光伏单相逆变器仿同步发电机特性控制系统设计

1、光伏单相逆变器仿同步发电机特光伏单相逆变器仿同步发电机特性控制系统设计性控制系统设计李玉超导师：殷桂梁图1 虚拟同步发电机原理示意图由图1可见，虚拟同步发电机主要由逆变元和虚拟同步发电机算法单元构成，其中逆变单元的拓扑结构如图2，微电网功率等级较大，因此采用三相全桥电路，全桥逆变电源则一般用在中大功率场合。逆变器输出级接有LC滤波器，图中显示了三个采样点I、U、I0，其中I与U用于电压调节器的控制，来调节励磁电压Uf的输出，U和I0则用来计算逆变电源输出功率的大小，用来调整功率指令 Pm的大小。Ls 为逆变电源与大电网的连接感抗，通过改变逆变电源侧的电压来调节输出电压与电网电压之间的相角关系，

2、使逆变器能够向电网输送能量。图2 逆变器主电路拓扑结构示意图在逆变电路控制模型中，高频 SPWM 调制方式的基本思想是输入的参考正弦 Umsin(t)和载波信号比较，用得到的宽度按正弦规律变化的 PWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断脉冲去控制各功率开关器件。由于开关的动作是非连续的，分析时我们采用状态空间平均法来分析。状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内，用变量的平均值代替其瞬时值，从而得到连续状态模型，简化了分析过程。为了进一步简化分析的复杂程度，在分析逆变单元模型时，均按照单相全桥拓扑进行分析。图 3 为单相等效模型，逆变器输出级接有 LC 滤波器，Ls

3、为逆变器与大电网之间的连接感抗，R为负载，图中忽略了电感中的阻性成分。图3 单相及等效拓扑结构根据 图12 将滤波器中的电感与电容分别用 Ls 和 1 Cs表示，则可以推导出 A、B 之间的电压与逆变单元输出电压之间的频域传递函数为：21idcUUD 2111111CsRG sLLsLCssRCsR双极性SPWM调制时, 可以表示为：iU其中，占空比 D 根据 SPWM 调制可表示为：112mtriUDUmUtriU其中 为参考正弦波信号， 为三角载波峰值。由前式可得出：midctriUUUUidcPWMtrimUUKUU在 SPWM 中，载波频率(开关频率)远高于出频率时可将逆变桥看成是一个

4、比例环节，比例系数定义为 KPWM 。结合前式可得： 211ooiPWMmimUsUs UsG sKLUsUs UsLCssR即为逆变器输入和输出的传递函数根据该传递函数的表达式，可以得到其等效框图如图4所示：图4 逆变单元结构框图而对于虚拟同步发电机单元，由虚拟同步发电机算法的标幺值表达式，通过有名值换算以及拉普拉斯变换可得：式中 p 为转子极对数。在同步发电机并网时，稳态情况下通过一次调频及二次调频，输出频率在额定频率附近的波动是很小的，这也是电网稳定的条件。因此转子运动方程中的机械转速可以认为是恒定值为：Nmp结合前式，建立虚拟同步发电机算法的结构图，如图 5 所示。其中Io(s)为逆变

5、器输出电流，作为虚拟同步发电机的电枢电流。输出电压U(s) 作为逆变器的指令电压， 、Q的输出为检测信息，用于下文中的功频调节和电压调节。图5 虚拟同步机算法单元结构框图图6 同步机控制结构示意图借鉴同步发电机的控制结构，本文设计了虚拟同步发电机的系统控制结构，如图 7 所示：图7 虚拟同步发电机控制结构示意图图 7 展示了虚拟同步发电机的控制框图，设计过程中借鉴了同步机的控制结构，但是虚拟同步发电机本质上是一个逆变电源，因此不存在同步发电机中的转速变量，控制结构中也就没有测速器、调速器、原动机，取而代之的为功率调节，但是两者在控制过程中的意义却是一样的，都是通过系统反馈信号和指令信号的比较来

6、调节核心单元的输入变量，从而稳定输出频率以及调整输出功率。图 7 中的励磁电压调节器与图 6中的励磁系统同出一辙，均用于调整励磁电压，稳定输出电压幅值。在虚拟同步发电机系统中，励磁控制单元同样承担着重要的角色，本文采用电压/电流双闭环的控制方法对励磁电压调节器进行设计，内环是电感电流瞬时调节环，用以提高系统的动态性能；外环是瞬时电压控制环，用于改善系统输出电压的波形，使其具有较高的输出精度，从而保证虚拟同步发电机输出电压以及无功功率的稳定。同步发电机激磁电动势方程，0fEki f其中E0为激磁电动势，if 为励磁电流。根据上式设计的虚拟同步发电机的电压控制环节如图 8 所示，其中Uref 为输

7、出电压指令值，U 为实际电压检测值，k为Uref的前馈系数，i为电感电流检测值，f为频率。首先，将U与Uref相比较，通过PI控制器对电压进行无差调节，得到电流内环的给定信号i*。i*与电感电流采样值i相比较，再加上电压指令前馈信号得励磁电流参考值if，励磁电流的变化调整了输出电压，从而达到稳定电压的目的。图8 励磁电压控制器借鉴同步发电机一次调频、二次调频的控制方法，本文设计了虚拟同步发电机的频率、功率控制器，如图 9所示。图中 fref表示频率的给定值，f为频率反馈值，Pn为功率的给定值（调度中心分配指令），Pm为 Pf控制器的输出功率，相当于同步发电机中的原动机输出机械功率。该闭环控制系

8、统中，反馈值根据负荷的大小和变化情况，不断地调整Pm，从而对输出有功功率和频率进行有效的控制。图9 Pf控制器频率、功率闭环控制器的主要作用分为二个部分，功能如下：虚线框 1 是用来保持频率稳定，频率偏差f 经过 PI 调节器实现对频率的无差调节，使频率稳定在参考值 fref 上，在作用效果上类似于同步发电机的二次调频。2. 虚线框 2 是利用下垂特性来进行控制的，其主要作用是给负载提供足够的功率，以减弱功率的波动，实现功率的平衡和稳定，对应于同步发电机的一次调频特性。含有 PI 调节器的 Pf 控制器，能够快速准确的跟踪指令信号，对输出功率进行及时调整，避免了因为功率供需不平衡导致的频率波动等不利影响，提高了微电网系统的稳定性。图10 虚拟同步发电机的主电路结构虚拟同步发电机的整体结构如图 4-1 所示：上图中主电路结构为三相逆变电路，ri为线路电阻，Li、Ci(i=1,2,3)分别是滤波电感和电容，Lj( j = a,b,c)为虚拟同步发电机与大电网的连接电抗。在逆变单元输出侧接有 LC滤波器，后经连接电抗与大电网并联，负载位于两者之间。图中有三处信号采样点，分别为滤波器电感电流 i，输出电压u，以及连接电抗电流i0。将逆变器输出电压、电流信号反馈到励磁控制器与Pf控制器中，来调整虚拟同步