光伏單相逆變器仿同步發(fā)電機(jī)特性控制系統(tǒng)設(shè)計

1、光伏單相逆變器仿同步發(fā)電機(jī)特光伏單相逆變器仿同步發(fā)電機(jī)特性控制系統(tǒng)設(shè)計性控制系統(tǒng)設(shè)計李玉超導(dǎo)師：殷桂梁圖1 虛擬同步發(fā)電機(jī)原理示意圖由圖1可見，虛擬同步發(fā)電機(jī)主要由逆變元和虛擬同步發(fā)電機(jī)算法單元構(gòu)成，其中逆變單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2，微電網(wǎng)功率等級較大，因此采用三相全橋電路，全橋逆變電源則一般用在中大功率場合。逆變器輸出級接有LC濾波器，圖中顯示了三個采樣點I、U、I0，其中I與U用于電壓調(diào)節(jié)器的控制，來調(diào)節(jié)勵磁電壓Uf的輸出，U和I0則用來計算逆變電源輸出功率的大小，用來調(diào)整功率指令 Pm的大小。Ls 為逆變電源與大電網(wǎng)的連接感抗，通過改變逆變電源側(cè)的電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的相角關(guān)系，

2、使逆變器能夠向電網(wǎng)輸送能量。圖2 逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖在逆變電路控制模型中，高頻 SPWM 調(diào)制方式的基本思想是輸入的參考正弦 Umsin(t)和載波信號比較，用得到的寬度按正弦規(guī)律變化的 PWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷脈沖去控制各功率開關(guān)器件。由于開關(guān)的動作是非連續(xù)的，分析時我們采用狀態(tài)空間平均法來分析。狀態(tài)空間平均法是基于輸出頻率遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率的情況下，在一個開關(guān)周期內(nèi)，用變量的平均值代替其瞬時值，從而得到連續(xù)狀態(tài)模型，簡化了分析過程。為了進(jìn)一步簡化分析的復(fù)雜程度，在分析逆變單元模型時，均按照單相全橋拓?fù)溥M(jìn)行分析。圖 3 為單相等效模型，逆變器輸出級接有 LC 濾波器，Ls

3、為逆變器與大電網(wǎng)之間的連接感抗，R為負(fù)載，圖中忽略了電感中的阻性成分。圖3 單相及等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù) 圖12 將濾波器中的電感與電容分別用 Ls 和 1 Cs表示，則可以推導(dǎo)出 A、B 之間的電壓與逆變單元輸出電壓之間的頻域傳遞函數(shù)為：21idcUUD 2111111CsRG sLLsLCssRCsR雙極性SPWM調(diào)制時, 可以表示為：iU其中，占空比 D 根據(jù) SPWM 調(diào)制可表示為：112mtriUDUmUtriU其中 為參考正弦波信號， 為三角載波峰值。由前式可得出：midctriUUUUidcPWMtrimUUKUU在 SPWM 中，載波頻率(開關(guān)頻率)遠(yuǎn)高于出頻率時可將逆變橋看成是一個

4、比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)定義為 KPWM 。結(jié)合前式可得： 211ooiPWMmimUsUs UsG sKLUsUs UsLCssR即為逆變器輸入和輸出的傳遞函數(shù)根據(jù)該傳遞函數(shù)的表達(dá)式，可以得到其等效框圖如圖4所示：圖4 逆變單元結(jié)構(gòu)框圖而對于虛擬同步發(fā)電機(jī)單元，由虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的標(biāo)幺值表達(dá)式，通過有名值換算以及拉普拉斯變換可得：式中 p 為轉(zhuǎn)子極對數(shù)。在同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時，穩(wěn)態(tài)情況下通過一次調(diào)頻及二次調(diào)頻，輸出頻率在額定頻率附近的波動是很小的，這也是電網(wǎng)穩(wěn)定的條件。因此轉(zhuǎn)子運動方程中的機(jī)械轉(zhuǎn)速可以認(rèn)為是恒定值為：Nmp結(jié)合前式，建立虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的結(jié)構(gòu)圖，如圖 5 所示。其中Io(s)為逆變

5、器輸出電流，作為虛擬同步發(fā)電機(jī)的電樞電流。輸出電壓U(s) 作為逆變器的指令電壓， 、Q的輸出為檢測信息，用于下文中的功頻調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)。圖5 虛擬同步機(jī)算法單元結(jié)構(gòu)框圖圖6 同步機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖借鑒同步發(fā)電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了虛擬同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，如圖 7 所示：圖7 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖圖 7 展示了虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制框圖，設(shè)計過程中借鑒了同步機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，但是虛擬同步發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是一個逆變電源，因此不存在同步發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)速變量，控制結(jié)構(gòu)中也就沒有測速器、調(diào)速器、原動機(jī)，取而代之的為功率調(diào)節(jié)，但是兩者在控制過程中的意義卻是一樣的，都是通過系統(tǒng)反饋信號和指令信號的比較來

6、調(diào)節(jié)核心單元的輸入變量，從而穩(wěn)定輸出頻率以及調(diào)整輸出功率。圖 7 中的勵磁電壓調(diào)節(jié)器與圖 6中的勵磁系統(tǒng)同出一轍，均用于調(diào)整勵磁電壓，穩(wěn)定輸出電壓幅值。在虛擬同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，勵磁控制單元同樣承擔(dān)著重要的角色，本文采用電壓/電流雙閉環(huán)的控制方法對勵磁電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計，內(nèi)環(huán)是電感電流瞬時調(diào)節(jié)環(huán)，用以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；外環(huán)是瞬時電壓控制環(huán)，用于改善系統(tǒng)輸出電壓的波形，使其具有較高的輸出精度，從而保證虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出電壓以及無功功率的穩(wěn)定。同步發(fā)電機(jī)激磁電動勢方程，0fEki f其中E0為激磁電動勢，if 為勵磁電流。根據(jù)上式設(shè)計的虛擬同步發(fā)電機(jī)的電壓控制環(huán)節(jié)如圖 8 所示，其中Uref 為輸

7、出電壓指令值，U 為實際電壓檢測值，k為Uref的前饋系數(shù)，i為電感電流檢測值，f為頻率。首先，將U與Uref相比較，通過PI控制器對電壓進(jìn)行無差調(diào)節(jié)，得到電流內(nèi)環(huán)的給定信號i*。i*與電感電流采樣值i相比較，再加上電壓指令前饋信號得勵磁電流參考值if，勵磁電流的變化調(diào)整了輸出電壓，從而達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。圖8 勵磁電壓控制器借鑒同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的控制方法，本文設(shè)計了虛擬同步發(fā)電機(jī)的頻率、功率控制器，如圖 9所示。圖中 fref表示頻率的給定值，f為頻率反饋值，Pn為功率的給定值（調(diào)度中心分配指令），Pm為 Pf控制器的輸出功率，相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)中的原動機(jī)輸出機(jī)械功率。該閉環(huán)控制系

8、統(tǒng)中，反饋值根據(jù)負(fù)荷的大小和變化情況，不斷地調(diào)整Pm，從而對輸出有功功率和頻率進(jìn)行有效的控制。圖9 Pf控制器頻率、功率閉環(huán)控制器的主要作用分為二個部分，功能如下：虛線框 1 是用來保持頻率穩(wěn)定，頻率偏差f 經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對頻率的無差調(diào)節(jié)，使頻率穩(wěn)定在參考值 fref 上，在作用效果上類似于同步發(fā)電機(jī)的二次調(diào)頻。2. 虛線框 2 是利用下垂特性來進(jìn)行控制的，其主要作用是給負(fù)載提供足夠的功率，以減弱功率的波動，實現(xiàn)功率的平衡和穩(wěn)定，對應(yīng)于同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性。含有 PI 調(diào)節(jié)器的 Pf 控制器，能夠快速準(zhǔn)確的跟蹤指令信號，對輸出功率進(jìn)行及時調(diào)整，避免了因為功率供需不平衡導(dǎo)致的頻率波動等不利影響，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖10 虛擬同步發(fā)電機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)虛擬同步發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖 4-1 所示：上圖中主電路結(jié)構(gòu)為三相逆變電路，ri為線路電阻，Li、Ci(i=1,2,3)分別是濾波電感和電容，Lj( j = a,b,c)為虛擬同步發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)的連接電抗。在逆變單元輸出側(cè)接有 LC濾波器，后經(jīng)連接電抗與大電網(wǎng)并聯(lián)，負(fù)載位于兩者之間。圖中有三處信號采樣點，分別為濾波器電感電流 i，輸出電壓u，以及連接電抗電流i0。將逆變器輸出電壓、電流信號反饋到勵磁控制器與Pf控制器中，來調(diào)整虛擬同步