CN104578173A - 一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，属于分布式发电系统并网研究领域。所用技术方案为：模拟常规同步发电机组有功功率控制方法计算获得并网逆变器相电压相位值；模拟常规同步发电机组无功功率控制方法计算获得并网逆变器相电压幅度值；根据逆变器相电压相位值及逆变器相电压幅度值计算出三相电压参考值，再根据检测得到的直流侧电压计算出三相调制波，将三相调制波与载波比较得到六个开关信号，控制主电路中开关器件的关断和导通。发明利用自身控制环节信号来实现系统阻尼及有功功率-频率下垂控制，无需检测电网频率。该方法简化了控制结构，避免了频率检测环节引起的问题。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

Description

一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法

技术领域

本发明属于可再生能源及分布式发电系统并网研究技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法。

背景技术

自上世纪70年代以来，能源与环保逐渐成为世界主流关注的焦点之一。随着能源消耗的不断增加及其传统能源的不断减少，新能源的发展引起了全社会的广泛关注及推动，其中，光伏发电及风力发电具有便于大规模利用和较低的成本的优点，因而在近年来获得了迅猛的发展。

然而基于现有控制方式下新能源发电设备的稳定运行依赖于强电网，而我国大规模新能源多处于电网末端，电网强度较弱，主要表现为同步电源少、输电线路长，导致新能源并网点电压幅值及频率易受有功、无功功率的影响，从而影响新能源发电设备的稳定运行，进而影响电网的稳定。近年来有学者提出虚拟同步发电机技术(VSG)，即改进现有新能源发电并网逆变器控制策略，附加储能装置，模拟常规同步发电机组特性，使其具有惯性、同步/阻尼转矩、电压及频率下垂调节特性、平滑新能源出力及抑制功率波动。

现有虚拟同步发电机控制方法均需要设计锁相环检测电网频率实现阻尼转矩及有功功率-频率下垂控制，增加了控制复杂度，同时电网频率的检测误差将引起有功功率参考值及实际有功输出误差，较大的有功输出误差可能使电网频率偏移，不利于频率的稳定性。

以下给出检索的相关文献：

[1]J Driesen，K Visscher.Virtual Synchronous Generators[A].In 2008 IEEEPower and Energy Society General Meeting—Conversion and Delivery ofElectrical Energy in the 21st Century[C].2008：1—3.

[2]Tom Loix.Participation of Inverter-connected Distributed EnergyResources in Grid Voltage Contro1.[D].Leuven:Katholieke Universiteit.2011.

[3]Q.C.Zhong,G.Weiss,Synchronverter:Inverters that Mimic SynchronousGenerators,IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(4),Page(s):1259–1267.

[4]Fang Gao,M.Reza Iravani.A Control Strategy for a DistributedGeneration Unit in Grid-Connected and Autonomous Modes of Operation,IEEETransactions on Power Delivery,2008,23(2),Page(s):850–859.

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，该控制方法无需锁相环检测电网就能实现阻尼转矩及有功功率-频率下垂控制，简化了控制结构，避免频率检测误差引起的扰动，增强了电网的稳定性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，包括以下步骤：

1)模拟常规同步发电机组有功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压相位值；

2)模拟常规同步发电机组无功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压幅度值；

3)根据步骤1)和步骤2)获得的逆变器相电压相位值及逆变器相电压幅度值计算出三相电压参考值，再根据检测得到的直流侧电压U_dc计算出三相调制波，将三相调制波与载波比较得到六个开关信号，控制主电路中开关器件的关断和导通。

步骤1)所述并网逆变器相位值的计算具体操作步骤如下：

步骤一，设定VSG角频率参考值w_ref，以VSG角频率w作为频率反馈，由式(1)计算电磁转矩参考值M_ref；

M_ref＝(w_ref-w)K_p+M₀ (1)

其中，K_p为阻尼系数，M₀为初始转矩；

步骤二，根据测量得到的三相电流i_a、i_b、i_c及三相电压e_a、e_b、e_c，计算输出的有功功率P_el，再利用VSG角频率w，通过式(2)计算电磁转矩反馈M_el：

$M_{\mathrm{el}}=\frac{P_{\mathrm{el}}}{w}=\frac{e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c}{w}---\left(2\right)$

步骤三，将t时刻的VSG角频率加速度经过一阶惯性环节处理，如式(3)，得到阻尼转矩ΔM；

$\mathrm{\ΔM}=\frac{K_d}{1+T_{d}s}\stackrel{\·}{w}---\left(3\right)$

其中，K_d为阻尼系数，T_d为时间常数，s表示拉普拉斯算子；

步骤四，利用步骤一得到的电磁转矩参考值M_ref，步骤二得到的电磁转矩反馈M_el及步骤三得到的阻尼转矩ΔM，按照式(4)计算得到t'时刻VSG角频率加速度

${\stackrel{\·}{w}}^{\′}=(M_{\mathrm{ref}}-M_{\mathrm{el}}-\mathrm{\ΔM})/J---\left(4\right)$

其中，J为虚拟转动惯量；

步骤五，将VSG角频率加速度进行积分，得到角频率w，再将角频率w进行积分，得到逆变器相电压相位θ。

步骤2)所述并网逆变器相电压幅度值的计算具体操作如下：

步骤一，设定电压幅度参考值v_ref，检测并网点电压幅度v_amp，按照式(5)计算无功参考值Q_ref：

Q_ref＝(v_ref-v_amp)D_q+Q₀ (5)

其中，D_q为无功下垂系数，Q₀为初始无功值；

步骤二，根据三相电流及三相电压计算输出的无功Q，将步骤一得到的无功参考值Q_ref减去输出的无功Q，得到无功误差ΔQ，将无功误差ΔQ进行积分后再乘以积分系数K_Q，得到相电压幅度E₀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法通过模拟常规同步发电机组有功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压相位值，同时模拟常规同步发电机组无功功率控制方法，计算得到逆变器相电压的幅度值，通过计算得到的结果再计算出三相电压参考值，然后根据检测得到的直流侧电压U_dc计算出三相调制波，将三相调制波与载波比较得到六个开关信号，控制主电路中开关器件的关断和导通。本发明方法通过在控制过程中，模拟传统同步发电机的惯性和阻尼特性，实现稳定的功率输出和保持与电网同步。该方法利用自身控制环节信号来实现系统阻尼及有功功率-频率下垂控制，无需锁相环检测电网频率。该方法避免了电网频率检测误差引起的VSG有功功率输出误差可能导致的电网频率偏移，使得VSG抗干扰能力更强，有利于电网的稳定性，能够简化控制结构。从仿真及实验结果可以看到，本发明方法在无需检测电网频率时仍然能实现虚拟同步发电机技术的控制效果。

进一步地，本发明方法将VSG角频率w作为频率反馈，而非锁相环检测的电网角频率w_grid。VSG角频率w始终自动跟随电网角频率w_grid，因此将VSG角频率w作为角频率反馈也能实现有功功率-频率下垂控制。

进一步地，本发明方法中的阻尼转矩ΔM由VSG角频率加速度经过一阶惯性环节得到，这种形式的阻尼转矩ΔM同样可以使得系统稳定以及实现VSG与电网的自同步。

附图说明

图1为虚拟同步发电机(VSG)主电路图；

图2为本发明中有功控制原理图；

图3为本发明中有功控制环小信号模型图；

图4为本发明中有功环及无功环控制原理图；

图5为本发明中所设计参数对应的有功控制环回路增益波特图；

图6为本发明中所设计参数对应的电磁转矩阶跃响应图；

图7为本发明中有功阶跃响应仿真结果图；

图8为本发明中有功阶跃响应实验结果图；

图9为本发明中有功功率-频率下垂控制仿真结果图；

图10为本发明中有功功率-频率下垂控制实验结果图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，为虚拟同步发电机(VSG)主电路，逆变器通过电感并网。

参见图2，为有功控制原理图，图中M_ref为电磁转矩参考值，M_el为VSG电磁转矩反馈，J为虚拟转动惯量；w,分别为VSG角频率及角频率加速度；K_d,T_d分别为阻尼系数及时间常数；θ为VSG相位角。参见图3，为其小信号模型，δ为功角，E、U分别为VSG端口电压、电网电压的有效值，X_L为滤波电感电抗。

本发明提出的基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，其结构框图如图4所示，包括以下步骤：

模拟常规同步发电机组有功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压相位值：

步骤一，设定VSG角频率参考值w_ref，以VSG角频率w作为频率反馈，再根据阻尼系数K_p及初始转矩M₀计算电磁转矩参考值M_ref；

M_ref＝(w_ref-w)K_p+M₀ (1)；

步骤二，根据测量得到的三相电流(i_a、i_b、i_c)及电压(e_a、e_b、e_c)计算输出的有功功率P_el，再利用VSG角频率w计算电磁转矩反馈M_el；

$M_{\mathrm{el}}=\frac{P_{\mathrm{el}}}{w}=\frac{e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c}{w}---\left(2\right);$

步骤三，将VSG角频率加速度经过一阶惯性环节得到阻尼转矩ΔM；

$\mathrm{\ΔM}=\frac{K_d}{1+T_{d}s}\stackrel{\·}{w}---\left(3\right)$

其中，K_d为阻尼系数，T_d为时间常数，s表示拉普拉斯算子；

步骤四，利用步骤一、二、三计算的电磁转矩参考值M_ref、电磁转矩反馈M_el、阻尼转矩ΔM及虚拟转动惯量J计算VSG角频率加速度

$\stackrel{\·}{w}=(M_{\mathrm{ref}}-M_{\mathrm{el}}-\mathrm{\ΔM})/J---\left(4\right);$

步骤五，将角频率加速度进行积分得到角频率w，再将角频率w进行积分得到相位θ；

模拟常规同步发电机组无功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压幅度值：

步骤六，设定电压幅度参考值v_ref，检测并网点电压幅度v_amp，再根据无功下垂系数D_q及初始无功Q₀计算无功参考值Q_ref；

Q_ref＝(v_ref-v_amp)D_q+Q₀ (5)；

步骤七，根据三相电流及电压计算输出的无功Q，将步骤六得到的无功参考值Q_ref减去输出的无功Q得到无功误差ΔQ，将无功误差ΔQ进行积分后再乘以积分系数K_Q得到相电压幅度E₀；

步骤八，根据步骤五及步骤七得到的相位θ及相电压幅度E₀计算出三相电压参考值，再根据检测的直流侧电压U_dc计算出三相调制波，与载波比较得到六个开关信号，控制主电路中开关器件的关断和导通。

控制参数的设计应使得系统稳定及响应性能良好，将穿越频率设计为1Hz、相位裕度为90°左右，参见图5，为相应的有功控制环回路增益波特图。参见图6，为相应的电磁转矩阶跃响应图，系统第一次达到稳态值时间为0.6s左右，与设计的穿越频率(1Hz)一致。由于设计的相位裕度足够大，因此超调量很小，t＝5s后响应进入稳态。

利用本发明给出的基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，在Matlab/Simulink平台及实验平台均完成了验证，结果如下：

参见图7，为本发明中有功阶跃响应仿真结果，电网频率恒定在50Hz，t<7s时VSG保持在稳态，M_ref＝M₀＝M_e0＝_l.，VSG与电网同步，w＝w_gri＝_d50*π2＝31。t＝7s时，将M₀从0.2突变到1.0，因此M_ref也从0.2突变到1.0，由于电磁转矩参考值M_ref增加，暂态下VSG角频率w大于电网角频率w_grid，功角增大，输出有功功率P_el及电磁转矩M_el跟随参考值变化，上升时间约为0.6s，与参数设计一致。

参见图8，为本发明中有功阶跃响应实验结果，与仿真结果一致，M_ref跟随M₀从0.2增大到1.0，VSG相电流及输出有功功率随之调整。

参见图9为本发明中有功功率-频率下垂控制仿真结果，t<7s时电网频率为50Hz，t＝7s时使电网频率从50Hz瞬时跌落到49.9Hz。图9中的上波形表明VSG频率能跟随电网频率下降，由于频率下降时，M_ref增大，图9下的波形表明电磁转矩M_el跟随其参考值M_ref增大，输出有功功率P_el增加，对频率跌落起支撑作用。

图10为本发明中有功功率-频率下垂控制实验结果，与仿真结果一致，频率下降时，M_ref增大，VSG相电流及输出有功功率增大，支撑频率跌落。

综上所述，从仿真及实验结果中可以看到，本发明的控制方法能有效调节逆变器的输出功率并且与电网保持同步，在不检测电网频率时也能自动跟随电网频率调整有功输出，实现虚拟同步发电机的控制效果。8 -->

Claims (3)

1.一种基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)模拟常规同步发电机组有功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压相位值；

2)模拟常规同步发电机组无功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压幅度值；

3)根据步骤1)和步骤2)获得的逆变器相电压相位值及逆变器相电压幅度值计算出三相电压参考值，再根据检测得到的直流侧电压U_dc计算出三相调制波，将三相调制波与载波比较得到六个开关信号，控制主电路中开关器件的关断和导通。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，其特征在于，步骤1)所述并网逆变器相位值的计算具体操作步骤如下：

步骤一，设定VSG角频率参考值w_ref，以VSG角频率w作为频率反馈，由式(1)计算电磁转矩参考值M_ref；

M_ref＝(w_ref-w)K_p+M₀ (1)

其中，K_p为阻尼系数，M₀为初始转矩；

步骤二，根据测量得到的三相电流i_a、i_b、i_c及三相电压e_a、e_b、e_c，计算输出的有功功率P_el，再利用VSG角频率w，通过式(2)计算电磁转矩反馈M_el：

$M_{\mathrm{el}}=\frac{P_{\mathrm{el}}}{w}=\frac{e_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c}{w}---\left(2\right)$

步骤三，将t时刻的VSG角频率加速度经过一阶惯性环节处理，如式(3)，得到阻尼转矩ΔM；

$\mathrm{\&Delta;M}=\frac{K_d}{1+T_{d}s}\stackrel{.}{w}---\left(3\right)$

其中，K_d为阻尼系数，T_d为时间常数，s表示拉普拉斯算子；

步骤四，利用步骤一得到的电磁转矩参考值M_ref，步骤二得到的电磁转矩反馈M_el及步骤三得到的阻尼转矩ΔM，按照式(4)计算得到t'时刻VSG角频率加速度

${\stackrel{.}{w}}^{\&prime;}=(M_{\mathrm{ref}}-M_{\mathrm{el}}-\mathrm{\&Delta;M})/J---\left(4\right)$

其中，J为虚拟转动惯量；

步骤五，将VSG角频率加速度进行积分，得到角频率w，再将角频率w进行积分，得到逆变器相电压相位θ。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机技术的逆变器并网控制方法，其特征在于，步骤2)所述并网逆变器相电压幅度值的计算具体操作如下：

步骤一，设定电压幅度参考值v_ref，检测并网点电压幅度v_amp，按照式(5)计算无功参考值Q_ref：

Q_ref＝(v_ref-v_amp)D_q+Q₀ (5)

其中，D_q为无功下垂系数，Q₀为初始无功值；

步骤二，根据三相电流及三相电压计算输出的无功Q，将步骤一得到的无功参考值Q_ref减去输出的无功Q，得到无功误差ΔQ，将无功误差ΔQ进行积分后再乘以积分系数K_Q，得到相电压幅度E₀。