基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机

摘要

本发明公开了一种基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机。其主要结构为原动机、逆变器、输出滤波器、负载。相较于传统虚拟同步发电机所使用的两电平逆变器结构，本发明使用三电平NPC逆变器，该结构可解决电力电子开关耐压不够高的问题，同时具备输出谐波较低的优点。在传统的下垂控制和PI控制的基础上增加模糊控制器，在负载投切的工况下对系统角速度超调有很好抑制效果的同时，并没有延长系统角速度到达稳态的时间。并且模糊控制器结构简单，不需要搭建数学模型，相对于其他的控制方式，减小了工作量。同时模糊控制器的引入并未改变系统原有结构参数，不会影响系统稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及到电力电子交直流变换器、电机学以及自动控制原理技术领域，具体以涉及到一种基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机。

背景技术

微网逆变器的电力电子接口不具备类似同步发电机的大转动惯量及调频调压特性，给电网的稳定运行带来了不利影响。为解决这类问题，学者经过研究提出了虚拟同步发电机，简称VSG(virtual synchronous generator)，以传统同步发电机的数学模型为核心，使逆变器具备转动惯量、有功调频以及无功调压的特性。VSG使新能源发电能够以类似同步同步发电机的方式接入电网，提高了电网对新能源的接纳能力，因此，在以新能源的大量接入为特点的新一代电网中，VSG技术有广阔的应用前景。

而如何降低VSG因负载切换所造成的频率震荡，便成为影响VSG输出功频特性以及整体抗干扰性能的关键因素。目前，常见的解决方法为在有功调频环节增加PI控制器，但此类方法容易造成系统的不稳定或者延长系统达到稳态的时间。

同时，传统虚拟同步发电机一般采取的都是两电平逆变器，其容易出现开关器件耐压值不足，影响系统可靠性。而三电平逆变器由于不会出现两电平逆变器两个开关元件同时导通同时关断的问题，对器件动态性能要求低，器件受到的电压应力小，系统可靠性有所提高。

发明内容

为解决传统虚拟同步发电机抗干扰能力差的问题，本发明在传统VSG基础上加装了模糊控制器，该模糊控制器以模糊控制理论为基础，将系统角速度偏差量E(系统实际角速度减去系统额定角速度的值)以及系统角速度的微分dE作为模糊控制器的输入值，输出功率补偿值P

此控制方式本质上就是对系统惯性功率进行调节控制以达到近似于直接直接调节转动惯量的效果，相比于直接调节其转动惯量的大小，此控制方法未直接影响系统原有的结构参数，稳定性更强；

并且受系统的结构参数以及控制方式影响，其转动惯量变化所引起的角频率以及有功功率的变化是没有固定关系的，所以若直接作用于改变其转动惯量的大小就很难确保得到稳定的控制效果。而使用此基于模糊控制的辅助惯性功率调节方式，可根据功率的最大波动值，设置其输出的比例因子大小，以此直接作用于惯性功率，此控制方式直观且效果明显，相对于直接作用于转动惯量的控制方式，因此并不影响系统的原有参数，因此有更强的抗干扰性。

本发明相对于传统VSG，采取了NPC三电平逆变器，相对于两电平逆变器，其具有诸多优点：

1、首先其可以很好的解决电力电子器件耐压不够高的问题。

2、三电平逆变器输出的负载相电压为9个电平，相对与两电平拓扑输出5个电平，各级电平间的幅值变化降低，低的电压变化率对外围电路的干扰小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小很多。

3、由于三电平逆变器输出为三电平阶梯波，形状更接近正弦，在同样的开关频率下，谐波比两电平要低得多，这正适应高压大容量逆变器由于开关损耗及器件性能的问题开关频率不能太高的要求。

综上，采用NPC三电平逆变器可以使得虚拟同步发电机在多方面提升工作性能。

附图说明

图1为基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机的拓扑结构图。

图2为NPC三电平逆变器拓扑结构图。

图3为基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机有功调频控制框图。

图4为基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机无功调压控制框图。

图5为基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机模糊控制框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

基于模糊控制的三电平NPC逆变器结构虚拟同步发电机的主拓扑结构如图1所示，采用两组直流电源进行供电，三电平NPC逆变器将直流电转化为三相交流电，L

控制方面，其总体能量评估主要包括负荷预测，能源预测，发电计划，交换计划四个方面；

由能量管理层发出信号决定P

P

本专利采用电压源型VSG的建模方式，其核心在于将同步发电机的转子运动方程数学模型嵌入到逆变器的控制算法，使逆变器具有同步发电机的惯性和阻尼特性。转子运动方程的公式如式(3)所示。

该式也表达了虚拟同步机的有功调频过程，其控制框图可见图3。

虚拟励磁部分是对同步发电机的无功调压特性的等效模拟，因为这一部分并未涉及对同步发电机的内部特性的等效，所以其控制策略和传统的下垂控制的无功部分十分相似，其虚拟励磁控制部分的电压关系表达式如式(4)所示。

U

由图4可见虚拟励磁控制部分其实就是等同于无功调压的过程，由给定无功功率Q

惯性功率的表达式如式(5)所示，ω

基于以上原理，加入模糊控制器，以角速度偏差量和角速度偏差量的微分为输入，输出惯性功率的补偿值。其中输入输出分别划分为五个不同的等级，分别为NL(负大)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PL(正大)。其控制作用可简要概括为：当负载波动引起频率发生偏移的过程中，随着偏移量的增加，输出惯性功率补偿值，达到等同于增大J值的控制效果，降低逆变器输出电压频率瞬时变化对微网电能质量的影响。在频率恢复过程中，应使得辅助惯性功率的变化规律等效于降低转动惯量，即可保证频率的迅速恢复。基于辅助惯性功率的模糊控制框图可见图5，惯性功率调节的模糊控制规律可见表1，惯性功率调节的模糊规则可见表2。

表1

表2

表中Δω为系统实际角速度减去系统额定角速度，P

模糊控制器的设计可见图5，具体包含：模糊化、模糊推理、反模糊化。接下来分别予以说明。模糊化：利用量化因子将频率偏差和频率变化率这两个输入变量做归一化处理，K