一种逆变器自同步并网控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种逆变器自同步并网控制装置，由虚拟转子运动方程、电压控制、dq变换、dq反变换单元、逆变器输出功率计算方程以及一些改变控制结构的虚拟开关SP(1)、SQ(2)、SPWM(3)这几个部分构成。该装置在并网时，并没有使用锁相环，而是通过改变虚拟开关的闭合状态，从而改变控制器的结构，实现一种自同步并网。同时，并网瞬间是通过控制虚拟开关SPWM(3)来封锁和开启PWM输出，实现向网侧输送功率。不同于传统上通过控制并网开关向网侧输送功率的方式，从而省去了并网开关。与现有方法相比，本发明专利技术去除了锁相环，简化了系统结构，降低了控制器的计算量。硬件上，去除了并网开关，简化了硬件结构，节省了成本，同时还提高了系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种逆变器自同步并网控制装置
本专利技术涉及电力电子逆变器领域，特别涉及逆变器自同步并网的控制装置。
技术介绍
随着风、光等间歇性清洁能源在电力系统中所占比重的增加，智能电网，特别是微电网相继成为电力领域的研究热点。在微电网中，逆变器是清洁能源并网发电的常见方式。逆变器在并网前主要采用锁相环技术(PLL)对电网电压进行锁相，然后根据电网的电压幅值、频率和相位等信息对逆变器进行控制，使电网和逆变器两者之间的电压幅值、频率和相位偏差在允许的范围之内，才能进行并网操作。锁相环作为并网控制最为关键的部分，其性能直接影响整个系统的控制效果，甚至会影响系统的稳定性。由于锁相环、电力系统都具有非线性，且电力系统的状态实时变化，因此很难通过调整并固定一组锁相环的控制参数以达到满意的动态性能。锁相环的动态响应过慢会影响到系统的控制效果，降低系统的稳定性。尤其是在弱电网的情况下，电网中存在大量谐波，影响了锁相环的锁相精度，甚至可能会造成系统不稳定。同时，逆变器在从锁相状态切换到内部算法运行状态的过程中，因为处理过程较为繁琐，如果处理不当，容易造成较大电流冲击，甚至是并网失败。再者，锁相环本身也是一种较为复杂的技术。它提升了系统的复杂度，增大了控制器的运算量。考虑到锁相环本身较为复杂，且会带来锁相精度、响应速度、稳定性等问题，有学者提出自同步的控制策略。自同步指的是逆变器不借助锁相环，仅利用内部的控制策略，实现运行过程中逆变器对电网频率的同步跟踪。更进一步的做法是在并网时也能不借助锁相环，仅利用内部的控制策略，实现对电网频率、电压幅值、电压相位的跟踪，然后进行并网操作。如文献Self-SynchronizedSynchronverters:InvertersWithoutaDedicatedSynchronizationUnit，提出的一种基于虚拟同步发电机的自同步并网控制方案。该方案对逆变器的性能有所改善，减少了控制结构的复杂度，是一个值得注意的发展方向。目前，大多数逆变器在并网的时候，通常都会有一个闭合并网开关的过程。具体是在逆变器锁相成功后，控制器发出并网指令，通过闭合并网开关实现并网。并网开关的位置见图1。并网开关的存在，一方面增加了逆变器的成本。另一方面，由于并网开关存在发生故障的可能性，特别是一些机械式的继电器、接触器，这将导致逆变器整体的可靠性降低。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种逆变器自同步并网控制装置。具体技术方案如下：本专利技术中，逆变器的基本控制结构如图2所示，该控制结构指的是逆变器并网后，正常运行时的控制结构。具体是一种不用电流反馈的，采用电压计算功率的虚拟同步发电机控制技术，主要包含以下三个部分：电压控制、虚拟转子运动方程、逆变器功率计算方程。1)电压控制：本专利技术此处采用的是一种无功-电压下垂控制。具体做法是用一个微分方程来给出逆变器输出电压的幅值U和无功功率Q的关系，同时得到逆变器调制波幅值的中间量Eq'。该微分方程如下：上式中，K为电压幅值增益；n为无功下垂系数；Uset为给定电压；Qset为给定无功功率。其中，所述电压U的计算公式如下：其中，Ud、Uq为逆变器端电压瞬时值Ua、Ub、UC经过dq变换得到。逆变器调制波的幅值Eq为Eq'加上电压U，电压U在这里是一个前馈控制。Eq＝U+Eq'(3)得到上述逆变器调制波的幅值Eq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Ed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反变换所需参考相位θ由虚拟转子运动方程计算得出。虚拟转子运动方程在第二部分给出。上述逆变器输出无功功率Q由第三部分逆变器输出功率计算方程给出。后续部分具体如下。2)虚拟转子运动方程：本专利技术此处采用的是一种有功-频率下垂控制。具体做法是用一个微分方程来给出逆变器虚拟转子旋转角速度ω和有功功率P的关系，同时得到角速度ω。因为ω＝2πf，标幺化后，ω和f在数值上是相等的，因此可以将ω视为频率f。该微分方程如下：上式中，m为有功下垂系数；ω'为给定角速度，通常为额定值(标幺值1)；Pset为给定有功功率；J为虚拟转子转动惯量。其中，通过对ω进行积分，可以得到相位θ，其计算公式如下：上式中，ω是(4)式输出的，且为一个标幺值。fn为额定电网频率。计算出的相位θ将会作为dq变换和反dq变换的参考相位。3)逆变器输出功率计算方程：如上所述以Eq作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒为0的d轴分量Ed与0轴分量E0，以ω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Eq。以逆变器桥路输出电压相位为参考相位，则逆变桥路输出电压与逆变器输出电压相位差δ的正弦和余弦值可由下式求取：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。具体公式如下：其中Rf为逆变器LC滤波器电感上的等效电阻，Xf为LC滤波器电感感抗。至此，逆变器正常运行时的基本控制结构已经解释清楚。图3是计及自同步并网的逆变器的详细控制结构图。图中的虚拟开关SPWM、SP、SQ将会在并网过程中用到。需要注意的是，进行程序设计时可以使用一些状态变量来标记虚拟开关的状态。下面将结合图3，描述该种自同步并网控制装置的具体控制过程：并网前，先给设备上电，开始运行程序。程序里会先断开SPWM，从而封锁PWM模块的输出，以关断逆变桥所有的IGBT。然后手动闭合断路器，将逆变器连接到电网上。再将参数Pset、Qset设置为0，断开SP、SQ。然后开始运行此时的并网控制算法。同时依照公式(8)、(9)，持续计算P和Q，直到算得的P和Q在t1时间段内均小于ε，ε是一个很小的数。此时并网条件满足，逆变器可以开始向电网输出。并网条件满足后，先闭合SPWM，此时需要等待一段时间t2，因为可能会有较小冲击。然后闭合SP、SQ，同时将参数Qset恢复为正常值。等待一段时间t3，直到输出稳定后，最后将Pset恢复为正常值即可。需要注意的是：在程序中，开关的关断和闭合是用一个状态变量来标记的，然后结合条件判断语句来改变算法结构。这里为了简洁起见，直接描述为开关的断开和闭合。上述并网前过程中，所述先断开SPWM，其目的是封锁PWM波的输出。即图3中的PWM模块先输出低电平，以关断逆变桥所有的IGBT。注意请不要错误理解为IGBT控制端悬空。然后手动闭合断路器，将逆变器连接到电网上。此处与传统逆变器不同的地方在于没有使用并网开关，仅有一个断路器。此时，逆变器的逆变桥相当于是整流桥，电网相当于三相电源，对逆变器的直流侧电容进行充电。所述将虚拟开关SQ断开的目的是去除K(Uset-U)的影响，使得dEq'/dt＝n(Qset-Q)。将虚拟开关SP断开的目的是去除ω'-ω的影响，使得dω/dt＝m(P-Pset)/J。将Pset和Qset设置为0，可以使得计算得到的P、Q都为0。这等价于逆变器发出了一个和电网同幅同频同相的电压，以达到顺利并网的目的。所述持续计算P和Q，直到算得的P和Q在t1时间段内均小于ε。这里涉及到的P、Q波动过程持续时间的长短主要由m和J的值决定。一般来说m越大，J越小，所需时间越短。但是m/J过大可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种逆变器自同步并网控制装置，由虚拟转子运动方程、电压控制、dq变换、dq反变换单元、逆变器输出功率计算方程以及一些改变控制结构的虚拟开关SP(1)、SQ(2)、SPWM(3)这几个部分构成。该装置在并网时，无需锁相环，也无需并网开关。其特征在于，该控制装置的主程序由以下3个模块构成:自同步并网控制程序模块：程序中将虚拟开关SPWM、SP、SQ断开，改变控制器结构，实现自同步并网；并网切换程序模块：程序中将虚拟开关SPWM闭合，开启PWM模块的输出；正常发电运行程序模块：程序中将虚拟开关SP、SQ闭合，同时将控制器的结构调整为正常运行状态。需要注意的是：在程序中，虚拟开关的关断和闭合是用一个状态变量来标记的，然后结合条件判断语句来改变控制器结构。

【技术特征摘要】
1.一种逆变器自同步并网控制装置，由虚拟转子运动方程、电压控制、dq变换、dq反变换单元、逆变器输出功率计算方程以及一些改变控制结构的虚拟开关SP(1)、SQ(2)、SPWM(3)这几个部分构成。该装置在并网时，无需锁相环，也无需并网开关。其特征在于，该控制装置的主程序由以下3个模块构成:自同步并网控制程序模块：程序中将虚拟开关SPWM、SP、SQ断开，改变控制器结构，实现自同步并网；并网切换程序模块：程序中将虚拟开关SPWM闭合，开启PWM模块的输出；正常发电运行程序模块：程序中将虚拟开关SP、SQ闭合，同时将控制器的结构调整为正常运行状态。需要注意的是：在程序中，虚拟开关的关断和闭合是用一个状态变量来标记的，然后结合条件判断语句来改变控制器结构。2.根据权利要求1所述的一种逆变器自同步并网控制装...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昌华，刘憶，廖丽，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51