率。

本发明的另一目的在于提出一种虚拟同步逆变器控制系统，包括：有功改进模块、无功改进模块和解耦控制模块；

所述有功改进模块，用于基于频率调节阻尼系数改进虚拟同步发电机控制有功调节；

所述无功改进模块，用于基于虚拟同步逆变器的输出电压、电流和线路阻抗，改进公共连接点电压计算环节控制无功调节；

所述解耦控制模块，用于基于所述有功调节和所述无功调节对逆变器输出的功率进行解耦控制。

优选的，所述有功改进模块，包括：调节子模块、计算子模块和改进子模块；

所述调节子模块，用于基于所述频率调节带通滤波器的阻尼系数，如下式计算：

fd(s)＝ds/(1+tls)(1+ths)

式中，s为拉普拉斯变换，d为恒定阻尼系数，1/tl为低频截止频率，1/th为高频截止频率；

所述计算子模块，用于基于所述带通滤波器的阻尼系数计算阻尼功率，如下式计算：

pd＝fd(s)*(w-w0)

式中，pd为阻尼功率，fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度；

所述改进子模块，用于根据所述阻尼功率计算机械功率进而控制有功调节，按下式计算所述机械功率：

pm＝pe+pd

式中，pm为机械功率，pe为电磁功率。

优选的，所述无功改进模块，包括：电压计算子模块；

所述电压计算子模块，用于改进所述公共连接点电压，如下式计算：

e＝e0+(q^*-qe)/kis+kv*{upcc^*-[uo-io*(rg+wcslg/(s+wc))]}

式中，e为励磁控制器输出电压值，e0为励磁控制器输出电压参考值，q^*为无功功率参考值，qe为无功功率值，ki为积分系数，s为拉普拉斯变换，kv为电压系数，upcc^*为公共连接点电压参考值，uo为逆变器输出电压值，io为逆变器输出电流值，rg为线路阻抗的电阻值，lg为线路阻抗的电抗值，wc为截止频率。

优选的，所述计算子模块，包括：判定确定单元；

所述判定确定单元，用于在低频段，带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|＝0；

在中频段，所述带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|≈d；

其中，fd(s)为带通滤波器的阻尼系数；d为恒定阻尼系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的技术方案是基于频率调节阻尼系数改进虚拟同步发电机的阻尼功率控制有功调节以及根据虚拟同步逆变器的输出电压、电流和线路阻抗，改进公共连接点电压计算环节控制无功调节；通过有功调节和无功调节对逆变器输出的功率进行解耦控制，消除采用恒定阻尼系数对下垂控制带来的影响。

本发明的技术方案通过改进励磁控制器的公共连接点(pcc)电压计算环节，避免了传统虚拟阻抗配置带来的设计复杂和计算量大等问题；

本发明的技术方案通过将三相电压源逆变器模拟成同步发电机的工作特性，提升新能源并网发电的旋转惯性；

本发明的技术方案通过采用多环控制，包括有功、无功调节环和底层电压电流双闭环，系统稳定性提高。

附图说明

图1本发明的方法流程图；

图2本发明的虚拟同步逆变器系统结构图；

图3本发明的改进的虚拟同步机转子模拟环节控制框图；

图4本发明的改进的虚拟同步机励磁控制器控制框图；

图5本发明的虚拟逆变器输出有功功率的波形图；

图6本发明的虚拟逆变器输出无功功率的波形图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明要解决的技术问题是通过提出一种应用于微网的基于改进功率解耦控制的虚拟同步逆变器技术，实现逆变器输出有功和无功功率的解耦控制，并通过改进虚拟同步机的转子方程省去同步锁相(pll)环节，消除采用恒定阻尼系数对下垂控制带来的影响。

从图1可以看出，一种虚拟同步逆变器的控制方法，包括：

基于频率调节阻尼系数改进虚拟同步发电机控制有功调节。

进一步的，基于频率调节阻尼系数改进虚拟同步发电机的阻尼功率控制有功调节，包括：

基于所述频率调节带通滤波器的阻尼系数；

基于所述带通滤波器的阻尼系数计算阻尼功率；

根据所述阻尼功率计算机械功率进而控制有功调节。

进一步的，基于所述频率调节带通滤波器的阻尼系数，包括：

在低频段，带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|＝0；

在中频段，所述带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|≈d；

其中，fd(s)为带通滤波器的阻尼系数；d为恒定阻尼系数。

带通滤波器阻尼系数fd(s)如下式计算：

fd(s)＝ds/(1+tls)(1+ths)

式中，s为拉普拉斯变换，d为恒定阻尼系数，1/tl为低频截止频率，1/th为高频截止频率。

机械功率如下式计算：

pm＝pe+pd

式中，pm为机械功率，pd为阻尼功率，pe为电磁功率。

阻尼功率按下式计算：

pd＝fd(s)*(w-w0)

式中，fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度。

基于虚拟同步逆变器的输出电压、电流和线路阻抗，改进公共连接点电压计算环节控制无功调节；

进一步，公共连接点电压计算式如下：

e＝e0+(q^*-qe)/kis+kv*{upcc^*-[uo-io*(rg+wcslg/(s+wc))]}

式中，e为励磁控制器输出电压值，e0为励磁控制器输出电压参考值，q^*为无功功率参考值，qe为无功功率值，ki为积分系数，s为拉普拉斯变换，kv为电压系数，upcc^*为公共连接点电压参考值，uo为逆变器输出电压值，io为逆变器输出电流值，rg为线路阻抗的电阻值，lg为线路阻抗的电抗值，wc为截止频率。

基于所述有功调节和所述无功调节对逆变器输出的功率进行解耦控制。

具体的，

一种微电网用基于改进功率解耦控制的虚拟同步逆变器(vsi)。该逆变器应用于包含光伏、风力发电等可再生能源的微网系统，将旋转惯性引入逆变器控制，使其模拟实际同步发电机的工作特性。通过改进虚拟同步机转子方程省去了同步锁相(pll)环节，消除了传统采用的恒定阻尼系数对下垂系数的影响。提出公共连接点处(pcc点)的电压跟踪其给定参考值的改进控制方法实现了逆变器输出有功和无功功率的解耦控制。

传统采用恒定阻尼系数方法中，阻尼功率的计算公式为pd＝d(w-w0)，则稳态时机械功率pm＝pe+pd＝pe+d(w-w0)；

该阻尼功率再与有功-频率下垂方程相结合后可得：pe＝pref-(kw+d)(w-w0)。即此时等效的下垂系数由原来的kw变成了现在的(kw+d)，表明了采用恒定阻尼系数时的阻尼功率pd对下垂系数产生了影响。

以上各式中，pd为阻尼功率，pm为机械功率，pe为电磁功率，d为恒定阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度，pref为参考输入功率，kw为传统有功-频率下垂系数。

本发明提出了一种改进虚拟同步机的转子方程，具体为改进阻尼功率pd的表达式。

改进后的阻尼功率pd＝fd(s)*(w-w0)，其中fd(s)＝ds/(1+tls)(1+ths)。

式中，fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度，s为拉普拉斯变换，d为恒定阻尼系数，1/tl为低频截止频率，1/th为高频截止频率。

改进后，在低频段，该带通滤波器阻尼系数的幅值为0，即|fd(s)|＝0，表明此时的阻尼功率pd＝0。

该阻尼功率再与有功-频率下垂方程相结合后可得：pe＝pref-kw(w-w0)。即此时等效的下垂系数保持为原有的kw不变，证明了本发明中通过改进虚拟同步机的转子方程消除了传统采用恒定阻尼系数对下垂系数的影响。

虚拟同步逆变器系统包括直流电压源、三相电压源型逆变器、lc滤波电路、负荷以及理想电网和相应的控制驱动电路。其中，用直流电压源形式来代替多种可再生新能源。各种有源和无源负荷连接在微电网和理想电网的公共连接点(pcc)处。

虚拟逆变器的控制系统包含三部分：虚拟逆变器有功调节器、无功励磁调节器以及底层电压电流双闭环控制器。采用基于二阶模型的虚拟逆变器控制通过模拟实际同步发电机系统原动机、调速器以及励磁调节器的功能，实现输出频率和输出电压可调的作用，并可提供一定的机械功率输出。

虚拟逆变器有功调节器主要是模拟了同步发电机的旋转转子方程，采用的是同步发电机二阶机电暂态模型。其中，与传统模拟阻尼功率的方法不同，该阻尼功率是基于带通滤波器得到的，分别引入了一个低频截止频率和一个高频截止频率。

改进后阻尼功率pd的表达式为pd＝fd(s)*(w-w0)，其中fd(s)＝ds/(1+tls)(1+ths)。

式中，fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度，s为拉普拉斯变换，d为恒定阻尼系数，1/tl为低频截止频率，1/th为高频截止频率。

在低频段，带通滤波器的阻尼系数接近于零，即此时|fd(s)|＝0，由此得到阻尼功率pd＝0。该阻尼功率再与有功-频率下垂方程相结合后不改变原有的下垂系数kw，即表明稳态时阻尼功率为零且不影响下垂控制，消除了阻尼功率对下垂系数的影响；

在中频段，带通滤波器的阻尼特性与传统恒定阻尼系数特性基本一致，即此时|fd(s)|≈d，则阻尼功率pd≈d(w-w0)，该阻尼功率与采用传统恒定阻尼系数时的阻尼功率基本相等，即表明动态时将产生恒定的阻尼功率以抑制虚拟逆变器的功率波动。

虚拟逆变器无功励磁调节器模拟了同步发电机的励磁调节器，包括电压-无功功率控制环和电压调节控制。通过引入pcc点的电压反馈得到一个不受线路电压降影响的控制变量，实现了逆变器输出无功功率的独立控制。由于分布式发电单元安装地点的灵活性，pcc点的电压较难获得。考虑到逆变器输出电压、电流和线路阻抗的影响因素，提出了一种基于改进励磁控制器的pcc点电压计算环节，该方法避免了虚拟阻抗配置带来的设计复杂、计算难度大等问题。通过控制pcc点电压跟踪其给定参考值，消除了线路阻抗对输出功率的影响，实现了逆变器无功功率的解耦控制。

本发明提出的改进励磁控制器pcc点的电压计算公式可表示为：e＝e0+(q^*-qe)/kis+kv*{upcc^*-[uo-io*(rg+wcslg/(s+wc))]}。

式中，e为励磁控制器输出电压值，e0为励磁控制器输出电压参考值，q^*为无功功率参考值，qe为无功功率值，ki为积分系数，s为拉普拉斯变换，kv为电压系数，upcc^*为pcc点电压参考值，uo为逆变器输出电压值，io为逆变器输出电流值，rg为线路阻抗的电阻值，lg为线路阻抗的电抗值，wc为截止频率。

该计算公式综合考虑了逆变器输出电压、电流值和线路阻抗的影响，省去了虚拟阻抗的计算环节。

底层控制器采用传统电压电流双闭环控制，电压控制器的作用是根据前级无功励磁调节器输出的参考电压信号调节同步逆变器的输出电压，其后的电流控制器则根据前级电压调节器的输出来调节输出电流，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电压源逆变器的调制信号。

从图2可以看出，本发明所涉及的应用于微电网用基于改进功率解耦控制的虚拟同步逆变器，该逆变器应用于包含光伏、风力发电等可再生能源的微网系统，将旋转惯性引入逆变器控制，使其模拟实际同步发电机的工作特性。虚拟同步逆变器系统包括直流电压源、三相电压源型逆变器、lc滤波电路、负荷以及理想电网和相应的控制驱动电路。其中，用直流电压源形式来代替多种可再生新能源。各种有源和无源负荷连接在微电网和理想电网的公共连接点(pcc)处。虚拟逆变器的控制系统包含三部分：虚拟逆变器有功调节器、无功励磁调节器以及底层电压电流双闭环控制器。

图3为改进的虚拟同步机转子模拟环节控制框图。虚拟逆变器有功调节器主要是模拟了同步发电机的旋转转子方程，采用的是同步发电机二阶机电暂态模型。其中，阻尼功率pd通过带通滤波器得到，其表达式为pd＝fd(s)*(w-w0)，fd(s)＝ds/(1+tls)(1+ths)；式中fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度，pd为阻尼功率，1/tl为低频截止频率，1/th为高频截止频率，s为拉普拉斯变换，d为恒定阻尼系数。该带通滤波器包括一个低频截止频率1/tl和一个高频截止频率1/th。在低频段，带通滤波器的阻尼系数接近于零，表明稳态时阻尼功率为零且不影响下垂控制；在中频段，带通滤波器的阻尼特性与传统恒定阻尼系数特性一致，消除了阻尼功率对下垂系数的影响，表明动态时将产生阻尼功率以抑制虚拟逆变器的功率波动。

图4为改进的虚拟同步机励磁控制器控制框图。虚拟无功励磁调节器模拟了同步发电机的励磁调节器，包括电压-无功功率控制环和电压调节控制。通过引入pcc点的电压反馈得到一个不受线路电压降影响的控制变量，实现了逆变器输出无功功率的独立控制。由于分布式发电单元安装地点的灵活性，pcc点的电压较难获得。考虑到逆变器输出电压、电流和线路阻抗的影响因素，提出了一种基于改进励磁控制器的pcc点电压计算环节，该方法避免了虚拟阻抗配置带来的设计复杂、计算难度大等问题。通过控制pcc点电压跟踪其给定参考值，消除了线路阻抗对输出功率的影响，实现了逆变器无功功率的解耦控制。

图5和图6为本发明改进功率解耦控制的虚拟同步逆变器系统仿真波形图，其中，图5为本发明的虚拟逆变器输出有功功率的波形图；图6为本发明的虚拟逆变器输出无功功率的波形图。图5当t＝0.4s无功负荷波动时，输出有功功率仍能很好的跟踪其功率参考值，不受无功功率波动的影响，说明了虚拟逆变器实现了较好的功率解耦控制。图6当t＝0.2s有功负荷波动时，输出无功功率仍能很好的跟踪其功率参考值，不受有功功率波动的影响，同样验证了虚拟逆变器实现了较好的功率解耦控制。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种虚拟同步逆变器的控制系统，这些设备解决问题的原理与一种虚拟同步逆变器的控制方法相类似，该一种虚拟同步逆变器的控制系统，主要包括有功改进模块、无功改进模块和解耦控制模块，下面对上述三个模块的功能进行进一步说明：

有功改进模块，用于基于频率调节阻尼系数改进虚拟同步发电机控制有功调节；

无功改进模块，用于基于虚拟同步逆变器的输出电压、电流和线路阻抗，改进公共连接点电压计算环节控制无功调节；

解耦控制模块，用于基于所述有功调节和所述无功调节对逆变器输出的功率进行解耦控制。

进一步的，有功改进模块，包括：调节子模块、计算子模块和改进子模块；

所述调节子模块，用于基于所述频率调节带通滤波器的阻尼系数，如下式计算：

fd(s)＝ds/(1+tls)(1+ths)

式中，s为拉普拉斯变换，d为恒定阻尼系数，1/tl为低频截止频率，1/th为高频截止频率；

计算子模块，用于基于所述带通滤波器的阻尼系数计算阻尼功率，如下式计算：

pd＝fd(s)*(w-w0)

式中，pd为阻尼功率，fd(s)为带通滤波器阻尼系数，w为转子角速度，w0为额定角速度；

改进子模块，用于根据所述阻尼功率计算机械功率进而控制有功调节，按下式计算所述机械功率：

pm＝pe+pd

式中，pm为机械功率，pe为电磁功率。

进一步的，无功改进模块，包括：电压计算子模块；

所述电压计算子模块，用于改进所述公共连接点电压，如下式计算：

e＝e0+(q^*-qe)/kis+kv*{upcc^*-[uo-io*(rg+wcslg/(s+wc))]}

式中，e为励磁控制器输出电压值，e0为励磁控制器输出电压参考值，q^*为无功功率参考值，qe为无功功率值，ki为积分系数，s为拉普拉斯变换，kv为电压系数，upcc^*为公共连接点电压参考值，uo为逆变器输出电压值，io为逆变器输出电流值，rg为线路阻抗的电阻值，lg为线路阻抗的电抗值，wc为截止频率。

进一步的，计算子模块，包括：判定确定单元；

所述判定确定单元，用于在低频段，带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|＝0；

在中频段，所述带通滤波器的阻尼系数按下式确定：|fd(s)|≈d；

其中，fd(s)为带通滤波器的阻尼系数；d为恒定阻尼系数。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。