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基于虚拟同步机的微网逆变器并网技术研究

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第51卷第3期 2017年3月 电力电子技术 Power Electronics Vol_51.No.3 March 2017 基于虚拟同步机的微网逆变器并网技术研究 陈秉乾.庄圣贤 (西南交通大学,四川成都610031) 摘要:并网逆变器的有功和无功负荷如何分配是微电网要解决的关键技术问题。虚拟同步发电机(VSG)通过模 拟传统同步发电机的特性.从而实现并网逆变器的控制。其可根据电网电压和频率变化自动调节输出有功和 无功功率,无需系统监控协调。基于此特点,VSG并网技术正逐渐受到人们的关注。结合中国电力科学研究院 “VSG样机研制”项目,对VSG并网技术展开深入研究。 关键词:虚拟同步发电机;逆变器;数字控制 中图分类号:TM351 文献标识码:A 文章编号:1000—100X(2017)03—0039—04 Research on Grid Connected Inverter Based on Virtual Synchronous Generator CHEN Bing-qian,ZHUANG Sheng-xian (Southwest Jiao University,Chengdu 610031,China) Abstract:Active and reactive power allocation of each inverter is the key technology to solve the problem of micro grid.In order to realize the control of grid connected inverter,vitrual synchronous generator(VSG)is proposed by sim— ulation of the characteristics of the conventional synchronous generator,it can adjust the output active and reactive power without the need of coordination and monitoring systems,according to grid vohage and ̄equency changes auto— matically.Based on this characteristic,the VSG technology is gradually drawing people’S attention and research.In— depth research on VSG grid technology is carried out,which based on“VSG prototype research”project by chinese electric power I ̄seareh institute. Keywords:virtual synchronous generator;inverter;digital control 1 引 言 分布式发电设备和可再生能源发电设备由变 同步发电机的优点,既能实现并网/孤网的无缝切 换.又能在并网运行过程中实现蓄电池/电网之间 能量的双向流动。此外,VSG在并网运行时,还能 频交流电源、高频交流电源或直流电源组成,因此 它们需要DC/AC变换器即逆变器来连接公共电 网【”。美国能源协会提出的微电网.是由负荷和多 根据电网电压频率、幅值的变化自动调节有功、无 功功率的大小。从而满足电网和用户需求。 个微源组成的集合系统。具有并网和孤网两种工 作模式,是分布式发电领域应用十分广泛的分支。 微电网控制策略的研究是微电网的关键技术之 一2 VSG模型 三相四桥臂逆变拓扑优点为:①可抑制不平 衡负载或非线性负载对系统输出电压电能质量的 ,也是这里主要研究的内容。由于传统的同步发 电机具有良好的调压调频特性,还能实现调度运 行、负荷功率分配。因此,假如微电网逆变器能模 影响:②负载中性点相对于电源中性点电位差为 零,不会发生零点漂移;③可使直流侧输入电容容 量需求减小,节省系统体积。故这里采用三相四桥 臂逆变器结构作为VSG逆变器部分的拓扑.如图1 所示。图中 。,£ 均为对称三相滤波电感;C。,C2, 拟同步发电机的运行特性,那么它将像同步发电 机一样支撑大电网的正常运行,同时节约了同步 发电机所需的巨大空间和器件成本【2- 基于以上内容.这里研究设计了一款新型微 c3为滤波电容; , 为直流侧输入电压、电流; 为 的电流,iL=[i iLb ;iLn为中线电感电流; ic 比如 为注入到大电网的三相电流, =【 网逆变器——VSG。该发电机同时具有逆变器和 为滤波电容电压,Ud ̄c--[U Uc 定稿日期:2016—07—05 为逆变器输出 端电压,口abc=[e eb ec】 ; 为电网相电压, 出= 作者简介:陈秉乾(1990一),男,福建福州人,硕士研究生, 研究方向为光伏并网逆变器拓扑及控制。 [ M ro KM 为逆变器与大电网连接处开关; KM 为局部负载与大电网和VSG的连接开关。 39 第51卷第3期 2017年3月 电力电子技术 Power Electronics Vo1.51.No.3 March 2017 一 图1三相四桥臂逆变器拓扑结构 Fig.1 Three—phase four—leg inverter topological structure 根据图1,由基尔霍夫电压定律(KVL)可得: f ea-_ =Rsi ̄+L1di ̄/dt—L.di ̄/dt+u {eb-U =R.iLb+LldiJdt—L.di ̄/dt+ub (1) 【ec-un=Rsi +L1di ̄/dt—L.di ̄/dt+u。 根据基尔霍夫电流定律,逆变器广义节点电 流方程为: £a+ + +ito=0 (2) 对比三相四桥臂逆变器和同步电机的回路电 压方程式(1),(2),可见这二者的KVL方程很相 似。若逆变器的等效输出阻抗 =尺。+jwL ,直流侧 电流输入有功功率 等效为原动机提供的机械 能Pm。则图1对应的戴维南等效电路如图2t ~1。 图2逆变器的戴维南等效电路 Fig.2 The thevenin equivalent circuit of inverter 逆变器的戴维南等效电路与隐极式同步发电 机的等效电路非常相似,若将P 等效为同步电 机的激磁电动势,等效输出阻抗等效为同步电机 的同步电抗,再采用同步发电机的转子方程、磁链 方程及电磁暂态方程来设计控制模块,使逆变器 能模拟同步电机的一次调频、机械惯性和电磁暂 态特性,即将逆变器整定为VSG。 3虚拟同步机算法与软件设计 VSG算法基于同步发电机模型: J U--一Rsi-Lsdi/dt+e,e=尬 sin r [Jdto/dt=Tm--Te-D ̄o,To=(3/2)p聊 0s( — ) 与传统逆变器并网不同之处在于,VSG参与 并网后,其运行状态将根据电网电压幅值和频率 的变换而改变,从而调节有功和无功功率输出,即: P=(3/2)OMd ̄ioeos(O一 ),Q=(3/2)OMfifiosin(O-q ̄)(4) 传统逆变器并网策略通常均采用锁相环,而 该设计采用的VSG控制算法无需锁相环,因为其 本身作用与锁相环等效。其控制框图如图3【8. 。 40 图3 VSG控制框图 Fig.3 Contml block diagram of VSG 图中D。为VSG有功一频率下垂系数,其为所 需求转矩变化值与频率变化值之比。即: D =AT/Aw (5) 而VSG输出电磁转矩如下: =P/ 一D。(∞一 )一Jd( 一∞ )/dt (6) 综合式(5),(6)可知,改变D ,即可改变VSG 有功功率输出随电网频率波动而发生变化。 图3中的D。为无功一电压下垂系数。其定义 为无功功率变化值与电压变化值之比,即: D。=AQ./A (7) 在系统频率稳定时,系统输出无功功率如下: Q=Q 一D。(Uo-U) (8) 由式(7),(8)可知,改变D ,即可改变VSG无 功功率输出随电网电压幅值波动而发生变化。 综上所述,当系统的D ,D 最终确定时,即可 实现VSG系统输出有功、无功功率的调频、调压 特性。为实现此算法,采用TMS320F2812芯片进 行编程,其程序流程如图4所示。 模拟量采集和处玛 初始化状态位I蕈  冒匹 I lI/o采样和处理l I l等待状态ll定时器设置I 申 电流闭环+PI控制 I 豳 SVPWM算法实现 (a)主程序 (b)主循环 图4程序流程 Fig.4 Program flowchart 4电路参数设计 系统主要技术数据如下:蓄电池电压为700 V, 基于虚拟同步机的微网逆变器并网技术研究 电网电压有效值为400 V,IGBT开关频率为7 kHz, 并网后,能量能双向流动,最大功率为12 kW,电流 纹波小于5%,效率大于93%。 输出滤波器参数的确定:输出滤波器的作用 是对逆变器输出的PWM波形进行滤波.通过对 5O Hz变到49.9 Hz时,有功功率输出增加了40%, 无功功率输出不变:VSG频率能快速跟踪电网频 率,响应速度快。 50. N50. 士 50. N 50. 工 . 纹波电流、纹波电压的计算来确定滤波电感和滤 波电容参数。计算参照直流变换器的计算方法。 5 49. 49. 5 49. 49 、 — — y 首先对三相中的一相进行计算.其单相等效 0 0.5 l 1.5 2 2.5 3 3.5 4 电路如图5所示。 图5单相等效电路图 Fig.5 Equivalent circuit of single phase 设输出全部为有功功率。三相总功率为12 kW, 每相为4 kW/220 V,则每相的等效负载为电阻。 阻值为18.2 Q。1个周期内,电感上的纹波电流可 由式(9)计算得到: AI=(【,dc— 。)dTIL (9) 式中:u。为输出电压。 假定 。与调制电压完全一致,则: uo=dU, ̄一(1-d) =(2d-1) (10) △,=2(1一d)d /L (11) 由式(10),(11)知纹波电流最大值发生在 = 0.5处,此时: △,= dc/( ) (12) 负载电流有效值为18.2 A,假如允许的纹波电 流为2 A 7 kHz,U ̄=350 V,则计算得L=12.5 mH; 假如允许的纹波电流为4 A,则L=6.25 mH。 滤波电容设计中纹波电压由式(13)确定: AU= 1 J =吉・吉 (13) 计算可得C=25 txF 5 仿 真 为验证VSG算法的可行性.利用Matlab/ Simulink工具,根据图1搭建仿真模型进行验证。 得到的仿真结果分别如图6,7所示。电网电压幅 值为额定值,频率从额定频率变化±O.2%。仿真结 果:系统频率升高0.2%的仿真结果如图6a.C所 示,电网频率从50 Hz变到50.1 Hz时有功功率输 出减少了40%,无功功率输出不变;系统频率降 低0.2%的仿真结果如图6b,d所示,电网频率从 ,/s (b)电网频率减小O.1 Hz 0 0 5 l 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 t tJs (c) ̄q6a对应的有功、无功功率 (d)L ̄6b对应的有功、无功功率 图6有功一频率特性仿真波形 Fig.6 Simulation waveforms of frequency drooping characteristics  ~-,- I t/s (a)电网电压增加1O% I… ’ } ; r —一 , I/S tls (c) ̄7a;6J应的有功、无功功率 (d)图7b对应的有功、无功功率 图7无功.电压特性仿真波形 Fig.7 Simulation waveforms of voltage drooping characteristics 电网侧频率为50 Hz,电网电压幅值从额定值 突变±10%。仿真结果分析:图7a,c为电压升高10% 的仿真结果。电网电压升高10%以后。系统输出电 压快速跟随电网电压变化.调节无功功率输出.稳 定后系统无功功率输出减小为零.即电压升高 10%,无功输出降低为零,而有功功率输出不变; 图7b,d为电压降低10%的仿真结果,在电网电压 下降10%以后,系统无功功率输出增加了一倍。 6 实 验 研制了一台直流700 V,交流400 V,9 kW的 样机,系统结构如图8所示。根据前面的分析和设 计,再结合工程实际,最终确定电感值为3 mH,电 容值为20 F。主电路元件参数:开关器件1 200 V/ 75 A,逆变器滤波电感(含中线电感)3 mH/20 A,逆 41 第51卷第3期 2017年3月 电力电子技术 Power Electronics V01.51.No.3 March 20l7 变器交流滤波电容20 ̄F/250 V,直流母线电容 1.1 mF/900 V,蓄电池为48x12 V/33 Ah,隔离变 压器12.5 kVA,线电压380 V/380 V。根据以上参 数搭建实验平台,进行并网实验.得到的实验结果 如图9。图9a,b分别为并网前后逆变器和电网电 压Ui, 波形。并网实验条件:直流母线电压700V, 逆变器输出相电压有效值228 V,频率50 Hz。电网相 电压230 V,频率50 Hz。 蓄电池H B H逆变器H滤波器 驱动脉冲 ll 驱动脉冲ll VsG算法 sG算法 l !::::!竺!!兰 I 图8系统结构框图 Fig.8 System structure block diagram 八 j 一, A,tt;、 … J 、 。l … 』 、“ -  :t/(5 ms/格1 fb)并嗣后 后电网电压波形 Fig.9 Net voltage waveforms be ̄re and after grid connection 一 v'i 垂 酬 寻 r—————————————■__1 r—— —————————・——__1 i 詈 薹E 蓁 0 :1 THD=3% 实验结果论证了三维空间矢量调制逆变器并 网的可行性。且并网后电流谐波含量较小.功率达 到了9 kW。由于受线路电感影响。虽然实验中给 定的全是有功功率,最终注入电网的仍含有一定 无功分量。由于滤波电感为3 mH,小于计算值 6.25 mH(由于受成本、大小制约,电感所选磁芯的 窗口面积最大只能做到3 mH),实际实验中测得 电流谐波略大于5%。测量得输入功率为9.61 kW, 输出功率为8.96 kW,计算得效率约为93.2%。 7 结 论 实现了基于TMS320F2812三维空间矢量调制 的逆变器并网实验,有效利用DSP解决了并网逆 变器的数字控制算法问题。主要结论如下:①分析 了三维空间矢量调制的工作原理和硬件设计方 法;②介绍了数字控制的原理框图和程序流程图; ③通过样机的设计和测试,验证了数字控制的可 行性和有效性。 参考文献 [1】 中国可再生能源学会风能专业委员会.2009年中国风 电装机容量统计[J】.风能,2010,13(1):28—33. 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