一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法

摘要

本发明公开了一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，所述虚拟振荡器包括振荡电容，与振荡电容并联连接的电感、电阻、非线性电流源和受控电流源，所述虚拟振荡器改进方法主要包括以下步骤：步骤1：根据逆变器的并网要求，确定虚拟振荡器的振荡电容C、电感L、电阻R、电流增益Ki及电压增益Kv；步骤2：设计虚拟振荡器的非线性电流源，以减少虚拟振荡器输出电压中三次谐波。基于上述技术方案，本发明提出的一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，能够有效解决传统虚拟振荡器中存在丰富的三次谐波问题，而又不影响其下垂特性，提高了并网电流的质量，优化了并网逆变器的运行效果。

说明书

技术领域：

本发明属于微网控制领域，具体涉及一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法。

背景技术：

近年来，分布式发电与风能、太阳能等可再生能源受到了广泛关注。分布式发电装置在改善电能质量和减少电力系统的传输损耗方面起着重要作用。大多数分布式发电装置都需要DC/AC逆变器(电压源逆变器)，通过公共耦合点(PCC)将它们连接到电网。在并网控制中，电压源逆变器的控制对象是逆变器的输出电压，而不是注入电网的电流。微电网通常包含并联连接的多个DC/AC逆变器。因此，整个DC/AC逆变器系统必须提供并维持微电网的电压和频率。

下垂控制是一种适用于交流微电网中的电压源并网逆变器的经典控制方法。下垂控制的目标是模拟虚拟同步机的下垂外特性，通过允许偏离标称电压和频率来实现功率平衡。在电阻性网络中，有功功率与电压幅度密切相关，而无功功率与相角相关。

虚拟振荡器控制是一种新兴的电压源逆变器控制技术，可以模拟极限环振荡器的动态特性，例如Van der Pol振荡器。虚拟振荡器的非线性动态特性固有地嵌入了下垂外特性。同时，虚拟振荡器对瞬时电流做出反应，而无需其他滤波器或功率计算，具有快速的瞬态响应特性。虚拟振荡器的另一个显着特点是，与下垂控制不同，虚拟振荡器不需要额外的电压和电流跟踪环路，从而简化了控制器结构。

尽管现有的虚拟振荡器表现出非常好的动态响应，但虚拟振荡器的输出电压始终包含丰富的三次谐波，在并网模式下会导致入网电流中产生相当大的三次谐波电流，严重影响逆变器并网运行效果，所以现有的虚拟振荡器的应用仍然受到限制。

发明内容：

有鉴于此，本发明的目的就是要解决三相并网逆变器中传统的虚拟振荡器输出电压中存在丰富的三次谐波的问题，提高并网电流的质量，优化逆变器并网运行效果。

本发明的思路是：首先根据逆变器的并网要求，确定虚拟振荡器的参数，然后分析传统虚拟振荡器输出电压中三次谐波存在的原因，根据逆变器的谐波和响应速度要求，对虚拟振荡器的电流源进行改进。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，所述虚拟振荡器包括振荡电容，与振荡电容并联连接的电感、电阻、非线性电流源和受控电流源，所述虚拟振荡器改进方法主要包括以下步骤：

步骤1：根据逆变器的并网要求，确定虚拟振荡器的振荡电容C、电感L、电阻R、电流增益K

所述振荡电容C、电感L、电流增益K

其中，ω

步骤2：设计虚拟振荡器的非线性电流源，以减少虚拟振荡器输出电压中三次谐波；

将电网侧电流i

所述虚拟振荡器的动态响应由如下公式确定：

传统虚拟振荡器中非线性电流源由如下公式确定：

其中cos

因此，可以对公式(5)确定的非线性电流源进行化简改进，得到改进的虚拟振荡器的非线性电流源由如下公式确定：

所述虚拟振荡器输出电压v(t)由如下公式确定：

联合公式(1)，(2)求解，得到电压幅值V

优选地，为了满足逆变器性能要求，所述振荡器电容C的选取范围为0.1759F≤C≤0.2031F。

基于上述技术方案，本发明提出的一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，能够有效解决传统虚拟振荡器中存在丰富的三次谐波问题，而又不影响其下垂特性，提高了并网电流的质量，优化了并网逆变器的运行效果。

附图说明

图1是本发明虚拟振荡器控制的三相并网逆变器的电路拓扑结构图；

图2是传统虚拟振荡器电路原理图；

图3是本发明虚拟振荡器电路原理图；

图4(a)是传统虚拟振荡器输出电压的FFT频谱图；

图4(b)是传统虚拟振荡器入网电流的FFT频谱图；

图5(a)是本发明虚拟振荡器输出电压的FFT频谱图；

图5(b)是本发明虚拟振荡器入网电流的FFT频谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，图1为本发明虚拟振荡器控制的三相并网逆变器的电路拓扑图，图2是传统虚拟振荡器电路原理图，图3是本发明虚拟振荡器电路原理图。

一种应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，所述虚拟振荡器包括振荡电容，与振荡电容并联连接的电感、电阻、非线性电流源和受控电流源，所述虚拟振荡器改进方法，主要包括以下步骤：

步骤1：根据逆变器的并网及性能要求，选取合适的虚拟振荡器的振荡电容C、电感L、电阻R、电流增益K

应中国电力工业部要求，电网电压基频为50Hz，选取振荡器电容C，振荡器电感L的具体公式如下所示：

其中，ω

为了满足逆变器性能要求，振荡器电容的选取范围为：0.1759F≤C≤0.2031F。

电流增益K

应中国电力工业部要求，逆变器允许通过电压的偏移值不超过标称电压的5％，即V

其中，P

步骤2：分析传统虚拟振荡器输出电压中三次谐波存在的原因，根据逆变器的谐波和响应速度要求，对虚拟振荡器的电流源进行改进，以减少虚拟振荡器输出电压中三次谐波；

将电网侧电流i

虚拟振荡器的动态响应按照如下公式确定：

因此，虚拟振荡器的输出电压v(t)与非线性电流源i

传统虚拟振荡器中非线性电流源如下公式确定：

通过三角函数的化简，发现cos

因此，在改进的非线性电流源中，将cos

将公式(17)代入公式(13)，(14)得到：

通过多尺度和扰动分析方法(multiple scales and perturbation methods)可以近似求解振荡器输出电压中各次谐波含量。将公式(18)转换在

其中ε→0。

将上述方程的近似解分解为两个时间尺度上的分量之和：

v(τ)＝v(τ

其中τ

将公式(20)代入公式(19)得

为了使等式成立，括号中的部分都必须为0。

从(22)和(23)中可以看出，本发明的虚拟振荡器在两个时间尺度上都不存在三次谐波项。传统虚拟振荡器低时间尺度分量v

从公式(23)和公式(24)可以看出，通过替换振荡器的非线性电流源，本发明的虚拟振荡器中较低时间尺度v

虚拟振荡器之所以能应用于并网逆变器中，是因为虚拟振荡器的非线性动态特性可以模拟类似下垂的行为，从而实现负载的功率分配。因此本发明的虚拟振荡器必须存在类似下垂特性。

将公式(8)代入公式(3)可以得到公式(25)：

根据公式(25)，可以推导出公式(26),

将公式(26)代入公式(13)和(14)可以得到电压V

求解公式(27)和(28)，可以得到电压幅值V

当P＝0时，V

即公式(29)可以写成类似下垂特性曲线：

V

同理公式(30)也可以写成类似的下垂特性曲线：

ω＝ω

其中m

在仿真实验中，通过比较控制策略来凸显本发明中所提出的控制方法的优越性，本发明分别采用以下两种方法进行对比，即：

方法一：基于传统虚拟振荡器控制的LCL并网逆变器；

方法二：本发明提出的控制方法。

本实验通过一台三相3kW的LCL并网逆变器系统，通过对比控制方法进行仿真实验验证本发明所提出方法的有效性和优越性；

请参阅图1-3，图1为虚拟振荡器控制的三相并网逆变器的电路原理图，图2是传统虚拟振荡器电路原理图，图3是本发明虚拟振荡器电路原理图。

其中L

表1

虚拟振荡器参数

表2

逆变器器参数

当采用方法一时，传统虚拟振荡器输出电压的FFT频谱如图4(a)所示。可以看出，传统虚拟振荡器的输出电压具有不期望的三次谐波分量。在并网模式下，振荡器输出电压中的三次谐波电压会在并网侧电流中产生更大的三次谐波电流。入网电流的FFT频谱如图4(b)所示，入网电流中的三次谐波接近4％，严重降低了电网的电能质量。

当采用方法二时，逆变器由本发明提供的虚拟振荡器控制，本发明提供的虚拟振荡器输出电压的FFT频谱如图5(a)所示，可以看出，通过本发明的虚拟振荡器输出电压中的三次谐波分量大大降低。在并网运行中，入网电流的FFT频谱如图5(b)所示。通过使用本发明的虚拟振荡器，入网电流中的三次谐波分量从4％降低到0.2％，这极大地改善了电网注入电流的波形，有利于DC/AC逆变器连接到电网。

根据以上两种方法的对比可以看出，本发明所提供的应用于三相并网逆变器的虚拟振荡器改进方法，能够有效解决传统虚拟振荡器输出电压中存在丰富的三次谐波的问题，提高并网电流的质量，优化逆变器并网运行效果。