CN105226724B - 一种基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置及其方法，其特征是，包括三相逆变器主电路、用于并网的开关、电网模块、电流测量模块；还包括输出虚拟有功功率计算模块、输出虚拟无功功率计算模块、调制信号计算模块、调制模块、频率‑有功功率下垂控制调节模块、电压‑无功功率下垂控制调节模块、功率转换计算模块、逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块、输出虚拟电压相位计算模块、输出虚拟电压幅值计算模块和虚拟电压合成模块。本发明所达到的有益效果：本发明实现单台及多台逆变器并联***运行在并网模式、离网模式，以及可实现离网、并网两种模式的无缝切换功能，确保逆变器***安全可靠运行。

Description

一种基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种三相逆变器控制装置及其方法，具体涉及一种基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置及其方法。

背景技术

随着全球范围内的能源危机和环境问题的日益突出，分布式发电技术与微电网技术得到越来越多的关注，作为分布式资源与配电网(微电网)的纽带，并网逆变器的功能被深入挖掘并肯定了其有益的作用，但仍无法忽视常规控制策略本身给配电网和微电网安全稳定运行带来的挑战。尤其是常规并网逆变器响应速度快、难以参与电网调节，无法为含分布式电源的主动配电网提供必要的电压和频率支撑，更无法为稳定性相对较差的微电网提供必要的阻尼作用，缺乏一种与配电网及微电网有效的“同步”的机制。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置及其方法，实现单台及多台逆变器并联***运行在并网模式、离网模式，以及可实现离网、并网两种模式的无缝切换功能，确保逆变器***安全可靠运行。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置，其特征是，包括三相逆变器主电路、均设置在三相逆变器主电路上的用于并网的开关、电网模块、电流测量模块；还包括输出虚拟有功功率计算模块、输出虚拟无功功率计算模块、调制信号计算模块、调制模块、频率-有功功率下垂控制调节模块、电压-无功功率下垂控制调节模块、功率转换计算模块、逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块、输出虚拟电压相位计算模块、输出虚拟电压幅值计算模块和虚拟电压合成模块；

所述电流测量模块和虚拟电压合成模块的输出端均连接输出虚拟有功功率计算模块、输出虚拟无功功率计算模块和调制信号计算模块；

所述调制信号计算模块的输出端连接有调制模块；

所述输出虚拟有功功率计算模块和频率-有功功率下垂控制调节模块的输出端连接功率转换计算模块的一个输入端；

所述输出虚拟无功功率计算模块和电压-无功功率下垂控制调节模块的输出端连接功率转换计算模块的另一个输入端；

所述功率转换计算模块的一个输出端和逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块的输出端连接输出虚拟电压相位计算模块；

所述功率转换计算模块的另一个输出端连接输出虚拟电压幅值计算模块；

所述输出虚拟电压相位计算模块和输出虚拟电压幅值计算模块的输出端连接虚拟电压合成模块；

所述调制信号计算模块用于产生逆变器调制信号的；

所述调制模块用于产生驱动功率开关控制信号，调制模块的输出端与三相逆变器主电路相连接。

一种基于前述基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置的控制方法，其特征是，包括如下步骤：

1)将通过采样获得的三相逆变器输出滤波电感电流i_Labc和虚拟电压合成模块产生的逆变器虚拟输出电压v_rabc送入输出虚拟有功功率计算模块和输出虚拟无功功率计算模块，计算获得相应的逆变器虚拟输出有功功率p_o和无功功率q_o；

2)通过频率-有功功率下垂控制调节模块和电压-无功功率下垂控制调节模块分别获得逆变器有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref，将逆变器虚拟输出有功功率p_o和无功功率q_o分别与对应的有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref进行比较，并将比较后的值送入功率转换计算模块；

3)将逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块输出信号ΔP与功率转换计算模块的有功功率输出信号P′相加送入输出虚拟电压相位计算模块，计算获得逆变器虚拟输出电压的相位θ，将功率转换计算模块的无功功率输出信号Q′送入输出虚拟电压幅值计算模块，获得逆变器虚拟输出电压的幅值V；

4)将虚拟输出电压的相位θ和幅值V送入虚拟电压合成模块生成逆变器虚拟输出电压v_rabc，将逆变器电感电流i_Labc与逆变器虚拟输出电压v_rabc送入调制信号计算模块，获得逆变器调制信号v_m；

5)将调制信号v_m与载波信号v_c一同送入调制模块，调制模块产生控制逆变器功率开关的控制信号D。

本发明所达到的有益效果：本发明实现单台及多台逆变器并联***运行在并网模式、离网模式，以及可实现离网、并网两种模式的无缝切换功能，确保逆变器***安全可靠运行。

附图说明

图1是本发明的整体结构控制框图；

图2是本发明对于单台逆变器运行在并网模式、离网模式、离网到并网模式切换三种工况下的仿真结果示意图；

图3是本发明对于两台逆变器并联***运行在并网模式、离网模式、离网到并网模式切换三种工况下的仿真结果示意图。

图中附图标记的含义：

1-三相逆变器主电路，2-用于并网的开关S及电网模块，3-输出虚拟有功功率计算模块，4-输出虚拟无功功率计算模块，5-频率-有功功率下垂控制调节模块，6-电压-无功功率下垂控制调节模块，7-功率转换计算模块，8-逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块，9-输出虚拟电压相位计算模块，10-输出虚拟电压幅值计算模块，11-虚拟电压合成模块，12-调制信号计算模块，13-调制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本装置的连接关系如图1所示。

使用时，包括如下步骤：

1)将通过采样获得的三相逆变器输出滤波电感电流i_Labc和虚拟电压合成模块11产生的逆变器虚拟输出电压v_rabc送入输出虚拟有功功率计算模块3和输出虚拟无功功率计算模块4，计算获得相应的逆变器虚拟输出有功功率p_o和无功功率q_o。

输出虚拟有功功率计算模块3计算公式为p_o＝v_ra·i_La+v_rb·i_Lb+v_rc·i_Lc (1)，式中v_ra、v_rb、v_rc分别表示逆变器三相虚拟输出电压；i_La、i_Lb、i_Lc分别表示逆变器三相输出滤波电感电流。

输出虚拟无功功率计算模块4计算公式为q_o＝v_ra·(-j)·i_La+v_rb·(-j)·i_Lb+v_rc·(-j)·i_Lc (2)，式中v_ra、v_rb、v_rc分别表示逆变器三相虚拟输出电压；i_La、i_Lb、i_Lc分别表示逆变器三相输出滤波电感电流。

2)通过频率-有功功率下垂控制调节模块5和电压-无功功率下垂控制调节模块6分别获得逆变器有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref，将逆变器虚拟输出有功功率p_o和无功功率q_o分别与对应的有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref进行比较，并将比较后的值送入功率转换计算模块7。

频率-有功功率下垂控制调节模块5计算公式为P_ref＝(f^*-f)·k_f (3)，式中，f^*为逆变器频率-有功下垂曲线中所对应的最大频率，f为逆变器输出实际频率，k_f为频率-有功下垂系数。

电压-无功功率下垂控制调节模块6计算公式为Q_ref＝(V^*-V)·k_v (4)，式中V^*为逆变器电压-无功下垂曲线中所对应的最大电压，V为逆变器输出实际电压，k_v为电压-无功下垂系数。

3)将逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块8输出信号ΔP与功率转换计算模块7的有功功率输出信号P′相加送入输出虚拟电压相位计算模块9，计算获得逆变器虚拟输出电压的相位θ，将功率转换计算模块7的无功功率输出信号Q′送入输出虚拟电压幅值计算模块10，获得逆变器虚拟输出电压的幅值V。

功率转换计算模块7计算公式为：式中Z＝R+j·X，其中R为逆变器虚拟输出阻抗，X＝ωL为逆变器滤波电感感抗。

逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块8计算公式为：式中e_g和v_o分别为电网电压和逆变器实际输出电压，为相位调整系数，ω_c为低通滤波器转折频率。

4)将虚拟输出电压的相位θ和幅值V送入虚拟电压合成模块11生成逆变器虚拟输出电压v_rabc，将逆变器电感电流i_Labc与逆变器虚拟输出电压v_rabc送入调制信号计算模块12，获得逆变器调制信号v_m。

输出虚拟电压相位计算模块9计算公式为式中P^*＝P′+ΔP，k_ω、k_p分别为角频率调节系数和有功调节系数，ω₀为电网角频率。

输出虚拟电压幅值计算模块10计算公式为式中k_q为无功调节系数。

虚拟电压合成模块11计算公式为

调制信号计算模块12计算公式为v_m＝v_rabc-i_Labc·R (10)，式中R为负载电阻。

5)将调制信号v_m与载波信号v_c一同送入调制模块，调制模块产生控制逆变器功率开关的控制信号D。

为说明本发明的正确性和可行性，对所提出的基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制方法进行了仿真实验验证，其中仿真分为单台逆变器运行和四台逆变器并联运行两种情况。仿真参数为：电网电压相电压幅值257V，输入直流电压800V，输出滤波电感0.15mH，滤波电容600uF，额定输出功率分别为100kW和50kW，负载电阻R为0.2Ω。

(1)单台逆变器运行时：

图2为逆变器离网模式与并网模式相切换时，电网电流i_ga与逆变器输出电流i_oa波形的仿真波形，其中在t＝0.8s时刻逆变器由离网模式切换到并网模式，在t＝1.2s时刻逆变器再由并网模式切换回离网模式。

图2给出的仿真波形显示，基于本发明的控制方法下，单台逆变器很好得实现了在并网模式、离网模式下的稳定运行，同时在离网模式与并网模式之间实现了无缝切换，切换瞬间没有发生电流过冲现象。

(2)两台逆变器并联运行时：

图3为两台逆变器并联运行在离网模式与并网模式相切换时，电网电流i_ga和两台逆变器输出电流i_oa1、i_oa2的仿真波形，其中在t＝0.8s时刻逆变器并联***由离网模式切换到并网模式，在t＝1.2s时刻逆变器并联***再由并网模式切换回离网模式。

图3给出的仿真波形显示，基于本发明的控制方法下，两台逆变器并联运行时同样很好得实现了在并网模式、离网模式下的稳定运行，同时在离网模式与并网模式之间均实现了无缝切换。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置的控制方法，其特征是，所述虚拟输出阻抗的三相逆变器控制装置包括三相逆变器主电路、均设置在三相逆变器主电路上的用于并网的开关、电网模块、电流测量模块；还包括输出虚拟有功功率计算模块、输出虚拟无功功率计算模块、调制信号计算模块、调制模块、频率-有功功率下垂控制调节模块、电压-无功功率下垂控制调节模块、功率转换计算模块、逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块、输出虚拟电压相位计算模块、输出虚拟电压幅值计算模块和虚拟电压合成模块；

所述电流测量模块和虚拟电压合成模块的输出端均连接输出虚拟有功功率计算模块、输出虚拟无功功率计算模块和调制信号计算模块；

所述调制信号计算模块的输出端连接有调制模块；

所述输出虚拟有功功率计算模块和频率-有功功率下垂控制调节模块的输出端连接功率转换计算模块的一个输入端；

所述输出虚拟无功功率计算模块和电压-无功功率下垂控制调节模块的输出端连接功率转换计算模块的另一个输入端；

所述功率转换计算模块的一个输出端和逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块的输出端连接输出虚拟电压相位计算模块；

所述功率转换计算模块的另一个输出端连接输出虚拟电压幅值计算模块；

所述输出虚拟电压相位计算模块和输出虚拟电压幅值计算模块的输出端连接虚拟电压合成模块；

所述调制信号计算模块用于产生逆变器调制信号的；

所述调制模块用于产生驱动功率开关控制信号，调制模块的输出端与三相逆变器主电路相连接；

控制方法包括如下步骤：

1)将通过采样获得的三相逆变器输出滤波电感电流i_Labc和虚拟电压合成模块产生的逆变器虚拟输出电压v_rabc送入输出虚拟有功功率计算模块和输出虚拟无功功率计算模块，计算获得相应的逆变器虚拟输出有功功率p_o和无功功率q_o；

2)通过频率-有功功率下垂控制调节模块和电压-无功功率下垂控制调节模块分别获得逆变器有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref，将逆变器虚拟输出有功功率p_o和无功功率q_o分别与对应的有功功率指令值P_ref和无功功率指令值Q_ref进行比较，并将比较后的值送入功率转换计算模块；

3)将逆变器输出电压相位与电网相位同步调节模块输出信号ΔP与功率转换计算模块的有功功率输出信号P′相加送入输出虚拟电压相位计算模块，计算获得逆变器虚拟输出电压的相位θ，将功率转换计算模块的无功功率输出信号Q′送入输出虚拟电压幅值计算模块，获得逆变器虚拟输出电压的幅值V；

4)将虚拟输出电压的相位θ和幅值V送入虚拟电压合成模块生成逆变器虚拟输出电压v_rabc，将逆变器电感电流i_Labc与逆变器虚拟输出电压v_rabc送入调制信号计算模块，获得逆变器调制信号v_m；

5)将调制信号v_m与载波信号v_c一同送入调制模块，调制模块产生控制逆变器功率开关的控制信号D。