基于内模控制的逆变器并离网无缝切换策略研究_曹坤.pdf

电 子 测 量 技 术E L E C T RON I CME A S U R EME N TT E CHNO L O G Y第4 5卷 第2 3期2 0 2 2年1 2月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 0 9 9 2 3基于内模控制的逆变器并离网无缝切换策略研究曹 坤 艾永乐 李港星(河南理工大学电气工程与自动化学院 焦作 4 5 4 0 0 3)摘 要:针对逆变器在并离网切换过程中存在电压畸变、冲击电流等问题,提出了一种基于虚拟同步发电机(V S G)控制和电压电流内模控制(I MC)的并离网无缝切换控制策略。首先,建立了逆变器整体控制结构以及数学模型。其次,设计了基于内模控制的电压电流双环控制结构,并对内模控制器进行参数整定。再次,采用基于电压幅值和相位的预同步控制方法使逆变器能在两种运行模式之间平滑切换,切换瞬间电压电流波形稳定,能实现平滑过渡。最后,通过M a t l a b/S i m u l i n k仿真验证了所提出控制策略的有效性。关键词:内模控制;虚拟同步发电机;无缝切换;预同步中图分类号:TM 4 6 4 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:4 7 0.4 0R e s e a r c h o n s e a m l e s s s w i t c h i n g s t r a t e g y o f i n v e r t e r b e t w e e e n g r i d-c o n n e c t e d a n d o f f-g r i d b a s e d o n i n t e r n a l m o d e l c o n t r o lC a o K u n A i Y o n g l e L i G a n g x i n g(S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n,H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,J i a o z u o 4 5 4 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h i s p a p e r p r e s e n t s a s e a m l e s s s w i t c h i n g c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n v i r t u a l s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r(V S G)c o n t r o l a n d v o l t a g e a n d c u r r e n t i n t e r n a l m o d e l c o n t r o l(I MC)f o r v o l t a g e d i s t o r t i o n a n d i m p u l s e c u r r e n t i n t h e s w i t c h i n g p r o c e s s b e t w e e e n g r i d-c o n n e c t e d a n d o f f-g r i d o f t h e I n v e r t e r.F i r s t l y,t h e c o n t r o l s t r u c t u r e a n d m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e i n v e r t e r a r e e s t a b l i s h e d.S e c o n d l y,t h e c o n t r o l s t r u c t u r e w i t h v o l t a g e a n d c u r r e n t d o u b l e-l o o p b a s e d o n I MC i s d e s i g n e d a n d t h e p a r a m e t e r s o f i n t e r n a l m o d e l c o n t r o l l e r a r e a d j u s t e d.T h i r d l y,t h e p r e-s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l m e t h o d b a s e d o n a m p l i t u d e a n d p h a s e o f t h e v o l t a g e i s a d o p t e d t o e n a b l e t h e i n v e r t e r t o s w i t c h s m o o t h l y b e t w e e n t h e t w o m o d e l s,a n d t h e t r a n s i e n t v o l t a g e a n d c u r r e n t o f s w i t c h i n g i s s t a b l e,w h i c h r e a l i z e s t h e s m o o t h t r a n s i t i o n.F i n a l l y,t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d c o n t r o l s t r a t e g y i s v e r i f i e d b y t h e M a t l a b/S i m u l i n k s i m u l a t i o n.K e y w o r d s:i n t e r n a l m o d e l c o n t r o l;v i r t u a l s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r;s e a m l e s s s w i t c h i n g;p r e-s y n c h r o n i z a t i o n 收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 20 引 言 由于环境污染和资源匮乏问题的愈发严重,近年来由分布式能源组成的微电网受到了很多关注,并且得到了大量应用1-2。微电网可以运行在并网和离网两种不同的模式,有时由于环境的改变或条件限制需进行模式切换,而如何在并离网模式之间进行平滑切换是研究的热点与 难点3-4。微电网在模式切换时,会造成逆变器输出电压波动,并产生电流冲击,影响电能质量甚至损坏电气设备,因此要设计有效的控制策略来保证能够平滑切换5-6。要完成微电网的无缝切换从根本上是实现对逆变器的控制,许多学者对无缝切换控制策略进行了研究。文献7对比了基于P Q/V S G控制和下垂控制模式切换的效果,尽管P Q/V S G控制策略的切换效果更好,但电流波动仍然较大。文献8 在P Q/V S G控制切换的基础上,改进了电流内环控制器,可以很好的抑制电压电流波动,实现平滑过渡,但控制结构复杂且不易实现。文献9 改进了V S G的有功和无功控制结构,通过加入延迟环节和跟踪模块,避免了积分环节输出突变,从而实现了并离网运行模式的无缝切换。除了传统的逆变器控制方法,有学者提出将内模控制应用到逆变器控制中,取得了一些成果。文献1 0 采用的内模控制器只有一个参量变化需要调节,解决了P I控制器参数难以调节的问题,并且电流跟随良好,但是在跟随性与抗干扰性之间难以权衡。文献1 1 设计了电压环滑模控制器与电流环内模控制器,使系统运行稳定,电压电流信号准确跟踪,但是模型设计过于理想,没有考虑系统延迟带来的影响。文献1 2 提出了基于二自由度内模控制的内环控制策略,相比于一自由度内模控制兼顾了跟随性和抗干扰91 第4 5卷电 子 测 量 技 术性,保证了并网电流质量,但并没有考虑并离网切换的问题。文献1 3 采用了固定的下垂控制和基于内模控制的电压控制,减小了模式切换造成的扰动,能够进行并网到离网的无缝切换,但是离网到并网时电流发生瞬变,波动较大,并不能做到平滑过渡。本文采用基于虚拟同步发电机固定控制结构与电压电流内模控制相结合的并离网无缝切换策略。首先,建立作为功率外环的V S G控制结构,并在逆变器数学模型的基础上设计了基于内模控制的电压电流双环控制结构,该结构设计简单,参数易于调节。其次,为了实现并离网无缝切换的控制目标,提出了基于电压幅值和相位同步的预同步控制方法,使切换瞬间电压和电流波形平稳。最后,利用M a t l a b/S i m u l i n k进行仿真验证了所提出控制策略的有效性。1 三相逆变器数学模型和控制策略1.1 逆变器数学模型 逆变器控制结构如图1所示。在图1中,Ud c为模拟的新能源发电的直流侧电压,ua b c为逆变桥输出电压,uo a b c为逆变器输出三相电压,io a b c为逆变器输出三相电流,iL a b c为电感电流;R、L和C分别为滤波电感内阻、电感和电容,Lg为电网侧电感,ug a b c为电网电压。图1 逆变器控制结构由基尔霍夫电压电流定律,可得d q坐标系下逆变器的数学模型为:LdiL ddt=ud-uo d-R iL d-L iL qLdiL qdt=uq-uo q-R iL q+L iL d (1)Cduo ddt=iL d-io d-C uo qCduo qdt=iL d-io d+C uo d (2)式(1)的另外一种表示形式如式(3)所示。LdiL d qdt=ud q-uo d q-R iL d q+j L iL d q(3)式(3)中:ud q=ud+j uq,uo d q=uo d+j uo q和iL d q=iL d+j iL q均为复变量。式(2)的另外一种表示形式如式(4)所示。Cduo d qdt=iL d q-io d q+j C uo d q(4)式(4)中:uo d q=uo d+j uo q,iL d q=iL d+j iL q和io d q=io d+j io q均为复变量。式(3)和(4)均为复系数微分方程。1.2 虚拟同步发电机控制 V S G控制的核心思想是:引入虚拟惯量和阻尼,使逆变器具有同步发电机的外特性,为系统提供电压和频率支撑。V S G的有功-频率控制方程为:Jddt=Tm-Te-D(-n)=Pm-P-D(-n)ddt=(5)式中:J为转动惯量;D为阻尼系数;Tm、Te为机械和电磁转矩;Pm为机械功率;P为电磁功率;为实际角速度;n为额定角速度;为功角。V S G的调速器方程为:Pm=Pr e f+KP(-n)(6)V S G的无功-电压控制方程为:U=Un+KqsQr e f-Q+Ku(Un-U0)(7)式(7)中,Pr e f、Qr e f为有功、无功功率给定值,Q为实际无功功率;Un为额定电压,U0为实际电压;Kp、Ku为下垂系数,Kq为积分系数。V S G功率控制框图如图2所示。图2 V S G功率控制框图1.3 内模控制 内模控制的最大优点是在控制对象未知的情况下,通过调节内模控制器的参数来达到精确控制。内模控制器的设计分为两步:第1步对被控对象建模并求逆;第2步设计低通滤波器及调整参数。因此内模控制器的表达式为:Gc(s)=Gn(s)-1L(s)=G-1n(s)(s+1)n(8)式中:Gn(s)内部模型,Gc(s)为内模控制器,L(s)为低通滤波器,其中n取值不低于模型相对阶数,为滤 波时间常数。内模控制可等效为图3所示形式。图3中,K(s)为反馈控制器,表达式为:K(s)=Gc(s)1-Gc(s)Gn(s)(9)02 曹 坤 等:基于内模控制的逆变器并离网无缝切换策略研究第2 3期图3 内模控制等效反馈控制框图1