CN106712115A - 一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不需要电流反馈的虚拟同步发电机控制器，包括以下部分：1).转子运动方程，计算得到虚拟的转子角频率与相位，作为逆变器的角频率。2).电压控制，模拟同步发电机励磁控制以及无功电压下垂特性对逆变器输出电压幅值进行控制。3).逆变器输出功率计算方程。利用输电线路传输功率计算的方法计算逆变器无功功率和虚拟的电磁转矩。该方程具有不需要电流量即可进行计算的特点。4).dq变换与dq反变换单元，利用转子运动方程计算的角频率和相位作为参考相角。综合以上各部分得到本发明一种不需要电流反馈的虚拟同步发电机控制器。与现有的方法相比，本发明不需要电流反馈，简化了控制算法；同时也省略了电流传感器，减少了逆变器的建设成本。

Description

一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器

技术领域

本发明涉及微电网和分布式发电领域，特别涉及一种逆变器的虚拟同步发电机控制器。

背景技术

随着风、光等间隙性清洁能源在电力***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。微电网中的逆变器是清洁能源并网的主要方式，因此其控制策略就成为了微电网运行的关键技术。常规的逆变器控制策略在微电网多逆变器并网运行的情况下无法为微电网***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。传统电力***中同步发电机具有调压、调频特性，以及转子惯性对多机运行时功率调节的特性。模拟上述同步发电机特性的逆变器控制技术，即虚拟同步发电机技术成为目前研究的热点。

现有的虚拟同步发电机控制器都需要同时测量逆变器输出端的电压与电流。并且使用电压、电流进行复杂的控制运算才能对逆变器进行控制。

发明内容

本发明提供了一种不需要电流反馈的虚拟同步发电机控制器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方法实现：

如本发明一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器所述，本发明仅对逆变器输出电压进行采样。这里需要明确两个概念，逆变器输出电压为逆变器所接LC滤波器后端的电容上的电压，逆变桥路输出电压为滤波器前端电力电子器件处的输出电压。在得到三相输出电压采样值后经过dq变换得到逆变器输出电压的dq分量U_d、U_q。

控制方法具体以如下3个步骤实现：

(1).电压控制：根据上述逆变器输出电压dq轴分量U_d、U_q，与给定的电压参考V_ref，以及无功功率给定Q_set和逆变器输出无功功率Q。同时考虑电压幅值的控制与无功功率与逆变器输出电压的下垂关系，利用如下微分方程计算逆变器输出电压的控制量：

上式中，K_a电压幅值增益；n_q为无功下垂增益；U_o为逆变器输出电压幅值，其计算公式如下：

得到逆变器输出电压的控制量E_q后，将其作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒等于零的d轴分量E_d与0轴分量E₀，经过dq反变换后得到PWM三相调制波，对逆变器桥路开关进行控制。

上述dq变换与dq反变换所需参考角频率ω_r和相位由转子运动方程计算得出。转子运动方程为实现本发明控制器的第2个步骤。上述逆变器输出无功功率Q由第3个步骤逆变器输出功率计算方程计算得到。后续步骤具体如下。

(2).转子运动方程：同步发电机的转子运动方程可用下式描述。

其中H为转子惯性时间常数，T_m和T_e分别为机械转矩和电磁转矩，ω_r为虚拟的转子旋转角速度，将其作为dq变换与dq反变换参考角频率，在忽略逆变桥路损耗的前提下，ω_r即为逆变桥路输出电压的角频率。机械转矩T_m可用同步发电机调速器数学模型求取，计算公式如下。

T_m≈P_set+D_p(f_n-ω_r/(2π)) (4)

其中P_set为输出有功功率给定，D_p为下垂特性系数，f_n为电网频率。

公式(3)中电磁转矩T_e由第3个步骤逆变器输出功率方程计算得到，具体如下。

(3).逆变器输出功率计算方程：如上所述以E_q作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒为0的d轴分量E_d与0轴分量E₀，以ω_r作为dq变换与dq反变换参考角频率。在忽略逆变器桥路损耗的前提下，可认为逆变桥路输出电压幅值为E_q。以逆变器桥路输出电压相位为参考相位，则逆变器输出电压与逆变桥路输出电压相位差δ可由下式求取：

利用输电线路功率传输方程的计算公式可以求取逆变器输出有功功率P与无功功率Q。利用同步发电机稳态分析中已有的结论，由于转速基本在同步转速附近，可令输出功率等于电磁功率，即电磁转矩T_e。因此，步骤(2)转子运动方程中所需要的电磁转矩T_e可用输电线路功率传输方程求取。具体公式如下：

其中R_f为逆变器LC滤波器电感上的等效电阻，X_f为LC滤波器电感感抗。

同理，无功功率Q计算公式如下：

与现有技术相比，本发明的优点体现在：采用输电线路功率传输方程计算逆变器的输出功率，即这里的电磁转矩和无功功率，计算不需要电流值。因此可以省略电流反馈，逆变器不需要安装电流传感器，节约了建设成本。电压控制考虑了电压与无功功率的下垂关系，在控制电压稳定的同时兼顾无功功率的控制。

附图说明

图1是本发明一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器的总体结构图；

图2为电压控制与逆变器输出功率计算方程部分结构；

图3为转子运动方程模块详细结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器的总体结构图，包括主电路、逆变器输出功率计算方程、电压控制、转子运动方程、dq变换、dq反变换这几个部分构成。下面具体介绍各部分结构：

1)主电路部分，包括IGBT三相全桥逆变电路(IGBT Bridge)和LC滤波器和电压传感器。L_f为LC滤波器电感，R_f为L_f上等效电阻，C_f为LC滤波器电容。Z_L为入网线路阻抗，v_b为网侧电压。U_a、U_b、U_c为电压传感器测量得到的三相电压。

2)dq变换和dq反变换单元，执行dq变换与dq反变换所需要的参考角频率ω_r和相位由转子运动方程部分提供。dq变换单元的输入为电压传感器测量得到的三相电压U_a、U_b、U_c，通过变换后得到三相电压dq轴分量U_d、U_q。dq反变换单元的输入为电压控制部分输出E_q，将其作为q轴分量，并补齐恒为0的d轴分量E_d与0轴分量E₀，反变换后得到三相PWM调制波，控制IGBT Bridge工作。

3)逆变器输出功率方程部分，其详细结构如图2中逆变器输出功率计算方程虚线框部分所示。该部分采用输电线路功率传输方程的方法计算逆变器输出无功功率Q和虚拟的电磁转矩T_e。输入为三相电压dq轴分量U_d、U_q和E_q。通过以下公式计算得到T_e和Q。并将T_e作为转子运动方程部分输入，Q作为电压控制部分输入。

4)电压控制部分，其详细结构如图2中电压控制虚线框部分所示。该部分的输入为三相电压dq轴分量U_d、U_q、电压给定V_ref、无功功率给定Q_set和逆变器输出功率方程部分计算得到的无功功率Q。该部分可用以下微分方程描述其数学模型。

电压控制具体工作过程为：将V_ref与U_o的差乘以增益K_a的值和Q_set与Q的差乘以增益n_q的值相加。然后进行积分并限幅后输出，即得到逆变器输出电压的控制量E_q。将其作为PWM调制电压q轴分量，而d轴、0轴分量恒为0。同时E_q反馈回逆变器输出功率计算方程参与计算。

5)转子运动方程部分，该部分详细结构如图3所示。其工作原因是，首先将电网频率f_n减去逆变器频率f_r，f_r＝ω_r/2π。得到的差值乘以下垂特性系数D_p。再加上输出有功功率给定P_set，通过限幅环节后得到的值即虚拟的机械转矩T_m。将T_m与逆变器输出功率方程部分得到的电磁转矩T_e相减，除以惯性时间常数2H，再积分后得到的值即为逆变桥路输出电压的角频率ω_r，对ω_r积分可得其相位θ。

综合以上对各部分的描述，可得如图1所示的一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器的总体结构。

具体实施方式：

下面给出了本发明涉及的逆变器控制器的一种具体参数。

逆变器参数：三相逆变器，额定频率f_n＝50Hz；额定输出功率50kW；额定电压V_ref为380V；额定输出功率Q_set为0var。额定的直流端电压为700V。滤波器部分参数为L_f＝2mH，对应的X_f＝0.628Ω；R_f＝0.1Ω；C_f＝13μF。下垂系数D_p＝100 000，n_q为0.15，电压幅值增益K_a＝20。转子惯性时间常数H＝2。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器，由转子运动方程、电压控制、dq变换、dq反变换单元以及逆变器输出功率计算方程这几个部分构成。其特征在于：逆变器输出功率计算方程部分采用如下公式计算电磁转矩T_e和逆变器输出无功功率Q：

$T_e=\frac{U_o\[R_f(E_{q}cos\mathrm{\δ}-U_o)+X_f{E}_{q}sin\mathrm{\δ}\]}{R_f^2+X_f^2}---\left(1\right)$

$Q=\frac{U_o\[X_f(E_{q}cos\mathrm{\δ}-U_o)-R_f{E}_{q}sin\mathrm{\δ}\]}{R_f^2+X_f^2}---\left(2\right)$

其中R_f为逆变器LC滤波器电感上的等效电阻；X_f为LC滤波器电感感抗；E_q为LC滤波器前端电压幅值，即逆变桥路输出电压幅值，由电压控制部分计算得到；U_o为LC滤波器后端电容上的电压幅值，即逆变器输出电压幅值，计算公式如下：

$U_o=\sqrt{U_d^2+U_q^2}---\left(3\right)$

其中U_d、U_q为逆变器输出电压的dq分量。

公式(1)、(2)中的δ为逆变桥路输出电压与逆变器输出电压的相位差，计算公式如下：

$\mathrm{\δ}=\arctan \left(\frac{U_d}{U_q}\right)---\left(4\right)$

其特征还在于：采用公式(1)、(2)计算电磁转矩和无功功率不需要电流反馈，即逆变器主电路中也不需要电流传感器。

2.根据权利要求1所述的一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器，其特征在于：由以下微分方程进行电压控制：

$\frac{{\mathrm{dE}}_q}{dt}=K_a(V_{ref}-U_o)+n_q(Q_{set}-Q)---\left(5\right)$

该方程同时考虑了电压幅值的控制和无功功率与输出电压的下垂关系。具有稳定电压的同时控制逆变器无功输出的优点。

公式(5)中，V_ref为给定的逆变器输出参考电压幅值；K_a电压幅值增益；Q_set为无功功率给定；Q是逆变器输出无功功率；n_q为无功下垂增益；输出E_q作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒等于零的d轴与0轴分量，经过dq反变换后得到PWM三相调制波，对逆变器桥路开关进行控制。在忽略逆变桥路开关损耗的假设下，可认为E_q等于逆变桥路输出电压的幅值。