[发明专利]储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统及其设计方法

权利要求书

1.一种储能逆变器虚拟励磁闭环控制系统的设计方法，该系统包括虚拟励磁控制器(1)、储能充放电控制单元(2)、并网逆变单元(3)、交流电压互感器(4)、交流电流传感器(5)、直流电压传感器(6)，所述的虚拟励磁控制器(1)的充放电控制端与所述的储能充放电控制单元(2)相应的控制端相连，所述的虚拟励磁控制器的并网逆变控制端与所述的并网逆变单元(3)相应的控制端相连，所述的虚拟励磁控制器(1)的交流电压输入端与所述交流电压互感器(4)的输出端相连，所述的虚拟励磁控制器(1)的交流电流输入端与所述交流电流传感器(5)的输出端相连，所述的虚拟励磁控制器(1)的直流电压输入端与所述直流电压传感器(6)的输出端相连；所述的储能充放电控制单元(2)的直流输入端与储能输出端相连；所述的并网逆变单元(3)的直流母线端与所述储能充放电控制单元(2)的直流输出端相连，所述的并网逆变单元(3)的交流输出端连接微电网交流母线，微电网通过快速开关与交流电网公共点相连；所述的交流电压互感器(4)的输入端与微电网交流母线相连；所述的交流电流传感器(5)的输入端串联接于所述并网逆变单元(3)的交流输出端；所述的直流电压传感器(6)的输入端与所述储能充放电控制单元(2)的直流输出端相连，该方法包括以下步骤：

1)建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的数学模型；

2)定义具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的系统平衡点；

3)直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计；

其特征在于,所述的建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的数学模型，包括：

1)采用与同步机转子运动方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中，δ为逆变器虚拟功角，表示无穷大母线电压与逆变器出口电压之间的夹角；ω_r为虚拟转子角速度与同步角速度的偏差；ω_s＝2πf为同步角速度；P_set为虚拟同步控制下逆变器的参考功率指令，对应于传统同步机的机械功率P_m；P_e为逆变器输出电磁功率；

2)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：

式中，K′_d是励磁绕组的时间常数；V_set为对应于系统稳态运行时的给定励磁电压；u_f为对应于励磁电压的调节量；V_q是逆变器出口电压，对应于虚拟同步发电机空载感应电动势；V′_q是q轴暂态电势，根据定义V_q与V′_q存在关系为：

V_q＝V′_q+(x_vir-x′_vir)I_d (3)

其中，x_vir表示虚拟定子电抗，用虚拟阻抗方法进行模拟；x′_vir表示虚拟暂态同步电抗，同样用虚拟阻抗方法模拟；I_d为母线电流d轴分量，表示为：

其中，U为无穷大电网的母线电压，看作常数，x′_d∑＝x′_vir+x_l表示为虚拟暂态同步电抗与线路电抗之和，x_l为线路电抗；

3)建立虚拟同步发电机电磁功率方程为：

P_e＝U_dI_d+U_qI_q (5)

其中，U_d、U_q，I_d、I_q分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量；

4)根据虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程式(2)，将式(3)代入式(4)，得到V_q与V′_q之间的如下关系成立：

5)已知电动势、电压和电流的关系为：

6)根据虚拟同步发电机电磁功率方程式(5)，得到虚拟同步发电机有功功率表达式：将式(7)代入式(5)得到虚拟同步发电机送入无穷大电网的有功功率表达式为：

7)根据虚拟同步发电机转子运动方程式(1)和励磁绕组电磁动态方程式(2)，最终建立具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型为：

所述的定义具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网的系统平衡点，包括下列步骤：

1)将具有励磁控制的虚拟同步发电机连接无穷大电网数学模型式(9)简写为：

其中，u＝V_set+u_f

2)根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统的平衡点是指满足f(x)≡0的点，定义系统式(10)的状态变量为δ，ω_r，V′_q，并且其平衡点用(δ_s,ω_rs,V′_qs)表示，根据该定义，系统式(10)的平衡点应满足如下条件：

当给定逆变器预设功率P_set和虚拟励磁电压V_set时，通过求解式(11)非线性代数方程得到系统平衡点；

所述直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计，具体包括：

1)考虑化简后的数学模型式(10)中的子系统(δ,ω_r)，并将暂态电势V′_q表示为V′_q＝V′_qs+ΔV′_q，则ΔV′_q＝V′_q-V′_qs，子系统(δ,ω_r)可写为：

其中，P_e0＝a₁V′_qssinδ-a₂sin2δ；

2)将ΔV′_q看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节逆变器虚拟励磁使q轴暂态电势的变化ΔV′_q满足a₁ΔV′_qsinδ＝M·k_Dω_r，由于存在调节误差，定义调节误差为：

e＝M·k_Dω_r-a₁ΔV′_qsinδ (13)

其中，k_D为自定义变量且k_D＞0，Mk_D为理想补偿逆变器虚拟阻尼系数，由此可得：

定义构造李雅普诺夫函数为：

对上式求导得到：

选取控制律r为：

r＝-ω_sω_r-k_ee (17)

其中，k_e为自定义变量且大于零，则满足

由此，得到直接改善虚拟同步发电机阻尼系数的励磁控制律u为：

3)设逆变器调制波电压幅值为E，逆变器调制波电压幅值与逆变器出口电压幅值存在关系：

V_q＝V_dc·E， (20)

其中，V_dc为直流侧电压估计值，将控制律u代入式(2)、式(3)，通过递归计算得逆变器出口电压参考值V_q，进而得到逆变器调制波电压幅值E，结合虚拟同步发电机转子运动方程得到的虚拟功角δ，即可得到调制波信号为E∠δ，三相调制波信号表达式为：

4)将三相调制波信号与载波信号作比较，用于控制逆变器的开关工作。