本發(fā)明涉及一種逆變器控制方法，尤其是涉及一種并網(wǎng)電壓受控型逆變器并入感性電網(wǎng)時(shí)的非線性下垂控制方法，屬于逆變器控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，隨著越來(lái)越多的可再生能源接入電網(wǎng)，以及信息技術(shù)、電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)形態(tài)正發(fā)生改變。這其中一個(gè)重要的變化就是發(fā)電設(shè)備通過(guò)一個(gè)電力電子變換器接入電網(wǎng)，如逆變器。與傳統(tǒng)同步機(jī)相比，電力電子變換器控制有更大的靈活性，可以通過(guò)控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)同步機(jī)所不具有的功能。下垂控制在電壓受控型逆變器中有著廣泛的應(yīng)用，普通下垂控制的原理有相當(dāng)多的文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)研究(例如ROCABERTJ,etal.ControlofpowerconvertersinACmicrogrids[J].IEEETransPowerElectron,2012,27(11):4734-49.)。通過(guò)下垂控制，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在多個(gè)逆變器之間的自動(dòng)均分，也可以實(shí)現(xiàn)電源對(duì)電網(wǎng)的支持功能。下垂控制通?？梢苑譃榫€性下垂和非線性下垂兩種。線性下垂的輸出電壓頻率、幅值與其有功、無(wú)功呈現(xiàn)線性關(guān)系，功率分配呈現(xiàn)線性特點(diǎn)；非線性下垂的輸出電壓頻率、幅值與其有功、無(wú)功呈現(xiàn)非線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)非線性的功率分配。目前，非線性下垂主要應(yīng)用于孤島運(yùn)行微電網(wǎng)中的逆變器，尚未用于并網(wǎng)運(yùn)行的逆變器，且由于下垂的非線性特性，對(duì)于其穩(wěn)定特性和相應(yīng)的控制策略也尚未有詳細(xì)研究。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了將非線性下垂控制策略運(yùn)用于并入感性電網(wǎng)運(yùn)行的電壓受控型逆變器，本發(fā)明提出了一種并網(wǎng)電壓受控型逆變器的非線性下垂控制方法，本發(fā)明的具體方案如下：一種并網(wǎng)電壓受控型逆變器的非線性下垂控制方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)、設(shè)計(jì)具有非線性特性逆變器輸出頻率與有功功率之間的下垂關(guān)系曲線，使得逆變器可以為電網(wǎng)提供非線性的有功/頻率支持，所述曲線為分段函數(shù)，如下：式中，P為逆變器輸出功率，f(P)為逆變器輸出頻率，fL1(P)…fLN(P),fR1(P)…fRN(P)為組成f(P)的函數(shù)，PfL1,…PfLN，P0，PfR1,…PfRN為分段函數(shù)的分段點(diǎn)，特別地，P0為功率給定值，且f(P0)＝50Hz，即為電網(wǎng)額定頻率。(2)、設(shè)計(jì)隨輸出有功功率變化而自適應(yīng)變化的逆變器虛擬電抗，提高逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，按如下方式實(shí)現(xiàn)Xvir＝X(P)-Xphy式中，X(P)為物理電抗和虛擬電抗之和，是一個(gè)關(guān)于逆變器輸出功率的分段函數(shù)，Xphy為物理電抗，即為線路電抗與逆變器輸出電抗之和。進(jìn)一步地，所述步驟(1)曲線在正常頻率附近的斜率較大，隨著頻率逐漸偏離正常頻率，關(guān)系曲線的斜率逐漸變小。進(jìn)一步地，所述分段函數(shù)的各個(gè)函數(shù)分段連續(xù)可導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值在正常頻率附近較大，遠(yuǎn)離正常頻率處較小，即滿足：|fLN′(P),PLN≤P<P0|≥...≥|fL2′(P),PL2≤P<PL3|≥|fL1′(P),PL1≤P<PL2||fRN′(P),P0≤P<PRN|≥...≥|fR2′(P),PR3≤P<PR2|≥|fR1′(P),PR2≤P<PR1|進(jìn)一步地，步驟(1)中，式中，P0為功率給定值，通過(guò)改變P0可以改變逆變器的輸出功率，這個(gè)值可以來(lái)自三次控制，也可以提前預(yù)設(shè)?？紤]到電網(wǎng)電抗的影響，逆變器的無(wú)功下垂曲線仍設(shè)計(jì)為線性。進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，當(dāng)逆變器的輸出功率大于給定功率P0，即P>P0，逆變器虛擬電抗與物理電抗之和保持恒定，即Xvir＝Xmax-Xphy式子中Xmax為虛擬電抗與物理電抗之和的最大值。當(dāng)逆變器的輸出功率小于給定功率P0，即P<P0，逆變器虛擬電抗與物理電抗之和隨著輸出功率的變化，保持和下垂曲線斜率或者輸出功率成正比，即或者式子中Kequ(P)為輸出功率為P時(shí)，下垂曲線的斜率；Kequ(P0)為輸出功率為給定功率P0時(shí)，下垂曲線的斜率，也是曲線上斜率最大的點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的控制方法使得并網(wǎng)逆變器具備當(dāng)電網(wǎng)頻率在f0附近正常波動(dòng)時(shí)，逆變器輸出功率變化較小，可以較好跟蹤指令功率P0；當(dāng)電網(wǎng)頻率偏離f0較大時(shí)，逆變器輸出功率變化較大，可以為電網(wǎng)提供較多的有功/頻率支持。這種逆變器控制方式與傳統(tǒng)線性下垂控制相比，更加符合電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行需求，帶來(lái)了更多的控制靈活性和電網(wǎng)友好性。采用非線性下垂可以使得并網(wǎng)逆變器具有非線性頻率支撐功能，即在電網(wǎng)頻率在較小(正常)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，逆變器能保持穩(wěn)定的功率輸出；在電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大時(shí)，能快速改變功率輸出，為電網(wǎng)提供頻率支持。與非線性下垂相適應(yīng)的自適應(yīng)虛擬電抗會(huì)隨著逆變器輸出有功功率的變化而變化，在一定范圍內(nèi)，可以為逆變器提供額外的阻尼，提高并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。這種自適應(yīng)虛擬電抗的設(shè)計(jì)理念也可以運(yùn)用于其他下垂控制設(shè)計(jì)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明示例中采用的逆變器控制示意圖；圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)的非線性下垂曲線示意圖；圖3為本發(fā)明中自適應(yīng)虛擬電抗示意圖；圖4為本發(fā)明中自適應(yīng)虛擬電抗實(shí)現(xiàn)的示意圖；圖5為本發(fā)明示例中非線性下垂曲線；圖6為本發(fā)明示例中下垂控制和自適應(yīng)虛擬電抗阻尼特性說(shuō)明；圖7為本發(fā)明示例中下垂控制和自適應(yīng)虛擬電抗阻尼特性說(shuō)明；圖8為本發(fā)明仿真驗(yàn)證中電網(wǎng)頻率變化0.02赫茲時(shí)逆變器有功和無(wú)功的響應(yīng)；圖9為本發(fā)明仿真驗(yàn)證中電網(wǎng)頻率變化0.1赫茲時(shí)逆變器有功和無(wú)功的響應(yīng)；圖10為本發(fā)明仿真驗(yàn)證中電網(wǎng)頻率變化0.13赫茲時(shí)逆變器有功和無(wú)功的響應(yīng)。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明一部分實(shí)例，而不是全部的實(shí)例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。采用典型三環(huán)控制逆變器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括下垂控制環(huán)，虛擬阻抗環(huán)、電壓控制環(huán)，電流控制環(huán)。圖中部分變量的定義及物理意義如表1所示。下垂控制環(huán)采用的是本發(fā)明提出的非線性下垂控制策略，為逆變器提供頻率參考f；虛擬阻抗環(huán)采用的本發(fā)明提出的自適應(yīng)虛擬阻抗，通過(guò)改變逆變器輸出電壓參考實(shí)現(xiàn)；電壓控制環(huán)為電流控制環(huán)提供電流參考，最終實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓的控制；電流控制環(huán)節(jié)則給逆變器提供PWM參考信號(hào)。表1本發(fā)明附圖中部分系統(tǒng)變量的符號(hào)定義與說(shuō)明設(shè)計(jì)的下垂曲線由分段、連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)組成，在正常頻率(50Hz)附近區(qū)域下垂曲線斜率較大，在偏離正常頻率較遠(yuǎn)的區(qū)域下垂曲線斜率較小，如圖2所示。分析非線性下垂對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響，忽略無(wú)功環(huán)節(jié)影響，可以按圖1簡(jiǎn)化模型做如下分析：式子中，s是微分算子，X為虛擬電抗與物理電抗之和，P1為經(jīng)過(guò)濾波后的功率值。線性化后得到消除代數(shù)變量后，可以得到系統(tǒng)狀態(tài)方程狀態(tài)矩陣為特征方程為對(duì)比二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)特征方程λ2+2ξωnλ+ωn2＝0可以得到其中，ωn為無(wú)阻尼震蕩頻率，ξ為阻尼比。從上式可以看到，逆變器的阻尼和線路電抗與下垂系數(shù)比值的平方根成正比。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)逆變器虛擬電抗，使得總的電抗和下垂曲線的斜率比值保持恒定即可。因此，按照如下方式設(shè)計(jì)虛擬電抗：Xvir＝X(P)-Xphy式中X(P)為物理電抗和虛擬電抗之和，是關(guān)于逆變器輸出功率的分段函數(shù)，當(dāng)逆變器的輸出功率大于給定功率P0，即P>P0，逆變器虛擬電抗與物理電抗之和保持恒定，即Xvir＝Xmax-Xphy式子中Xmax為虛擬電抗與物理電抗之和的最大值。當(dāng)輸出功率小于給定功率，逆變器虛擬電抗與物理電抗之和隨著輸出功率的變化，保持和下垂曲線斜率或者輸出功率成正比，即或者式子中Kequ(P)為輸出功率為P時(shí)，下垂曲線的斜率；Kequ(P0)為輸出功率為給定功率P0時(shí)，下垂曲線的斜率，也是曲線上斜率最大的點(diǎn)。其中保持和輸出功率成正比時(shí)，為線性自適應(yīng)電抗；與下垂曲線斜率成正比時(shí)，為非線性自適應(yīng)電抗。所構(gòu)建虛擬電抗如圖3所示，圖3中可以看出，采用非線性方法構(gòu)建可以提供更大阻尼，而采用線性方法構(gòu)建可以提供更大的自適應(yīng)范圍。自適應(yīng)虛擬電抗的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。逆變器的虛擬電抗在P>P0的區(qū)域?yàn)楹愣ㄖ?，而不按照P<P0的區(qū)域設(shè)計(jì)為變化值。其原因如下所述：當(dāng)在圖3中P<P0區(qū)域發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，逆變器動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖6所示，可以看到，下垂控制和自適應(yīng)虛擬電抗均為逆變器提供了正阻尼，自適應(yīng)虛擬電抗增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在圖3中P0右邊區(qū)時(shí)，如果采用按照斜率設(shè)計(jì)的自適應(yīng)虛擬電抗，那么系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)如圖7所示，自適應(yīng)虛擬電抗為系統(tǒng)提供了負(fù)阻尼，會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此在P0右邊區(qū)域，虛擬電抗被設(shè)計(jì)為恒定值。當(dāng)逆變器有功采用非線性下垂時(shí)，其功率響應(yīng)特性分析如下，如圖5所示，下垂曲線在正常頻率f0附近的斜率A要明顯大于遠(yuǎn)離f0處的斜率B；在當(dāng)系統(tǒng)頻率在正常頻率f0附近波動(dòng)Δf時(shí)，逆變器輸出功率的變化為ΔP1，當(dāng)系統(tǒng)頻率在遠(yuǎn)離頻率f0附近波動(dòng)Δf時(shí)，逆變器輸出功率的變化為ΔP2，可以看到ΔP2要明顯大于ΔP1，即逆變器功率輸出具有符合電網(wǎng)需求的非線性特征。以單逆變器并入無(wú)窮大系統(tǒng)(如圖4所示)為例，以單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真所需的參數(shù)如表2所示。其中傳統(tǒng)下垂的控制的下垂曲線按照如下線性方式設(shè)計(jì)：電網(wǎng)的初始頻率為50Hz，在t＝2s時(shí)刻，出現(xiàn)頻率擾動(dòng)，考慮的三種頻率擾動(dòng)大小為0.02Hz，0.1Hz，0.13Hz。仿真結(jié)果如圖8-10所示，每幅圖左邊四子圖為逆變器有功響應(yīng)，右邊四子圖為無(wú)功響應(yīng)，縱坐標(biāo)均為功率標(biāo)幺值。為了對(duì)比不同方法的優(yōu)劣，每幅圖自上而下對(duì)比了四種控制策略的仿真結(jié)果，分別是傳統(tǒng)線性下垂(子圖a1-a2)；使用非線性下垂，固定虛擬電抗為0.2p.u.(子圖b1-b2)；使用非線性下垂，線性自適應(yīng)電抗，虛擬電抗和物理電抗最大值Xmax為0.3p.u.(子圖c1-c2)；使用非線性下垂，非線性自適應(yīng)電抗，虛擬電抗和物理電抗最大值Xmax為0.3p.u.(子圖d1-d2)。圖8顯示了頻率擾動(dòng)為0.02Hz時(shí)，逆變器有功和無(wú)功響應(yīng)?？梢钥吹剑捎诜蔷€性下垂在標(biāo)準(zhǔn)頻率處的斜率設(shè)計(jì)為1Hz/p.u.，和線性下垂斜率一致，非線性下垂與線性下垂的功率跌落相差很小，符合在正常頻率附近功率波動(dòng)較小的設(shè)計(jì)預(yù)期。從動(dòng)態(tài)特性上看，采用自適應(yīng)虛擬電抗的逆變器動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于采用固定虛擬電抗的逆變器，其中動(dòng)態(tài)特性最好的為采用非線性自適應(yīng)虛擬電抗的逆變器，符合設(shè)計(jì)。圖9顯示了頻率擾動(dòng)為0.10Hz時(shí)，逆變器有功和無(wú)功響應(yīng)。可以看到，采用非線性下垂的逆變器的功率跌落要大于采用線性下垂的逆變器。這是由于當(dāng)頻率偏移較大時(shí)，非線性下垂曲線斜率相比線性下垂曲線更為平緩，因此功率跌落更大，提供支持更多。從動(dòng)態(tài)特性上看，采用自適應(yīng)虛擬電抗的逆變器動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于采用固定虛擬電抗的逆變器，其中動(dòng)態(tài)特性最好的為采用非線性自適應(yīng)虛擬電抗的逆變器，符合設(shè)計(jì)。圖10顯示了頻率擾動(dòng)為0.13Hz時(shí)，逆變器有功和無(wú)功響應(yīng)?？梢钥吹?，采用非線性下垂的逆變器的功率跌落要大于采用線性下垂的逆變器。這是由于當(dāng)頻率偏移較大時(shí)，非線性下垂曲線斜率相比線性下垂曲線更為平緩，因此會(huì)功率跌落更大，提供支持更多。從動(dòng)態(tài)特性上看，最好的是采用線性自適應(yīng)虛擬電抗的逆變器，非線性虛擬電抗的自適應(yīng)區(qū)間較小，在這種情況下虛擬電抗的值已經(jīng)變?yōu)榱?，?dòng)態(tài)特性反而變差。表2實(shí)施例仿真驗(yàn)證中部分系統(tǒng)變量的參數(shù)值逆變器額定容量10kW逆變器額定電壓380V逆變器測(cè)電感參數(shù)Lf＝0.05p.u.,rf＝0濾波電容參數(shù)Cf＝0.05p.u.,rd＝0.1p.u.網(wǎng)測(cè)電感(包含線路)參數(shù)Lc＝0.1p.u.,rc＝0電壓控制PI參數(shù)2,10電流控制PI參數(shù)0.32,10前饋參數(shù)F0.8功率濾波器時(shí)間常數(shù)T0.1s線性下垂參數(shù)f0＝50Hz,Kp＝1Hz/p.u.,P0＝0.5線性下垂參數(shù)V0＝1p.u.,Kq＝0.1p.u./p.u.,Q0＝0以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3