本發(fā)明涉及微電網(wǎng)和分布式發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種逆變器的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)、光等間隙性清潔能源在電力系統(tǒng)中所占比重的增加，智能電網(wǎng)，特別是微電網(wǎng)相繼成為電力領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。微電網(wǎng)中的逆變器是清潔能源并網(wǎng)的主要方式，因此其控制策略就成為了微電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)的逆變器控制策略在微電網(wǎng)多逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的情況下無(wú)法為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓、頻率支撐，也很難合理的分配各逆變器之間的輸出功率，成為制約微電網(wǎng)發(fā)展的問(wèn)題。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)具有調(diào)壓、調(diào)頻特性，以及轉(zhuǎn)子慣性對(duì)多機(jī)運(yùn)行時(shí)功率調(diào)節(jié)的特性。模擬上述同步發(fā)電機(jī)特性的逆變器控制技術(shù)，即虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)成為目前研究的熱點(diǎn)。

現(xiàn)有的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器都需要同時(shí)測(cè)量逆變器輸出端的電壓與電流。并且使用電壓、電流進(jìn)行復(fù)雜的控制運(yùn)算才能對(duì)逆變器進(jìn)行控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種不需要電流反饋的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)：

如本發(fā)明一種不用電流反饋的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器所述，本發(fā)明僅對(duì)逆變器輸出電壓進(jìn)行采樣。這里需要明確兩個(gè)概念，逆變器輸出電壓為逆變器所接LC濾波器后端的電容上的電壓，逆變橋路輸出電壓為濾波器前端電力電子器件處的輸出電壓。在得到三相輸出電壓采樣值后經(jīng)過(guò)dq變換得到逆變器輸出電壓的dq分量U_d、U_q。

控制方法具體以如下3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

(1).電壓控制：根據(jù)上述逆變器輸出電壓dq軸分量U_d、U_q，與給定的電壓參考V_ref，以及無(wú)功功率給定Q_set和逆變器輸出無(wú)功功率Q。同時(shí)考慮電壓幅值的控制與無(wú)功功率與逆變器輸出電壓的下垂關(guān)系，利用如下微分方程計(jì)算逆變器輸出電壓的控制量：

上式中，K_a電壓幅值增益；n_q為無(wú)功下垂增益；U_o為逆變器輸出電壓幅值，其計(jì)算公式如下：

得到逆變器輸出電壓的控制量E_q后，將其作為PWM調(diào)制電壓q軸分量，并補(bǔ)齊恒等于零的d軸分量E_d與0軸分量E₀，經(jīng)過(guò)dq反變換后得到PWM三相調(diào)制波，對(duì)逆變器橋路開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

上述dq變換與dq反變換所需參考角頻率ω_r和相位由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算得出。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明控制器的第2個(gè)步驟。上述逆變器輸出無(wú)功功率Q由第3個(gè)步驟逆變器輸出功率計(jì)算方程計(jì)算得到。后續(xù)步驟具體如下。

(2).轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可用下式描述。

其中H為轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)，T_m和T_e分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，ω_r為虛擬的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，將其作為dq變換與dq反變換參考角頻率，在忽略逆變橋路損耗的前提下，ω_r即為逆變橋路輸出電壓的角頻率。機(jī)械轉(zhuǎn)矩T_m可用同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器數(shù)學(xué)模型求取，計(jì)算公式如下。

T_m≈P_set+D_p(f_n-ω_r/(2π)) (4)

其中P_set為輸出有功功率給定，D_p為下垂特性系數(shù)，f_n為電網(wǎng)頻率。

公式(3)中電磁轉(zhuǎn)矩T_e由第3個(gè)步驟逆變器輸出功率方程計(jì)算得到，具體如下。

(3).逆變器輸出功率計(jì)算方程：如上所述以E_q作為PWM調(diào)制電壓q軸分量，并補(bǔ)齊恒為0的d軸分量E_d與0軸分量E₀，以ω_r作為dq變換與dq反變換參考角頻率。在忽略逆變器橋路損耗的前提下，可認(rèn)為逆變橋路輸出電壓幅值為E_q。以逆變器橋路輸出電壓相位為參考相位，則逆變器輸出電壓與逆變橋路輸出電壓相位差δ可由下式求?。?/p>

利用輸電線路功率傳輸方程的計(jì)算公式可以求取逆變器輸出有功功率P與無(wú)功功率Q。利用同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析中已有的結(jié)論，由于轉(zhuǎn)速基本在同步轉(zhuǎn)速附近，可令輸出功率等于電磁功率，即電磁轉(zhuǎn)矩T_e。因此，步驟(2)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程中所需要的電磁轉(zhuǎn)矩T_e可用輸電線路功率傳輸方程求取。具體公式如下：

其中R_f為逆變器LC濾波器電感上的等效電阻，X_f為L(zhǎng)C濾波器電感感抗。

同理，無(wú)功功率Q計(jì)算公式如下：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：采用輸電線路功率傳輸方程計(jì)算逆變器的輸出功率，即這里的電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功功率，計(jì)算不需要電流值。因此可以省略電流反饋，逆變器不需要安裝電流傳感器，節(jié)約了建設(shè)成本。電壓控制考慮了電壓與無(wú)功功率的下垂關(guān)系，在控制電壓穩(wěn)定的同時(shí)兼顧無(wú)功功率的控制。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種不用電流反饋的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為電壓控制與逆變器輸出功率計(jì)算方程部分結(jié)構(gòu)；

圖3為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程模塊詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

圖1是本發(fā)明一種不用電流反饋的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器的總體結(jié)構(gòu)圖，包括主電路、逆變器輸出功率計(jì)算方程、電壓控制、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、dq變換、dq反變換這幾個(gè)部分構(gòu)成。下面具體介紹各部分結(jié)構(gòu)：

1)主電路部分，包括IGBT三相全橋逆變電路(IGBT Bridge)和LC濾波器和電壓傳感器。L_f為L(zhǎng)C濾波器電感，R_f為L(zhǎng)_f上等效電阻，C_f為L(zhǎng)C濾波器電容。Z_L為入網(wǎng)線路阻抗，v_b為網(wǎng)側(cè)電壓。U_a、U_b、U_c為電壓傳感器測(cè)量得到的三相電壓。

2)dq變換和dq反變換單元，執(zhí)行dq變換與dq反變換所需要的參考角頻率ω_r和相位由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程部分提供。dq變換單元的輸入為電壓傳感器測(cè)量得到的三相電壓U_a、U_b、U_c，通過(guò)變換后得到三相電壓dq軸分量U_d、U_q。dq反變換單元的輸入為電壓控制部分輸出E_q，將其作為q軸分量，并補(bǔ)齊恒為0的d軸分量E_d與0軸分量E₀，反變換后得到三相PWM調(diào)制波，控制IGBT Bridge工作。

3)逆變器輸出功率方程部分，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2中逆變器輸出功率計(jì)算方程虛線框部分所示。該部分采用輸電線路功率傳輸方程的方法計(jì)算逆變器輸出無(wú)功功率Q和虛擬的電磁轉(zhuǎn)矩T_e。輸入為三相電壓dq軸分量U_d、U_q和E_q。通過(guò)以下公式計(jì)算得到T_e和Q。并將T_e作為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程部分輸入，Q作為電壓控制部分輸入。

4)電壓控制部分，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2中電壓控制虛線框部分所示。該部分的輸入為三相電壓dq軸分量U_d、U_q、電壓給定V_ref、無(wú)功功率給定Q_set和逆變器輸出功率方程部分計(jì)算得到的無(wú)功功率Q。該部分可用以下微分方程描述其數(shù)學(xué)模型。

電壓控制具體工作過(guò)程為：將V_ref與U_o的差乘以增益K_a的值和Q_set與Q的差乘以增益n_q的值相加。然后進(jìn)行積分并限幅后輸出，即得到逆變器輸出電壓的控制量E_q。將其作為PWM調(diào)制電壓q軸分量，而d軸、0軸分量恒為0。同時(shí)E_q反饋回逆變器輸出功率計(jì)算方程參與計(jì)算。

5)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程部分，該部分詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原因是，首先將電網(wǎng)頻率f_n減去逆變器頻率f_r，f_r＝ω_r/2π。得到的差值乘以下垂特性系數(shù)D_p。再加上輸出有功功率給定P_set，通過(guò)限幅環(huán)節(jié)后得到的值即虛擬的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T_m。將T_m與逆變器輸出功率方程部分得到的電磁轉(zhuǎn)矩T_e相減，除以慣性時(shí)間常數(shù)2H，再積分后得到的值即為逆變橋路輸出電壓的角頻率ω_r，對(duì)ω_r積分可得其相位θ。

綜合以上對(duì)各部分的描述，可得如圖1所示的一種不用電流反饋的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器的總體結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式：

下面給出了本發(fā)明涉及的逆變器控制器的一種具體參數(shù)。

逆變器參數(shù)：三相逆變器，額定頻率f_n＝50Hz；額定輸出功率50kW；額定電壓V_ref為380V；額定輸出功率Q_set為0var。額定的直流端電壓為700V。濾波器部分參數(shù)為L(zhǎng)_f＝2mH，對(duì)應(yīng)的X_f＝0.628Ω；R_f＝0.1Ω；C_f＝13μF。下垂系數(shù)D_p＝100 000，n_q為0.15，電壓幅值增益K_a＝20。轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)H＝2。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。