光伏单相逆变器仿同步发电机特性控制系统设计

光伏单相逆变器仿同步发电机特性控制系统设计李玉超导师：殷桂梁绪论随着国家经济的快速发展和人民生活质量的不断提高，社会的用电需求越来越大，对电能质量和供电可靠性的要求也越来越高。传统大电网难以满足用户多样性的要求，特别对于地处偏远、人口分布稀疏的地区的供电成本过高，导致大电网存在着一定的空白和不足；而化石能源的日益减少以及给环境带来的污染，违背了可持续发展的思想，严重制约了社会的进步和发展。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的国际能源之争的问题也有着重要意义。因此如何拓展利用新能源，摆脱能源危机对社会发展阻碍，成为各国关注的焦点。

可再生能源发电系统

传统发电模式大量地消耗以煤为主的化石能源，对生态环境造成严重的污染和破坏，这些问题使得研究利用清洁能源和可再生能源发电成为迫在眉睫的课题。和传统化石能源相比，可再生能源具有清洁、对环境污染小、可循环使用、取用方便的特点。目前可再生能源的种类主要有：风能、太阳能、潮汐能、地热、燃料电池等，其中主要的能源为风能和太阳能，这两种能源是大自然中最为常见的能源形式，捕获方便，而且取之不尽用之不竭，是传统化石能源的理想替代者。能源的日益匮乏，社会的快速进，使得用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，随着电力需求的迅猛发展，电力部门大多把投资集中在火力、水力、核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上，但是随着电网规模的日益扩大，超大规模的电力系统的弊端日渐显现，成本高，运行难度大。在这样的社会背景下，基于新能源的分布式发电系统（DistributedGeneration-DG）应运而生。分布式发电系统分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦（也有的建议限制在30～50兆瓦以下）的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。主要包括：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电、风力发电、生物质能发电等，这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，用以满足电力系统和用户的特定的要求，如调峰、调压，为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。分布式能发电的优势在于可以充分开发利用各种可用的分散存在的能源，包括本地可方便获取的化石类燃料和可再生能源，并提高能源的利用效率。分布式发电系统中各发电装置分散独立，相互不干扰，因此可以避免大规模的供电故障，有着比较高的安全可靠性。同时分布式发电系统可以根据当地的能源分布特色就地取材，充分利用清洁能源，减少环境和燃料运输的压力。分布式发电由于其独特的位置灵活性，极大的适应了分散电力需求和资源分布，得到了大力的发展，特别是在农村、山区、牧场等地区，大大减少了发电成本，满足了用户机动性的需求，加大了能源的循环利用；而且该系统的输配电损耗很低，无需建配电站，降低了输配电成本。同时它与大电网互为备用，改善了供电可靠性。微电网虽然分布式发电有很多优点，但是由于分布式发电系统传统的单机接入成本高，不易控制，最重要的是对于大电网来说它是一个不可控源。因此当分布式发电系统与大电网并网运行时，一旦分布式系统不稳定或者输出电能质量偏离标准范围，即会引起大电网电压和频率的波动，严重者甚至会导致大电网的瘫痪，给电网的安全，稳定的运行带来了隐患[4]。为了解决分布式发电系统与大电网之间的矛盾，充分挖掘分布式能源对电网和能源环境所带来的价值，美国电力安全技术解决委员会（CERTS）最先提出“微电网（Microgrid）”的概念。微电网是由负荷和多个电源组成的单一可控的集合系统，它分为并网和孤岛两种运行方式。对于大电网来说，微电网最大的优点就在于它的可控性，能够根据需要在并网与孤岛两种状态之间平滑的切换,从而保证了大电网的安全、稳定运行，避免了分布式发电系统的不足。适用于微电网的逆变电源控制方法逆变电源作为微电网和大电网之间的接口装置，是实现微电源组网以及微电网与大电网并网的关键。要求逆变电源在满足微电网负载功率的情况下，还必须保证其输出电压符合大电网的并网要求，并且当微电网处于孤岛状态下，逆变电源还必须能够及时调整输出，保障供电可靠性以及电能质量。传统的分布式逆变电源控制方法在并网状态下，还能满足运行条件，但是却不能对电网故障或者负载变化导致的孤岛状态进行及时的调整。因此有必要对微电网中的逆变电源的控制策略进行重新设计，以满足不同状态下微电网对逆变电源的要求。并网技术要求

为了更大程度的发挥微电网的优势，微电网需要与大电网之间进行并网运行。在电力系统中，安全可靠是运行的第一要素，微电网要想与大电网并网运行，必须满足一定的技术要求，否则势必会给电网和用户的安全带来不利影响。与电力系统中发电机投入并网一样，微电网中的逆变电源在投入并网之前必须满足以下几点条件：1.逆变电源的频率必须和系统频率相同2.逆变电源的输出电压必须和系统电压相同，误差范围不得超过5%3.逆变电源的相序必须和系统相同4.逆变电源的输出电压相位必须和系统一致只有微电网的输出电压满足以上技术要求时，才可以合闸并网，才能保证电网的安全运行。

微电网的特点及对逆变电源的要求

微电网是由负荷和微源共同组成的可控系统，能够根据负荷需要以及外部情况，在并网与孤岛两种状态之间平滑的切换。并网时，微电网和大电网共同向负荷供电，如此保证了供电质量的可靠性，确保向用户提供不间断且稳定的电能；当负荷或者大电网出现故障时，微电网必须能够迅速的脱离大电网独立运行，单独向区域内的负荷供电。孤岛的初期，由于功率供需的不平衡，微电网系统频率将下降，如不及时调整，势必给负荷带来安全隐患。考虑到微电网的并网和孤岛两种工作状态，微电网中的逆变电源必须满足以下特点：当微电网处在并网状态时，逆变电源要能根据调度中心的指令，根据负荷的大小合理分配输出功率；当微电网处在孤岛状态时，要求逆变电源不仅能够满足负荷的功率需求，而且必须保证输出电压的幅值、频率达到用电标准。基于以上因素的要求，微电网中的逆变电源必须具有调频调压以及接受功率指令调度的功能。虚拟同步发电机概念的提出

微电网与大电网之间除了规模上的差异之外，发电装置的区别才是两者最本质的不同。相比大电网中的同步发电机，微电网中的逆变电源的主要差异表现在：1.逆变电源的单机容量相对较小，造成了给相同负载供电时，微电网需要比大电网更多的发电单元，增加了控制上的难度2.逆变电源几乎没有惯性，而同步发电机具有大惯量的特点，因此逆变电源的电压波动范围比同步发电机的电压波动大，控制策略比同步发电机复杂的多，进一步加大了控制难度。3.同步发电机的输出阻抗大，且呈感性，逆变电源的输出阻抗小，因此逆变电源抗电流冲击的能力差，且输出电流变化快，容易给电力电子装置带来不良影响。4.同步发电机过载能力强，而逆变电源中的电力电子器件的过载能力普遍较弱，一旦出现故障，逆变电源的抵抗能力相对脆弱。根据上文中分析，适用于微电网的逆变电源必须具备调功调频调压的功能，而目前微电网中的逆变电源大多采用下垂法，下垂法模拟了同步发电机的部分特性，却没有同步发电机输出阻抗大、惯量大等特点，不能完全满足微电网对于逆变电源的要求。本文借鉴电力系统中成熟的技术和经验，设计了基于同步发电机模型的微电网逆变电源—虚拟同步发电机，使逆变电源能够完全的模拟同步发电机的特性，实现自同步、大惯性、大阻抗等特点，满足微电网对逆变电源的要求，也使微电网在管理和调度方面能更好地借鉴吸收电力系统中的经验，促进了微电网的快速发展。虚拟同步发电机的设计原理

为了使逆变电源能够模拟同步发电机的输出特性，本文中将同步发电机的数学模型整合到逆变电源的控制算法之中，通过控制算法来改变逆变电源的输出特性。在调节同步发电机的输出过程中，是通过调节输入机械功率稳定输出频率和功率，通过改变励磁电流来调节输出电压，因此在虚拟同步发电机中，必须加入电压、功率、频率的闭环控制，使逆变电源更真实地模拟同步发电机的输出特性。图1为虚拟同步发电机的原理示意图，它展示了虚拟同步发电机的组成。图1虚拟同步发电机原理示意图虚拟同步发电机的模型分析

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，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(ωt)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1Cs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：双极性SPWM调制时,可以表示为：其中，占空比D根据SPWM调制可表示为：其中为参考正弦波信号，为三角载波峰值。由前式可得出：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比例环节，比例系数定义为KPWM

。结合前式可得：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：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，ω、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虚拟同步发电机的控制策略

虚拟同步发电机是加入了同步发电机算法的新型逆变电源，它不同于传统的逆变电源，在结构上也不完全等同于同步发电机，它集中了两者各自的特点，因此在其控制策略方面，需要整合普通逆变电源和同步发电机的控制方法。虚拟机的输出电压以及功率是最终要被利用的变量，必须保证输出变量的稳定性和变量的精度，因此在控制结构上，参照并网逆变器的双闭环控制策略，在逆变电源输出端取相应采样点，通过输出变量的反馈比较，达到控制输出稳定的目的。又因为考虑到虚拟同步发电机的设计初衷就是：使其输出特性与同步发电机的输出特性一致。从输入输出角度来看，虚拟同步发电机就是一个同步发电机，因此对于虚拟机的控制可宏观上参照同步发电机的控制方法，图6为同步发电机的系统控制图。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，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9Pf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Δf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