一种具备中线的电压型同步逆变器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供一种具备中线的电压型同步逆变器及其控制方法。同步逆变器融合虚拟电机技术，能模拟同步发电机的惯性、调频、调压及励磁调节特性，使得分布式发电与传统同步发电机一样，能主动参与到电网的功率调节中去，从而提高整个电网的稳定性；具备中线模块，能适应三相四线制形态的配网，对中线电压具有良好的控制能力，保证了三相负荷不平衡状态下的稳定运行；在并网运行及孤岛运行模式下均工作于电压源模式，从而满足在惯性模拟、机端电压调节、故障穿越和孤岛检测等方面的优良性能。
【专利说明】
一种具备中线的电压型同步逆变器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电气工程领域，具体涉及一种具备中线的电压型同步逆变器
【背景技术】
[0002] 随着分布式能源迅猛发展，电网中并网逆变器的比重将不断提高，给电网的安全 稳定运行带来了巨大的挑战，为了提升电网对分布式能源的接纳能力，需要并网逆变器不 仅能保证自身的稳定性，还要能够参与电网调节。常规并网逆变器响应速度快、几乎没有转 动惯量、无法为电网提供必要的阻尼作用，并且不能为电网提供必要的电压和频率支撑。传 统同步发电机能根据电网电压的频率和幅值的变化自动地调节其输出的有功功率和无功 功率，这一特性正是并网逆变器所需要的。因此，如果将并网逆变器虚拟成同步发电机，即 同步逆变器，通过控制使得并网逆变器模拟同步发电机的惯性、一次调频、一次调压及励磁 调节特性，将使得分布式能源并网逆变器与传统同步发电机一样，能主动参与到电网的功 率调节中去，从而提高整个电网的稳定性。
[0003] 配网供电系统中，电网的主要形态为三相四线制，这要求通过配网接入的同步逆 变器带有中线，从而具备三相四线输出能力。且由于配电网用户多为单相负荷，负荷分布的 不均衡及负荷用电的不同时性，导致三相负荷不平衡是运行常态，故要求同步逆变器对中 线电压具有良好的控制能力。
[0004] 目前，同步逆变器的并网控制方法大多是基于电流控制型，从外特性上看，电流控 制型虚拟同步发电机等效于受控电流源，因此在弱电网环境中难以胜任电压支撑作用，并 且也无法实现微电网的孤岛运行，和传统同步发电机的电压源特性还存在一定的差别。因 此，有必要将同步逆变器虚拟为电压控制型，在并网运行及孤岛运行模式下均工作于电压 源模式，从而满足在惯性模拟、机端电压调节、故障穿越和孤岛检测等方面的优良性能。
【发明内容】
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0006] 步骤1 :提出具备中线的电压型同步逆变器拓扑结构；
[0007] 步骤2 :实现同步发电机的机械特性和励磁特性虚拟；
[0008] 步骤3 :实现电压源模式运行；
[0009] 步骤4 :实现自动参与配网调节；
[0010] 步骤5 :实现三相负荷不平衡状态下的稳定运行；
[0011] 所述步骤1中，提出的具备中线的电压型同步逆变器拓扑结构如图1所示。功率 电路由三相桥臂和中线桥臂组成，中性线连接分裂电容中点，并通过电感ln连接中线桥臂 中点，三相桥臂中点通过LCL滤波器连接至电网，Z为等效阻抗。仏~Q 6构成三相逆变桥， 其桥臂中点电压ea、％和e。模拟同步发电机的电动势，逆变器侧电感L i模拟同步发电机的 同步电抗，电容电压VCa、Vcb、Vjt拟同步发电机的端电压，L 2是连线电感，它可以保证整个 线路阻抗呈感性。
[0012] 所述步骤2中，同步逆变器的输出有功功率匕和无功功率过瞬时功率理论计 算得到，即：
[0013] Pe= e α?α+θβ?β (1)
[0014] Qe= e pia-eaip (2)
[0015] 其中，edPe{!为逆变器桥臂中点电压基波在a β坐标系下的表达式，i a和i e为 电感Q中的电流在α β坐标系下的表达式。
[0016] 虚拟同步发电机的机械特性和励磁特性之前，首先得出同步发电机的机械运动方 程：
[0017]
(3)
[0018] Pset=Tset〇 ^Tset〇n (4)
[0019] Pe= Τβω ^ Τβωη (5)
[0020] θ = / ω dt (6)
[0021] 其中，TMt为转矩给定，?\为电磁转矩，Ρ ^为功率给定，Ρ 电磁功率，J为转动惯 量，Dp为阻尼系数，ω为同步发电机转子的角频率，ω "为额定角频率，Θ为转子的机械角 度，当同步发电机只有一对极时，Θ在数值上也等于同步发电机电动势的相角。
[0022] 根据式（1)~(6)，可以得知同步发动机机械特性可以虚拟成同步逆变器有功功 率特性，得到同步逆变器有功环的控制框图，同步逆变器的有功环与同步发电机的机械运 动方程对应，如图2所示。
[0023] 虚拟励磁特性时，首先了解同步发电机励磁控制回路调节其电动势的原理，励磁 控制方程如下：
[0024] (7) (8)
[0025]
[0026] 调节励磁，保证输出电压与参考电压相同。其中，E"为同步发电机电动势有效值， Uraf为参考电压有效值，U。为输出电压有效值，U n为额定电压有效值，Q 为无功功率给定， 为同步发电机实际无功功率，Dq为下垂系数，G(s)为励磁控制器的调节器。为了保证输出 电压能够无静差地跟踪参考电压，G(s)中必须含有积分环节，G(s)可以选择积分调节器， PI调节器或PID调节器，G(s) =M/s，其中Μ为积分系数。定义系数K = Dq/M，将其代入式 (7)和式（8)中，进行整理并转化为时域表达式，可得：
[0027]
(9)
[0028] 比较式⑶和式（9)，可以发现两者之间的数学结构是相同的，系数K与转动惯量 J有着类似的物理意义。因此，可以认为K为励磁回路的惯性系数。
[0029] 根据式（9)，可以得到同步逆变器无功环的控制框图，同步逆变器的无功环与同步 发电机的励磁控制方程对应，如图2所示。
[0030] 从上面的推导可得：
[0031] 1)由于同步逆变器的有功环与同步发电机的机械运动方程是对应的，因此同步逆 变器完全模拟了同步发电机的机械电气特性；
[0032] 2)由于同步逆变器的无功环与同步发电机的励磁控制方程是对应的，因此同步逆 变器完全模拟了同步发电机励磁回路的特性。
[0033] 所述步骤3中，如步骤2公式所计算，同步逆变器有功环的输出为逆变器调制波的 频率和相位，无功环的输出为逆变器调制波的幅值。则三相调制波 ean、ebni和e。^的表达式 为：
[0034]
[0035] (10)
[0036]
[0037] 三相调制波与PWM调制器的载波交截，得到三相逆变桥六只开关管的驱动信号， 进而得到桥臂中点电压e a、％和e。。
[0038] 通过电压闭环控制同步逆变器电压源输出，调制波到桥臂中点电压的传递函数为 KPWM= V J(2Vt")，其中Vin为输入电压，V &1为三角载波的幅值。通过中点电压e a、％和e。 闭环控制，实现电压型输出。
[0039] 所述步骤4中，模拟传统同步发电机对机械转矩的调节，来调节有功输出。机械转 矩由给定指令T Mt和机械频率偏差反馈指令两部分组成，频率响应的调节通过虚拟的自动 频率调节器实现，下垂系数Dp等效为同步发电机的自动频率调节系数，从而实现虚拟同步 发电机机械转矩的调节，即可实现同步逆变器的有功控制和频率调节，如图2所示。
[0040] 模拟传统同步发电机对励磁的调节，来调节无功输出。如式（7) (8)，K相当于同步 电动机励磁回路的惯性系数，下垂系数Dq等效为虚拟同步发电机的自动电压调节器，通过 调节虚拟同步发电机电势E"来调节虚拟同步发电机的机端电压，即可实现同步逆变器的无 功控制。
[0041] 所述步骤5中，将负荷三相不平衡产生的中线电流1_看成一个电流源，则中线控 制框图如图3所示。
[0042] 其中Gv(s)为电压外环调节器，此处取双极点双零点调节器，其表达式为：
[0043]
(11)
[0044] Gjs)为电流内环调节器，此处取电流内环调节器取增益为1的比例调节器，e sTs 为数字控制引入的一拍滞后，Gh(s)为零阶保持器的传递函数，其表达式为：
[0045]
(12)
[0046] Vin为直流侧输入电压，为三角载波的幅值，Hv为中点电压反馈系数，I为中线 电感电流反馈系数，反馈电感电流实现有源阻尼。
[0047] 从阻抗的角度对，得到中线基于阻抗模型的等效电路如图4所示。
[0048] 其中Ze为电容支路的闭环输出阻抗，其表达式就为电容的容抗l/sCN，Zj%电感支 路的闭环输出阻抗，其表达式为：
[0049](13) r
m
[0050] 其中为中线电感电流反馈在电感支路虚拟的电阻，其表达式为：
[0051]
(14)
[0052] 为了实现三相不平衡负荷下稳定运行，必须控制使得中线电流尽量从电感支路 走。由式（13)可以看出，要降低电感支路在50Hz处的闭环阻抗，只能提高电压调节器心⑷ 在50Hz处的增益。因此，在设计独立中线模块的闭环控制参数时，不仅要保证系统自身的 稳定性，还要尽量提高G v(s)在50Hz处的增益。
【附图说明】
[0053] 图1为本发明提出的虚拟具备中线的电压型同步逆变器拓扑结构图
[0054] 图2为本发明提出的同步逆变器的控制框图
[0055] 图3为本发明提出的独立中线模块的控制框图
[0056] 图4为本发明提出的独立中线模炔基于阻抗模型的等效电路
[0057] 图5为本发明提出的采用预同步控制的同步逆变器控制框图
[0058] 图6为本发明提出的方法实例所得到并网动态波形
[0059] 图7为本发明提出的方法实例所得到带100%不平衡负载时波形
[0060] 发明效果
[0061] 具备中线的电压型同步逆变器，融合虚拟电机技术，能模拟同步发电机的惯性、调 频、调压及励磁调节特性，使得分布式发电与传统同步发电机一样，能主动参与到电网的功 率调节中去，从而提高整个电网的稳定性；具备中线模块，能适应三相四线制形态的配网， 对中线电压具有良好的控制能力，保证了三相负荷不平衡状态下的稳定运行；采用电压型 控制，在并网运行及孤岛运行模式下均工作于电压源模式，从而满足在惯性模拟、机端电压 调节、故障穿越和孤岛检测等方面的优良性能。
【主权项】
1. 本发明提出的具备中线的电压型同步逆变器电路拓扑结构，如图1所示。 功率电路由三相桥臂和中线桥臂组成，中性线连接分裂电容中点，并通过电感Ln连接 中线桥臂中点，三相桥臂中点通过LCL滤波器连接至电网，Z为等效阻抗。仏~Q 6构成三相 逆变桥，其桥臂中点电压ea、％和e。模拟同步发电机的电动势，逆变器侧电感L ^莫拟同步 发电机的同步电抗，电容电压VCa、Vcb、V 拟同步发电机的端电压，L 2是连线电感，它可以 保证整个线路阻抗呈感性。2. 本发明提出1所述具备中线的电压型同步逆变器拓扑结构的控制方法，如图2所示。 同步逆变器的输出有功功率匕和无功功率QJS过瞬时功率理论计算得到，即：其中，ea和e e为逆变器桥臂中点电压基波在α β坐标系下的表达式，i α和i e为电 感L1中的电流在α β坐标系下的表达式。 虚拟同步发电机的机械特性和励磁特性之前，首先得出同步发电机的机械运动方程：(3) 其中，Tset为转矩给定，?\为电磁转矩，P ^为功率给定，P 电磁功率，J为转动惯量， Dp为阻尼系数，ω为同步发电机转子的角频率，ω "为额定角频率，Θ为转子的机械角度， 当同步发电机只有一对极时，Θ在数值上也等于同步发电机电动势的相角。 根据式（1)~(6)，可以得知同步发动机机械特性可以虚拟成同步逆变器有功功率特 性，得到同步逆变器有功环的控制框图，同步逆变器的有功环与同步发电机的机械运动方 程对应，如图2所示。 虚拟励磁特性时，首先了解同步发电机励磁控制回路调节其电动势的原理，励磁控制 方程如下：(7) (8) 调节励磁，保证输出电压与参考电压相同。其中，Eni为同步发电机电动势有效值，Uraf为 参考电压有效值，U。为输出电压有效值，U n为额定电压有效值，Q ^为无功功率给定，QJ%同 步发电机实际无功功率，Dq为下垂系数，G(S)为励磁控制器的调节器。为了保证输出电压 能够无静差地跟踪参考电压，G(S)中必须含有积分环节，G(S)可以选择积分调节器，PI调 节器或PID调节器，G(S) =M/s，其中M为积分系数。定义系数K = Dq/M，将其代入式（7) 和式（8)中，进行整理并转化为时域表达式，可得：(9) 比较式（3)和式（9)，可以发现两者之间的数学结构是相同的，系数K与转动惯量J有 着类似的物理意义。因此，可以认为K为励磁回路的惯性系数。 根据式（9)，可以得到同步逆变器无功环的控制框图，同步逆变器的无功环与同步发电 机的励磁控制方程对应，如图2所示。3. 根据权利要求1中所述由三相桥臂和中线桥臂共同组成电压型同步逆变器功率电 路。4. 根据权利要求1中所述中性线连接分裂电容中点，并通过电感连接中线桥臂中点， 三相桥臂中点通过LCL滤波器连接至电网的电路连接方式。5. 根据权利要求2中所述采用1中所述电路拓扑结构同步逆变器有功功率特性模拟同 步发动机机械特性的同步逆变器有功环控制方法。6. 根据权利要求2中所述采用1中所述电路拓扑结构同步逆变器励磁回路特性模拟同 步发电机励磁回路特性的同步逆变器无功环控制方法。
【文档编号】H02M7/5387GK105897028SQ201510035533
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月26日
【发明人】不公告发明人
【申请人】北京鸿天盛达科技开发有限公司, 原泉