一种基于扰动观测的虚拟并网同步逆变器控制方法及系统与流程

本发明涉及三相电力电子逆变器控制方法，尤其涉及基于扰动观测器的虚拟并网同步逆变器控制方法。

背景技术：

随着环境问题的日益凸显与化石能源的逐渐枯竭，新能源发电受到越来越多的关注，基于可再生能源的发电单元将会成为电力系统中最重要的电源之一。逆变器作为其中的主要接口装置，存在的最主要的电能质量问题就是电压和频率的偏移问题。低性能的逆变器会危及负载设备的安全和影响用户用电的正常使用。早期接入电网的分布式电源容量较小，对电力系统的影响较弱，因此当时的并网标准并不要求分布式电源参与电力系统的功率调节。随着分布式电源接入电网的容量越来越大，上述控制方式会对电力系统的稳定性、安全性造成较大影响。

根据同步发电机理论提出的虚拟同步发电机概念，当负载发生突变的情况时，功率的输出会跟着负载进行突然的变化，这大大影响了系统的稳定性。尤其在干扰严重的环境下，上述问题更为突出，难以满足电网稳定运行的控制要求。

扰动观测技术是通过将外部扰动及模型摄动造成的实际对象和标称模型(名义模型)输出的差异等效到控制输入端,然后在控制中引入等效补偿，实现对干扰的抑制。从已有文献来看，扰动观测方法作为一种抑制扰动的工具，在直流伺服电机控制、磁盘驱动、机器人、数控等领域得到了广泛的应用。同时，扰动观测技术由于计算量小、不需要安装额外的传感器等特点，非常适用于提高控制系统的抗干扰能力。然而此方法在系统的运行过程中遇到突变扰动时，例如突加负载，基于虚拟同步设计的并网逆变器电路很难保证输出电压跟踪的精确性，且恢复到期望值需要较长时间。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种基于扰动观测的虚拟并网同步逆变器控制方法，其包括以下步骤：

S1：从接有三相逆变器的三相电路实时采集三相电压和电流；

S2：将所述三相电压和电流进行坐标的3/2变换，通过功率的计算公式得出有功功率和无功功率；

S3：从所述有功功率和无功功率通过VSG控制算法得出三相调制波信号；

S4：通过所述三相电压和电流计算干扰补偿量；

S5：所述三相调制信号减去所述干扰补偿量得到补偿后的控制信号；

S6：将所述补偿后的控制信号与三角载波进行比较，产生SPWM波控制所述三相逆变器的工作状态。

进一步地，S2中所述的功率计算公式为

其中，v_α和v_β为逆变器滤波后αβ坐标系下的的电压表达式，i_α和i_β为滤波后在αβ坐标系下的电流表达式。

进一步地，S3中所述VSG控制算法将模拟同步发电机特性，其其数学方程为

P_set、Q_set为有功和无功功率给定；D_p、D_q为有功-频率和无功-电压下垂系数；Δω为电角速度差，Δω＝ω_n-ω；ω_n、ω为额定电角速度和实际电角速度；Δ_u为输出电压差，Δ_u＝u_n-u_o；u_n、u_o为额定电压有效值和输出电压有效值；J为转动惯量；K为惯性系数；

进一步地，所述干扰补偿量通过将Gd^-1(s)*Q(s)的输出信号和Q(s)的输出信号求和得到，Gd(s)＝G_n(s)＝K_pwm/LCs²+Ls/R+1，Q(s)＝1/(Ts+1)²,T＝10^-5，其中K_pwm为PWM增益，L为滤波电感，C为滤波电容，R为负载电阻，T为时间常数。

本发明还提供了一种基于扰动观测的虚拟并网同步逆变器控制系统，其包括采集模块、功率计算模块、VSG控制算法模块、扰动观测器模块、PWM调制模块；

所述采集模块采集三相电压和电流，并将所述三相电压和电流传递给功率计算模块；

所述功率计算模块所述三相电压和电流进行坐标的3/2变换，通过功率的计算公式得出有功功率和无功功率；

所述VSG控制算法模块从所述有功功率和无功功率通过VSG控制算法得出三相调制波信号；

所述扰动观测器模块所述三相调制信号减去所述干扰补偿量得到补偿后的控制信号；

所述PWM调制模块将所述补偿后的控制信号与三角载波进行比较，产生SPWM波控制所述三相逆变器的工作状态。

进一步地，所述扰动观测器模块由二阶低通滤波器模块、二阶低通滤波环节与二阶微分电路串联模块和比较模块组成。

本发明提出的控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种基于扰动观测的虚拟同步逆变器控制方法，该方法可用于解决并网运行时遇到的干扰和模型摄动的问题。在运行过程中，假设发生负载大小改变，输入电压波动的干扰时，可以通过干扰观察、控制信号补偿的方法，及时调整控制信号，提高输出电压精确度，缩短调节时间。

2、将扰动观测技术应用到基于虚拟同步设计的并网逆变器控制中，不需要增加电压或者电流的采集节点，就可以很方便的消除外部扰动对电路造成的影响。其本身具有结构相对简单，运算量较小，便于实现等优点，并兼顾系统的稳定性、动态性能与对功率脉动抑制能力的要求。

附图说明

图1为基于扰动观测的虚拟并网同步逆变器的控制框图；

图2为电压型逆变器并网原理图；

图3为虚拟并网同步逆变器的控制框图；

图4为扰动观测器的控制框图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

基于扰动观测器的虚拟并网同步逆变器控制框图如图1所示，所述虚拟并网同步逆变器包括：Q₁～Q₆组成三相逆变桥，逆变器侧电感L₁、滤波电容C和网侧电感L₂构成LCL型滤波器，功率计算模块、VSG控制算法、扰动观测器模块、PWM调制器模块。利用传感器测量逆变器电路网侧输出三相电压和电流，经过线电压(电流)与相电压(电流)变换、3/2坐标变换得到两个子系统模型，然后重新构造状态，设计扰动观测器(D_O)对扰动进行估计，利用得到的估计值和构造的虚拟同步设计的状态，得出三相参考正弦波信号，再通过SPWM调制产生PWM信号控制逆变器开关管的开通和关断。它包括如下步骤：

步骤1，将滤波之后的电压(电流)经过3/2坐标变换，得出v_α、v_β和i_α、i_β。输出的有功功率P_e和无功功率Q_e通过瞬时功率理论计算得到，即：

其中v_α和v_β为逆变器滤波之后的电压的基波在αβ坐标系下的表达式，i_α和i_β为逆变器滤波后的电流在αβ坐标系下的表达式。

步骤2，如图2所示，逆变器并网时对电网输出的有功功率和无功功率为：

其中，V_s为逆变器输出的电压幅值，R₁为线路等效阻抗，X₁为线路等效感抗，E为网侧电压幅值，δ为网测电压与逆变器输出电压相位的差值。由于在高压电网中，电阻值R₁比感抗值X₁小的多，因此可以将其忽略，则上式可以写成：

由于相位差角δ一般很小，所以可以取sinδ≈δ,cosδ≈1。代入上式，可以整理得到：

由上式我们可以知道，在高压输电线路中，有功功率P_set主要受相位差角δ影响，而无功功率Q_set主要受电压幅值V_s的影响。因此，如图3所示，我们可以得到下垂控制的关系式如下：

式中：f_n为网侧电压频率额定值；k_p为有功功率下垂系数；P_n为有功功率额定值；V_n为网侧电压幅值额定值；k_Q为无功功率下垂系数；Q_n为无功功率额定值。

将下垂控制和VSG算法相结合，其有功环的输出作为逆变器调制波的频率和相位，无功环的输出作为逆变器的幅值如图3所示，数学模型为

P_set、Q_set为有功和无功功率给定；D_p、D_q为有功-频率和无功-电压下垂系数；Δω为电角速度差，Δω＝ω_n-ω；ω_n、ω为额定电角速度和实际电角速度；Δ_u为输出电压差，Δ_u＝u_n-u_o；u_n、u_o为额定电压有效值和输出电压有效值；J为转动惯量；K为惯性系数；

步骤3，并网逆变器的数学表达式为：

根据方程组可以得到：

因此可以推出网侧电压V(s)和逆变器输出电压V_i(s)之间的传递函数G(s)：

双极性SPWM调制时，V_i可以表示为V_i＝E(2s-1)，其中S为开关函数。当S₁导通时，S＝1；当S₂导通时，S＝0。显然，由于开关函数S的存在，使V_i不连续。对其求开关周期平均，得到<V_i>_Ts＝E(2<s>_Ts-1)，其中<V_i>_Ts表示V_i的开关周期平均值。而S的开关周期平均值为<s>_Ts＝D(t)。其中D(t)为占空比。D＝(1+v_m/V_tri)/2，其中v_m参考正弦波信号；V_tri为三角载波峰值。根据上述式子，得出<V_i>_Ts＝Ev_m/V_tri，

因此，从调制器输入至逆变桥输出的传递函数为：

K_pwm＝Vi(s)/V_m(s)＝E/V_tri

最终可得到调制器输入至逆变器输出的传递函数：

G_n(s)＝V(s)/V_i(s)＝E/V_tri(LCs²+Ls/R+1)

步骤4，如图4所示框图，搭建出扰动观测器的原理图。为了简化电路，减少运算的数量，将标称模型的逆与二阶低通滤波器相串联，另一方面，通过同样的二阶低通滤波器,其输入为下垂控制模块的输出e_m。然后将这两个二阶低通滤波器输出信号相减，得到干扰估计信号

在得到干扰估计信号后，再通过一个减法电路，将下垂控制算法模块输出电压e_m与干扰估计信号相减，得到补偿后的控制信号。

步骤5，将控制信号与PWM控制器中的三角载波电压信号进行比较，产生SPWM信号控制逆变器开关管的开通和关断，完成整个闭环系统的工作过程，实现更优质的逆变器并网控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。