一种基于逆变器端口能量函数的控制系统及控制方法与流程

1.本发明涉及一种电力电子逆变器技术领域，更具体地说，它涉及一种基于逆变器端口能量函数的控制系统及控制方法。


背景技术：

2.随着风、光、太阳能等间隙性清洁能源在电力系统中所占比重的增加，智能电网，特别是微电网相继成为电力领域的研究热点。由于风能、太阳能等一次可再生资源的随机性、间歇性，自身很难控制其有功出力的缺点。因此常规的逆变器修正策略在微电网多逆变器并网运行的情况下无法为微电网系统提供电压、频率支撑，也很难合理的分配各逆变器之间的输出功率，成为制约微电网发展的问题。具有传统电力系统中同步发电机特性的虚拟同步发电机技术应运而生。和下垂控制相比，虚拟同步发电机控制算法不仅具有稳态的功率下垂持性，而且还可模拟同步发电机的转子惯性，动态弥补功率的差额，减少频率波动的程度。虚拟同步发电机技术(virtual synchronous generator,vsg)已成为目前研究的热点。然而，虚拟同步发电机在改善系统频率稳定性的同时，却有可能恶化了系统的功角稳定性。
3.也会引入传统同步发电机中的功率振荡问题。并且具有更宽频段、多种工作模式等特点的虚拟同步机接入电网加剧电力系统稳定性的复杂度。同时，由于配电网和微电网中多个并网逆变器易发生谐振，电力系统的稳定性受到进一步恶化。降低了电力系统的功角稳定性，使得电力系统的稳定状态遭到破坏，提升了电力系统的低频振荡。
4.因此如何对逆变器进行控制来抑制电力系统低频振荡是目前亟需解决的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于逆变器端口能量函数的控制方法，用以解决采用虚拟同步发电机在改善电力系统频率稳定性的同时，降低了电力系统的功角稳定性，使得电力系统的稳定状态遭到破坏。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.第一方面，本发明提供一种基于逆变器端口能量函数的控制系统，包括虚拟同步发电机控制模块，所述虚拟同步发电机控制模块包括dq变换模块、输出有功无功和端电压有效值计算模块、调制波信号幅值计算模块与模拟转子运动方程模块，还包括附加修正模块，附加修正模块用于对逆变器输出调制波的幅值与相位角附加幅值与相位角的控制使得系统端口能量函数为负。
8.本发明通过附加修正模块来对逆变器输出调制波的幅值与相位进行修正，使得其逆变器输出端口的能量函数恒为负值，当逆变器端口能量为负，即代表该控制下逆变器始终吸收暂态能量，而非作为一个振荡源输出能量，在这种情况下，虚拟同步发电机可以帮助消纳系统暂态过程中激发的振荡能量，提升电力系统的功角稳定性，有利于降低电力系统的低频振荡。
9.进一步的，dq变换模块用于获得逆变器lc滤波器上电容的三相电压和电感上流过的三相电流的dq轴的电压分量与电流分量，输出有功无功和端电压有效值计算模块用于根据dq轴的电压分量与电流分量计算获得逆变器端口输出的有功功率、无功功率与电压幅值。
10.进一步的，模拟转子运动方程模块用于计算逆变器调制波的相位角；
11.调制波信号幅值计算模块用于计算逆变器的调制波幅值。
12.进一步的，附加修正模块包括附加相位修正模块与附加幅值修正模块；
13.附加相位修正模块，用于附加相位对逆变器调制波的相位角进行修正使得逆变器端口有功功率的能量函数为负；
14.附加幅值修正模块，用于附加幅值对逆变器的调制波幅值进行修正使得逆变器端口无功功率的能量函数为负；
15.其中，端口能量函数w
port
的计算式为：
[0016][0017]
式中，e
t,s
和θs分别表示逆变器输出端电压幅值和相位的稳态时刻的值，e
t
、θ分别表示逆变器当前输出端电压的幅值与相位值，δ表示某个变量的增量；
[0018]
若不考虑校准，逆变器端口有功功率与无功功率的计算式如下式所示：
[0019][0020]
式中，xf＝wnlf，wn表示角频率基准值，lf表示lc滤波器的电感值，rf表示lc滤波器的电阻值，eq表示调制波的幅值，δ表示调制波的相位，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值，θ表示逆变器当前输出端电压的相位值；
[0021]
端口能量函数w
port
包括wg和we，其计算式为：
[0022]
[0023][0024]
相位与幅值的修正策略为：式中，δc表示附加相位修正后的调制波的相位，e
qc
表示附加幅值修正后的调制波的幅值，p表示有功功率，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值。
[0025]
进一步的，对已附加相位修正后的调制波相位与附加幅值修正后的调制波幅值的控制策略为：其中，k
δ
表示附加相位修正系数，ke表示附加幅值修正系数，δ表示调制波的相位，eq表示调制波的幅值。
[0026]
第二方面，本发明提供一种基于逆变器端口能量函数的控制方法，在第一方面提供的控制系统进行实现，对逆变器输出调制波的幅值与相位角附加幅值与相位角的控制使得系统端口能量函数为负。
[0027]
进一步的，获得逆变器lc滤波器上电容的三相电压和电感上流过的三相电流的dq轴的电压分量与电流分量；
[0028]
根据dq轴的电压分量与电流分量计算获得逆变器端口输出的有功功率、无功功率与电压幅值。
[0029]
进一步的，计算逆变器调制波的相位角；
[0030]
计算逆变器的调制波幅值。
[0031]
进一步的，附加相位对逆变器调制波的相位角进行修正使得逆变器端口有功功率的能量函数为负；
[0032]
附加幅值对逆变器的调制波幅值进行修正使得逆变器端口无功功率的能量函数为负；
[0033]
其中，端口能量函数w
port
的计算式为：
[0034][0035]
式中，e
t,s
和θs分别表示逆变器输出端电压幅值和相位的稳态时刻的值，e
t
、θ分别
表示逆变器当前输出端电压的幅值、相位值，δ表示某个变量的增量；
[0036]
若不考虑校准，逆变器端口有功功率与无功功率的计算式如下式所示：
[0037][0038]
式中，xf＝wnlf，wn表示角频率基准值，lf表示lc滤波器的电感值，rf表示lc滤波器的电阻值，eq表示调制波的幅值，δ表示调制波的相位，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值，θ表示逆变器当前输出端电压的相位值；
[0039]
端口能量函数w
port
包括wg和we，其计算式为：
[0040][0041][0042]
相位与幅值的修正策略为：式中，δc表示附加相位修正后的调制波的相位，e
qc
表示附加幅值修正后的调制波的幅值，p表示有功功率，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值。
[0043]
进一步的，对已附加相位修正后的调制波相位与附加幅值修正后的调制波幅值的控制策略为：其中，k
δ
表示附加相位修正系数，ke表示附加幅值修正系数，δ表示调制波的相位，eq表示调制波的幅值。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045]
本发明通过附加幅值与相位来对逆变器输出的调制波幅值和相位进行修正，从而使得端口能量函数始终为负，提升电力系统的功角稳定性，以此来抑制系统低频振荡，进而适应高比例可再生能源并网电力电子化系统易振荡环境下的逆变器的运行控制。
附图说明
[0046]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0047]
图1为本发明一实施例提供的逆变器控制器的主电路拓扑结构；
[0048]
图2为本发明一实施例提供的逆变器控制器的控制框图。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0050]
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
[0051]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0052]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0053]
实施例一
[0054]
如图2所示，本实施例一提供一种基于逆变器端口能量函数的控制系统，包括虚拟同步发电机控制模块，虚拟同步发电机控制模块包括dq变换模块、输出有功无功和端电压有效值计算模块、调制波信号幅值计算模块与模拟转子运动方程模块，还包括附加修正模块，附加修正模块用于对逆变器输出调制波的幅值与相位角附加幅值与相位角的控制使得系统端口能量函数为负。
[0055]
从上述技术方案可以得出，本实施例一的控制系统通过附加修正模块来对逆变器输出调制波的幅值与相位进行修正，使得其逆变器输出端口的能量函数恒为负值，即代表该控制下逆变器始终吸收暂态能量，而非作为一个振荡源输出能量，在这种情况下，虚拟同步发电机可以帮助消纳系统暂态过程中激发的振荡能量，提升电力系统的功角稳定性，有利于降低电力系统的低频振荡。
[0056]
本技术实施例一更进一步的一个实施例中，dq变换模块用于获得逆变器lc滤波器上电容的三相电压和电感上流过的三相电流的dq轴的电压分量与电流分量，输出有功无功
和端电压有效值计算模块用于根据dq轴的电压分量与电流分量计算获得逆变器端口输出的有功功率、无功功率与电压幅值。
[0057]
具体的，dq变换模块用于将逆变器lc滤波器上电容的三相电压ea、eb、ec和电感上流过的三相电流ia、ib、i
c，
分解到逆变器的同步旋转坐标系下得到其dq轴分量ud、uq和id、iq；
[0058]
输出有功无功和端电压有效值计算模块的计算式为：
[0059][0060]
式中，p为有功功率，q为无功功率，e
t
为输出电压幅值。
[0061]
本技术实施例一更进一步的一个实施例中，模拟转子运动方程模块用于计算逆变器调制波的相位角；
[0062]
调制波信号幅值计算模块用于计算逆变器的调制波幅值。
[0063]
具体的，模拟转子运动方程模块用于计算逆变器虚拟的角频率ω和调制波的相位角δ，计算公式如下式所示：
[0064][0065]
δ＝ωn∫ωdt
[0066]
式中，j为逆变器虚拟转动惯量；m为有功下垂系数；p*为逆变器输出有功功率的设定值；kd为逆变器虚拟阻尼系数；δ为逆变器调制波相位；ωn为角频率基准值；
[0067]
调制波信号幅值计算模块用于计算调制波幅值eq，所用公式为：
[0068]eq
＝∫ke[(e
*-e
t
)-n(q-q
*
)]dt
[0069]
式中，e*为逆变器端电压的设定值；q*为逆变器无功功率的设定值；ke为放大增益；n为无功电压环节的下垂系数；eq为逆变器调制波信号中的q轴分量，调制波信号的0轴和d轴分量均为0。
[0070]
本技术实施例一更进一步的一个实施例中，附加修正模块包括附加相位修正模块与附加幅值修正模块；
[0071]
附加相位修正模块，用于附加相位对逆变器调制波的相位角进行修正使得逆变器端口有功功率的能量函数为负；
[0072]
附加幅值修正模块，用于附加幅值对逆变器的调制波幅值进行修正使得逆变器端口无功功率的能量函数为负；
[0073]
其中，端口能量函数w
port
的计算式为：
[0074][0075]
式中，e
t,s
和θs分别表示逆变器输出端电压幅值和相位的稳态时刻的值，e
t
、θ分别表示逆变器当前输出端电压的幅值与相位值，δ表示某个变量的增量；
[0076]
若不考虑校准，逆变器端口有功功率与无功功率的计算式如下式所示：
[0077][0078]
式中，xf＝wnlf，wn表示角频率基准值，lf表示lc滤波器的电感值，rf表示lc滤波器的电阻值，eq表示调制波的幅值，δ表示调制波的相位，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值，θ表示逆变器当前输出端电压的相位值；
[0079]
端口能量函数w
port
包括wg和we，其计算式为：
[0080][0081][0082]
相位与幅值的修正策略为：式中，δc表示附加相位修正后的调制波的相位，e
qc
表示附加幅值修正后的调制波的幅值，p表示有功功率，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值。
[0083]
具体的，如图2所示，在调制波幅值计算模块所计算的幅值结果，通过附加幅值修正模块附加幅值对所计算的幅值结果进行修正，使得逆变器端口输出能量函数的wg恒为负值，同理，通过附加相位修正模块对模拟转子运动方程模块所计算的相位结果进行修正，使得逆变器端口输出能量函数的we恒为负值。
[0084]
本技术实施例一更进一步的一个实施例中，对已附加相位修正后的调制波相位与
附加幅值修正后的调制波幅值的控制策略为：其中，k
δ
表示附加相位修正系数，ke表示附加幅值修正系数，δ表示调制波相位，eq表示调制波的幅值。
[0085]
具体的，对δc与e
qc
进行控制，使得δc与e
qc
满足该计算式。
[0086]
实施例二
[0087]
本实施例二在实施例一的基础上提供一种基于逆变器端口能量函数的控制方法，由实施例一的控制系统进行实现，
[0088]
对逆变器输出调制波的幅值与相位角附加幅值与相位角的控制使得系统端口能量函数为负。
[0089]
从上述技术方案可以得出，本实施例二的控制方法通过附加修正模块来对逆变器输出调制波的幅值与相位进行修正，使得其逆变器输出端口的能量函数恒为负值，提升电力系统的功角稳定性，降低电力系统的低频振荡。
[0090]
本技术实施例二更进一步的一个实施例中，获得逆变器lc滤波器上电容的三相电压和电感上流过的三相电流的dq轴的电压分量与电流分量；
[0091]
根据dq轴的电压分量与电流分量计算获得逆变器端口输出的有功功率、无功功率与电压幅值。
[0092]
本技术实施例二更进一步的一个实施例中，计算逆变器调制波的相位角；
[0093]
计算逆变器的调制波幅值。
[0094]
本技术实施例二更进一步的一个实施例中，附加相位对逆变器调制波的相位角进行修正使得逆变器端口有功功率的能量函数为负；
[0095]
附加幅值对逆变器的调制波幅值进行修正使得逆变器端口无功功率的能量函数为负；
[0096]
其中，端口能量函数w
port
的计算式为：
[0097][0098]
式中，e
t,s
和θs分别表示逆变器输出端电压幅值和相位的稳态时刻的值，e
t
、θ分别表示逆变器当前输出端电压的幅值、相位值，δ表示某个变量的增量；
[0099]
若不考虑校准，逆变器端口有功功率与无功功率的计算式如下式所示：
[0100][0101]
式中，xf＝wnlf，wn表示角频率基准值，lf表示lc滤波器的电感值，rf表示lc滤波器
的电阻值，eq表示调制波的幅值，δ表示调制波的相位，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值，θ表示逆变器当前输出端电压的相位值；
[0102]
端口能量函数w
port
包括wg和we，其计算式为：
[0103][0104][0105]
相位与幅值的修正策略为：式中，δc表示附加相位修正后的调制波的相位，e
qc
表示附加幅值修正后的调制波的幅值，p表示有功功率，e
t
表示逆变器当前输出端电压的幅值。
[0106]
本技术实施例二更进一步的一个实施例中，对已附加相位修正后的调制波相位与附加幅值修正后的调制波幅值的控制策略为：其中，k
δ
表示附加相位修正系数，ke表示附加幅值修正系数，δ表示调制波的相位，eq表示调制波的幅值。
[0107]
具体的，本实施例二的各个进一步的一个实施例的解释与说明均在实施例一叙述，因此不再叙述。
[0108]
如图1所示，图1为逆变器控制器的主电路拓扑结构，并且给出了一种参与电力系统低频振荡抑制的逆变器控制器的具体参数，如下，三相逆变器的额定电压为380v，额定频率50hz，额定功率为100kw。对应的，逆变器直流端额定电压u
dc
＝750v。三相全桥逆变电路电力电子器件为igbt(insulated gate bipolar transistor)，型号为英飞凌f150r12rt4。pwm载波频率为5khz。lc滤波器的电感l为2mh，电容为13μf，选取型号c67s1136-002700。直
流母线上的储能电容选取日立的电容，容值2200μf，耐压450v，每两个串联，共6个，总容值3300μf。电流传感器选型为has150-s(lem)。
[0109]
逆变器控制器内的参数设置为e*＝1.00，p*0.85，q*＝0.00，这些参数均为标幺值。角频率基准值ωn＝314.15927rad/s。虚拟同步发电机相关控制参数选取为m＝n＝0.1，ke＝100，j＝0.5，kd＝1.00。附加修正模块的相关参数k
δ
＝0.01，ke＝0.03。
[0110]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。