一種具備中線的電壓型同步逆變器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具備中線的電壓型同步逆變器及其控制方法。同步逆變器融合虛擬電機(jī)技術(shù)，能模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性、調(diào)頻、調(diào)壓及勵磁調(diào)節(jié)特性，使得分布式發(fā)電與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣，能主動參與到電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)中去，從而提高整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性；具備中線模塊，能適應(yīng)三相四線制形態(tài)的配網(wǎng)，對中線電壓具有良好的控制能力，保證了三相負(fù)荷不平衡狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行；在并網(wǎng)運(yùn)行及孤島運(yùn)行模式下均工作于電壓源模式，從而滿足在慣性模擬、機(jī)端電壓調(diào)節(jié)、故障穿越和孤島檢測等方面的優(yōu)良性能。
【專利說明】
一種具備中線的電壓型同步逆變器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電氣工程領(lǐng)域，具體涉及一種具備中線的電壓型同步逆變器
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著分布式能源迅猛發(fā)展，電網(wǎng)中并網(wǎng)逆變器的比重將不斷提高，給電網(wǎng)的安全 穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)，為了提升電網(wǎng)對分布式能源的接納能力，需要并網(wǎng)逆變器不 僅能保證自身的穩(wěn)定性，還要能夠參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。常規(guī)并網(wǎng)逆變器響應(yīng)速度快、幾乎沒有轉(zhuǎn) 動慣量、無法為電網(wǎng)提供必要的阻尼作用，并且不能為電網(wǎng)提供必要的電壓和頻率支撐。傳 統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)能根據(jù)電網(wǎng)電壓的頻率和幅值的變化自動地調(diào)節(jié)其輸出的有功功率和無功 功率，這一特性正是并網(wǎng)逆變器所需要的。因此，如果將并網(wǎng)逆變器虛擬成同步發(fā)電機(jī)，即 同步逆變器，通過控制使得并網(wǎng)逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性、一次調(diào)頻、一次調(diào)壓及勵磁 調(diào)節(jié)特性，將使得分布式能源并網(wǎng)逆變器與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣，能主動參與到電網(wǎng)的功 率調(diào)節(jié)中去，從而提高整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
[0003] 配網(wǎng)供電系統(tǒng)中，電網(wǎng)的主要形態(tài)為三相四線制，這要求通過配網(wǎng)接入的同步逆 變器帶有中線，從而具備三相四線輸出能力。且由于配電網(wǎng)用戶多為單相負(fù)荷，負(fù)荷分布的 不均衡及負(fù)荷用電的不同時性，導(dǎo)致三相負(fù)荷不平衡是運(yùn)行常態(tài)，故要求同步逆變器對中 線電壓具有良好的控制能力。
[0004] 目前，同步逆變器的并網(wǎng)控制方法大多是基于電流控制型，從外特性上看，電流控 制型虛擬同步發(fā)電機(jī)等效于受控電流源，因此在弱電網(wǎng)環(huán)境中難以勝任電壓支撐作用，并 且也無法實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行，和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的電壓源特性還存在一定的差別。因 此，有必要將同步逆變器虛擬為電壓控制型，在并網(wǎng)運(yùn)行及孤島運(yùn)行模式下均工作于電壓 源模式，從而滿足在慣性模擬、機(jī)端電壓調(diào)節(jié)、故障穿越和孤島檢測等方面的優(yōu)良性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[0006] 步驟1 :提出具備中線的電壓型同步逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0007] 步驟2 :實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性和勵磁特性虛擬；
[0008] 步驟3 :實(shí)現(xiàn)電壓源模式運(yùn)行；
[0009] 步驟4 :實(shí)現(xiàn)自動參與配網(wǎng)調(diào)節(jié)；
[0010] 步驟5 :實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行；
[0011] 所述步驟1中，提出的具備中線的電壓型同步逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。功率 電路由三相橋臂和中線橋臂組成，中性線連接分裂電容中點(diǎn)，并通過電感l(wèi)n連接中線橋臂 中點(diǎn)，三相橋臂中點(diǎn)通過LCL濾波器連接至電網(wǎng)，Z為等效阻抗。仏~Q 6構(gòu)成三相逆變橋， 其橋臂中點(diǎn)電壓ea、％和e。模擬同步發(fā)電機(jī)的電動勢，逆變器側(cè)電感L i模擬同步發(fā)電機(jī)的 同步電抗，電容電壓VCa、Vcb、Vjt擬同步發(fā)電機(jī)的端電壓，L 2是連線電感，它可以保證整個 線路阻抗呈感性。
[0012] 所述步驟2中，同步逆變器的輸出有功功率匕和無功功率過瞬時功率理論計 算得到，即：
[0013] Pe= e α?α+θβ?β (1)
[0014] Qe= e pia-eaip (2)
[0015] 其中，edPe{!為逆變器橋臂中點(diǎn)電壓基波在a β坐標(biāo)系下的表達(dá)式，i a和i e為 電感Q中的電流在α β坐標(biāo)系下的表達(dá)式。
[0016] 虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性和勵磁特性之前，首先得出同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方 程：
[0017]
(3)
[0018] Pset=Tset〇 ^Tset〇n (4)
[0019] Pe= Τβω ^ Τβωη (5)
[0020] θ = / ω dt (6)
[0021] 其中，TMt為轉(zhuǎn)矩給定，?\為電磁轉(zhuǎn)矩，Ρ ^為功率給定，Ρ 電磁功率，J為轉(zhuǎn)動慣 量，Dp為阻尼系數(shù)，ω為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角頻率，ω "為額定角頻率，Θ為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角 度，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)只有一對極時，Θ在數(shù)值上也等于同步發(fā)電機(jī)電動勢的相角。
[0022] 根據(jù)式（1)~(6)，可以得知同步發(fā)動機(jī)機(jī)械特性可以虛擬成同步逆變器有功功 率特性，得到同步逆變器有功環(huán)的控制框圖，同步逆變器的有功環(huán)與同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn) 動方程對應(yīng)，如圖2所示。
[0023] 虛擬勵磁特性時，首先了解同步發(fā)電機(jī)勵磁控制回路調(diào)節(jié)其電動勢的原理，勵磁 控制方程如下：
[0024] (7) (8)
[0025]
[0026] 調(diào)節(jié)勵磁，保證輸出電壓與參考電壓相同。其中，E"為同步發(fā)電機(jī)電動勢有效值， Uraf為參考電壓有效值，U。為輸出電壓有效值，U n為額定電壓有效值，Q 為無功功率給定， 為同步發(fā)電機(jī)實(shí)際無功功率，Dq為下垂系數(shù)，G(s)為勵磁控制器的調(diào)節(jié)器。為了保證輸出 電壓能夠無靜差地跟蹤參考電壓，G(s)中必須含有積分環(huán)節(jié)，G(s)可以選擇積分調(diào)節(jié)器， PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器，G(s) =M/s，其中Μ為積分系數(shù)。定義系數(shù)K = Dq/M，將其代入式 (7)和式（8)中，進(jìn)行整理并轉(zhuǎn)化為時域表達(dá)式，可得：
[0027]
(9)
[0028] 比較式⑶和式（9)，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是相同的，系數(shù)K與轉(zhuǎn)動慣量 J有著類似的物理意義。因此，可以認(rèn)為K為勵磁回路的慣性系數(shù)。
[0029] 根據(jù)式（9)，可以得到同步逆變器無功環(huán)的控制框圖，同步逆變器的無功環(huán)與同步 發(fā)電機(jī)的勵磁控制方程對應(yīng)，如圖2所示。
[0030] 從上面的推導(dǎo)可得：
[0031] 1)由于同步逆變器的有功環(huán)與同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程是對應(yīng)的，因此同步逆 變器完全模擬了同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械電氣特性；
[0032] 2)由于同步逆變器的無功環(huán)與同步發(fā)電機(jī)的勵磁控制方程是對應(yīng)的，因此同步逆 變器完全模擬了同步發(fā)電機(jī)勵磁回路的特性。
[0033] 所述步驟3中，如步驟2公式所計算，同步逆變器有功環(huán)的輸出為逆變器調(diào)制波的 頻率和相位，無功環(huán)的輸出為逆變器調(diào)制波的幅值。則三相調(diào)制波 ean、ebni和e。^的表達(dá)式 為：
[0034]
[0035] (10)
[0036]
[0037] 三相調(diào)制波與PWM調(diào)制器的載波交截，得到三相逆變橋六只開關(guān)管的驅(qū)動信號， 進(jìn)而得到橋臂中點(diǎn)電壓e a、％和e。。
[0038] 通過電壓閉環(huán)控制同步逆變器電壓源輸出，調(diào)制波到橋臂中點(diǎn)電壓的傳遞函數(shù)為 KPWM= V J(2Vt")，其中Vin為輸入電壓，V &1為三角載波的幅值。通過中點(diǎn)電壓e a、％和e。 閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電壓型輸出。
[0039] 所述步驟4中，模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)對機(jī)械轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)有功輸出。機(jī)械轉(zhuǎn) 矩由給定指令T Mt和機(jī)械頻率偏差反饋指令兩部分組成，頻率響應(yīng)的調(diào)節(jié)通過虛擬的自動 頻率調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，下垂系數(shù)Dp等效為同步發(fā)電機(jī)的自動頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬同步 發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)同步逆變器的有功控制和頻率調(diào)節(jié)，如圖2所示。
[0040] 模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)對勵磁的調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)無功輸出。如式（7) (8)，K相當(dāng)于同步 電動機(jī)勵磁回路的慣性系數(shù)，下垂系數(shù)Dq等效為虛擬同步發(fā)電機(jī)的自動電壓調(diào)節(jié)器，通過 調(diào)節(jié)虛擬同步發(fā)電機(jī)電勢E"來調(diào)節(jié)虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓，即可實(shí)現(xiàn)同步逆變器的無 功控制。
[0041] 所述步驟5中，將負(fù)荷三相不平衡產(chǎn)生的中線電流1_看成一個電流源，則中線控 制框圖如圖3所示。
[0042] 其中Gv(s)為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，此處取雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)調(diào)節(jié)器，其表達(dá)式為：
[0043]
(11)
[0044] Gjs)為電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，此處取電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器取增益為1的比例調(diào)節(jié)器，e sTs 為數(shù)字控制引入的一拍滯后，Gh(s)為零階保持器的傳遞函數(shù)，其表達(dá)式為：
[0045]
(12)
[0046] Vin為直流側(cè)輸入電壓，為三角載波的幅值，Hv為中點(diǎn)電壓反饋系數(shù)，I為中線 電感電流反饋系數(shù)，反饋電感電流實(shí)現(xiàn)有源阻尼。
[0047] 從阻抗的角度對，得到中線基于阻抗模型的等效電路如圖4所示。
[0048] 其中Ze為電容支路的閉環(huán)輸出阻抗，其表達(dá)式就為電容的容抗l/sCN，Zj%電感支 路的閉環(huán)輸出阻抗，其表達(dá)式為：
[0049](13) r
m
[0050] 其中為中線電感電流反饋在電感支路虛擬的電阻，其表達(dá)式為：
[0051]
(14)
[0052] 為了實(shí)現(xiàn)三相不平衡負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，必須控制使得中線電流盡量從電感支路 走。由式（13)可以看出，要降低電感支路在50Hz處的閉環(huán)阻抗，只能提高電壓調(diào)節(jié)器心⑷ 在50Hz處的增益。因此，在設(shè)計獨(dú)立中線模塊的閉環(huán)控制參數(shù)時，不僅要保證系統(tǒng)自身的 穩(wěn)定性，還要盡量提高G v(s)在50Hz處的增益。
【附圖說明】
[0053] 圖1為本發(fā)明提出的虛擬具備中線的電壓型同步逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
[0054] 圖2為本發(fā)明提出的同步逆變器的控制框圖
[0055] 圖3為本發(fā)明提出的獨(dú)立中線模塊的控制框圖
[0056] 圖4為本發(fā)明提出的獨(dú)立中線模炔基于阻抗模型的等效電路
[0057] 圖5為本發(fā)明提出的采用預(yù)同步控制的同步逆變器控制框圖
[0058] 圖6為本發(fā)明提出的方法實(shí)例所得到并網(wǎng)動態(tài)波形
[0059] 圖7為本發(fā)明提出的方法實(shí)例所得到帶100%不平衡負(fù)載時波形
[0060] 發(fā)明效果
[0061] 具備中線的電壓型同步逆變器，融合虛擬電機(jī)技術(shù)，能模擬同步發(fā)電機(jī)的慣性、調(diào) 頻、調(diào)壓及勵磁調(diào)節(jié)特性，使得分布式發(fā)電與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣，能主動參與到電網(wǎng)的功 率調(diào)節(jié)中去，從而提高整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性；具備中線模塊，能適應(yīng)三相四線制形態(tài)的配網(wǎng)， 對中線電壓具有良好的控制能力，保證了三相負(fù)荷不平衡狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行；采用電壓型 控制，在并網(wǎng)運(yùn)行及孤島運(yùn)行模式下均工作于電壓源模式，從而滿足在慣性模擬、機(jī)端電壓 調(diào)節(jié)、故障穿越和孤島檢測等方面的優(yōu)良性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明提出的具備中線的電壓型同步逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。 功率電路由三相橋臂和中線橋臂組成，中性線連接分裂電容中點(diǎn)，并通過電感Ln連接 中線橋臂中點(diǎn)，三相橋臂中點(diǎn)通過LCL濾波器連接至電網(wǎng)，Z為等效阻抗。仏~Q 6構(gòu)成三相 逆變橋，其橋臂中點(diǎn)電壓ea、％和e。模擬同步發(fā)電機(jī)的電動勢，逆變器側(cè)電感L ^莫擬同步 發(fā)電機(jī)的同步電抗，電容電壓VCa、Vcb、V 擬同步發(fā)電機(jī)的端電壓，L 2是連線電感，它可以 保證整個線路阻抗呈感性。2. 本發(fā)明提出1所述具備中線的電壓型同步逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，如圖2所示。 同步逆變器的輸出有功功率匕和無功功率QJS過瞬時功率理論計算得到，即：其中，ea和e e為逆變器橋臂中點(diǎn)電壓基波在α β坐標(biāo)系下的表達(dá)式，i α和i e為電 感L1中的電流在α β坐標(biāo)系下的表達(dá)式。 虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性和勵磁特性之前，首先得出同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程：(3) 其中，Tset為轉(zhuǎn)矩給定，?\為電磁轉(zhuǎn)矩，P ^為功率給定，P 電磁功率，J為轉(zhuǎn)動慣量， Dp為阻尼系數(shù)，ω為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角頻率，ω "為額定角頻率，Θ為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度， 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)只有一對極時，Θ在數(shù)值上也等于同步發(fā)電機(jī)電動勢的相角。 根據(jù)式（1)~(6)，可以得知同步發(fā)動機(jī)機(jī)械特性可以虛擬成同步逆變器有功功率特 性，得到同步逆變器有功環(huán)的控制框圖，同步逆變器的有功環(huán)與同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方 程對應(yīng)，如圖2所示。 虛擬勵磁特性時，首先了解同步發(fā)電機(jī)勵磁控制回路調(diào)節(jié)其電動勢的原理，勵磁控制 方程如下：(7) (8) 調(diào)節(jié)勵磁，保證輸出電壓與參考電壓相同。其中，Eni為同步發(fā)電機(jī)電動勢有效值，Uraf為 參考電壓有效值，U。為輸出電壓有效值，U n為額定電壓有效值，Q ^為無功功率給定，QJ%同 步發(fā)電機(jī)實(shí)際無功功率，Dq為下垂系數(shù)，G(S)為勵磁控制器的調(diào)節(jié)器。為了保證輸出電壓 能夠無靜差地跟蹤參考電壓，G(S)中必須含有積分環(huán)節(jié)，G(S)可以選擇積分調(diào)節(jié)器，PI調(diào) 節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器，G(S) =M/s，其中M為積分系數(shù)。定義系數(shù)K = Dq/M，將其代入式（7) 和式（8)中，進(jìn)行整理并轉(zhuǎn)化為時域表達(dá)式，可得：(9) 比較式（3)和式（9)，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是相同的，系數(shù)K與轉(zhuǎn)動慣量J有 著類似的物理意義。因此，可以認(rèn)為K為勵磁回路的慣性系數(shù)。 根據(jù)式（9)，可以得到同步逆變器無功環(huán)的控制框圖，同步逆變器的無功環(huán)與同步發(fā)電 機(jī)的勵磁控制方程對應(yīng)，如圖2所示。3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述由三相橋臂和中線橋臂共同組成電壓型同步逆變器功率電 路。4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述中性線連接分裂電容中點(diǎn)，并通過電感連接中線橋臂中點(diǎn)， 三相橋臂中點(diǎn)通過LCL濾波器連接至電網(wǎng)的電路連接方式。5. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述采用1中所述電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同步逆變器有功功率特性模擬同 步發(fā)動機(jī)機(jī)械特性的同步逆變器有功環(huán)控制方法。6. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述采用1中所述電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同步逆變器勵磁回路特性模擬同 步發(fā)電機(jī)勵磁回路特性的同步逆變器無功環(huán)控制方法。
【文檔編號】H02M7/5387GK105897028SQ201510035533
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月26日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請人】北京鴻天盛達(dá)科技開發(fā)有限公司, 原泉