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用于单相DC / AC转换器的通用集成同步和控制
摘要：通用集成同步和控制（UISC）被提出用于在并网（GC）和独立（SA）模式下运行单相dc / ac转换器，并提供这些模式之间的无缝转换，无需重新配置控制结构。 事实上，UISC不需要使用传统意义上的孤岛检测算法。 在GC模式下，UISC独立控制实际功率和无功功率。在SA模式下，它提供电压和频率支持。UISC不是基于直流电流控制或直接输出电压控制。它通过非线性机制调节内部转换器电压，这相当于GC模式下的电流控制和SA模式下的电压控制。 UISC不需要单独的同步单元，如锁相环（PLL）。原则上，UISC类似于同步电机（SM）中的组合调速器和自动电压调节器控制。从这个意义上讲，它可以被认为是模拟SM的转换器，例如同步器。 所提出的UISC可以说是最统一的方法，可以解决微电网环境中的转换器的不同操作模式而无需控制切换动作。本文介绍推导，稳定性分析和数值结果来说明所提出的控制器在单相情况下的性能。 还介绍了UISC和类似方法之间类比和差异的数学分析。
索引术语：电流控制，分布式发电，下垂法，并网转换器，微电网，锁相环，无缝转换，独立转换器，电压控制。
1.介绍
分布式能源资源（DR）和微电网（MG）概念对于实现智能而言是理想的网格函数[1] - [4]。MG的主要组件包括DR（包括分布式发电和分布式存储单元），能源消费者（或负载）以及主接口交换机。MG概念可以通过孤岛提高电力的可靠性和质量，可以缓解或推迟传输系统的扩展并减少其损失，通过引入基于可再生能源的发电机可以减少产生的温室气体的量，并且可以提高发电效率通过使用否则浪费的热量。为了实现这些目标，MG应该能够在并网（GC）和孤岛或独立（SA）条件下运行，它应该提供这些操作模式之间的无缝转换[5]。电力电子转换器用于将DR连接到MG网络，并促进这些单元的受控操作[6]，[7]。控制系统可以集中控制信号由中央系统产生， 或分布式或自主式（和分散式），其中控制信号在每个DR站点本地生成并使用本地测量的信号。一个MG最少可以有一个DR和相关的本地负载[8]。
当MG连接到电网时，每个DR应与电网保持同步，并遵循有功功率和无功功率的设定值，并遵守电流畸变的限制[9]，[10]。在这种操作模式下，DRs也可以对一些本地负载执行辅助服务，例如无功功率补偿和谐波滤波[11] - [14]。目前的做法不允许DR或MG的孤岛运行; 一个孤岛检测算法加上一个反孤岛机制是必需的[15]，[16]。然而，未来的电力系统允许孤岛运行使这项技术的效益最大化[5]。
在SA运行模式中，DR通过在瞬态和稳态期间维持电压和频率在MG上提供高质量功率，特别是对于临界负载提供高质量功率[1]，[5]。灵活可控的功率分配是SA模式的另一个目标。
GC操作中流行的控制方法是控制当前的[9]，[17]，[18]。实际和无功功率参考用于生成电流的参考值。也使用诸如锁相环（PLL）的同步方法。电流控制或者在同步参考系（SRF）中使用比例积分功能进行，或者不进行SRF转换并使用比例共振函数[9]。
SA模式下单个逆变器的操作与单个不间断电源应用相同。 在存在负载变化，负载非线性和负载不平衡（三相系统）的情况下，控制系统负责稳定和清洁电压。 在文献中存在几种方法来解决这个问题[19] - [23]。
基于下垂法（DM），开发了SA模式下控制变频器运行的多种方法。 常规开发并广泛用于控制同步发电机（SG）运行的DM根据速度（或频率）和电压的值来调整有功功率和无功功率的量[24]，[25]。通过采用适当的下垂系数，DM可以将整个网络的频率和电压保持在允许的范围内，并实现所有总功率的比例共享机器。DM是一种自主控制，只需要本地测量，不依赖于通信系统。
常规SG中采用的DM可以在GC和SA两种模式下运行，而无需重新配置控制结构。 然而，开发用于电子接口DR的DMs很难在两种模式下工作，无需以某种方式重新配置控制结构，当系统从GC转移到SA或反之亦然时[26-30]。 SGs中使用的传统DM与DRs中使用的传统DM之间似乎存在根本差异。在SG中使用的传统DM中，电压和频率（或速度）测量用于调整机器的磁场和输入功率。通过这两个变量，调整机器的内部感应电压。感应电压影响实际输出（或端子）变量，即机器的电流或电压。换句话说，没有明确的控制回路来控制机器的输出变量。相反，在针对DR开发的DM中，始终存在旨在控制输出（或端子）电压的电压控制回路[31] - [35]。当DR连接到电网时，输出电压由电网控制，DR的电压控制环路无法对DR的操作提供合理和准确的控制。因此，除非在电网和要控制的电压端子之间存在阻抗（如变压器）[33]，[36] - [40]，否则控制方案需要将模式从电压控制更改为电流控制。在[40]中使用外部电流回路和内部电压回路，与通常的做法相反，并报告了包括无缝过渡在内的改进结果。已经引入了虚拟输出阻抗的概念来部分解决这个问题，而不增加实际阻抗[34,42,42]。
虚拟同步机[43]，[44]的概念是通过向转换器添加一个短期存储元件和适当的控制算法来实现的，以使其动态类似于SM。这个想法是为系统添加虚拟惯性来稳定频率和角度振荡。 存储电容类似于这种方法中的惯性。与此思想并行的是，出现了另一类方法，在不涉及太多直流存储方面的情况下，尝试设计控制算法，使转换器模仿SM操作[45] - [52]。Zhong [45]，[50]首次提出的同步变换器概念似乎是遵循SM原则提供最透明的公式。[53]的方法紧跟在同步变换器之后，同时它还增加了一个非线性控制器来提高稳定性。在中工作[54]如下[53]，但是采用角频率下降机制而不是基本的同步器原理。最近在[51]和[55]中提出的称为同步转换器的公式与同步转换器具有基本相似性。一些概念上类似的工作旨在考虑其配方中的直流母线电压调节[56] - [60]，但这里与SM的类比不太明显。
本文介绍了一种控制单相DR操作的方法，无需在将模式从GC更改为SA时反向重新配置控制结构。 作为一个结果，实现了模式之间的平滑过渡。这最大限度地减少了可能影响整个网络尤其是敏感负载的系统瞬变。 所提出的方法可以被认为是传统DM的“真实和直接”扩展，因为它没有明确的输出电压控制环路。它继承了传统DM应用于SG的所有优点。在GC模式下，控制自然转换到电流控制，并控制实际功率和无功功率。 在SA模式下，控制变为电压控制，DR参与调节网络的频率和电压。
所提出的方法的另一个特征是它是自同步的并且不使用诸如PLL的专用同步单元。 此功能使其结构紧凑而简单。 此外，由于没有由同步单元导致的动态和不准确性，因此可以实现更快且更稳定的性能。 该方法被称为通用集成同步和控制（UISC）。 尽管UISC的制定并未直接参考SM的方程，但它显示出与那些方程以及模拟SM的技术显着相似，如[45]，[50]，[51]，[55] ]，并且在这个意义上，它可以被认为是同步器和同步转换器的变体。 本文介绍了UISC的数学推导，稳定性分析和数值结果，并尝试用[45]，[50]，[51]，[55]，[ 61]从数学角度。 它表明，尽管有明显的相似性，但这些方法在它们的控制方程中有着不同的术语。 例如，UISC在其控制回路中使用变换的虚拟功率的概念，而不是实际的力量。 当然，这些方法将继续发展，并且要做大量的工作来比较它们在实际应用中的优点和缺点。
图1.带L滤波器的GC逆变器
- GC操作
- 开发ISC方法
假设Vg（t）表示单相逆变器与电网连接点的电网电压,Vinv(t)表示逆变器电压，如图1所示。方程描述了逆变器电压，电网电压和通过电感L从逆变器流向电网的电流i(t)。定义虚拟逆变器电压Vi(t)=Vinv(t) Ri(t),其中R为一个正值，并且表示与L串联的虚拟电阻。假设虚拟逆变器电压相量由表示并且电网电压相量由，其中Vi和Vg是峰值，是相位角，虚拟的，真实的和被动的功率和无功功率，其中Z=R jX=Z，X=L并且是以rad /s为单位的电网频率。考虑转型：
来定义和计算转换后的虚功率
在实际情况中，角度和电压差比率不大，因此可以主要控制角度来控制Pi，换句话说，可以近似考虑为：，，其中Q为这些功率的参考值，并定义成本函数，使用梯度下降法来调整变量Vi和最小化这个成本函数，将获得以下微分方程：
其中k\和k\是一些真正的正常数。 然后逆变器电压将按照合成
其中vi(t）和Ri（t）是90°的相位延迟版本，在所提出的方法中，平均值被替换为瞬时值，可以看出，这对系统的性能没有明显的影响，但它简化了结构，并有助于实现非常快速的响应。因此，以矩阵的形势表示为：
上式总结了所提出的用于GC操作的集成同步和控制（ISC）方法的核心。一个
核心ISC的框图如图2所示
图2.用于GC操作的核心ISC
⎝ ⎠
图3.具有ISC的GC闭环系统的控制框图。
- ISC的稳定性分析
下面的定理在ISC和UISC的稳定性分析中起着关键作用。假设，其中k是一个常数，然后图2的系统降低到LTI系统具有一下传输功能。
证明：根据（7）并且不失一般性，让，描述系统操作的方程式是
定义一组新的状态变量vi(t)和vi,(t)的
这是一个具有（8）中给出的函数的LTI系统。
图4. GC闭环控制系统的根轨迹。
包括ISC，滤波器和网格的闭环系统的控制框图如图3所示。当R = 0时，该回路的特征方程为=0并且描述一个不稳定的系统，不管k的值如何。 什么时候Rgt; 0，特征方程将会是
这个特征方程的根的轨迹如图4所示，下面列出了一些重要的观察结果：
- 复杂的根不会变得不稳定
- 真正的根在于当k=0
- 当k＞k最大时，真实根变得不稳定，
- 三个根将具有相同的实数部分，当K=Kr,
这是k的推荐值。
- 设计算法
给定参数：峰值电网电压V，其频率和电感L，设计参数：Kp,Kq和R
步骤1.选择alpha;gt; 0。值alpha;\暂时对应于响应的时间常数
步骤2.从R =3alpha;L计算R
步骤3.从k =\Romega;或从（13）计算k
步骤4.计算Kp和Kq
- 频率更新
f
从图2的核心ISC假设电网频率适应其变化。 这个想法与在PLL和EPLL算法中所做的相似[62,63]，并且被描述。
图5. GC和SA操作的核心UISC
3.GC和SA模式
- 开发UISC方法
在SA操作中，转换器提供本地负载或与MG设置中的其他转换器一起操作，所提出的ISC方法，在第二节中讨论，可以修改以在SA模式下运行。 为了继续开发这种方法，请注意（3）总结了这个方法用于GC方法的ISC。 现在，设置
其中f\和V\是对应于最大频率和电压幅度的一些设定点; k\和k\是真实的正常数; f和V是实际的输出频率和电压幅度。然后转换为
上述方程总结了所提出的通用ISC（UISC）控制器的核心结构，其框图如图5所示。当网格可用时，f和V等于（或非常接近）f\和V \（频率和频率的标称值）电压）。 因此，逆变器产生等于P\= k\（f\f\）和QTI= k\（V\V\）的有功功率，当电网连接时。 在没有电网的情况下逆变器调整其实际功率和无功功率给出。
注意，在（16）的（17）中，由于循环的过滤特性，我们用他们的平均值Pi和Qi，方程组是传统的DM。
图6.针对GC，SA和无缝过渡的UISC建议方法。
因此，图5自动成为SA模式下的传统DM。
- 关于参数的设计
Kv,kf,v*,f*的设计可以使用基于变频器的额定功率以及电压和频率变化的允
许范围。 例如，假设S是逆变器的额定VA，并且逆变器应该在标称电压和频率
（V\和f\）。 系统的电压和频率可以高达f\和V\真实和无功功率接近零。 因
此，f\和V根据频率的最大允许值选择电压。
C.软/无缝电网连接的同步
连接时，UISC自动同步到电网。 然而，由于在连接之前没有关于电网电压的先前信息，所以将不可避免地存在可能发生过电流的瞬态时段。 为了克服这个问题，应该增强该方法以在连接之前使逆变器电压与电网电压同步。 这在图6中示出。在SA模式期间添加新的分支以使逆变器电压与电网电压同步。 TF\（t）和v\（t）的90\移位形式的乘积具有低频项，其与两个电压和双频项之间的相位差成比例。 LPF是一个简单的低通滤波器（LPF），可以衰减双频率项。 该分支可以永久保留在环路中，也可以在电网连接期间禁用。 如果不禁用，由于双频纹波，电流波形的质量会稍微降低。
90°相位延迟运算符可以使用a实现，四分之一周期的时域延迟或一个简单的一阶全通滤波器omega;o-s。 电压v\（t）是逆变器的输出电压，并且电网电压v\（t）可以是逆变器连接点处的电网电压或者MG的公共耦合点处的电压。 在后一种情况下，假定这种电压通过某种通信可用。 或者，该同步分支可以在将MG连接到电网的主转换开关处实现。然后，可以使用低带宽通信链路将作为缓慢变化的信号的LPF的输出发送
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