一種不用電流反饋的虛擬同步發電機控制器的製作方法
2023-05-21 10:04:56
本發明涉及微電網和分布式發電領域，特別涉及一種逆變器的虛擬同步發電機控制器。
背景技術：
隨著風、光等間隙性清潔能源在電力系統中所佔比重的增加，智能電網，特別是微電網相繼成為電力領域的研究熱點。微電網中的逆變器是清潔能源併網的主要方式，因此其控制策略就成為了微電網運行的關鍵技術。常規的逆變器控制策略在微電網多逆變器併網運行的情況下無法為微電網系統提供電壓、頻率支撐，也很難合理的分配各逆變器之間的輸出功率，成為制約微電網發展的問題。傳統電力系統中同步發電機具有調壓、調頻特性，以及轉子慣性對多機運行時功率調節的特性。模擬上述同步發電機特性的逆變器控制技術，即虛擬同步發電機技術成為目前研究的熱點。
現有的虛擬同步發電機控制器都需要同時測量逆變器輸出端的電壓與電流。並且使用電壓、電流進行複雜的控制運算才能對逆變器進行控制。
技術實現要素：
本發明提供了一種不需要電流反饋的虛擬同步發電機控制器。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方法實現：
如本發明一種不用電流反饋的虛擬同步發電機控制器所述，本發明僅對逆變器輸出電壓進行採樣。這裡需要明確兩個概念，逆變器輸出電壓為逆變器所接LC濾波器後端的電容上的電壓，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採樣值後經過dq變換得到逆變器輸出電壓的dq分量Ud、Uq。
控制方法具體以如下3個步驟實現：
(1).電壓控制：根據上述逆變器輸出電壓dq軸分量Ud、Uq，與給定的電壓參考Vref，以及無功功率給定Qset和逆變器輸出無功功率Q。同時考慮電壓幅值的控制與無功功率與逆變器輸出電壓的下垂關係，利用如下微分方程計算逆變器輸出電壓的控制量：
上式中，Ka電壓幅值增益；nq為無功下垂增益；Uo為逆變器輸出電壓幅值，其計算公式如下：
得到逆變器輸出電壓的控制量Eq後，將其作為PWM調製電壓q軸分量，並補齊恆等於零的d軸分量Ed與0軸分量E0，經過dq反變換後得到PWM三相調製波，對逆變器橋路開關進行控制。
上述dq變換與dq反變換所需參考角頻率ωr和相位由轉子運動方程計算得出。轉子運動方程為實現本發明控制器的第2個步驟。上述逆變器輸出無功功率Q由第3個步驟逆變器輸出功率計算方程計算得到。後續步驟具體如下。
(2).轉子運動方程：同步發電機的轉子運動方程可用下式描述。
其中H為轉子慣性時間常數，Tm和Te分別為機械轉矩和電磁轉矩，ωr為虛擬的轉子旋轉角速度，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，ωr即為逆變橋路輸出電壓的角頻率。機械轉矩Tm可用同步發電機調速器數學模型求取，計算公式如下。
Tm≈Pset+Dp(fn-ωr/(2π)) (4)
其中Pset為輸出有功功率給定，Dp為下垂特性係數，fn為電網頻率。
公式(3)中電磁轉矩Te由第3個步驟逆變器輸出功率方程計算得到，具體如下。
(3).逆變器輸出功率計算方程：如上所述以Eq作為PWM調製電壓q軸分量，並補齊恆為0的d軸分量Ed與0軸分量E0，以ωr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，可認為逆變橋路輸出電壓幅值為Eq。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可由下式求取：
利用輸電線路功率傳輸方程的計算公式可以求取逆變器輸出有功功率P與無功功率Q。利用同步發電機穩態分析中已有的結論，由於轉速基本在同步轉速附近，可令輸出功率等於電磁功率，即電磁轉矩Te。因此，步驟(2)轉子運動方程中所需要的電磁轉矩Te可用輸電線路功率傳輸方程求取。具體公式如下：
其中Rf為逆變器LC濾波器電感上的等效電阻，Xf為LC濾波器電感感抗。
同理，無功功率Q計算公式如下：
與現有技術相比，本發明的優點體現在：採用輸電線路功率傳輸方程計算逆變器的輸出功率，即這裡的電磁轉矩和無功功率，計算不需要電流值。因此可以省略電流反饋，逆變器不需要安裝電流傳感器，節約了建設成本。電壓控制考慮了電壓與無功功率的下垂關係，在控制電壓穩定的同時兼顧無功功率的控制。
附圖說明
圖1是本發明一種不用電流反饋的虛擬同步發電機控制器的總體結構圖；
圖2為電壓控制與逆變器輸出功率計算方程部分結構；
圖3為轉子運動方程模塊詳細結構。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這裡將被忽略。
圖1是本發明一種不用電流反饋的虛擬同步發電機控制器的總體結構圖，包括主電路、逆變器輸出功率計算方程、電壓控制、轉子運動方程、dq變換、dq反變換這幾個部分構成。下面具體介紹各部分結構：
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。Lf為LC濾波器電感，Rf為Lf上等效電阻，Cf為LC濾波器電容。ZL為入網線路阻抗，vb為網側電壓。Ua、Ub、Uc為電壓傳感器測量得到的三相電壓。
2)dq變換和dq反變換單元，執行dq變換與dq反變換所需要的參考角頻率ωr和相位由轉子運動方程部分提供。dq變換單元的輸入為電壓傳感器測量得到的三相電壓Ua、Ub、Uc，通過變換後得到三相電壓dq軸分量Ud、Uq。dq反變換單元的輸入為電壓控制部分輸出Eq，將其作為q軸分量，並補齊恆為0的d軸分量Ed與0軸分量E0，反變換後得到三相PWM調製波，控制IGBT Bridge工作。
3)逆變器輸出功率方程部分，其詳細結構如圖2中逆變器輸出功率計算方程虛線框部分所示。該部分採用輸電線路功率傳輸方程的方法計算逆變器輸出無功功率Q和虛擬的電磁轉矩Te。輸入為三相電壓dq軸分量Ud、Uq和Eq。通過以下公式計算得到Te和Q。並將Te作為轉子運動方程部分輸入，Q作為電壓控制部分輸入。
4)電壓控制部分，其詳細結構如圖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Ud、Uq、電壓給定Vref、無功功率給定Qset和逆變器輸出功率方程部分計算得到的無功功率Q。該部分可用以下微分方程描述其數學模型。
電壓控制具體工作過程為：將Vref與Uo的差乘以增益Ka的值和Qset與Q的差乘以增益nq的值相加。然後進行積分並限幅後輸出，即得到逆變器輸出電壓的控制量Eq。將其作為PWM調製電壓q軸分量，而d軸、0軸分量恆為0。同時Eq反饋回逆變器輸出功率計算方程參與計算。
5)轉子運動方程部分，該部分詳細結構如圖3所示。其工作原因是，首先將電網頻率fn減去逆變器頻率fr，fr＝ωr/2π。得到的差值乘以下垂特性係數Dp。再加上輸出有功功率給定Pset，通過限幅環節後得到的值即虛擬的機械轉矩Tm。將Tm與逆變器輸出功率方程部分得到的電磁轉矩Te相減，除以慣性時間常數2H，再積分後得到的值即為逆變橋路輸出電壓的角頻率ωr，對ωr積分可得其相位θ。
綜合以上對各部分的描述，可得如圖1所示的一種不用電流反饋的虛擬同步發電機控制器的總體結構。
具體實施方式：
下面給出了本發明涉及的逆變器控制器的一種具體參數。
逆變器參數：三相逆變器，額定頻率fn＝50Hz；額定輸出功率50kW；額定電壓Vref為380V；額定輸出功率Qset為0var。額定的直流端電壓為700V。濾波器部分參數為Lf＝2mH，對應的Xf＝0.628Ω；Rf＝0.1Ω；Cf＝13μF。下垂係數Dp＝100 000，nq為0.15，電壓幅值增益Ka＝20。轉子慣性時間常數H＝2。
儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。