CN102257720A - 静电同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制与电源相关联的逆变器的设备和方法，其中所述电源通常是分布式电源。逆变器的作用是对电功率输出进行调制，例如，以适当的电压提供三相AC电输出，其中，所述输出将被供应给传统的配电网。本发明包括对同步发电机的运转情况进行建模。变量表示该虚拟同步发电机的虚拟转子(14)的角位置和旋转速度。施加于转子上的电磁转矩是根据所测量的逆变器的输出电流和表示转子中的激励电流的变量来计算的。考虑该转矩和施加于虚拟转子的理论上的驱动转矩(其在物理模拟中将由诸如引擎等一些原动机供应)以及转子的虚拟惯量，来计算虚拟转子的角速度。通过使用虚拟转子的角位置和旋转速度并且考虑前面提到的激励电流，可以获得在虚拟发电机的定子中感应的cmf。在此基础上，生成控制信号，该控制信号使逆变器产生与由虚拟同步发电机提供的输出对应的AC输出。必须对同步发电机进行调节，也必须对本发明的虚拟同步发电机进行调节。为此，本发明提供了反馈回路，在该反馈回路中，虚拟发电机转子的旋转速度与基准角速度的偏离被检测，并且所述偏离用于调节虚拟驱动转矩，从而调节转子的旋转速度，并且因此调节AC输出的频率和由逆变器供应的有功功率。

Description

静电同步发电机

技术领域

本发明涉及用于与电源相关联的逆变器的控制设备。具体地说，所述控制设备使电源和逆变器一起在某些方面模仿同步发电机的运转状态。

背景技术

由于经济、技术和环境的原因，越来越多的分布式能源将在未来的供电中起到重要的作用，其中分布式能源是例如热电联供(CHP)站和诸如风力、太阳能、波力和潮汐能等可再生能源。EU已经设定了到2010年在发电中可再生能源的比例达到22％的目标，CHP的比例达到18％的目标。目前，电源系统正在经历从集中式发电到分布式发电的巨大转变。这些分布式/可再生发电机中的大多数产生可变频率的AC源、高频AC或DC源，因此需要DC-AC转换器以与公用电网连接。术语“逆变器”将在本文中用于指代将DC变换为可控的AC输出的任意设备。例如，如果以可变的频率发电，则风轮机是最有效的，因此风轮机需要从可变的频率AC到DC到AC的转换；具有直接驱动发电机的较小的燃气轮机以较高的频率操作，并且需要AC到DC到AC的转换；光电池阵列需要DC-AC的转换。越来越多的逆变器将被连接到电网，并且可能最终将控制发电。在所有这些情况下，使用相同的基本逆变器，并且需要对这些逆变器进行控制以给消费者提供高质量的电源波形。

当前控制风力或太阳能发电机的形式是从电源中提取最大功率并且将该功率全部注入电网中。只要这些电源构成电网容量的可忽略部分，则这是较好的策略，并且可以通过与电网的较大的传统发电机相关联的控制器来补偿可再生发电机的功率波动。这些发电机中的一些发电机也将处理整个系统的稳定性和故障重新启动。当可再生发电机(特别是太阳能发电机)提供大部分的电网功率时，这种“不负责任的”运转状态(对它们而言)将变得不堪一击。因此，当今将存在以与传统的发电机运行的相同方式来对可再生发电机进行操作的需要。这首先需要所有较大的且高效的能量存储单元，使得可以滤除原动机的随机波动，但是这也需要对分布式能源的输出进行适当的控制。存在两个选择。一种选择是重新设计整个功率系统，并且改变其操作方式。另一种选择是寻找一种将逆变器集成到现有系统中并且以与较大的同步发电机(SG)相同的方式运转的方法，其中所述同步发电机是如今的发电站中的主发电机。显然地，第一钟选择经济效益不大。

已经提出，与分布式能源相关联的逆变器应该被操作以模仿同步发电机(SG)的运转状态。术语“静电同步发电机(SSG)”已经由电气和电子工程师协会(IEEE)定义以表示静电的、自动换向的开关功率变换器，其中所述开关功率变换器由适当的电源供电并且可操作以产生一组可调节的多相输出电压，所述开关功率变换器可以耦合到AC功率系统以用于独立地交换可控的有功功率和无功功率的目的。最初这被定义用于FACTS(灵活的AC传输系统)中的并联控制器中的一个控制器。在此处借用该术语以表示像同步发电机一样运转的逆变器。SSG具有SG的特征但是不具有转动件(因此为静电的)。通过这种方式，可以使分布式能源以结合传统的同步发电机能被较好地理解的原理操作。

H.P.Beck和R.Hesse于2007年10月9至11日在9th InternationalConference on Electrical Power Quality and Utilisation中给出的题为“VirtualSynchronous Machine”的论文描述了虚拟同步发电机的基本概念，如同J.Driesen和J.Visscher于2008年在IEEE Power and Energy Society General-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century的第1至3页中出版的“Virtual Synchronous Generators”论文一样。这两篇论文都没有描述控制静电同步发电机所需的系统的实用的细节，并且该方面仍然存在问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于逆变器的控制设备，该控制设备执行同步发电机的模型，所述控制设备包括：

变量，其表示虚拟发电机转子的角位置和旋转速度，

逻辑，其用于根据所测量的逆变器的输出电流和表示虚拟激励电流的变量来计算作用于所述虚拟发电机转子的虚拟电磁转矩，

逻辑，其用于根据所述虚拟电磁转矩和表示施加到所述虚拟发电机转子的虚拟驱动转矩的至少一个变量以及表示所述转子的虚拟惯量的参数来计算所述虚拟转子的旋转速度，以及

逻辑，其用于根据表示虚拟发电机转子的角位置和旋转速度的变量和表示所述激励电流的变量来计算控制信号，所述控制信号用于控制所述逆变器以产生与所述虚拟同步发电机的输出对应的AC输出，

所述控制设备还包括实现第一反馈回路的逻辑，在所述第一反馈回路中，所述虚拟发电机转子的旋转速度与基准旋转速度的偏离被检测并且被用于调节所述虚拟驱动转矩，从而调节所述虚拟发电机转子的角速度，因此调节来自所述逆变器的AC输出的频率和由所述逆变器供应的有功功率。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制逆变器的方法，该方法包括通过以下步骤来对同步发电机进行建模：

通过使用数字变量来表示虚拟发电机转子的角位置和旋转速度，

测量所述逆变器的输出电流，

根据测量的逆变器输出电流和表示虚拟激励电流的变量来计算作用于所述虚拟发电机转子的虚拟电磁转矩，

根据所述虚拟电磁转矩和表示施加到所述虚拟发电机转子的虚拟驱动转矩的至少一个变量以及表示所述转子的虚拟惯量的参数，来计算所述虚拟转子的旋转速度，以及

根据表示所述虚拟发电机转子的角位置和旋转速度的变量和表示所述激励电流的变量来计算控制信号，所述控制信号用于控制所述逆变器以产生与所述虚拟同步发电机的输出对应的AC输出，

实现第一反馈回路，在所述第一反馈回路中，所述虚拟发电机转子的旋转速度与基准旋转速度的偏离被检测并且被用于调节所述虚拟驱动转矩，从而调节所述虚拟发电机转子的旋转速度，并且因此调节来自所述逆变器的AC输出的频率和由所述逆变器供应的有功功率。

附图说明

现在将参照附图、仅通过举例说明的方式来描述本发明的具体实施方式，其中：

图1表示每相具有一对电极的理想的三相整圆转子同步发电机的实际结构；

图2是用于实现本发明的逆变器的电路图；

图3是虚拟同步发电机的框图表示，该图没有控制逻辑；

图4与图3相对应但是包括控制逻辑；

图5a至图5c是在根据本发明的SSG的仿真中频率随时间的变化的图形；

图6a和图6b分别是该仿真中的有功功率和无功功率的图形；

图7a示出了在仿真期间SSG的端电压的幅值变化，图7b示出了在稳态下来自SSG的输出的三个AC相位在非常短的周期的正弦变化；以及

图8a至图8c是(a)频率、(b)有功功率和无功功率以及(c)端电压幅值的图形，它们均随时间变化并且均是在SSG的第二仿真中获得，这次处于岛式模式。

具体实施方式

该描述的剩余部分被组织如下。在第I部分中，在没有对信号进行假设的情况下，建立同步发电机的动态模型。虽然已经在文献中对SG的模型作了充分的描述，但是本文描述模型的方式比较新颖。然后，在第II部分中描述了如何实现逆变器以模拟同步发电机，在第III部分中描述了体现本发明的用于控制SSG的系统，该系统包括用于负载均衡的频率和电压减弱机制，然后在第IV部分中给出了仿真结果。

I、对同步发电机进行建模

本发明的该实施方式基于同步发电机的数学模型，该同步发电机被认为是没有假设信号的动态系统。考虑图1所示的发电机配置10，该发电机配置是整圆转子机器(没有阻尼绕组)，其每相具有p对电极并且在铁芯中没有饱和效应。

A、电部分

在均匀空隙的周围的槽中分布了三个相同的定子绕组12a至12c。定子绕组可以认为是具有自感L和互感M(M＞0，其典型的值为1/2L，负号是由于

的相角引起的)的集中线圈。激励(转子)绕组14可以认为是具有自感L_f的集中线圈。激励绕组14与三个定子线圈12a至12c中的每一个之间的互感随着转子角θ而变化如下：

M_af＝M_fcos(θ)，

$M_{\mathrm{bf}}=M_f\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$

$M_{\mathrm{cf}}=M_f\cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3}).$

这些绕组的磁链是

Φ_b＝-Mi_a+Li_b-Mi_c+M_bfi_f，

Φ_c＝-Mi_a-Mi_b+Li_c+M_cfi_f，

Φ_f＝M_afi_a+M_bfi_b+M_cfi_c+L_fi_f，

其中，i_a、i_b和i_c是定子的相电流，i_f是转子的激励电流，即，通过转子绕组14的电流。表示

$\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_a\\ {\mathrm{\Φ}}_b\\ {\mathrm{\Φ}}_c\end{array}\right],$ $i=\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

以及

$\tilde{\cos }\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right];$ $\tilde{\sin }\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

假设当前未连接中线，则

i_a+i_b+i_c＝0

定子磁链可以重新写成

$\mathrm{\Φ}=L_{s}i+M_f{i}_f\tilde{\cos }\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

其中，L_s＝L+M，并且激励磁链可以重新写成

$\underset{\‾}{{\mathrm{\Φ}}_f=L_f{i}_f+M_f(i,\tilde{\cos }\mathrm{\θ})}---\left(2\right)$

其中，

表示传统的内积。如果三个相电流为正弦且平衡，则第二项

是常数。假设定子绕组的阻抗是R_s，则相端电压 $\mathrm{\υ}={\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\υ}}_a& {\mathrm{\υ}}_b& {\mathrm{\υ}}_c\end{array}\right]}^T$ 可以根据(1)获得，即

$\mathrm{\υ}=-R_{s}i-\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=-R_{s}i-L_s\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+e---\left(3\right)$

其中， $e={\left[\begin{array}{ccc}{e}_a& e_b& e_c\end{array}\right]}^T$ 是由于转子移动引起的反向cmf，即

$e=M_f{i}_f\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\tilde{\sin }\mathrm{\θ}-M_f\frac{{\mathrm{di}}_f}{\mathrm{dt}}\tilde{\cos }\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

我们提出，根据(2)，激励端电压为

${\mathrm{\υ}}_f=R_f{i}_f+\frac{{\mathrm{d\Φ}}_f}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

其中，R_f是转子绕组的阻抗。然而，在该处理中，将不需要υ_f的表达式，这是因为将把i_f而不是υ_f用作可调的常数输入。在其它实施方式中，可能调节υ_f来代替i_f。这完成了对机器的电部分的建模。

B、机械部分

机器的机械部分可以通过下式来控制

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=T_m-T_e+D_p\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

其中，J是随着转子旋转的所有部分的转动惯量，T_m是由于驱动器对转子的作用引起的转子上的机械转矩(例如，引擎驱动发电站的发电机)，T_e是由于转子与定子之间的相互作用引起的转子上的电磁转矩，以及D_p是阻尼系数。可以根据存储在机器中的总能量E来得到T_e，其是存储在定子和转子磁场中的磁能与存储在旋转部分中的动能之和，即

$E=\frac{1}{2}(i,\mathrm{\Φ})+\frac{1}{2}{i}_f{\mathrm{\Φ}}_f+\frac{1}{2}J{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2$

$=\frac{1}{2}(i,L_{s}i+M_f+M_f{i}_f\tilde{\cos }\mathrm{\θ})$

$+\frac{1}{2}{i}_f(L_f{i}_f+M_f<i,\widetilde{\cos \mathrm{\&theta;}}>)+\frac{1}{2}J{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}^2$

$=\frac{1}{2}<i,L_{s}i>+M_f{i}_f\left(i,\tilde{\cos }\mathrm{\&theta;}\right)+\frac{1}{2}{L}_f{i}_f^2+\frac{1}{2}J{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}^2$

因为机械转子的位置θ_m满足θ＝pθ_m，可以得到

$T_e=-\frac{\&PartialD;E}{{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}_m}=-p\frac{\&PartialD;E}{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}$

$=-p{M}_f{i}_f<i,\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}\tilde{\cos }\mathrm{\&theta;}>$

$=p{M}_f{i}_f<i,\tilde{\sin }\mathrm{\&theta;}>.---\left(7\right)$

注意，如果

(这将是在正弦稳态中的情况)，则

C、提供中线

上面的分析是基于中线未被连接的情况。如果中线被连接，则三个线电流之和不为0。

假设

i_a+i_b+i_c＝i_N

其中，i_N是流过中线的电流。然后，定子磁链的公式(1)变为

$\mathrm{\&Phi;}=L_{s}i+M_f{i}_f\tilde{\cos }\mathrm{\&theta;}-\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right]{\mathrm{Mi}}_N$

并且相端电压(3)变为

$\mathrm{\&upsi;}=-R_{s}i-L_s\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right]M\frac{{\mathrm{di}}_N}{\mathrm{dt}}+e$

其中，e由(4)给出。其它公式未受影响。

重要的是，注意在物理同步发电机中，提供中线明显使系统分析变复杂。然而，将在下一节中设计的SSG中，M是设计参数并且因此可以被选择为0。其物理意义是定子绕组之间的互感M是0。换言之，在定子绕组之间不存在磁耦合。这不会在物理同步发电机中发生，但是可以在SSG中容易地实现。在本文的其它部分中，M被选择为0，并且由方程(3)、(4)、(5)、(6)和(7)组成的同步发电机的模型将用于操作逆变器。

II、静电同步发电机的实现

在这一节中，将描述如何将逆变器实现为静电同步发电机的细节。图2示出了简单的DC/AC变换器(逆变器)，其用于将从可再生/分布式能源获得的DC电源V_DC转化为三相AC(v_a，v_b，v_c)。它是由三个相脚16a至16c以及三相LC滤波器18组成，其中，所述三相LC滤波器18用于抑制切换噪声。如果逆变器连接到电网，则需要将三相耦合电感器20和断路器22与电网连接。应该选择滤波电容器C以使谐振频率约等于其中，ω_n是电压的额定角频率，ω_s是用于开启/关闭相脚16a至16c中的逆变器开关的角切换频率(图中示出了绝缘栅双极晶体管22，但是可以用其它类型的开关代替)。

可以根据前面章节中开发的数学模型来实现SSG。如在本节稍后详细所述，SSG是由电源部分(即图2中所示的逆变器)以及图3中所示的电部分组成。这两个部分是经由信号e和i(和用于调节目的的υ和υ_g)联系在一起。

A、电部分

假设激励(转子)绕组由可调的DC电流源i_f而不是由电压源υ_f供电，具有优点(但不是关键的)。在该情况下，端电压υ_f变化，但这是不相关的。只要i_f是常数，则根据(4)，虚拟发电机的生成电压是

$e=\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f\tilde{\sin }\mathrm{\&theta;}.---\left(8\right)$

将生成的有功功率P和无功功率Q定义为

P＝(i，e)和Q＝<i，e_q>

其中，e_q具有与e相同的幅值，但是其相位相对于e延迟

即

$e_q=\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f\tilde{\sin }(\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})=-\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f\tilde{\cos }\mathrm{\&theta;}$

然后，有功功率和无功功率分别为

$P=\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f<i,\tilde{\sin }\mathrm{\&theta;}>$

$Q=-\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{M}_f{i}_f<i,\tilde{\cos }\mathrm{\&theta;}>---\left(9\right)$

注意，如果

(这将是在正弦稳态中的情况)，则

这些与有功功率和无功功率的传统定义是一致的(注意，系数3是因为存在三相)。当电压和电流同相时，即，当θ-φ＝0时，电压和电流的有效值的乘积给出有功功率P。当电压和电流的相位差为

时，该乘积给出无功功率Q。此外，电感器吸收具有正Q的无功功率(因为即，电压超前电流)，同时电容器生成具有负Q的无功功率(因为

即，电压滞后电流

)。当调节SG的有功功率和无功功率时，上面关于P和Q的两个公式非常重要。然而，无功功率的公式似乎还未完整地记录在文献中，并且无功功率还未被认为是SG模型的重要部分。

等式(6)可以写成

$\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}=\frac{D_p}{J}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}+\frac{1}{J}(T_m-T_e),$

其中，输入是机械转矩T_m，而根据(7)，电磁转矩T_e取决于i和θ。该等式与(7)、(8)和(9)一起被实现在图3所示的SSG的电部分中。因此，SSG的状态变量是i(其为实际电流)、θ和

(其是虚拟角度和虚拟角速度)。SSG的控制输入是T_m和M_fi_f。为了以有用的方式来操作SSG，需要产生信号T_m和M_fi_f的控制器，使得能够维持系统稳定性并且跟随有功功率和无功功率的期望值。在下一节中将讨论Q的重要性。

B、功率部分

可以根据图2中所示的逆变器的(局部负荷)端子v_a、v_b和v_c来获得(3)中给出的端电压v＝[v_a，v_b，v_c]^T。可以选择电感器的电感L_s和阻抗R_s以表示同步发电机的定子阻抗。操作逆变器中的开关，使得e_a、e_b和e_c在切换期间的平均值应该等于(8)中给出的e，并且因此不需要专门的脉冲宽度调制技术(PWM)。此外，图2示出了三相接口电感器L_g/R_g和断路器，以有助于与电网的同步/连接。

III、SSG的操作

A、有功功率的频率减弱和调节

与AC功率传输有关的术语“有功”功率和“无功”功率是众所周知的。在完整的AC周期内，导致能量的净转移的功率通量是有功功率。由在一个周期内(依靠电容、电感或等价物)被存储和返回源的能量引起的功率通量是无功功率。

对于同步发电机而言，转子速度由原动机维持，并且众所周知的是，阻尼因数D_p是由于机械摩擦等引起的。在实际的SG中，频率根据传送的有功功率而减弱(下降)。这对于现有的配电网是重要的，这是因为它导致SG分担负载。当有功功率需求增加时，原动机的速度下降。然后，原动机的速度调节系统增加机械功率，例如，加宽引擎的节流阀，使得实现新的功率平衡。该机制可以通过在将虚拟角速度

馈送到阻尼块D_p之前，将虚拟角速度

与例如诸如额定角速度

等角频率基准

进行比较来实现-参见图4(a)的上半部分。因此，阻尼因数D_p实际上表现为频率减弱系数，其被定义为转矩的所需改变ΔT与速度(频率)的改变

之比。即

$D_p=\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}=\frac{\mathrm{\&Delta;T}}{T_{\mathrm{mn}}}\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_n}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}\frac{T_{\mathrm{mn}}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_n}$

其中，T_mn是额定的机械转矩。注意，在大部分文献中，D_p被定义为

可以在除以额定机械速度

以后根据有功功率的设定点P_set来获得机械转矩T_m。这完成了有功功率的反馈回路；参见图4(a)的上半部分。因为内在的频率减弱机制，因此SSG自动地与连接到相同的总线上的具有相同类型的其它逆变器一起分担负载。功率调节回路非常简单，这是因为其不包括机械设备，并且不需要测量来进行有功功率调节(所有变量都是内部可得到的)。

图4(a)的上半部分中所示的有功功率(转矩)的调节机制具有级联的控制结构，该结构的内回路是频率回路，其外回路是有功功率(转矩)回路。频率回路的时间常数是

${\mathrm{\&tau;}}_f=\frac{J}{D_p}$

换言之，J可以被选择为

J＝D_pτ_f

因为频率减弱回路中不包括延迟，因此可以使时间常数τ_f远小于物理同步发电机的时间常数。为了保证频率回路具有快速的响应以使它可以快速地跟踪频率基准，因此应该使τ_f很小。因此，对于给定的频率减弱系数D_p而言，应该使J很小。这表明对于虚拟的物理同步发电机而言，不必具有较大的惯量，但是较大的惯量意味着可以存储更多的能量。换言之，SSG的能量存储功能可以并且应该与惯量分离。

B、无功功率的电压减弱和调节

可以类似地实现对从SSG流出的无功功率Q的调节。将电压减弱系数D_p定义为无功功率的所需变化ΔQ与电压变化Δv之比，即

$D_q=\frac{\mathrm{\&Delta;Q}}{\mathrm{\&Delta;\&upsi;}}=\frac{\mathrm{\&Delta;Q}}{Q_n}\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_n}{\mathrm{\&Delta;\&upsi;}}\frac{Q_n}{{\mathrm{\&upsi;}}_n}$

其中，Q_n是额定无功功率，其可以被选择为额定功率，v_n是端电压v的额定幅值。如图4(a)的下半部分所示，可以实现无功功率的调节机制。在添加到设定点Q_set与根据(9)计算的当前的无功功率Q之间的差值之前，诸如额定电压的幅度v_n等电压基准v_r与实际的端电压v的幅度v_m之间的差值通过电压减弱系数D_q被放大。然后，将由此产生的信号馈送到增益为

的积分器以产生M_fi_f(在此处，K是惯量J的两倍)。注意到由于无功功率是内部可得到的，因此无需测量无功功率Q非常重要。

如果LC滤波器18的作用被忽略或被补偿(其意味着v＝e)，则在图4(a)的下半部分中所示的无功功率的调节机制具有级联的控制结构。内回路是(幅值)电压回路，外回路是无功功率回路。电压回路的时间常数是

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&upsi;}}=\frac{K}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}{D}_q}\&ap;\frac{K}{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_n{D}_q}$

这是因为的变化非常小。因此，K可以被选择为

$\underset{\&OverBar;}{K={\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_n{D}_q{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&upsi;}}}$

端电压v是幅值v_m可以如下获得。假设v_a＝v_amsinθ_a、v_b＝v_bmsinθ_b和v_c＝v_cmsinθ_c，则

${\mathrm{\&upsi;}}_a{\mathrm{\&upsi;}}_b+{\mathrm{\&upsi;}}_b{\mathrm{\&upsi;}}_c+{\mathrm{\&upsi;}}_c{\mathrm{\&upsi;}}_a={\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{am}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{bm}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_a\sin {\mathrm{\&theta;}}_b+{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{bm}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{cm}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_b\sin {\mathrm{\&theta;}}_c+{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{cm}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{am}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_c\sin {\mathrm{\&theta;}}_a$

$=\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{am}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{bm}}}{2}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_a-{\mathrm{\&theta;}}_b)+\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{bm}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{cm}}}{2}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_b-{\mathrm{\&theta;}}_c)+\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{cm}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{am}}}{2}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_c-{\mathrm{\&theta;}}_a)$

$-\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{am}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{bm}}}{2}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_a+{\mathrm{\&theta;}}_b)-\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{bm}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{cm}}}{2}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_b+{\mathrm{\&theta;}}_c)-\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{cm}}{\mathrm{\&upsi;}}_{\mathrm{am}}}{2}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_c+{\mathrm{\&theta;}}_a)$

当端电压平衡时，即，当V_am＝V_bm＝V_cm＝V_m和

时，则上面的等式的最后三项平衡，从而具有两倍的频率。因此

${\mathrm{\&upsi;}}_a{\mathrm{\&upsi;}}_b+{\mathrm{\&upsi;}}_b{\mathrm{\&upsi;}}_c+{\mathrm{\&upsi;}}_c{\mathrm{\&upsi;}}_a=-\frac{3}{4}{\mathrm{\&upsi;}}_m^2$

并且实际的端电压v的幅值v_m可以获得如下

${\mathrm{\&upsi;}}_m=\frac{2}{\sqrt{3}}\sqrt{-({\mathrm{\&upsi;}}_a{\mathrm{\&upsi;}}_b+{\mathrm{\&upsi;}}_b{\mathrm{\&upsi;}}_c+{\mathrm{\&upsi;}}_c{\mathrm{\&upsi;}}_a)}$

在实际实施中，因为端电压可能未被平衡，因此需要低通滤波器来以双倍频率滤除波纹。这也应用于T_e和Q。

C、SSG及其同步的操作模式

如上所述，在正常工作条件下，SSG可以以与同步发电机相同的方式操作。在将SSG/SG连接到另一个SSG/SG或公共电网之前，与SSG或SG有关的重要过程是同步过程。该过程包括使端电压v与断网器22的另一侧上的电网电压v_g相同(近似相同)，这意味着相同的幅值、相同的频率和相同的相角。因为该过程涉及很多外部设备，因此这对于传统的SG而言不是一件容易实现的任务。对于本文中提出的SSG，因为所需的变量都是内部可得到的，因此这是相对容易的。可以经由图4的可控的多刀双掷(MPDT)开关30a和30b来实现操作模式从岛式模式(在SSG未连接到电网的情况下的操作模式)到电网连接式模式的改变来改变频率/电压基准，或者反之亦然，其中一掷对应于岛式模式(标记为i)，另一掷对应于电网连接式模式(标记为g)。无论SSG是工作在岛式模式还是电网连接式模式，MPDT开关30a和30b的状态是通过电网电压的存在以及模式开关的状态来确定的，其中，模式开关设置SSG的操作模式。参见表1的操作逻辑。模式开关的默认位置是“电网连接的”，并且当存在故障时其被转换为“岛式”。在电网连接式模式中，频率/电压基准被设置为电网电压v_g的相应值，并且产生相位θ的积分器、转子磁场与a相场之间的电角根据未打开断路器时的电网相位来重置。存在很多获得电网频率

和相位

的方式；其中一种方式是使用锁相环(PLL)，如在图4中的32处所示。可以根据(10)通过用v_g替换v来计算断路器的电网侧的电压v_g的幅值v_gm。在岛式模式下，基准被设置为相应的额定值。

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{\&tau;}}={\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_n;$ υ_r＝υ_n

当断路器上的电压很小时，SSG可以给操作员提供绿灯(向导)信号以打开断路器(其可以被设置为自动地打开)。断路器被允许在以下两种情况下打开：(1)当MPDT开关i_g被设置为掷g时，即，当电网电压存在并且模式开关处于电网连接式模式时；(2)当电网电压不存在并且模式开关处于岛式模式时，这允许并行操作多个逆变器(将在下面更详细地讨论)。

在打开断路器以后，当端电压的幅值被设置为跟随电网电压的幅值时，电压减弱机制消失，并且端电压幅值由电网确定。

表I

SSG的操作逻辑(真值表)

频率也跟随电网的频率。产生相位θ的积分器不再根据电网相位被重置，并且因此可以调节有功功率。多个SSG可以以相同的方式连接到电网。由于电网的存在，因此P_set和Q_set应该被设置在电网操作员所要求的值。在该情况下，局部负荷可以被连接到逆变器端子v_a、v_b和v_c，以形成微电网。为了使频率和电压跟随电网的频率和电压，选择较小的τ_f和τ_v是重要的。

如果不存在电网电压，则SSG工作在岛式模式下，并且由SSG传送的有功功率和无功功率是由负载确定的。如果一个以上的SSG被并联，则第一个投入运行的SSG工作时，模式开关被设置为“岛式”以建立系统频率和电压。注意，在该情况下，可以根据表1中设置的操作逻辑立即打开断路器，使得电压出现于断路器的另一侧上，这允许其它SSG与它同步并且在电网连接式模式下加入系统。在该情况下，由于所传送的功率是由局部负载确定的，P_set和Q_set应该被设置在θ。

D、一些实际问题

必须测量用于电压减弱的端电压v、用于计算.T_e P和Q的从逆变器流出的电流i以及用于同步的电网电压v_g。整个SSG是由图2所示的功率部分以及图4(a)和图4(b)所示的整个电子部分组成，其中图4(a)和图4(b)可以经由

θ_g和υ_r来相互连接。可以看出，额定角频率

知电压(幅值)v_n都是在系统中经由频率基准和电压基准v_r来设置的。复位结构被添加到积分器，从而产生θ以防止在正常工作条件下的数值溢出，并且获得与在同步期间的电网电压相同的相位。当电网电压经过(cross)θ时，SSG的相位可以被重置为0，这对于实际的同步发电机是不可能的。另一个重要的机制是将常数相移θ_c与相位θ相加，使得PWM开关过程中的延迟与LC滤波器的相移可以被补偿，这使得在同步期间v与v_g之间的相位差是最小的。可以在微控制器中实现SSG的电部分(这是通常的情况)，因此当SSG在不同的模式下工作时可能使用不同的D_p(D_q)和J(K)值。

选择D_p和J的一些准则是：(1)D_p应该被选择为满足频率调节要求；(2)J应该被选择为达到期望的频率回路的时间常数τ_t。

选择D_q和K的一些准则是：(1)D_q应该被选择为满足电压调节要求；(2)K应该被选择为达到期望的电压回路的时间常数τ_v。

对于相对较小的逆变器而言，D_p和(D_q)应该被选择为使得有功功率和无功功率的整个阶跃变化不应该引起频率和电压的显著变化。

表II

逆变器-无限总线系统的参数

IV、仿真结果

已经使用仿真来验证上面所描述的想法。表II中给出了用于进行仿真的逆变器的参数。

频率减弱系数被选择为D_p＝0.2432，使得当转矩(功率)增加100％时频率下降0.5％。虚拟惯量被选择为J＝0.01，使得空载时间常数大约为τ_f＝0.04秒。在7.4中使用Simulink^TM来进行仿真。仿真中所使用的求解器是ode23tb，其相对公差为10^-3，并且最大步长为10^-4秒。

A、电网连接式模式：没有电压减弱

经由断路器和升压变压器将逆变器连接到电网。在该情况下，D_q＝0。在t＝1秒时，将SSG连接到电网。在t＝2秒时，通过适当地设置P_set来施加有功功率P＝80W，并且在t＝3.5秒时，通过Q_set来施加无功功率Q＝60Var。在该仿真中，LC滤波器和对接的电感器的模型被包括在控制算法中，使得可以假设逆变器一直被虚拟地连接到控制器内的电网中(尽管在t＝1秒之前逆变器物理上未被连接到电网)。

的初始状态被设置为100π。在任何有功功率被施加之前，减弱系数D_p被减小为其原值的1％，并且惯量减小，使得在逆变器被连接到电网之前，空载时间常数约为2个周期。

图5中示出了SSG频率的响应。SSG在约10个周期内与电网快速地同步。当SSG在t＝1秒被连接到电网之后，不存在明显的变化。当要求SSG将80W的有功功率传送到电网时，SSG的频率增加并且在约20个周期以后，恢复到电网频率50Hz。当要求SSG将60Var的无功功率传送到电网时，SSG的频率略微减小，然后快速地恢复到电网频率。

图6中示出了SSG的输出功率。在同步期间，在功率中存在一些振荡(其处于控制器的内部，由于断路器还未打开因此其不会引起任何问题)。在要求SSG传送功率之前(即，在t＝2秒之前)，有功功率和无功功率为0。然后，传送到电网的有功功率逐渐增加到设定点80W。在该瞬时过程，SSG最初从电网获得无功功率，然后恢复正常。在t＝3.5秒时，由SSG传送的无功功率逐渐增加到设定点60Var。在此期间，有功功率略微增加，但是然后非常快地恢复到设定点80W。

B、岛式模式：具有电压减弱

在该情况下，P_set和Q_set被设置为0，并且D_q＝144.0876，使得如果无功功率改变100％，则电压改变5％。通过设置R_g＝10000Ω和L_g＝0，来仿真岛式模式。当t＝2秒时，与C并联的电阻R被减小为5Ω，并且在t＝3.5秒时，C被增加到660μF。在t＝0.1秒之前，即，在电压v建立之前，电流i未被馈送到系统。

图8(a)示出了频率曲线。当在t＝2秒时施加了有功功率之后，频率减小为49.855Hz，当无功负载被施加以后，频率被进一步减小为49.842Hz。图8(b)示出了有功功率和无功功率。负载的改变在曲线中引起一些快速的振荡(尖峰)。图8(c)示出了端电压的幅度。虽然当负载改变时电压中存在一些快速的振荡(尖峰)，但是电压非常快地落入接近额定值的范围内。

Claims (23)

1.一种用于逆变器的控制设备，所述控制设备实现同步发电机的模型，所述控制设备包括：

变量，其表示虚拟发电机转子的角位置和旋转速度，

逻辑，其用于根据所测量的逆变器的输出电流和表示虚拟激励电流的变量来计算作用于所述虚拟发电机转子的虚拟电磁转矩，

逻辑，其用于根据所述虚拟电磁转矩和表示施加到所述虚拟发电机转子的虚拟驱动转矩的至少一个变量以及表示所述转子的虚拟惯量的参数来计算所述虚拟转子的所述旋转速度，以及

逻辑，其用于根据表示所述虚拟发电机转子的角位置和旋转速度的变量和表示所述激励电流的变量来计算控制信号，所述控制信号用于控制所述逆变器产生与所述虚拟同步发电机的输出对应的AC输出，

所述控制设备还包括：

逻辑，其实现第一反馈回路，在所述第一反馈回路中，所述虚拟发电机转子的旋转速度与基准旋转速度的偏离被检测并且被用于调整所述虚拟驱动转矩，从而调节所述虚拟发电机转子的所述角速度，并且因此调节来自所述逆变器的所述AC输出的频率和由所述逆变器供应的有功功率。

2.根据权利要求1所述的控制设备，还包括：

逻辑，其实现第二反馈回路，在所述第二反馈回路中，所测量的逆变器的输出电压与基准值的偏离被检测并且被用于调整所述虚拟激励电流，从而调节所述逆变器的输出电压。

3.根据权利要求2所述的控制设备，其中，无功功率与基准水平的偏离被检测并且被用于在所述第二反馈回路中调整所述虚拟激励电流，从而调节由所述逆变器供应的无功功率。

4.根据前面任意一项权利要求所述的控制设备，其中，所述第一反馈回路接收作为输入的额定的虚拟驱动转矩，所述额定的虚拟驱动转矩被添加到通过所述反馈回路提供的所述虚拟驱动转矩的校正值，以形成所述虚拟驱动转矩，并且被添加到所述虚拟电磁转矩，以确定作用于所述虚拟发电机转子的总虚拟转矩。

5.根据权利要求4所述的控制设备，其中，作用于所述虚拟转子的所述总虚拟转矩被积分并且除以虚拟转子动量，以确定所述虚拟发电机转子的旋转速度。

6.根据权利要求5所述的控制设备，其中，所述虚拟发电机转子的旋转速度与对应于所述逆变器的期望的AC输出频率的基准旋转速度之间的差值乘以频率减弱系数，以形成所述虚拟驱动转矩的校正值。

7.根据权利要求4至6中的任意一项所述的控制设备，其中，所述额定虚拟驱动转矩是通过将表示期望的逆变器的实际输出功率的输入除以表示所述AC逆变器输出的所述角速度的值来确定的。

8.根据前面任意一项权利要求所述的控制设备，其中，所述虚拟电磁转矩被计算为所测量的逆变器输出电流、所述虚拟激励电流和所述虚拟发电机转子的所述角位置的正弦或余弦函数的乘积。

9.根据前面任意一项权利要求所述的控制设备，其中，所述逆变器被控制以提供根据所述同步发电机的所述模型确定的交变输出电压。

10.根据权利要求9所述的控制设备，其中，待由所述逆变器提供的所述交变输出电压被计算为所述虚拟发电机转子的所述旋转速度、所述虚拟激励电流和所述虚拟发电机转子的所述角位置的正弦或余弦函数的乘积。

11.根据权利要求10所述的控制设备，其中，用于控制所述逆变器的所述控制信号被脉冲宽度调制，以使所述逆变器提供所计算的交变输出电压。

12.根据权利要求2或权利要求3或者附属于权利要求2或权利要求3的随后的任意一个权利要求所述的控制设备，其中，在所述第二反馈回路中，无功功率与其基准水平之间的差值被添加到表示所测量的逆变器输出电压与其基准值的偏离的电压减弱变量，并且被积分以建立所述虚拟激励电流。

13.根据权利要求12所述的控制设备，其中，所述电压减弱变量是通过将所测量的逆变器输出电压与其基准值的偏离乘以电压减弱系数来建立的。

14.根据权利要求13所述的控制设备，其中，所测量的逆变器输出电压是所述逆变器的AC输出的幅值。

15.根据前面任意一项权利要求所述的控制设备，该控制设备用于控制将被连接到配电网的逆变器，所述控制设备包括：

一设备，所述设备用于检测所述配电网的AC频率并且使用所述AC频率来形成基准旋转速度，所述基准旋转速度在所述第一反馈回路中使用以控制所述虚拟发电机转子的旋转速度。

16.根据权利要求15所述的控制设备，还包括：

一设备，所述设备用于检测所述配电网的AC相位、并且用于在将所述逆变器连接到所述电网之前重置所述虚拟发电机转子的角位置以匹配所述电网的相位。

17.根据权利要求16所述的控制设备，其中，所述配电网的频率和相位是使用锁相环获得的。

18.一种用于调节来自电源的电功率的供应的装置，所述装置包括：

根据前面的任意一项权利要求所述的可操作地连接到逆变器的控制设备，并且所述逆变器具有可经由断路器连接到供电网的至少一个输出线。

19.根据权利要求18所述的装置，包括：

LC平滑电路，其被连接在所述逆变器与所述断路器之间。

20.根据权利要求18或权利要求19所述的装置，还包括：

耦合电感，其串联在所述逆变器与所述断路器之间。

21.一种用于控制逆变器的方法，包括通过以下操作来对同步发电机进行建模：

通过使用数字变量来表示虚拟发电机转子的角位置和旋转速度，

测量所述逆变器的输出电流，

根据测量的逆变器输出电流和表示虚拟激励电流的变量来计算作用于所述虚拟发电机转子的虚拟电磁转矩，

根据所述虚拟电磁转矩和表示施加到所述虚拟发电机转子的虚拟驱动转矩的至少一个变量以及表示所述转子的虚拟惯量的参数，来计算所述虚拟转子的旋转速度，以及

根据表示所述虚拟发电机转子的角位置和旋转速度的所述变量和表示所述激励电流的所述变量来计算控制信号，所述控制信号用于控制所述逆变器以产生与所述虚拟同步发电机的输出对应的AC输出，

实现第一反馈回路，在所述第一反馈回路中，所述虚拟发电机转子的旋转速度与基准旋转速度的偏离被检测，并且所述偏离被用于调整所述虚拟驱动转矩，从而调节所述虚拟发电机转子的旋转速度，并且因此调节来自所述逆变器的所述AC输出的频率和由所述逆变器供应的有功功率。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

实现第二反馈回路，在所述第二反馈回路中，测量的逆变器输出电压与基准值的偏离被检测，所述偏离用于调整所述虚拟激励电流，从而调节所述逆变器输出电压。

23.根据权利要求23所述的方法，其中，无功功率与基准水平的偏离被检测，并且所述偏离被用于在所述第二反馈回路中调整所述虚拟激励电流，从而调节由所述逆变器供应的无功功率。

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