本發明涉及一種基于電網電壓鎖相及虛擬同步機控制策略的逆變器控制裝置，還涉及一種基于電網電壓鎖相及虛擬同步機控制策略的逆變器控制方法，屬于三相逆變器控制技術領域。

背景技術：

隨著全球范圍內的能源危機和環境問題的日益突出，分布式發電技術與微電網技術得到越來越多的關注，作為分布式資源與配電網(微電網)的紐帶，并網逆變器的功能被深入挖掘并肯定了其有益的作用。但仍無法忽視常規控制策略本身給配電網和微電網安全穩定運行帶來的挑戰。尤其是常規并網逆變器響應速度快、難以參與電網調節，無法為含分布式電源的主動配電網提供必要的電壓和頻率支撐，更無法為穩定性相對較差的微電網提供必要的阻尼作用，缺乏一種與配電網及微電網有效的“同步”的機制。

在這種背景下，一種基于虛擬同步機控制策略的并網逆變器控制方案應運而生。在這種控制方案下，常規并網逆變器可呈現與同步發電機相類似的輸出外特性，即：自主參與電網調頻/調壓、提供虛擬慣量、增強電網系統阻尼、更好的實現分布式電源的對等并聯。

然而，發明人經研究發現基于虛擬同步機控制策略下的逆變器(虛擬同步機)實現離網到并網工作模式切換時，通常需要同時檢測逆變器機端輸出電壓和電網電壓，并通過一個類似于傳統同步發電機并網前的預同步(并網同期)環節實現并網，整個并網過程比較復雜。而傳統基于電網電壓鎖相的并網逆變器控制方案僅檢測電網電壓即可實現逆變器并網，因此，研究一種基于電網電壓鎖相及虛擬同步機控制方案的逆變器并網實現方法，由基于電網電壓鎖相的傳統并網逆變器控制方案與虛擬同步機控制方案的控制模式切換，省卻了虛擬同步機控制方案下的逆變器由離網到并網過程中的預同步控制(并網同期)環節以及相應的機端電壓檢測點，為應用于分布式發電與微電網領域的逆變器控制方案提供重要的技術基礎，對于促進分布式發電與微電網應用推廣，具有重要的理論意義和實用價值。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供了一種基于電網電壓鎖相及虛擬同步機的逆變器控制裝置及方法，實現了并網逆變器由常規控制方案向虛擬同步機控制方案的切換，且在兩種控制模式切換過程中，逆變器系統始終保持穩定安全可靠運行。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于電網電壓鎖相及虛擬同步機的逆變器控制裝置，其特征是，包括電流測量模塊、電壓測量模塊、PLL鎖相模塊、實際功率計算模塊、常規并網逆變器控制及調制波生成模塊、虛擬同步機控制及調制波生成模塊、電氣主電路虛擬模塊、虛擬功率計算模塊和調制模塊；

電流測量模塊，用于采集逆變器輸出三相電感電流i_Labc并輸出至實際功率計算模塊；

電壓測量模塊，用于采集電網側三相電壓v_gabc分別輸出至PLL鎖相模塊、實際功率計算模塊、電氣主電路虛擬模塊和虛擬功率計算模塊；

PLL鎖相模塊，用于根據電網側三相電壓v_gabc計算出電網電壓幅值V_gm及電網電壓相位θ_g；

實際功率計算模塊，用于根據逆變器輸出電流i_Labc和電網電壓v_gabc計算得到逆變器實際輸出有功功率P_e和無功功率Q_e；

常規并網逆變器控制及調制波生成模塊，用于根據逆變器實際輸出有功功率率P_e和無功功率Q_e，有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref以及電網電壓相位θ_g獲得常規并網控制方案下的并網逆變器調制波V_mabc；

電氣主電路虛擬模塊，用于根據調制波信號V_Vmabc與電網電壓信號v_gabc計算獲得逆變器虛擬輸出電流i_VLabc；

虛擬功率計算模塊，用于根據虛擬輸出電流i_VLabc與電網電壓信號v_gabc計算獲得逆變器虛擬輸出有功功率P_Ve和無功功率Q_Ve；

虛擬同步機控制及調制波生成模塊，用于根據電網電壓幅值V_gm、有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref、虛擬有功功率P_Ve和實際輸出有功功率P_e經過選通開關S后選通的信號、虛擬無功功率Q_Ve和實際輸出無功功率Q_e經過選通開關S后選通的信號，計算獲得虛擬同步機控制方案下的并網逆變器調制波V_Vmabc；

調制模塊，用于將調制波V_mabc與調制波V_Vmabc經過選通開關S后選通的調制波對載波信號V_r進行調制，產生控制逆變器功率開關的控制信號D。

進一步的，常規并網逆變器控制及調制波生成模塊采用基于DQ坐標解耦控制。

相應的，本發明還提供了一種基于電網電壓鎖相及虛擬同步機的逆變器控制方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟S1，采樣逆變器輸出電流i_Labc和電網電壓v_gabc，計算出電網電壓幅值V_gm、電網電壓相位θ_g，以及逆變器實際輸出有功功率P_e和無功功率Q_e；

步驟S2，在逆變器工作初始階段，根據并網逆變器實際輸出有功功率率P_e和無功功率Q_e，有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref以及電網相位θ_g計算獲得逆變器調制波V_mabc，選通開關S選通接入V_mabc對載波信號V_r進行調制，產生控制逆變器功率開關的控制信號D，逆變器完成并網過程；

步驟S3，逆變器并網穩定工作后，根據選通開關S選通接入實際有功功率P_e和無功功率Q_e信號、電網電壓幅值V_gm、并網逆變器有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref計算獲得逆變器調制波V_Vmabc，選通開關S選通接入調制波V_Vmabc對載波信號V_r進行調制，產生控制逆變器功率開關的控制信號D。

進一步的，步驟S2中計算獲得逆變器調制波V_mabc的具體計算公式如下：

其中：V_d、V_q分別為電網電壓v_gabc在兩相旋轉坐標系下的dq軸分量，I_d、I_q分別為電感電流i_Labc在兩相旋轉坐標系下的dq軸分量，K_pi、K_ii為電流調節器PI參數，ω為電網角頻率，s為拉普拉斯算子。

進一步的，在逆變器工作初始階段，同時計算逆變器調制波V_Vmabc，公式如下：

式中：V_n為額定電壓幅值，D_q為無功下垂系數，K_q為積分系數，ω_n為額定角頻率，D_p為有功下垂系數，J為虛擬轉動慣量，s為拉普拉斯算子，V_VSG為虛擬同步機控制生成的調制波幅值，ω_VSG為虛擬同步機控制生成的調制波角頻率；

其中逆變器虛擬輸出有功功率P_Ve和無功功率Q_Ve，根據逆變器虛擬輸出電流i_VLabc與電網電壓信號v_gabc計算獲得，而逆變器虛擬輸出電流i_VLabc根據調制波信號V_Vmabc與電網電壓信號v_gabc計算獲得，計算公式如下所示：

其中，s為拉普拉斯算子，L為主電路濾波器電感值，r為濾波器電感寄生電阻。

進一步的，逆變器并網穩定工作的判斷依據為調制波V_Vmabc與V_mabc同步。

進一步的，在步驟S3中，計算逆變器調制波V_Vmabc的公式如下：

式中：V_n為額定電壓幅值，D_q為無功下垂系數，K_q為積分系數，ω_n為額定角頻率，D_p為有功下垂系數，J為虛擬轉動慣量，s為拉普拉斯算子，V_VSG為虛擬同步機控制生成的調制波幅值，ω_VSG為虛擬同步機控制生成的調制波角頻率。

與現有技術相比，本發明所達到的有益效果是：通過基于電網電壓鎖相的常規并網控制方案實現逆變器并網后，再將虛擬同步機控制策略與傳統常規并網控制方案進行整體切換，實現并網逆變器的虛擬同步機化，省卻了虛擬同步機控制方案下的逆變器由離網到并網過程中的預同步控制環節以及相應的機端電壓檢測點，為應用于分布式發電與微電網領域的逆變器控制方案提供重要的技術基礎。且在兩種控制模式切換過程中，逆變器系統始終保持穩定安全可靠運行。

附圖說明

圖1是本發明逆變器控制裝置的整體結構框圖；

圖2是實施例中并網逆變器工作在常規控制方案下，常規并網逆變器控制及調制波生成模塊輸出的A相波形與虛擬同步機控制及調制波生成模塊輸出的A相波形仿真結果示意圖；

圖3是實施例中并網逆變器控制方案切換瞬間，逆變器輸出三相電流仿真結果示意圖；

圖4是基于虛擬同步機控制下的并網逆變器在有功功率給定值突變時，三相輸出電流和有功功率仿真結果示意圖；

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。

本發明的基于電網電壓鎖相及虛擬同步機的逆變器控制裝置，如圖1所示，電源并網主電路1為電源經三相逆變器主電路和LC濾波電路后并入電網，還包括電流測量模塊2、電壓測量模塊3、PLL鎖相模塊4、實際功率計算模塊5、常規并網逆變器控制及調制波生成模塊6、虛擬同步機控制及調制波生成模塊8、電氣主電路虛擬模塊9、虛擬功率計算模塊10和調制模塊7；

電流測量模塊2，用于采集逆變器輸出三相電感電流i_Labc并輸出至實際功率計算模塊；

電壓測量模塊3，用于采集電網側三相電壓v_gabc分別輸出至PLL鎖相模塊、實際功率計算模塊、電氣主電路虛擬模塊和虛擬功率計算模塊；

PLL鎖相模塊4，用于根據電網側三相電壓v_gabc計算出電網電壓幅值V_gm及電網電壓相位θ_g，并將電網電壓幅值V_gm輸出至虛擬同步機控制及調制波生成模塊，將電網電壓相位θ_g輸出至常規并網逆變器控制及調制波生成模塊；

實際功率計算模塊5，用于根據逆變器輸出電流i_Labc和電網電壓v_gabc計算得到逆變器實際輸出有功功率P_e和無功功率Q_e；

常規并網逆變器控制及調制波生成模塊6，用于根據逆變器實際輸出有功功率率P_e和無功功率Q_e，有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref以及電網電壓相位θ_g獲得常規并網控制方案下的并網逆變器調制波V_mabc；

電氣主電路虛擬模塊9，用于根據調制波信號V_Vmabc與電網電壓信號v_gabc計算獲得逆變器虛擬輸出電流i_VLabc；

虛擬功率計算模塊10，用于根據虛擬輸出電流i_VLabc與電網電壓信號v_gabc計算獲得逆變器虛擬輸出有功功率P_Ve和無功功率Q_Ve；

虛擬同步機控制及調制波生成模塊8，用于根據電網電壓幅值V_gm、有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref、虛擬有功功率P_Ve和實際輸出有功功率P_e經過選通開關S后輸出的信號、虛擬無功功率Q_Ve和實際輸出無功功率Q_e經過選通開關S后輸出的信號，計算獲得虛擬同步機控制方案下的并網逆變器調制波V_Vmabc；

調制模塊7，用于將調制波V_mabc與調制波V_Vmabc經過選通開關S后選通任一調制波對載波信號V_r進行調制，產生控制逆變器功率開關的控制信號D。

本發明中的選通開關S，可以采用現有技術中一個邏輯選通開關，選通信號為同一個，該選通信號可由上位機手動控制，也可以由系統自動控制。其選通信號控制依據是當調制波V_Vmabc與V_mabc基本同步之后，所有選通開關S同時由“上”置“下”，即：初始時候，選通開關S置于“上”位，逆變器工作在常規并網控制方法下，選通開關S分別選通接入V_mabc、P_Ve、Q_Ve信號；當調制波V_Vmabc與V_mabc基本同步之后，選通開關S置于“下”位，選通開關S選通接入V_Vmabc、P_e、Q_e信號，此時逆變器控制整體切換到虛擬同步機控制方案下。

本發明裝置主要實施過程為：

在并網逆變器工作初始階段，選通開關S置于“上”位。首先將通過采樣獲得的電網電壓v_gabc送入PLL鎖相模塊4，PLL鎖相模塊4基于現有技術中鎖相環算法計算出電網電壓幅值V_gm及電網電壓相位θ_g，再將采樣獲得逆變器輸出電流i_Labc和電網電壓v_gabc送入實際功率計算模塊5(功率計算方法為現有通用技術)得到并網逆變器實際輸出有功功率P_e和無功功率Q_e，將所獲得的并網逆變器實際輸出有功功率率P_e和無功功率Q_e，有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref以及電網相位θ_g送入常規并網逆變器控制及調制波生成模塊6計算獲得常規并網控制方案下的并網逆變器調制波V_mabc。

此處常規并網逆變器控制及調制波生成模塊6中采用常規并網逆變器控制方案，此方案是根據有功功率指令值P_ref和無功功率指令值Q_ref在兩相旋轉坐標系下(dq坐標系)間接獲得對應的有功電流指令I_dref和無功電流指令I_qref，然后通過反饋逆變器電感電流并在兩相旋轉坐標下進行電流閉環調節，最后將兩相旋轉坐標系下(dq坐標系)的調節器輸出M_d、M_q通過坐標變換在三相靜止坐標系獲得三相調制波V_mabc。具體計算公式如下：

其中：V_d、V_q分別為電網電壓v_gabc在兩相旋轉坐標系下的dq軸分量，I_d、I_q分別為電感電流i_Labc在兩相旋轉坐標系下的dq軸分量，K_pi、K_ii為電流調節器PI參數，ω為電網角頻率。

常規并網逆變器控制及調制波生成模塊獲得并網逆變器調制波V_mabc，經過選通開關S選通后對載波信號V_r進行調制，產生控制逆變器功率開關的控制信號D。通過控制信號D控制逆變器中功率開關器件的開通和關斷，可以調節交流電壓的幅值、頻率和相位，使其輸出電流與電網電壓相位及頻率保持同步。稱此時逆變器工作在基于電網電壓鎖相的常規并網控制方案下，逆變器完成并網過程。

與此同時，將電網電壓幅值V_gm、并網逆變器有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref、經過選通開關S選通接入的虛擬功率計算模塊10輸出的虛擬有功功率P_Ve、經過選通開關S選通接入的虛擬功率計算模塊10輸出的虛擬無功功率Q_Ve，共同送入虛擬同步機控制及調制波生成模塊8獲得虛擬同步機控制方案下的并網逆變器調制波V_Vmabc。

虛擬同步機控制及調制波生成模塊8計算公式分別如式(1)(2)所示：

當選通開關S置“上”時，公式(1)中取P_Ve、Q_Ve進行計算；當選通開關S置“下”時，公式(1)中取P_e、Q_e進行計算。

式中：V_n為額定電壓幅值，D_q為無功下垂系數，K_q為積分系數，ω_n為額定角頻率，D_p為有功下垂系數，J為虛擬轉動慣量，s為拉普拉斯算子，V_VSG為虛擬同步機控制生成的調制波幅值，ω_VSG為虛擬同步機控制生成的調制波角頻率。

將所獲得調制波信號V_Vmabc與電網電壓信號v_gabc送入電氣主電路虛擬模塊9生成同步逆變器虛擬輸出電流i_VLabc；以逆變器輸出側為LC濾波器結構為例，電氣主電路虛擬模塊9計算公式如式(3)所示：

其中，s為拉普拉斯算子，L為主電路濾波器電感值，r為濾波器電感寄生電阻。

將所獲得的虛擬輸出電流i_VLabc與電網電壓信號v_gabc送入虛擬功率計算模塊10獲得并網逆變器虛擬輸出有功功率P_Ve和無功功率Q_Ve，在將此信號送入虛擬同步機控制及調制波生成模塊8，形成反饋，進而獲得虛擬同步機控制方案下的并網逆變器調制波V_Vmabc。

將調制波V_Vmabc與V_mabc進行對比，當調制波V_Vmabc與V_mabc同步(幅值和相位均同步)時，說明并網逆變器并網穩定工作。將選通開關S置于“下”位，此時選通開關S選通接入V_Vmabc、P_e、Qe信號，即實際功率計算模塊5輸出的有功功率P_e和無功功率Q_e、電網電壓幅值V_gm、并網逆變器有功功率給定值P_ref和無功功率給定值Q_ref、進入虛擬同步機控制及調制波生成模塊8生成調制波V_Vmabc，調制波V_Vmabc經過選通開關S進入調制模塊7，對載波信號V_r進行調制，產生控制逆變器功率開關的控制信號D。稱此時逆變器工作在虛擬同步機并網控制方案下，逆變器系統整體控制策略由常規并網逆變器控制切換為虛擬同步機控制。

由于并網逆變器為現有技術中虛擬同步機控制策略時，其離網轉并網過程時，除了需要電網電壓檢測之外，還需要增加自身電容電壓檢測點，用于進行相位同期(類似同步發電機并網過程)，即需要同時檢測并網開關S_g兩側電壓。而傳統并網逆變器控制僅僅檢測電網電壓就可以實現離網到并網了。因此，本發明通過基于電網電壓鎖相的常規并網控制方案實現逆變器并網后，再將虛擬同步機控制策略與傳統常規并網控制方案進行整體切換，實現并網逆變器的虛擬同步機化，省卻了單獨虛擬同步機控制方案下的逆變器由離網到并網過程中的預同步控制(并網同期)環節以及相應的機端電壓檢測點，為應用于分布式發電與微電網領域的逆變器控制方案提供重要的技術基礎。

實施例

為說明本發明的正確性和可行性，對所提出的一種基于電網電壓鎖相及虛擬同步機控制方案的逆變器并網實現方法進行了仿真實驗驗證，其中仿真參數為：逆變器直流輸入電壓U_in為800VDC，變流器輸出濾波電感L為0.15mH，輸出濾波電容C為200μF(三角型連接)。初始時刻，逆變器工作在常規控制方案下并網，且有功功率給定值(或稱為有功功率指令)為500kW、無功功率給定值(或稱為無功功率指令)為0kVAr；在1s時刻，逆變器整體控制策略切換到虛擬同步機控制(可控制上自動切換、也可由上位機手動切換)；在1.5s時刻，有功功率指令減小到300kW，且無功功率指令保持不變。

圖2給出了逆變器工作在常規并網控制方案下時，在相同功率指令情況下，常規并網逆變器控制及調制波生成模塊輸出的A相波形V_ma與虛擬同步機控制及調制波生成模塊輸出的A相波形V_Vma。仿真波形顯示，當逆變器工作在常規并網控制方案下，在相同的功率指令情況下，常規并網逆變器控制及調制波生成模塊與虛擬同步機控制及調制波生成模塊輸出的調制波波形保持幅值、相位同步，從而為逆變器控制策略平滑切換提供必要條件。

圖3給出了1s時刻，逆變器控制策略由常規并網控制方案切換到虛擬同步機控制方案時，逆變器輸出三相電流波形i_Labc。仿真波形顯示，當逆變器發生控制策略切換時，逆變器輸出電流平穩，且不受系統控制策略切換影響。

圖4給出了1.5s時刻，此時基于虛擬同步機控制下的并網逆變器在有功功率指令突變時，三相輸出電流i_Labc和有功功率波形。仿真波形顯示，當逆變器轉為虛擬同步機控制策略后，當有功功率指令發生變化，系統很好的執行功率給定指令，實現了良好的閉環控制。整個逆變器系統始終保持穩定運行。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。