一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法

技术领域：

本发明属于微网控制领域，具体涉及一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法。

背景技术：
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近年来，分布式发电与风能、太阳能等可再生能源受到了广泛关注。分布式发电装置在改善电能质量和减少电力系统的传输损耗方面起着重要作用。大多数分布式发电装置都需要dc/ac逆变器(电压源逆变器)，通过公共耦合点(pcc)将它们连接到电网。在并网控制中，电压源逆变器的控制对象是逆变器的输出电压，而不是注入电网的电流。微电网通常包含并联连接的多个dc/ac逆变器。因此，整个dc/ac逆变器系统必须提供并维持微电网的电压和频率。

下垂控制是一种适用于交流微电网中的电压源并网逆变器的经典控制方法。下垂控制的目标是模拟虚拟同步机的下垂外特性，通过允许偏离标称电压和频率来实现功率平衡。在电阻性网络中，有功功率与电压幅度密切相关，而无功功率与相角相关。

虚拟振荡器控制是一种新兴的电压源逆变器控制技术，可以模拟极限环振荡器的动态特性，例如vanderpol振荡器。虚拟振荡器的非线性动态特性固有地嵌入了下垂外特性。同时，虚拟振荡器对瞬时电流做出反应，而无需其他滤波器或功率计算，具有快速的瞬态响应特性。虚拟振荡器的另一个显着特点是，与下垂控制不同，虚拟振荡器不需要额外的电压和电流跟踪环路，从而简化了控制器结构。

尽管现有的虚拟振荡器表现出非常好的动态响应，但虚拟振荡器的输出电压始终包含丰富的三次谐波，在并网模式下会导致入网电流中产生相当大的三次谐波电流，严重影响逆变器并网运行效果，所以现有的虚拟振荡器的应用仍然受到限制。

技术实现要素：
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有鉴于此，本发明的目的就是要解决三相并网逆变器中传统的虚拟振荡器输出电压中存在丰富的三次谐波的问题，提高并网电流的质量，优化逆变器并网运行效果。

本发明的思路是：首先根据逆变器的并网要求，确定虚拟振荡器的参数，然后分析传统虚拟振荡器输出电压中三次谐波存在的原因，根据逆变器的谐波和响应速度要求，对虚拟振荡器的电流源进行改进。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，所述虚拟振荡器包括振荡电容，与振荡电容并联连接的电感、电阻、非线性电流源和受控电流源，所述虚拟振荡器改进方法主要包括以下步骤：

步骤1：根据逆变器的并网要求，确定虚拟振荡器的振荡电容c、电感l、电阻r、电流增益ki及电压增益kv；

所述振荡电容c、电感l、电流增益ki及电压增益kv满足如下公式：

其中，ω^*是电网电压频率，voc是逆变器允许通过电压的最大值，vmin是逆变器允许通过电压的最小值，prate是逆变器输出额定功率；

步骤2：设计虚拟振荡器的非线性电流源，以减少虚拟振荡器输出电压中三次谐波；

将电网侧电流il2abc经过abc-αβ坐标变化后的iα(t)作为受控电流源的输入，所述受控电流源为ki*iα；

所述虚拟振荡器的动态响应由如下公式确定：

传统虚拟振荡器中非线性电流源由如下公式确定：

其中cos³项是引起传统虚拟振荡器输出电压中存在三次谐波的主要原因，其满足如下公式：

因此，可以对公式(5)确定的非线性电流源进行化简改进，得到改进的虚拟振荡器的非线性电流源由如下公式确定：

所述虚拟振荡器输出电压v(t)由如下公式确定：

联合公式(1)，(2)求解，得到电压幅值vrms和频率ω如下所示：

优选地，为了满足逆变器性能要求，所述振荡器电容c的选取范围为0.1759f≤c≤0.2031f。

基于上述技术方案，本发明提出的一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，能够有效解决传统虚拟振荡器中存在丰富的三次谐波问题，而又不影响其下垂特性，提高了并网电流的质量，优化了并网逆变器的运行效果。

附图说明

图1是本发明虚拟振荡器控制的三相并网逆变器的电路拓扑结构图；

图2是传统虚拟振荡器电路原理图；

图3是本发明虚拟振荡器电路原理图；

图4(a)是传统虚拟振荡器输出电压的fft频谱图；

图4(b)是传统虚拟振荡器入网电流的fft频谱图；

图5(a)是本发明虚拟振荡器输出电压的fft频谱图；

图5(b)是本发明虚拟振荡器入网电流的fft频谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，图1为本发明虚拟振荡器控制的三相并网逆变器的电路拓扑图，图2是传统虚拟振荡器电路原理图，图3是本发明虚拟振荡器电路原理图。

一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，所述虚拟振荡器包括振荡电容，与振荡电容并联连接的电感、电阻、非线性电流源和受控电流源，所述虚拟振荡器改进方法，主要包括以下步骤：

步骤1：根据逆变器的并网及性能要求，选取合适的虚拟振荡器的振荡电容c、电感l、电阻r、电流增益ki及电压增益kv；

应中国电力工业部要求，电网电压基频为50hz，选取振荡器电容c，振荡器电感l的具体公式如下所示：

其中，ω^*是电网电压频率。

为了满足逆变器性能要求，振荡器电容的选取范围为：0.1759f≤c≤0.2031f。

电流增益ki及电压增益kv的选取应满足以下条件：

应中国电力工业部要求，逆变器允许通过电压的偏移值不超过标称电压的5％，即voc＝(1+5％)vrate，vmin＝(1-5％)vrate。

其中，prate是逆变器输出额定功率，voc是逆变器允许通过电压的最大值，vmin是逆变器允许通过电压的最小值；

步骤2：分析传统虚拟振荡器输出电压中三次谐波存在的原因，根据逆变器的谐波和响应速度要求，对虚拟振荡器的电流源进行改进，以减少虚拟振荡器输出电压中三次谐波；

将电网侧电流il2abc经过abc-αβ坐标变化后的iα(t)作为受控电流源的输入，所述受控电流源为ki*iα；

虚拟振荡器的动态响应按照如下公式确定：

因此，虚拟振荡器的输出电压v(t)与非线性电流源is(t)相关。

传统虚拟振荡器中非线性电流源如下公式确定：

通过三角函数的化简，发现cos³项是引起振荡器输出电压中存在三次谐波的主要原因：

因此，在改进的非线性电流源中，将cos³(ωt+θ(t))替换成3/4cos(ωt+θ(t))。改进的非线性电流源如下公式确定：

将公式(17)代入公式(13)，(14)得到：

通过多尺度和扰动分析方法(multiplescalesandperturbationmethods)可以近似求解振荡器输出电压中各次谐波含量。将公式(18)转换在的时间坐标下，则公式(18)可以重写为：

其中ε→0。

将上述方程的近似解分解为两个时间尺度上的分量之和：

v(τ)＝v(τ0,ε)≈v0(τ0,τ1)+εv1(τ0,τ1)(20)

其中τ0为原始时间尺度，而τ1＝ετ0为较慢时间尺度。

将公式(20)代入公式(19)得

为了使等式成立，括号中的部分都必须为0。

从(22)和(23)中可以看出，本发明的虚拟振荡器在两个时间尺度上都不存在三次谐波项。传统虚拟振荡器低时间尺度分量v1如下公式所示：

从公式(23)和公式(24)可以看出，通过替换振荡器的非线性电流源，本发明的虚拟振荡器中较低时间尺度v1上的近似解不包含三次谐波项。

虚拟振荡器之所以能应用于并网逆变器中，是因为虚拟振荡器的非线性动态特性可以模拟类似下垂的行为，从而实现负载的功率分配。因此本发明的虚拟振荡器必须存在类似下垂特性。

将公式(8)代入公式(3)可以得到公式(25)：

根据公式(25)，可以推导出公式(26),

将公式(26)代入公式(13)和(14)可以得到电压vrms(t)和相位θ(t)的导数方程：

求解公式(27)和(28)，可以得到电压幅值vrms和频率ω的公式：

当p＝0时，vrms存在最大值根据公式(29)，电压vrms和功率p的关系可以进一步写成以下形式：

即公式(29)可以写成类似下垂特性曲线：

vrms(t)*kv＝voc+mpp(t)(32)

同理公式(30)也可以写成类似的下垂特性曲线：

ω＝ω^*+mqq(t)(33)

其中mq是无功下垂系数：

在仿真实验中，通过比较控制策略来凸显本发明中所提出的控制方法的优越性，本发明分别采用以下两种方法进行对比，即：

方法一：基于传统虚拟振荡器控制的lcl并网逆变器；

方法二：本发明提出的控制方法。

本实验通过一台三相3kw的lcl并网逆变器系统，通过对比控制方法进行仿真实验验证本发明所提出方法的有效性和优越性；

请参阅图1-3，图1为虚拟振荡器控制的三相并网逆变器的电路原理图，图2是传统虚拟振荡器电路原理图，图3是本发明虚拟振荡器电路原理图。

其中l1,l2和c为lcl滤波器参数，lg为电网电感。v(t)是虚拟振荡器输出电压，vpcc1是逆变器系统公共耦合点处相电压。vg是等效电网，电网电压有效值为120v，电网基波频率f0为50hz，逆变器直流侧电压udc为350v，逆变器开关频率fs为10khz。系统采用svpwm(电压空间矢量pwm)调制和电网电流反馈控制。系统的参数见表1和表2。

表1

虚拟振荡器参数

表2

逆变器器参数

当采用方法一时，传统虚拟振荡器输出电压的fft频谱如图4(a)所示。可以看出，传统虚拟振荡器的输出电压具有不期望的三次谐波分量。在并网模式下，振荡器输出电压中的三次谐波电压会在并网侧电流中产生更大的三次谐波电流。入网电流的fft频谱如图4(b)所示，入网电流中的三次谐波接近4％，严重降低了电网的电能质量。

当采用方法二时，逆变器由本发明提供的虚拟振荡器控制，本发明提供的虚拟振荡器输出电压的fft频谱如图5(a)所示，可以看出，通过本发明的虚拟振荡器输出电压中的三次谐波分量大大降低。在并网运行中，入网电流的fft频谱如图5(b)所示。通过使用本发明的虚拟振荡器，入网电流中的三次谐波分量从4％降低到0.2％，这极大地改善了电网注入电流的波形，有利于dc/ac逆变器连接到电网。

根据以上两种方法的对比可以看出，本发明所提供的应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，能够有效解决传统虚拟振荡器输出电压中存在丰富的三次谐波的问题，提高并网电流的质量，优化逆变器并网运行效果。