交直流混合微电网耦合逆变器级联控制实现方法与流程

本发明涉及一种交直流混合微电网耦合逆变器级联控制实现方法，属于智能电网技术领域。

背景技术：

随着新能源接入比例的提高，交直流混合微电网将是未来电网发展的趋势。交直流混合微电网耦合逆变器在整合逆变器接口分布式发电单元到微电网中起着关键作用。为了提高交直流混合微电网耦合逆变器的系统惯性以维持交流侧电网频率稳定，经常采用级联控制结构，包含下垂控制环，基于pi的电压控制环和电流控制环。然而，传统下垂控制存在频率稳定性差，难以提供足够的系统惯性等缺点；基于pi的电压和电流双闭环控制策略存在鲁棒性差，系统参数难以调节的缺点。此外，为了实现交直流混合微电网耦合逆变器在交流侧的离并网无缝切换，需要并网前实现逆变器输出电压与交流侧并网点的电压同步。传统同步控制策略需要复杂的锁相环控制器以实现功角和频率的同步。锁相环控制器存在控制参数难以调节，以及其控制性能的优劣直接影响同步控制算法的性能等缺点。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种交直流混合微电网耦合逆变器级联控制实现方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：交直流混合微电网耦合逆变器级联控制实现方法，建立级联控制，驱动三相逆变器，实现交直流混合微电网耦合逆变器并联运行及离并网无缝切换，所述建立级联控制包括以下步骤；

1)建立电流环控制器，其输出结果经过park反变换，并通过空间矢量脉宽调制得到pwm波，用于驱动三相逆变器；该电流环控制器的电流参考输入为电压环控制器的输出；

2)建立电压环控制器，其电压参考输入为虚拟阻抗控制器的输出；

3)建立虚拟阻抗控制器，其电压参考输入从虚拟同步机控制器的输出获取；

4)建立虚拟同步机控制器，其补偿量从并网同步控制器获取；

5)建立并网同步控制器，并在满足并网条件时闭合并网开关，以实现交直流混合微电网耦合逆变器离并网无缝切换。

所述建立电流环控制器，其输出结果经过park反变换，并通过空间矢量脉宽调制得到pwm波，包括以下步骤：

2-1)电流控制误差eid和eiq，如下式所示：

eid＝id,ref-id

eiq＝iq,ref-iq

其中，id,ref，iq,ref分别为d和q轴的电流参考输入值，id，iq分别为逆变器侧滤波电感电流iabc经过park变换后的d和q轴电流值；

2-2)电流环d和q轴滑模面sid和siq，如下式所示：

sid＝eid+λi·∫eiddt

siq＝eiq+λi·∫eiqdt

其中，λi＞0为权重系数：

2-3)d和q轴滑模控制率为：

vd,ref＝vd,eq+vd,smc

vq,ref＝vq,eq+vq,smc

其中，vd,eq，vq,eq，vd,smc，vq,smc分别定义如下：

vd,eq＝vod+r·id-l·w·iq+l·λi·eid

vq,eq＝voq+r·iq+l·w·id+l·λi·eiq

vd,smc＝l·(ηi·tanh(εi·sid)+ki·sid)

vq,smc＝l·(ηi·tanh(εi·siq)+ki·siq)

其中，r，l为逆变器侧滤波电感的电阻和电感值，vod，voq分别为lcl滤波器的滤波电容侧三相电压voabc经过park变换后的d和q轴电压值，w为功角频率，可通过虚拟同步机控制器得到，ηi，εi和ki为大于零的常数；tanh表示双曲正切函数；

2-4)控制率vd,ref，vq,ref作为电流环控制器的输出，与抑制零序环流的控制率v0,ref经过park反变换，得到控制信号vabc,ref，然后经过svpwm算法得到逆变器驱动信号即pwm波；

其中，抑制零序环流的控制率v0,ref通过以下步骤得到：

根据如下公式计算零序电流分量i0，

i0＝[1/31/31/3][iaibic]^t，

ia，ib，ic为流过逆变器侧电感的三相电流；

抑制零序环流的控制率为：

v0,ref＝-i0·r0

其中，r0为零轴虚拟阻抗。

所述建立电压环控制器，包括以下步骤：

3-1)电压控制误差evd和evq，如下式所示：

evd＝vod,ref-vod

evq＝voq,ref-voq

其中，vod,ref，voq,ref分别为d和q轴电压参考输入值，vod，voq分别为滤波电容侧三相电压voabc经过park变换后的d和q轴电压值；

3-2)电压环控制器的d和q轴滑模面svd和svq，如下式所示：

svd＝evd+λv·∫evddt

svq＝evq+λv·∫evqdt

其中，λv＞0为权重系数：

3-3)d和q轴滑模控制率即电压环控制器的输出为：

id,ref＝id,eq+id,smc

iq,ref＝iq,eq+iq,smc

其中，id,eq，iq,eq，id,smc，iq,smc分别定义如下：

id,eq＝c·λv·evd+iod-c·w·voq

iq,eq＝c·λv·evq+ioq+c·w·vod

id,smc＝c·(ηv·tanh(εv·svd)+kv·svd)

iq,smc＝c·(ηv·tanh(εv·svq)+kv·svq)

其中，c为lcl滤波器的滤波电容的电容值，iod，ioq分别为流过电网侧滤波电感的三相电流ioabc经过park变换后的d和q轴电流值，ηv，εv和kv为大于零的常数，w为功角频率，可通过虚拟同步机控制器得到，tanh表示双曲正切函数。

所述建立虚拟阻抗控制器，通过如下公式实现：

其中，为电压参考输入值，从虚拟同步机控制器的输出获取，rv和lv分别为虚拟阻抗的电阻和电感值，ioabc为流过电网侧滤波电感的三相电流；上述公式输出的电压参考信号voabc,ref用于经过park变换后得到相应的d和q轴电压参考信号分别为vod,ref和voq,ref，作为电压环控制器的电压参考输入。

所述建立虚拟同步机控制器包括如下步骤：

5-1)虚拟同步机的摆动方程如下：

pin-p-d·(w-w0-δw)＝j·w0·s·(w-w0)

其中，pin为上述摆动方程有功功率输入参考值，p为逆变器输出的有功功率，d为阻尼因子，w和w0分别为功角频率参考值和标称值，δw为功角频率同步补偿量，由并网同步控制器生成，j表示转动惯量，s为复变量，表示微分因子；

5-2)上述有功功率输入参考值pin，通过如下公式计算：

pin＝pref-mw·(w-w0-δw)

其中，pref为逆变器输出有功功率参考值，mw为频率调节因子；根据上述公式以及摆动方程可求取w，用于输出至电流环控制器和电压环控制器；

5-3)，功角θ通过如下公式计算：

其中，δθ为功角同步补偿量，由并网同步控制器生成；

5-4)逆变器输出线电压幅值v，由如下公式计算：

v＝vo-mq·(q-qref)+δv

其中，vo为逆变器输出线电压的标称值，mq为幅值调节因子，q和qref分别为逆变器输出无功功率的测量值和参考值，δv为电压同步补偿量，由并网同步控制器生成；

所述功角θ和逆变器输出线电压幅值v，用于经如下变化生成作为虚拟阻抗控制器的电压参考输入：

其中，

所述建立并网同步控制器包括以下步骤：

首先，测量并采集并网开关的逆变器端三相电压va,dg，vb,dg，vc,dg，定义vabc,dg＝[va,dg,vb,dg,vc,dg]^t，且vabc,dg经park变换后得到相应的d和q轴分量分别为vd,dg和vq,dg；采集并测量并网开关的交流母线端三相电压va,pcc，vb,pcc，vc,pcc，定义vabc,pcc＝[va,pcc,vb,pcc,vc,pcc]^t，且vabc,pcc经park变换后得到相应的d和q轴分量分别为vd,pcc和vq,pcc；

其次，建立并网同步控制器：

计算并网开关两侧即电网侧和逆变器侧的电压的幅值和功角：

θpcc＝arctan(vd,pcc/vq,pcc)

θdg＝arctan(vd,dg/vq,dg)

其中，vpcc和vdg分别为电网侧和逆变器侧电压幅值，θpcc和θdg分别为电网侧和逆变器侧功角；

电压同步补偿量δv，通过如下公式计算:

其中，电网侧和逆变器侧电压幅值误差ev＝vpcc-vdg，kpv和kiv分别为pi控制器的比例项和积分项系数。

所述建立并网同步控制器还包括以下步骤：

功角同步补偿量δθ，通过如下公式计算:

其中，eθ＝θpcc-θdg，kpθ和kiθ分别为pi控制器的比例项和积分项系数。

所述建立并网同步控制器还包括以下步骤：

功角频率同步补偿量δw，通过如下步骤计算：

1)通过如下公式评估电网侧和逆变器侧功角频率误差ew：

ew＝kiθ·eθ

2)通过如下公式计算功角频率同步补偿量δw：

其中，kpw和kiw分别为pi控制器的比例项和积分项系数。

所述pi控制器的控制步长为其它控制器控制步长的50倍，所述pi控制器的误差采样频率为其它控制器采样频率的1/50；所述其它控制器包括：电流环控制器、电压环控制器、虚拟阻抗控制器、虚拟同步机控制器、并网同步控制器。

所述在满足并网条件时闭合并网开关，包括以下步骤：

并网条件如下：

其中，sw表示同步状态变量，其值为1时表示已同步，为0时表示未同步，εvεθ和εw分别表示电压幅值、功角和功角频率所允许的并网同步误差；

满足sw＝1时进行如下操作：

1)锁定功角同步补偿量δθ的值保持不变；

2)闭合并网开关实现并网操作；

3)通过pi控制器，将功角频率同步补偿量δw的值控制到0；

4)通过pi控制器，将电压同步补偿量δv的值控制到0。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.电压控制和电流控制环基于二阶滑模控制理论设计控制器，提高控制器对于参数扰动和外部扰动的鲁棒性。

2.基于虚拟同步机的有功功率-频率控制策略，提高交直流混合微电网耦合逆变器的系统惯性和频率稳定性。

3.本发明设计的同步控制策略，不需要复杂的锁相环控制器，算法实现简单，能达到良好的同步控制性能。

4.本发明可以实现交直流混合微电网耦合逆变器的并联运行，并能实现离并网无缝切换，提高系统冗余性和可靠性。

附图说明

图1是交直流混合微电网耦合逆变器级联控制原理图；

图2是虚拟同步机控制及并网同步控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，交直流混合微电网耦合逆变器电路系统包括：三相全桥逆变器、lcl滤波器、并网开关、传输线及交流母线。dg表示交直流混合微电网耦合逆变器系统；对于lcl滤波器，逆变器侧的滤波电感的电阻和电感值分别定义为r和l，电容器的电容值定义为c，电网侧的滤波电感的电阻和电感值分别定义为rg和lg。并网开关为具有驱动信号触发其开通和关断功能的开关，其开通和关断动作时间应小于5ms。三相全桥逆变器经lcl滤波器和并网开关后通过传输线接入交流母线。传输线的电阻和电感值分别定义为rline和lline。需要测量的量包括：三相全桥逆变器端三相电压va,vb和vc，定义vabc＝[va,vb,vc]^t；流过逆变器侧滤波电感的三相电流ia,ib和ic，定义iabc＝[ia,ib,ic]^t；滤波电容器侧三相电压voa，vob和voc，定义voabc＝[voa,vob,voc]^t；流过电网侧滤波电感的三相电流ioa,iob和ioc，定义ioabc＝[ioa,iob,ioc]^t；并网开关的逆变器端三相电压va,dg，vb,dg，vc,dg，定义vabc,dg＝[va,dg,vb,dg,vc,dg]^t；并网开关的交流母线端三相电压va,pcc，vb,pcc，vc,pcc，定义vabc,pcc＝[va,pcc,vb,pcc,vc,pcc]^t。

本发明针对交直流混合微电网耦合逆变器级联控制实现方法，首先，设计电流矢量控制策略，其输出结果经过park反变换，并通过空间矢量脉宽调制(svpwm)得到pwm波，用于驱动三相逆变器。该电流控制环的电流参考输入为电压控制环的输出；其次，设计电压矢量控制策略，其电压参考输入为虚拟阻抗控制环的输出；再次，设计虚拟阻抗控制环，其电压参考输入为虚拟同步机控制环的输出；然后，设计虚拟同步机控制环；最后，设计并网同步控制环，并在满足并网条件时闭合并网开关，以实现交直流混合微电网耦合逆变器离并网无缝切换。

本发明包括以下步骤：

1)设计电流矢量控制策略，其输出结果经过park反变换，并通过空间矢量脉宽调制(svpwm)得到pwm波，用于驱动三相逆变器。该电流控制环的电流参考输入为电压控制环的输出；

2)设计电压矢量控制策略，其电压参考输入为虚拟阻抗控制环的输出；

3)设计虚拟阻抗控制环，其电压参考输入为虚拟同步机控制环的输出；

4)设计虚拟同步机控制环；

5)设计并网同步控制环，并在满足并网条件时闭合并网开关，以实现交直流混合微电网耦合逆变器离并网无缝切换。

1.设计电流矢量控制策略包括以下步骤：

首先，定义电流控制误差eid和eiq，如下式所示：

eid＝id,ref-id

eiq＝iq,ref-iq

其中，id,ref，iq,ref分别为d和q轴电流参考输入值，id，iq分别为逆变器侧滤波电感电流iabc经过park变换后的d和q轴电流值。

其次，定义电流环d和q轴滑模面sid和siq，如下式所示：

sid＝eid+λi·∫eiddt

siq＝eiq+λi·∫eiqdt

其中，λi＞0为权重系数：

再次，定义d和q轴滑模控制率为：

vd,ref＝vd,eq+vd,smc

vq,ref＝vq,eq+vq,smc

其中，vd,eq，vq,eq，vd,smc，vq,smc分别定义如下：

vd,eq＝vod+r·id-l·w·iq+l·λi·eid

vq,eq＝voq+r·iq+l·w·id+l·λi·eiq

vd,smc＝l·(ηi·tanh(εi·sid)+ki·sid)

vq,smc＝l·(ηi·tanh(εi·siq)+ki·siq)

其中，r，l为逆变器侧滤波电感的电阻和电感值，vod，voq分别为滤波电容侧三相电压voabc经过park变换后的d和q轴电压值，w为功角频率，可通过步骤4得到，ηi和ki为大于零的常数。

然后，根据如下公式计算零序电流分量i0，

i0＝[1/31/31/3][iaibic]^t

其中，ia，ib，ic为流过逆变器侧电感的三相电流。

设计抑制零序环流的控制率为：

v0,ref＝-i0·r0

其中，r0为零轴虚拟阻抗。

最后，由控制率vd,ref，vq,ref，v0,ref经过反park变换，即可得到控制信号vabc,ref，然后经过svpwm算法可以得到逆变器驱动信号实现控制。

2.设计电压矢量控制策略包括以下步骤：

首先，定义电压控制误差evd和evq，如下式所示：

evd＝vod,ref-vod

evq＝voq,ref-voq

其中，vod,ref，voq,ref分别为d和q轴电压参考输入值，vod，voq分别为滤波电容侧三相电压voabc经过park变换后的d和q轴电压值。

其次，定义电压环d和q轴滑模面svd和svq，如下式所示：

svd＝evd+λv·∫evddt

svq＝evq+λv·∫evqdt

其中，λv＞0为权重系数：

再次，定义d和q轴滑模控制率为：

id,ref＝id,eq+id,smc

iq,ref＝iq,eq+iq,smc

其中，id,eq，iq,eq，id,smc，iq,smc分别定义如下：

id,eq＝c·λv·evd+iod-c·w·voq

iq,eq＝c·λv·evq+ioq+c·w·vod

id,smc＝c·(ηv·tanh(εv·svd)+kv·svd)

iq,smc＝c·(ηv·tanh(εv·svq)+kv·svq)

其中，c为滤波电容的电容值，iod，ioq分别为流过电网侧滤波电感的三相电流ioabc经过park变换后的d和q轴电流值，ηv，εv和kv为大于零的常数。

3.设计虚拟阻抗控制环可通过如下公式实现：

其中，为步骤4中虚拟同步机控制环得到的电压参考值，rv和lv分别为虚拟阻抗的电阻和电感值，ioabc为流过电网侧滤波电感的三相电流。上述公式的输出电压参考信号voabc,ref经过park变换后得到相应的d和q轴电压参考信号分别为vod,ref和voq,ref并作为步骤2中电压控制环的电压参考输入值。

4.设计虚拟同步机控制环包括如下步骤：

首先，定义虚拟同步机的摆动方程如下：

pin-p-d·(w-w0-δw)＝j·w0·s·(w-w0)

其中，pin为为上述摆动方程的有功功率输入参考值，p为逆变器输出的有功功率，d为阻尼因子，w和w0分别为功角频率和功角频率的标称值，δw为功角频率同步补偿量，可由同步控制环生成，j表示转动惯量，s为复变量，表示微分因子。

其次，上述有功功率输入参考值pin，可通过如下公式计算：

pin＝pref-mw·(w-w0-δw)

其中，pref为逆变器输出有功功率参考值，mw为频率调节因子。

再次，功角θ可以通过如下公式计算：

其中，δθ为功角同步补偿量，可由同步控制环生成。

然后，逆变器输出线电压幅值v，可以由如下公式计算：

v＝vo-mq·(q-qref)+δv

其中，vo为逆变器输出线电压的标称值，mq为幅值调节因子，q和qref分别为逆变器输出无功功率的测量值和参考值，δv为电压同步补偿量，可由步骤

5.所述方式生成。

最后，基于上述计算，虚拟同步机的三相电压输出参考值可以由如下公式生成:

定义作为骤2中虚拟阻抗控制环的输入。

5.设计并网同步控制环，如图2所示，包括如下步骤：

首先，采集并测量并网开关的逆变器端三相电压va,dg，vb,dg，vc,dg，定义vabc,dg＝[va,dg,vb,dg,vc,dg]^t，且vabc,dg经park变换后得到相应的d和q轴分量分别为vd,dg和vq,dg；采集并测量并网开关的交流母线端三相电压va,pcc，vb,pcc，vc,pcc，定义vabc,pcc＝[va,pcc,vb,pcc,vc,pcc]^t，且vabc,pcc经park变换后得到相应的d和q轴分量分别为vd,pcc和vq,pcc。其次，计算并网开关两侧(即电网侧和逆变器侧)电压的幅值和功角。计算公式如下：

θpcc＝arctan(vd,pcc/vq,pcc)

θdg＝arctan(vd,dg/vq,dg)

其中，vpcc和vdg分别为电网侧和逆变器侧电压幅值，θpcc和θdg分别为电网侧和逆变器侧功角。

其次，通过如下公式计算电压同步补偿量δv:

其中，ev＝vpcc-vdg，kpv和kiv分别为比例积分(pi)控制器的比例项和积分项系数。

再次，通过如下公式计算功角同步补偿量δθ:

其中，eθ＝θpcc-θdg，kpθ和kiθ分别为比例积分(pi)控制器的比例项和积分项系数。

然后，通过如下如下步骤计算功角频率同步补偿量δw：

1)通过如下公式评估电网侧和逆变器侧功角频率误差ew：

ew＝kiθ·eθ

2)通过如下公式计算功角频率同步补偿量δw：

其中，kpw和kiw分别为比例积分(pi)控制器的比例项和积分项系数。该pi控制器的控制步长设计为其它各环控制器控制步长的50倍，此外，该pi控制器的误差采样频率设计为其它各环控制器采样频率的1/50。

然后，通过如下公式判别并网条件是否满足：

其中，sw表示同步状态变量，其值为1时表示已同步，为0时表示未同步，εvεθ和εw分别表示电压幅值，功角和功角频率所允许的并网同步误差。

最后，当满足sw＝1的并网条件时时，进行如下操作：

1)锁定功角同步补偿量δθ的值保持不变；

2)闭合并网开关实现并网操作；

3)通过pi控制器，重新将功角频率同步补偿量δw的值控制到0；

4)通过pi控制器，重新将电压同步补偿量δv的值控制到0。