電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的裝置和方法與流程
2023-05-09 07:43:56
本發明涉及三相逆變器併網控制領域，特別涉及一種電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的裝置和方法。
背景技術：
作為分布式發電系統的接口，併網逆變器通常將可再生能源發出的電能轉化為電網可接受的交流電能。可再生能源發電存在隨機性和波動性，通常採用最大功率跟蹤控制，一般不參與電網調壓和調頻。控制改變併網逆變器的運行特性，並將併網逆變器模擬為傳統同步發電機，能夠提升電網對分布式電源的適應性和接納能力，使逆變器模擬出同步發電機的外特性，從而使分布式電源能夠像同步發電機一樣參與電網頻率和電壓調節，快速同步並無縫地並離網，降低分布式能源對電網的不利影響。然而分布式發電系統通常呈現弱電網狀態，容易出現電網電壓不平衡的情況，電網電壓的負序分量將影響系統內併網逆變器的正常工作，可能導致併網電流出現嚴重畸變，甚至引發逆變系統失穩脫網。因此非常有必要研究一種不平衡條件下逆變器還能正常工作，並能有效抑制負序電流的方法。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供一種計算簡單、實用性強的電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，並提供一種電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的裝置。
本發明解決上述問題的技術方案是：一種電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的裝置，包括逆變器；控制模塊；正負序提取模塊，正負序提取模塊包括電流分解單元、逆變器輸出電壓分解單元和電網電壓分解單元，電流分解單元、逆變器輸出電壓分解單元、電網電壓分解單元的輸入端分別與逆變器輸出端、逆變器輸出端、電網相連，電流分解單元、逆變器輸出電壓分解單元、電網電壓分解單元的輸出端與控制模塊的輸入端相連；控制模塊的輸出端經PWM驅動模塊連接逆變器；所述控制模塊包括用於滿足給定輸出功率的正序控制器和用於抑制負序電流的負序控制器。
一種電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，包括以下步驟：
1)在電網不平衡條件下，利用對稱分量法將電網電壓分解為正序和負序分量，測量得到正、負序電壓的幅值和相位信息；
2)根據同步發電機的原理以及數學模型建立兩個控制器，分別為正序、負序控制器；
3)以電網的正、負序電壓信號作為兩個控制器的跟蹤對象，將兩個控制器的輸出信號合成為PWM的調製信號，驅動逆變器輸出電壓，輸出電壓同樣分解為正負序，且同步於電網側的相應電壓；與電網同步後再進行併網；
4)併網後將線路的電流進行正負序分解，分別作為對應的正、負序控制器的電流輸入量；
5)引入正序電流反饋到正序控制器，並在正序控制器內進行功率設定，實現同步後功率的傳遞；負序控制器跟蹤電網的負序電壓，引入負序電流反饋到負序控制器，實現對負序電流的抑制。
上述電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，所述步驟1)中，利用對稱分量法，不考慮零序分量，三相電網電壓Vabc分解成正負序分量，其中正序表示為Vabc+，負序表示為Vabc-，按下式進行計算求得；
Vabc+＝[T+]Vabc；Vabc-＝[T-]Vabc
式中，[T+]與[T-]為正、負序分解矩陣，其中α＝ej120＝e-j240是一個複數算子，然後利用雙二階廣義積分器的軟體鎖相環方案獲取分序後的電壓頻率、幅值和相位，各公式中參數的上標+、-分別代表正、負序。
上述電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，所述步驟2)具體步驟為，根據同步發電機數學模型建立正、負序控制器，從提取的電網正負序信息設定控制器的參數；
按照公式計算出控制器的輸出信號，也為逆變器的輸出電壓；
式中：為感應電動勢；Mf為虛擬的互感係數；if為虛擬的勵磁電流，即將Mfif設為常數；θ為虛擬的轉子轉動角度；為控制逆變器輸出與電網同步，即e＝vg，vg為電網側電壓，將控制器中的θ設定為θg，為虛擬的角頻率，即因為if為常數，有所以Vg為vg的幅值，從而分別建立正序控制器、負序控制器，其輸出分別為e+、e-,正序控制器中負序控制器中
上述電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，所述步驟3)根據電網的正負序電壓信號，分別使兩個控制器的輸出電動勢獨立跟蹤電網的正負序電壓，使e+＝vg+,e-＝vg-，式中上標+、-分別代表正、負序，其中正序控制器中的數學模型為其中ifconstant為下標，表示虛擬的勵磁電流if為常數；表示內積；負序控制器中的數學模型為
將兩個控制器的輸出信號合成為PWM的調製信號，驅動逆變器輸出電壓，其輸出電壓同樣分解為正負序，且同步於電網側的相應電壓；
不對稱的三相電壓中，把每相電壓分三個分量表示，即正序、負序、零序的代數和，不考慮零序分量，
按照公式計算正負序電壓的合成，式中為控制模塊輸出的正序電動勢；為控制模塊輸出的負序電動勢；為合成的三相電電動勢；將輸入PWM驅動模塊控制逆變器輸出，實現一臺逆變器虛擬為兩個同步控制器聯合控制的逆變器。
上述電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，所述步驟3)中，為了使控制器控制逆變器輸出電壓與電網同步，即要保證逆變器正負序電壓的幅值和頻率及相位分別與電網側電壓相同，在負序控制器中，參考負序有功功率同時將作為逆變器負序電壓的額定頻率，因此其中為虛擬的負序機械轉矩；在同步逆變器的下垂特性中，定義負序控制器中下垂係數ΔT-為負序總虛擬轉矩的變化率，Δω-逆變器負序電壓頻率的變化率，即可表示為ω-和的差值，由此計算ΔT-；在併網前，逆變器與電網之間無電流經過，根據負序控制器中的數學模型有根據同步逆變器的虛擬轉矩平衡方程與以及ΔT-的代數和再經過1/Js模塊得到ω-，此過程實現控制器輸出負序電壓頻率與電網側同步，而ω-經過積分模塊得到負序電壓的相位角θ-；
在負序控制器控制逆變器輸出負序電壓與電網側負序電壓同步的同時，正序控制器同樣控制與電網側正序電壓的同步，兩者同時經行；在正序控制器中，參考正序有功功率和無功功率在併網前都設定為零，根據同步發電機併網功率計算公式和其中XS為虛擬的同步發電機的同步阻抗；當P和Q都為零時，有相位角θ＝θg和電壓幅值E＝Vg來滿足逆變器的併網條件；將作為逆變器正序電壓的額定頻率，因此其中為虛擬的正序機械轉矩，併網前為零；在同步逆變器的下垂特性中，定義正序控制器中下垂係數ΔT+為正序總虛擬轉矩的變化率，Δω+為逆變器正序電壓頻率的變化率，即可表示為ω+和的差值，由此可以計算ΔT+；在併網前，逆變器與電網之間無電流經過，根據正序控制器中的數學模型有和Q+＝0，根據同步逆變器的虛擬轉矩平衡方程與以及ΔT+的代數和再經過1/Js模塊得到ω+，此過程實現控制器輸出正序電壓頻率與電網側同步，而ω+經過積分模塊得到正序電壓的相位角θ+。
上述電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，所述步驟4)根據併網後的線路電流，利用雙二階廣義積分器的軟體鎖相環方案獲取分序後的正負序電流i+和i-作為兩個控制器的電流參考信號。
上述電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，所述步驟5)中，在負序控制器中，保持原來的運行模式不變，逆變器的負序電壓始終跟蹤電網的負序電壓，保持對負序電流的抑制，因此i-為零，及始終保持
在正序控制器中，要保證逆變器的正常運行，開始向電網側傳遞有功功率和無功功率，根據需要設定有功功率值，有在功角0<δ<π/2，有功功率表示為P＝Teω，當功角δ增減時，Te也會隨之增減；
假設電網正序電壓的頻率ωg+下降，功率角和電磁轉矩Te+就會上升，經過一個積分模塊1/Js的輸入將會下降，逆變器輸出正序電壓的頻率ω+下降，此過程直到ω+＝ωg+；同理，電網正序電壓的頻率ωg+上升，同樣的過程直到ω+＝ωg+；因此，當輸出正序有功功率增加時，正序控制器輸出頻率跟蹤電網正序電壓的頻率，實現正序電壓調頻，然後根據下垂特性控制計算的實際功率跟蹤到設定功率，完成有功功率傳遞；在併網後向電網輸送無功功率時，根據需要設定值，由同步逆變器的虛擬轉矩平衡方程定義正序控制器中下垂係數未引入電壓下垂的控制前，有Q+跟蹤Qset+在穩態時沒有誤差，但是Mfif+會隨設定的正序無功功率的增加而增加，因此e+也會增加；引入電壓下垂控制後，反饋時間根據需要設定，此時有其中K為常數，Vm+為逆變器正序電壓的幅值，即通過測量逆變器的輸出電壓Vabc得到，有Vg+-Vm+<0，Mfif+又會按照設定的比例減少，因此逆變器輸出正序電壓幅值按照設定的比例減少，完成無功功率傳遞。
本發明的有益效果在於：
1、本發明抑制同步逆變器負序電流的方法中，首先將不對稱的電網電壓分解為兩個對稱的電壓分量，分別與其相對應的控制器經行跟蹤控制，實現正負序電壓的解耦；然後以電網的正、負序電壓信號作為兩個控制器的跟蹤對象，將兩個控制器的輸出信號合成為PWM的調製信號，驅動逆變器輸出電壓，通過對正負序控制器的輸出疊加來實現對電網電壓的有效跟蹤，進而完成併網；併網後要完成功率的傳遞，但是功率的傳遞只在正序控制器中運行，因此併網後將線路的電流進行正負序分解，分別作為對應的正、負序控制器的電流輸入量，然後引入正序電流反饋到正序控制器，並在正序控制器內進行功率設定，實現同步後功率的傳遞；負序控制器跟蹤電網的負序電壓，引入負序電流反饋到負序控制器，實現對負序電流的抑制。整個控制過程實現了併網逆變器在電網電壓不平衡條件下仍然能夠正常運行，能抑制系統的負序電流，避免了負序分量給系統帶來的影響，減少了結構和計算的複雜程度，整個步驟容易實現，實用性強，具有一定的推廣與應用價值。
2、本發明抑制同步逆變器負序電流的裝置包括控制模塊和正負序提取模塊，正負序提取模塊對電網側的電壓及逆變器輸出的電壓分解，分別獲得相應的電壓幅值、相位及頻率，控制模塊包括正序控制器和負序控制器，正序控制器接收反饋正序電流及正序電網側電壓信號，意在對電網正序電壓的同步後，控制其向電網正常輸送功率；負序控制器接受電網負序電壓信號和電流信號，意在跟蹤電網側負序電壓信號，最終實現負序電流的抑制；正負序控制器輸出電壓的合成信號，控制逆變器輸出電壓在同步於電網電壓後又有功率傳遞，且抑制了負序電流，使逆變器在電網不平衡條件下能正常工作。
附圖說明
圖1為本發明裝置的結構框圖。
圖2為本發明方法的流程圖。
圖3為本發明方法中的正序控制原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，一種電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的裝置，包括逆變器；控制模塊；正負序提取模塊，正負序提取模塊利用雙二階廣義積分器的軟體鎖相環方案對電網側的電壓及逆變器輸出的電壓分解，分別獲得相應的電壓幅值、相位及頻率，正負序提取模塊包括電流分解單元、逆變器輸出電壓分解單元和電網電壓分解單元，電流分解單元、逆變器輸出電壓分解單元和電網電壓分解單元的輸入端分別與逆變器輸出端、逆變器輸出端、電網相連，電流分解單元、逆變器輸出電壓分解單元和電網電壓分解單元的輸出端與控制模塊的輸入端相連；控制模塊的輸出端經PWM驅動模塊連接逆變器，；所述控制模塊包括正序控制器和負序控制器，正序控制器接收反饋正序電流及正序電網側電壓信號，意在對電網正序電壓的同步後，控制其向電網正常輸送功率；負序控制器接受電網負序電壓信號和電流信號，意在跟蹤電網側負序電壓信號，最終實現負序電流的抑制；PWM驅動模塊的調製信號採用正負序控制器的輸出電壓的合成信號，控制逆變器輸出電壓在同步於電網電壓後又有功率傳遞，且抑制了負序電流，使逆變器在電網不平衡條件下能正常工作。
一種電網不平衡條件下抑制同步逆變器負序電流的方法，包括以下步驟：
1)在電網不平衡條件下，利用對稱分量法將電網電壓分解為正序和負序分量，測量得到正、負序電壓的幅值和相位信息。
利用對稱分量法，不考慮零序分量，三相電網電壓Vabc分解成正負序分量，其中正序表示為Vabc+，負序表示為Vabc-，按下式進行計算求得；
Vabc+＝[T+]Vabc；Vabc-＝[T-]Vabc
式中，[T+]與[T-]為正、負序分解矩陣，其中α＝ej120＝e-j240是一個複數算子，然後利用雙二階廣義積分器的軟體鎖相環方案獲取分序後的電壓頻率和幅值和以及相位，各公式中參數的上標+、-分別代表正、負序。
2)根據同步發電機的原理以及數學模型建立兩個控制器，分別為正序、負序控制器。
根據同步發電機數學模型建立正、負序控制器，從提取的電網正負序信息設定控制器的參數；
按照公式計算出控制器的輸出信號，也為逆變器的輸出電壓；
式中：為感應電動勢；Mf為虛擬的互感係數；if為虛擬的勵磁電流，即將Mfif設為常數；θ為虛擬的轉子轉動角度；為控制逆變器輸出與電網同步，即e＝vg，vg為電網側電壓，將控制器中的θ設定為θg，為虛擬的角頻率，即因為if為常數，有所以Vg為vg的幅值，從而分別建立正序控制器、負序控制器，其輸出分別為e+、e-,正序控制器中負序控制器中
3)以電網的正、負序電壓信號作為兩個控制器的跟蹤對象，將兩個控制器的輸出信號合成為PWM的調製信號，驅動逆變器輸出電壓，輸出電壓同樣分解為正負序，且同步於電網側的相應電壓；與電網同步後再進行併網。
根據電網的正負序電壓信號，分別使兩個控制器的輸出電動勢獨立跟蹤電網的正負序電壓，使e+＝vg+,e-＝vg-，式中上標+、-分別代表正、負序，其中正序控制器中的數學模型為其中ifconstant為下標，表示虛擬的勵磁電流if為常數；表示內積；負序控制器中的數學模型為
將兩個控制器的輸出信號合成為PWM的調製信號，驅動逆變器輸出電壓，其輸出電壓同樣分解為正負序，且同步於電網側的相應電壓；
不對稱的三相電壓中，把每相電壓分三個分量表示，即正序、負序、零序的代數和，不考慮零序分量，
按照公式計算正負序電壓的合成，式中為控制模塊輸出的正序電動勢；為控制模塊輸出的負序電動勢；為合成的三相電電動勢；將輸入PWM驅動模塊控制逆變器輸出，實現一臺逆變器虛擬為兩個同步控制器聯合控制的逆變器。
如圖2--3所示，為了使控制器控制逆變器輸出電壓與電網同步，即要保證逆變器正負序電壓的幅值和頻率及相位分別與電網側電壓相同。如圖3虛線上部分，在負序控制器中，參考負序有功功率是因為負序控制器不參與功率的傳遞，同時將作為逆變器負序電壓的額定頻率，因此其中為虛擬的負序機械轉矩。在同步逆變器的下垂特性中，定義負序控制器中下垂係數ΔT-為負序總虛擬轉矩的變化率，Δω-逆變器負序電壓頻率的變化率，即可表示為ω-和的差值，由此可以計算ΔT-。在併網前，逆變器與電網之間無電流經過，因此可以根據負序控制器中的數學模型有根據同步逆變器的虛擬轉矩平衡方程與以及ΔT-的代數和再經過1/Js模塊得到ω-，此過程實現控制器輸出負序電壓頻率與電網側同步，而ω-經過積分模塊得到負序電壓的相位角θ-。如負序控制器中的數學模型中，Mfif-ω-為e-的幅值，因此在頻率的同步過程中，即為使逆變器負序電壓幅值與電網側相同，將電網負序電壓表示了用表示電網側電壓的幅值，因此將幅值和頻率作為該控制器的部分輸入，以此來計算Mfif-，即保證了
在負序控制器控制逆變器輸出負序電壓與電網側負序電壓同步的同時，正序控制器同樣控制與電網側正序電壓的同步，兩者同時經行。如圖3虛線以下的正序控制器所示，參考正序有功功率和無功功率在併網前都設定為零，是根據逆變器併網功率計算公式和其中XS為虛擬的同步發電機的同步阻抗；當P和Q都為零時，有相位角θ＝θg和電壓幅值E＝Vg來滿足逆變器的併網條件。將作為逆變器正序電壓的額定頻率，因此(併網前為零)，其中為虛擬的正序機械轉矩。在同步逆變器的下垂特性中，定義正序控制器中下垂係數ΔT+為正序總虛擬轉矩的變化率，Δω+逆變器正序電壓頻率的變化率，即可表示為ω+和的差值，由此可以計算ΔT+。在併網前，逆變器與電網之間無電流經過，因此可以根據正序控制器中的數學模型有和Q+＝0，因此根據同步逆變器的虛擬轉矩平衡方程與以及ΔT+的代數和再經過1/Js模塊得到ω+，此過程實現控制器輸出正序電壓頻率與電網側同步，而ω+經過積分模塊得到正序電壓的相位角θ+。如正序控制器中的數學模型中，Mfif+ω+為e+的幅值，因此在頻率的同步過程中，即為使逆變器正序電壓幅值與電網側相同，將電網正序電壓表示了用表示電網側電壓的幅值，併網前Q+都為零，在整個控制過程中併網前並不引入無功功率與電壓的下垂機制，在1/Ks前的輸入為零。用幅值和頻率來計算Mfif+的初始化值，即初始值保證了
在正負控制器控制逆變器與電網側正負序電壓同步後，進行正負序電壓疊加，即e+與e-的合成作為PWM的調製信號，實現併網。
4)併網後需要向電網側傳遞功率，因此電路會產生電流，將線路的電流進行正負序分解，利用雙二階廣義積分器的軟體鎖相環方案獲取分序後的正負序電流i+和i-並將其分別反饋到對應的控制器中。
5)引入正序電流反饋到正序控制器，並在正序控制器內進行功率設定，實現同步後功率的傳遞；負序控制器跟蹤電網的負序電壓，引入負序電流反饋到負序控制器，實現對負序電流的抑制。
在負序控制器中，保持原來的運行模式不變，因為逆變器的負序電壓始終跟蹤電網的負序電壓，保持對負序電流的抑制，因此i-為零，及始終保持在正序控制器中，要保證逆變器的正常運行，開始向電網側傳遞有功功率和無功功率，根據需要設定有功功率值，有在功角0<δ<π/2，有功功率也可表示為P＝Teω，當功角δ增減時，Te也會隨之增減。假設電網正序電壓的頻率ωg+下降，功率角和電磁轉矩Te+就會上升，經過一個積分模塊1/Js的輸入將會下降，逆變器輸出正序電壓的頻率ω+下降，此過程直到ω+＝ωg+；同理，電網正序電壓的頻率ωg+上升，同樣的過程直到ω+＝ωg+。因此，當輸出正序有功功率增加時，正序控制器輸出頻率能跟蹤電網正序電壓的頻率，實現正序電壓調頻，然後根據下垂特性控制計算的實際功率跟蹤到設定功率，完成有功功率傳遞。在併網後向電網輸送無功功率時，根據需要設定值，由同步逆變器的虛擬轉矩平衡方程定義正序控制器中下垂係數未引入電壓下垂的控制前，有Q+跟蹤Qset+在穩態時是沒有誤差，但是Mfif+會隨設定的正序無功功率的增加而增加，因此e+也會增加；引入電壓下垂控制後，反饋時間根據需要設定，此時有其中K為常數，Vm+為逆變器正序電壓的幅值，即通過測量逆變器的輸出電壓Vabc得到。有Vg+-Vm+<0，Mfif+又會按照設定的比例減少。因此逆變器輸出正序電壓幅值按照設定的比例減少，使得逆變器像同步發電機那樣，可以通過調節虛擬的勵磁來調節輸出電壓，實現調幅。最後，正、負電壓分量通過疊加作為逆變器輸出電壓調製信號，並經過PWM調製器驅動相應的功率器件動作。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。