一種抑制下垂控制逆變器暫態(tài)虛擬功角曲線偏移的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種逆變器控制方法，尤其是涉及一種抑制下垂控制逆變器暫態(tài)虛擬 功角曲線偏移的控制方法
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，風(fēng)力、光伏等可再生能源得到了快速發(fā)展，國內(nèi)建立了以逆變器為接口的 大型風(fēng)力、光伏電站，因此，逆變器的穩(wěn)定性對電網(wǎng)的安全運行有重要意義。
[0003] 下垂控制使得逆變器呈現(xiàn)出電壓源的特性，在實際中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是新 能源接入微網(wǎng)或弱電網(wǎng)時，下垂控制可為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。研究表明，在大干擾 下，下垂控制的逆變器具有與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似的功角特性，且由于輸出功率中正弦函 數(shù)的非線性，導(dǎo)致逆變器與同步發(fā)電機一樣存在潛在的同步穩(wěn)定問題。
[0004] 目前，逆變器的穩(wěn)定性研究主要集中于微網(wǎng)中逆變器的小干擾穩(wěn)定性的研究，而 對其在大干擾下的暫態(tài)穩(wěn)定問題研究相對較少（本發(fā)明研究的內(nèi)容特指功角穩(wěn)定或同步 穩(wěn)定），其穩(wěn)定機理尚不清晰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決【背景技術(shù)】中由于三環(huán)控制（下垂控制-電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)）影響了 逆變器的電壓跟蹤性能，暫態(tài)過程中的虛擬功角曲線會發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致逆變器暫態(tài)穩(wěn) 定裕度下降的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種抑制下垂控制逆變器暫態(tài)虛擬功角曲線偏移的 控制方法，以控制逆變器暫態(tài)虛擬功角曲線偏移，提高逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定性。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案采用：
[0007] 本發(fā)明針對暫態(tài)虛擬功角δ'(即矢量d軸與無窮大電網(wǎng)電壓綜合矢量拉的夾 角）的偏移問題，采用加入前饋參量的方法對逆變器輸出電流進(jìn)行計算并將其進(jìn)行前饋控 制，以提高逆變器的電壓跟蹤性能，從而保持逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定。
[0008] 雖然通過整定外環(huán)控制器參數(shù)可以改善逆變器的暫態(tài)電壓響應(yīng)，但是外環(huán)控制是 在逆變器輸出電壓發(fā)生變化時才會作用，會有滯后，且參數(shù)取值也受到整個系統(tǒng)環(huán)路的約 束。但本發(fā)明考慮到逆變器輸出電壓的變化是由電流擾動引起的，因此可以使用前饋輸出 電流來加速外環(huán)控制器的響應(yīng)，提高暫態(tài)電壓跟蹤性能，進(jìn)而提高逆變器的大干擾穩(wěn)定性。
[0009] 如圖2所示，在逆變器原電壓外環(huán)產(chǎn)生的兩個電流參考值/『和<4基礎(chǔ)上，分別加 入兩個前饋輸出電流的估計值Id^st和Iqc^st，得到新電流參考值和?，即采用以下公 式：
[0010]
[0011] 其中，F(xiàn)為前饋系數(shù)。
[0012] 所述的兩個前饋輸出電流的估計值1&4和I_^采用以下公式進(jìn)行計算：
[0013]
[0014] 其中，1\和T及別為電流和電壓的濾波時間常數(shù)，ω是逆變器的角速度，Vd，Vq是 逆變器電壓矢量的d軸與q軸分量，Id，Iq是逆變器電流矢量的d軸與q軸分量，CF是逆變 器的電容。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 本發(fā)明解決了逆變器的暫態(tài)虛擬功角偏移的技術(shù)問題，使用估計的逆變器輸出電 流進(jìn)行前饋控制，以控制逆變器暫態(tài)虛擬功角曲線偏移，提高逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定性。
[0017] 本發(fā)明方法可提高逆變器電壓的暫態(tài)跟蹤性能，有效抑制虛擬功角曲線的暫態(tài)偏 移，且不需要增加額外的傳感器，并不會改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行特性。
[0018] 本發(fā)明的控制方法也可應(yīng)用于其他采用雙環(huán)控制的逆變器，如虛擬同步機等，也 可進(jìn)一步推廣運用于多機被動孤網(wǎng)、孤網(wǎng)大負(fù)荷投切等大干擾場景，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的單逆變器并入無窮大電網(wǎng)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖2為本發(fā)明中針對下垂控制逆變器提出的輸出電流前饋控制策略框圖。
[0021] 圖3為本發(fā)明的單逆變器并入無窮大電網(wǎng)的系統(tǒng)中各角度的定義示意圖。
[0022] 圖4為本發(fā)明示例中逆變器輸出電流不飽和時的穩(wěn)態(tài)虛擬功角特性曲線。
[0023] 圖5為本發(fā)明示例中逆變器輸出電流飽和時的穩(wěn)態(tài)虛擬功角特性曲線。
[0024] 圖6為本發(fā)明示例中逆變器暫態(tài)過程中的矢量圖。
[0025] 圖7為本發(fā)明示例中暫態(tài)下逆變器的非飽和虛擬功角曲線與飽和虛擬功角曲線。
[0026] 圖8本發(fā)明示例中逆變器功率指令發(fā)生階躍后考慮暫態(tài)虛擬功角曲線偏移的虛 擬功角軌跡圖。
[0027] 圖9為本發(fā)明的仿真驗證中采用不同前饋值時逆變器dq軸的電壓幅值。
[0028] 圖10為本發(fā)明的仿真驗證中采用不同前饋值時逆變器dq軸的電流幅值。
[0029] 圖11為本發(fā)明的仿真驗證中采用不同前饋值時逆變器暫態(tài)虛擬功角曲線偏移 量。
[0030] 圖12為本發(fā)明的仿真驗證中采用不同前饋值時逆變器的功率響應(yīng)。
[0031] 圖13為本發(fā)明的仿真驗證中采用不同前饋值時逆變器暫態(tài)虛擬功角軌跡圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033] 本發(fā)明的原理如下：
[0034] 可再生能源接入弱電網(wǎng)或微電網(wǎng)時，作為并網(wǎng)接口的逆變器經(jīng)常采用"功率下 垂-電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)"的三環(huán)控制器，且采用基于dq坐標(biāo)變換的矢量控制。其中，電 壓外環(huán)設(shè)定電壓q軸分量Vq的給定值為零，使逆變器的輸出電壓綜合矢量f定位在d軸上。 逆變器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中部分變量的定義及物理意義如附圖表1所示。
[0035] 表1本發(fā)明附圖中部分系統(tǒng)變量的符號定義與說明
[0036]
[0038] 在dq坐標(biāo)下，圖1中逆變器的狀態(tài)方程為：
[0039]
[0040] 其中，Ls為線路電感，其余變量的定義及物理意義如表1所示。
[0041] 無功功率一電壓下垂控制方程如式（4)所示，將有功功率一頻率下垂方程寫為式 (7)的形式，其中，V為逆變器輸出電壓綜合矢量#的幅值。
[0042]V-V〇=kQX(Q〇-Qe) (4)
[0043] Δω=o*-Qg=kPX(Ρ〇-ΡΕ) (5)
[0044] 令δ'為d軸與無窮大電網(wǎng)的電壓矢量療間的夾角，可看成是逆變器的功角，也 即虛擬功角。結(jié)合式（5)可得：
[0045]
[0046] 上述式（4)-(6)中變量的定義及物理意義如附圖表1所示，相關(guān)的示意圖如圖3 所示。根據(jù)圖3可得虛擬功角曲線的偏移量α、β如式（7)和式（8):
[0049] 本發(fā)明主要分析在大干擾下，虛擬功角δ'的運動變化，接著對逆變器的電磁暫 態(tài)過程與控制的暫態(tài)響應(yīng)過程作簡化：
[0050] 假設(shè)1 :不考慮系統(tǒng)中的諧波分量與負(fù)序、零序分量；
[0051] 假設(shè)2 :穩(wěn)態(tài)下逆變器輸出電壓矢量f定位在d軸，且以單位功率因素運行；
[0052] 假設(shè)3 :不計線路與濾波電感的電阻，不考慮濾波電感與線路的電磁暫態(tài)，
[0053]
，并忽略LCL濾波器中的電容電流影響；
[0054] 假設(shè)4:考慮逆變器的內(nèi)環(huán)控制帶寬足夠大，從而可不計逆變器的控制中電流內(nèi) 環(huán)的暫態(tài)過程，即認(rèn)為電流內(nèi)環(huán)的給定值等于實際值；
[0055] 假設(shè)5 :不考慮Q-V下垂導(dǎo)致電壓降低的情況，認(rèn)為(即逆變器輸出電壓幅 值為V。）；
[0056] 假設(shè)6 :不失一般性，所分析的大干擾來自有功功率指令P。階躍（對其他類型大干 擾導(dǎo)致運行點偏移，分析過程和結(jié)論也適用）。
[0057] 由上述假設(shè)可將式（3)簡化為：
[0058]
[0059] 將綜合矢量匕{>，/表示為如下的復(fù)數(shù)：
[0060]
[0061]其中，j表示虛部。
[0062] 聯(lián)立式（9)與式（10)可得式（11):
[0063]
[0064] 逆變器輸出功率表達(dá)式為：
[0065]
[0066] 其中，Re()表示取括號內(nèi)矢量的實部。
[0067]聯(lián)立式（7)與式（12)得逆變器虛擬功角特性方程：
[0068]
[0069] 當(dāng)逆變器處于穩(wěn)態(tài)時，Vq= 0,由式（7)可得α= 0,此時可將式（13)寫為：
[0070]PE=Pumsinδ' (14)
[0071] 其中，表示輸出電流不飽和時逆變器輸出有功功率的最大值。
[0072] 上述推導(dǎo)沒有考慮逆變器輸出電流的限幅控制，故由上式得到的是逆變器輸出電 流不飽和時的虛擬功角特性曲線（本發(fā)明中簡稱為"非飽和虛擬功角曲線"），如圖4所示， 在[0,π]中存在Α和Β兩個平衡點，其中Α點是穩(wěn)定平衡點，Β點是不穩(wěn)定平衡點。
[0073] 由于過