本发明提供了一种不需要电流反馈的虚拟同步发电机控制器，包括以下部分：1).转子运动方程，计算得到虚拟的转子角频率与相位，作为逆变器的角频率。2).电压控制，模拟同步发电机励磁控制以及无功电压下垂特性对逆变器输出电压幅值进行控制。3).逆变器输出功率计算方程。利用输电线路传输功率计算的方法计算逆变器无功功率和虚拟的电磁转矩。该方程具有不需要电流量即可进行计算的特点。4).dq变换与dq反变换单元，利用转子运动方程计算的角频率和相位作为参考相角。综合以上各部分得到本发明一种不需要电流反馈的虚拟同步发电机控制器。与现有的方法相比，本发明不需要电流反馈，简化了控制算法；同时也省略了电流传感器，减少了逆变器的建设成本。
1.一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器，包括：
——电压控制：根据逆变器输出电压的dq轴分量Ud、Uq，与给定的电压参考Vref，以及无功功率给定Qset和逆变器输出无功功率Q，同时考虑电压幅值的控制与无功功率与逆变器输出电压的下垂关系，利用如下微分方程计算逆变器输出电压的控制量：上式中，Ka电压幅值增益；nq为无功下垂增益；Uo为逆变器输出电压幅值，其计算公式如下：得到逆变器输出电压的控制量Eq后，将其作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒等于零的d轴分量Ed与0轴分量E0，经过dq反变换后得到PWM三相调制波，对逆变器的电力电子逆变电路进行控制；
——dq变换与dq反变换单元：上述dq变换与dq反变换所需参考角频率ωr和相位由转子运动方程计算得出；这样，机端电压Ua、Ub、Uc转换为转子旋转坐标系下的电压dq分量Ud、Uq；
——dq反变换单元，将控制电压Ed、Eq以及补充一个值为0的分量分别作为dq0轴分量，依据转子运动方程单元计算出的位置角θ进行dq反变换，得到三相PWM调制波，控制IGBT Bridge工作；
——转子运动方程：同步发电机的转子运动方程用下式描述：
其中H为转子惯性时间常数，Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩，ωr为虚拟的转子旋转角速度，将其作为dq变换与dq反变换参考角频率，在忽略逆变桥路损耗的前提下，ωr即为逆变桥路输出电压的角频率；机械转矩Tm用同步发电机调速器数学模型求取，计算公式如下：Tm≈Pset+Dp(fn-ωr/(2π)) (4)其中Pset为输出有功功率给定，Dp为下垂特性系数，fn为电网频率；公式(3)中电磁转矩Te由逆变器输出功率方程计算得到；
——逆变器输出功率计算方程：在忽略逆变器桥路损耗的前提下，认为逆变桥路输出电压幅值为Eq；以逆变器桥路输出电压相位为参考相位，则逆变器输出电压与逆变桥路输出电压相位差δ由下式求取：利用输电线路功率传输方程的计算公式求取逆变器输出有功功率P与无功功率Q；利用同步发电机稳态分析中已有的结论，由于转速基本在同步转速附近，令输出功率等于电磁功率，即电磁转矩Te；因此，转子运动方程中所需要的电磁转矩Te用输电线路功率传输方程求取；具体公式如下：其中Rf为逆变器LC滤波器电感上的等效电阻，Xf为LC滤波器电感感抗；
其特征在于：采用公式(6)、(7)计算电磁转矩和无功功率不需要电流反馈，即逆变器主电路中也不需要电流传感器。
一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器
技术领域
[0001] 本发明涉及微电网和分布式发电领域，特别涉及一种逆变器的虚拟同步发电机控制器。
背景技术
[0002] 随着风、光等间隙性清洁能源在电力系统中所占比重的增加，智能电网，特别是微电网相继成为电力领域的研究热点。微电网中的逆变器是清洁能源并网的主要方式，因此其控制策略就成为了微电网运行的关键技术。常规的逆变器控制策略在微电网多逆变器并网运行的情况下无法为微电网系统提供电压、频率支撑，也很难合理的分配各逆变器之间的输出功率，成为制约微电网发展的问题。传统电力系统中同步发电机具有调压、调频特性，以及转子惯性对多机运行时功率调节的特性。模拟上述同步发电机特性的逆变器控制技术，即虚拟同步发电机技术成为目前研究的热点。
[0003] 现有的虚拟同步发电机控制器都需要同时测量逆变器输出端的电压与电流。并且使用电压、电流进行复杂的控制运算才能对逆变器进行控制。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种不需要电流反馈的虚拟同步发电机控制器。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方法实现：
[0006] 如本发明一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器所述，本发明仅对逆变器输出电压进行采样。这里需要明确两个概念，逆变器输出电压为逆变器所接LC滤波器后端的电容上的电压，逆变桥路输出电压为滤波器前端电力电子器件处的输出电压。在得到三相输出电压采样值后经过dq变换得到逆变器输出电压的dq分量Ud、Uq。
[0007] 控制方法具体以如下3个步骤实现：
[0008] (1).电压控制：根据上述逆变器输出电压dq轴分量Ud、Uq，与给定的电压参考Vref，以及无功功率给定Qset和逆变器输出无功功率Q。同时考虑电压幅值的控制与无功功率与逆变器输出电压的下垂关系，利用如下微分方程计算逆变器输出电压的控制量：
[0009]
[0010] 上式中，Ka电压幅值增益；nq为无功下垂增益；Uo为逆变器输出电压幅值，其计算公式如下：
[0011]
[0012] 得到逆变器输出电压的控制量Eq后，将其作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒等于零的d轴分量Ed与0轴分量E0，经过dq反变换后得到PWM三相调制波，对逆变器桥路开关进行控制。
[0013] 上述dq变换与dq反变换所需参考角频率ωr和相位由转子运动方程计算得出。转子运动方程为实现本发明控制器的第2个步骤。上述逆变器输出无功功率Q由第3个步骤逆变器输出功率计算方程计算得到。后续步骤具体如下。
[0014] (2).转子运动方程：同步发电机的转子运动方程可用下式描述。
[0015]
[0016] 其中H为转子惯性时间常数，Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩，ωr为虚拟的转子旋转角速度，将其作为dq变换与dq反变换参考角频率，在忽略逆变桥路损耗的前提下，ωr即为逆变桥路输出电压的角频率。机械转矩Tm可用同步发电机调速器数学模型求取，计算公式如下。
[0017] Tm≈Pset+Dp(fn-ωr/(2π)) (4)
[0018] 其中Pset为输出有功功率给定，Dp为下垂特性系数，fn为电网频率。
[0019] 公式(3)中电磁转矩Te由第3个步骤逆变器输出功率方程计算得到，具体如下。
[0020] (3).逆变器输出功率计算方程：如上所述以Eq作为PWM调制电压q轴分量，并补齐恒为0的d轴分量Ed与0轴分量E0，以ωr作为dq变换与dq反变换参考角频率。在忽略逆变器桥路损耗的前提下，可认为逆变桥路输出电压幅值为Eq。以逆变器桥路输出电压相位为参考相位，则逆变器输出电压与逆变桥路输出电压相位差δ可由下式求取：
[0021]
[0022] 利用输电线路功率传输方程的计算公式可以求取逆变器输出有功功率P与无功功率Q。利用同步发电机稳态分析中已有的结论，由于转速基本在同步转速附近，可令输出功率等于电磁功率，即电磁转矩Te。因此，步骤(2)转子运动方程中所需要的电磁转矩Te可用输电线路功率传输方程求取。具体公式如下：
[0023]
[0024] 其中Rf为逆变器LC滤波器电感上的等效电阻，Xf为LC滤波器电感感抗。
[0025] 同理，无功功率Q计算公式如下：
[0026]
[0027] 与现有技术相比，本发明的优点体现在：采用输电线路功率传输方程计算逆变器的输出功率，即这里的电磁转矩和无功功率，计算不需要电流值。因此可以省略电流反馈，逆变器不需要安装电流传感器，节约了建设成本。电压控制考虑了电压与无功功率的下垂关系，在控制电压稳定的同时兼顾无功功率的控制。
附图说明
[0028] 图1是本发明一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器的总体结构图；
[0029] 图2为电压控制与逆变器输出功率计算方程部分结构；
[0030] 图3为转子运动方程模块详细结构。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0032] 图1是本发明一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器的总体结构图，包括主电路、逆变器输出功率计算方程、电压控制、转子运动方程、dq变换、dq反变换这几个部分构成。下面具体介绍各部分结构：
[0033] 1)主电路部分，包括IGBT三相全桥逆变电路(IGBT Bridge)和LC滤波器和电压传感器。Lf为LC滤波器电感，Rf为Lf上等效电阻，Cf为LC滤波器电容。ZL为入网线路阻抗，vb为网侧电压。Ua、Ub、Uc为电压传感器测量得到的三相电压。
[0034] 2)dq变换和dq反变换单元，执行dq变换与dq反变换所需要的参考角频率ωr和相位由转子运动方程部分提供。dq变换单元的输入为电压传感器测量得到的三相电压Ua、Ub、Uc，通过变换后得到三相电压dq轴分量Ud、Uq。dq反变换单元的输入为电压控制部分输出Eq，将其作为q轴分量，并补齐恒为0的d轴分量Ed与0轴分量E0，反变换后得到三相PWM调制波，控制IGBT Bridge工作。
[0035] 3)逆变器输出功率方程部分，其详细结构如图2中逆变器输出功率计算方程虚线框部分所示。该部分采用输电线路功率传输方程的方法计算逆变器输出无功功率Q和虚拟的电磁转矩Te。输入为三相电压dq轴分量Ud、Uq和Eq。通过以下公式计算得到Te和Q。并将Te作为转子运动方程部分输入，Q作为电压控制部分输入。
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 4)电压控制部分，其详细结构如图2中电压控制虚线框部分所示。该部分的输入为三相电压dq轴分量Ud、Uq、电压给定Vref、无功功率给定Qset和逆变器输出功率方程部分计算得到的无功功率Q。该部分可用以下微分方程描述其数学模型。
[0041]
[0042] 电压控制具体工作过程为：将Vref与Uo的差乘以增益Ka的值和Qset与Q的差乘以增益nq的值相加。然后进行积分并限幅后输出，即得到逆变器输出电压的控制量Eq。将其作为PWM调制电压q轴分量，而d轴、0轴分量恒为0。同时Eq反馈回逆变器输出功率计算方程参与计算。
[0043] 5)转子运动方程部分，该部分详细结构如图3所示。其工作原因是，首先将电网频率fn减去逆变器频率fr，fr＝ωr/2π。得到的差值乘以下垂特性系数Dp。再加上输出有功功率给定Pset，通过限幅环节后得到的值即虚拟的机械转矩Tm。将Tm与逆变器输出功率方程部分得到的电磁转矩Te相减，除以惯性时间常数2H，再积分后得到的值即为逆变桥路输出电压的角频率ωr，对ωr积分可得其相位θ。
[0044] 综合以上对各部分的描述，可得如图1所示的一种不用电流反馈的虚拟同步发电机控制器的总体结构。
[0045] 具体实施方式：
[0046] 下面给出了本发明涉及的逆变器控制器的一种具体参数。
[0047] 逆变器参数：三相逆变器，额定频率fn＝50Hz；额定输出功率50kW；额定电压Vref为380V；额定输出功率Qset为0var。额定的直流端电压为700V。滤波器部分参数为Lf＝2mH，对应的Xf＝0.628Ω；Rf＝0.1Ω；Cf＝13μF。下垂系数Dp＝100 000，nq为0.15，电压幅值增益Ka＝20。转子惯性时间常数H＝2。
[0048] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
