[发明专利]一种逆变器自同步并网控制装置

说明书

本发明提供了一种逆变器自同步并网控制装置，由虚拟转子运动方程、电压控制、dq变换、dq反变换单元、逆变器输出功率计算方程以及一些改变控制结构的虚拟开关S_P(1)、S_Q(2)、S_PWM(3)这几个部分构成。该装置在并网时，并没有使用锁相环，而是通过改变虚拟开关的闭合状态，从而改变控制器的结构，实现一种自同步并网。同时，并网瞬间是通过控制虚拟开关S_PWM(3)来封锁和开启PWM输出，实现向网侧输送功率。不同于传统上通过控制并网开关向网侧输送功率的方式，从而省去了并网开关。与现有方法相比，本发明去除了锁相环，简化了系统结构，降低了控制器的计算量。硬件上，去除了并网开关，简化了硬件结构，节省了成本，同时还提高了系统的可靠性。

技术领域

本发明涉及电力电子逆变器领域，特别涉及逆变器自同步并网的控制装置。

背景技术

随着风、光等间歇性清洁能源在电力系统中所占比重的增加，智能电网，特别是微电网相继成为电力领域的研究热点。在微电网中，逆变器是清洁能源并网发电的常见方式。逆变器在并网前主要采用锁相环技术(PLL)对电网电压进行锁相，然后根据电网的电压幅值、频率和相位等信息对逆变器进行控制，使电网和逆变器两者之间的电压幅值、频率和相位偏差在允许的范围之内，才能进行并网操作。

锁相环作为并网控制最为关键的部分，其性能直接影响整个系统的控制效果，甚至会影响系统的稳定性。由于锁相环、电力系统都具有非线性，且电力系统的状态实时变化，因此很难通过调整并固定一组锁相环的控制参数以达到满意的动态性能。锁相环的动态响应过慢会影响到系统的控制效果，降低系统的稳定性。尤其是在弱电网的情况下，电网中存在大量谐波，影响了锁相环的锁相精度，甚至可能会造成系统不稳定。同时，逆变器在从锁相状态切换到内部算法运行状态的过程中，因为处理过程较为繁琐，如果处理不当，容易造成较大电流冲击，甚至是并网失败。再者，锁相环本身也是一种较为复杂的技术。它提升了系统的复杂度，增大了控制器的运算量。

考虑到锁相环本身较为复杂，且会带来锁相精度、响应速度、稳定性等问题，有学者提出自同步的控制策略。自同步指的是逆变器不借助锁相环，仅利用内部的控制策略，实现运行过程中逆变器对电网频率的同步跟踪。更进一步的做法是在并网时也能不借助锁相环，仅利用内部的控制策略，实现对电网频率、电压幅值、电压相位的跟踪，然后进行并网操作。如文献Self-Synchronized Synchronverters:Inverters Without a DedicatedSynchronization Unit，提出的一种基于虚拟同步发电机的自同步并网控制方案。该方案对逆变器的性能有所改善，减少了控制结构的复杂度，是一个值得注意的发展方向。

目前，大多数逆变器在并网的时候，通常都会有一个闭合并网开关的过程。具体是在逆变器锁相成功后，控制器发出并网指令，通过闭合并网开关实现并网。并网开关的位置见图1。并网开关的存在，一方面增加了逆变器的成本。另一方面，由于并网开关存在发生故障的可能性，特别是一些机械式的继电器、接触器，这将导致逆变器整体的可靠性降低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种逆变器自同步并网控制装置。具体技术方案如下：

本发明中，逆变器的基本控制结构如图2所示，该控制结构指的是逆变器并网后，正常运行时的控制结构。具体是一种不用电流反馈的，采用电压计算功率的虚拟同步发电机控制技术，主要包含以下三个部分：电压控制、虚拟转子运动方程、逆变器功率计算方程。

1)电压控制：本发明此处采用的是一种无功-电压下垂控制。具体做法是用一个微分方程来给出逆变器输出电压的幅值U和无功功率Q的关系，同时得到逆变器调制波幅值的中间量E_q'。该微分方程如下：