一种多功能并网逆变器控制系统及控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子、非线性控制技术领域，尤其涉及一种多功能并网逆变器控制系统及控制方法。


背景技术：

2.随着化石能源的日益紧缺，化石能源的使用带来的环境问题不断加剧，光伏、风电等清洁能源受到了越来越多的关注。作为新能源发电的关键设备，并网逆变器的控制技术已得到了长足的发展。随着电力电子器件性能的不断提升，控制器计算能力的不断加强，人们已经不满足于控制并网逆变器单纯向电网注入基波正弦有功电流，进而转向多功能并网逆变器的研究。多功能并网逆变器理论上可以在宽范围内，为电网提供辅助服务，这样就可以避免使用专用的设备，同时有助于电网的稳定、高质量运行，降低了成本。
3.一次调频作为电力系统重要的调频手段之一，可以减小扰动动态过程中的频率偏差极值和频率稳态偏差值，而新能源发电单元本身不具备一次调频能力，随着新能源发电的快速发展，电力系统一次调频资源大幅减少，频率越限风险增加，急需新能源发电参与电网一次调频，而当前主要采用新能源参与电力系统一次调频的方案是新增一套新能源一次调频设备已实现新能源的一次调频功能。同样，由于新能源的快速发展，电力系统电力电子设备设备不断增加，再加上电力系统内局部负荷存在大量的非线性、不平衡、及无功特性，造成电力系统电能质量恶化，有源滤波器可以有效改善并网点的电能质量，但现在有源滤波器多为单一设备并网应用，综上所述，若新能源发电需要同时具备一次调频及有源滤波器功能，需要同时增设一次调频设备和有源滤波器，这会使新能源发电成本增加，降低经济效益的同时，进而影响新能源的消纳。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种多功能并网逆变器控制系统及控制方法。
5.为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多功能并网逆变器控制系统，其特征在于：所述控制系统包括单位三相电压矢量生成模块、一次调频计算模块、电压外环控制模块、三相电流指令生成模块、开关脉冲生成模块，单位三相电压矢量生成模块的输入端连接逆变器的交流侧，单位三相电压矢量生成模块的输出端连接三相电流指令生成模块，一次调频计算模块的输入端连接逆变器的交流侧，一次调频计算模块的输出端连接电压外环控制模块，电压外环控制模块的输入端连接逆变器直流侧，电压外环控制模块的输出端连接三相电流指令生成模块，三相电流指令生成模块连接开关脉冲生成模块。
6.进一步地，单位三相电压矢量生成模块包括锁相环，锁相环连接逆变器交流侧。
7.一种多功能并网逆变器控制系统的控制方法，控制方法的步骤为：
8.步骤一、单位三相电压矢量生成：单位三相电压矢量生成模块的锁相环获取逆变器交流侧的实际三相电压的相位，锁相环输出的电压相位根据标准三相正序电压计算公式
生成单位三相电压矢量；
9.步骤二、一次调频电压指令生成：一次调频计算模块获取逆变器交流侧实际频率并利用一次调频频率—有功下垂特性曲线产生一次调频功率指令，进一步利用新能源发电功率—电压特性曲线生成一次调频电压指令；
10.步骤三、控制注入功率的指令电流分量生成：电压外环控制模块将一次调频电压指令与逆变器直流侧电压参考值相加再减去滤波后逆变器直流侧实际电压产生直流电压偏差，进一步利用电压外环控制器生成控制注入功率的指令电流分量；
11.步骤四、三相电流指令生成：步骤一生成的单位三相电压矢量与步骤三生成的控制注入功率的指令电流分量分相相乘生成三相电流指令；
12.步骤五、开关脉冲生成：开关脉冲模块利用分相减法环节将三相电流指令与逆变器交流侧实际三相电流进行分相相减产生三相电流偏差，进一步开关脉冲生成环节产生六路开关脉冲。
13.进一步地，步骤一中的三相正序电压计算公式为：
[0014][0015]
其中，单位三相电压矢量ua、ub、uc，根据标准三相正序电压计算公式所得。
[0016]
进一步地，步骤二中一次调频频率—有功下垂特性曲线计算一次调频功率指令的公式为：
[0017][0018]
其中，ppfc为一次调频功率指令，pn为新能源发电单元额定功率；fd为一次调频频率阈值，当f大于50.033hz时fd＝50.033，当f小于49.967hz时fd＝49.967，其他情况fd＝f；δ％为调频调差率等于3％；
[0019]
ppfc作为新能源发电功率—电压特性曲线的输入，由新能源发电功率—电压特性曲线产生一次调频电压指令vpfc，如下：
[0020]
vpfc＝f
pv
(ppfc)；
[0021]
其中，fpv(ppfc)为ppfc作为变量的功率-电压特性曲线函数。
[0022]
进一步地，步骤三中直流电压偏差的计算公式为：
[0023]
δvdc＝vpfc vdcn-vdcp；
[0024]
其中，δvdc表示直流电压偏差，vdcn表示逆变器直流侧电压参考值，vdcp表示逆变器直流侧实际电压；
[0025]
δvdc作为电压外环控制器的输入，电压外环控制器采用常规比例积分控制方法产生控制注入功率的指令电流分量，即：
[0026][0027]
其中，im为控制注入功率的指令电流分量、kp为比例增益、ti为积分时间。
[0028]
进一步地，步骤四中三相电流指令生成公式为：
[0029][0030]
其中，ira、irb、irc为三相电流指令。
[0031]
进一步地，中分相减法环节产生三相电流偏差的公式为：
[0032][0033]
其中，δia、δib、δic为三相电流偏差，ia、ib、ic为逆变器交流侧实际三相电流；
[0034]
δia、δib、δic作为开关脉冲生成环节的输入，开关脉冲生成环节利用滞环环节和取反环节搭建的六路开关脉冲生成回路对三相电流偏差进行处理，输出p1、p2、p3、p4、p5、p6，即；
[0035][0036][0037][0038]
其中，p1与p4、p3与p6、p5与p2互相为取反关系，假设p1＝0，则p4＝1；
[0039]
p1、p2、p3、p4、p5、p6并进一步作为开关脉冲生成模块的输出。
[0040]
进一步地，步骤五所生成的六路开关脉冲p1、p2、p3、p4、p5、p6输出至并网逆变器的六个可控电力电子元件，当开关脉冲为1时，对应的可控电力电子元件为导通状态，当开关脉冲为0时，对应的电力电子元件为关闭状态。
[0041]
本发明公开了一种多功能并网逆变器控制系统及控制方法，与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：利用新能源发电关键设备并网逆变器，通过对并网逆变器控制策略的变更，参考并网逆变器交流侧实际电压相位生成标准的三相正序电压作为逆变器输出电流波形的基准参考，通过逆变器输出的电流中的谐波分量抵消新能源发电单元并网点电
流中的谐波分量，保证新能源发电单元并网点的电流不含有谐波，同时根据当有源滤波器直流侧电压超过给定时，有源滤波器会通过向补偿侧注入有功能量来降低直流侧的电压这一重要特性，结合一次调频控制原理通过对并网逆变器直流电压的控制实现对并网逆变器输出的有功功率控制，进而在不影响新能源正常发电将新能源发电功率注入电网的情况下使并网逆变器同时具备了一次调频、有源滤波器的功能，避免或减少了新能源发电的硬件投入及设备总体积，使并网逆变器效益最大化，降低新能源发电成本，提高经济效益，促进新能源消纳。
附图说明
[0042]
图1是多功能并网逆变器控制系统的原理框图。
[0043]
图2是单位三相电压矢量生成模块的原理框图。
[0044]
图3是一次调频计算模块的原理框图。
[0045]
图4是电压外环控制模块原理框图。
[0046]
图5是三相电流指令生成原理框图。
[0047]
图6是开关脉冲模块原理框图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0049]
如图1所示的本发明专利提供了具备一次调频及有源滤波器功能的多功能并网逆变器控制系统，控制系统包括单位三相电压矢量生成模块、一次调频计算模块、电压外环控制模块、三相电流指令生成模块、开关脉冲生成模块，控制系统通过三相电压矢量生成模块生成单位三相电压矢量(ua、ub、uc)，通过一次调频计算模块生成的一次调频电压指令(vpfc)与逆变器直流侧电压参考值(vdcn)和滤波后逆变器直流侧实际电压(vdcp)作为电压外环控制模块输入量，并进一步通过电压外环控制模块生成控制注入功率的指令电流分量(im)，与单位三相电压矢量相乘后生成三相电流指令(ira、irb、irc)，进一步利用开关脉冲生成模块生成六路开关脉冲(p1、p2、p3、p4、p5、p6)，实现并网逆变器的控制，使新能源发电关键设备并网逆变器同时具备一次调频、有源滤波器、新能源发电功率注入电网的功能，避免或减少了新能源发电的硬件投入及设备总体积，使并网逆变器效益最大化。
[0050]
具体的，一种一种多功能并网逆变器控制系统的控制方法，控制方法的步骤为：
[0051]
步骤一、单位三相电压矢量生成：单位三相电压矢量(ua、ub、uc)由单位三相电压矢量生成模块产生，单位三相电压矢量生成模块利用锁相环环节获取逆变器交流侧实际三相电压(va、vb、vc)的相位θ，进一步利用单位三相电压矢量环节生成单位三相电压矢量；
[0052]
如图2所示的单位三相电压矢量生成模块，逆变器交流侧实际三相电压(va、vb、vc)作为锁相环环节输入，锁相环环节获取va、vb、vc的相位θ作为输出；单位三相电压矢量生成环节将锁相环环节输出的电压相位作为输入，根据标准三相正序电压计算公式，即：
[0053][0054]
得到单位三相电压矢量(ua、ub、uc)，并进一步作为单位三相电压矢量生成模块的输出；
[0055]
步骤二、一次调频电压指令生成：一次调频电压指令由一次调频计算模块产生，一次调频计算模块获取逆变器交流侧实际频率(f)利用一次调频频率—有功下垂特性曲线产生一次调频功率指令(ppfc)，进一步利用新能源发电功率—电压特性曲线产生一次调频电压指令(vpfc)；如图3所示的一次调频电压计算模块，逆变器交流侧实际频率f由一次调频频率—有功下垂特性曲线计算出一次调频功率指令ppfc，即：
[0056][0057]
其中，pn为新能源发电单元额定功率；fd为一次调频频率阈值，当f大于50.033hz时fd＝50.033，当f小于49.967hz时fd＝49.967，其他情况fd＝f；δ％为调频调差率等于3％；
[0058]
ppfc作为新能源发电功率—电压特性曲线的输入，由新能源发电功率—电压特性曲线产生一次调频电压指令vpfc，即
[0059]
vpfc＝f
pv
(ppfc)；
[0060]
其中，fpv(ppfc)为ppfc作为变量的功率-电压特性曲线函数，该函数由新能源发电单元本身特性决定；
[0061]
vpfc进一步作为一次调频计算模块的输出；
[0062]
步骤三、控制注入功率的指令电流分量生成：控制注入功率的指令电流分量(im)由电压外环控制模块产生，电压外环控制模块将一次调频电压指令(vpfc)与逆变器直流侧电压参考值(vdcn)相加再减去滤波后逆变器直流侧实际电压(vdcp)产生直流电压偏差(δvdc)，进一步利用电压外环控制器生成控制注入功率的指令电流分量(im)；如图4所示的电压外环控制模块，vpfc、vdcn、vdcp作为电压外环控制模块的输入，vpfc与vdcn通过加法环节相加生成逆变器直流侧电压指令(vdcr)，vdcr与vdcn通过减法环节相减产生δvdc，即：
[0063]
δvdc＝vpfc vdcn-vdcp；
[0064]
δvdc作为电压外环控制器的输入，电压外环控制器采用常规比例积分控制方法产生im，即：
[0065][0066]
其中，kp比例增益、ti为积分时间；
[0067]
im进一步作为电压外环控制模块的输出；
[0068]
步骤四、三相电流指令生成：三相电流指令(ira、irb、irc)由单位三相电压矢量(ua、ub、uc)与控制注入功率的指令电流分量(im)分相相乘产生；如图5所示三相电流指令生成，ua、ub、uc与im利用分相乘法环节进行分相相乘产生ira、irb、irc，即：
[0069][0070]
步骤五、开关脉冲生成：开关脉冲由开关脉冲模块产生，开关脉冲模块利用分相减法环节将三相电流指令(ira、irb、irc)与逆变器交流侧实际三相电流(ia、ib、ic)进行分相相减产生三相电流偏差(δia、δib、δic)，进一步通过开关脉冲生成环节产生六路开关脉冲(p1、p2、p3、p4、p5、p6)。如图6所示开关脉冲生成模块，ira、irb、irc与ia、ib、ic作为开关脉冲生成模块的输入，ira、irb、irc与ia、ib、ic通过分相相减环节进行分相相减运算产生δia、δib、δic，即：
[0071][0072]
δia、δib、δic作为开关脉冲生成环节的输入，开关脉冲生成环节利用滞环环节和取反环节搭建的六路开关脉冲生成回路对三相电流偏差进行处理，输出p1、p2、p3、p4、p5、p6，即：
[0073][0074][0075][0076]
其中，p1与p4、p3与p6、p5与p2互相为取反关系，假设p1＝0，则p4＝1；
[0077]
p1、p2、p3、p4、p5、p6并进一步作为开关脉冲生成模块的输出；
[0078]
步骤五所生成的六路开关脉冲p1、p2、p3、p4、p5、p6输出至并网逆变器的六个可控电力电子元件，当开关脉冲为1时，对应的可控电力电子元件为导通状态，当开关脉冲为0时，对应的电力电子元件为关闭状态。
[0079]
上述技术方案利用新能源发电关键设备并网逆变器，通过对并网逆变器控制策略的变更，在不影响新能源正常发电将新能源发电功率注入电网的情况下使并网逆变器同时
具备了一次调频、有源滤波器的功能，避免或减少了新能源发电的硬件投入及设备总体积，使并网逆变器效益最大化，降低新能源发电成本，提高经济效益，促进新能源消纳。
[0080]
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。