CN104701886A - 一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法，包括如下步骤：获得三相电网电压幅值V_g，三相电网电压频率ω_g和三相电网电压相角θ_g；获得逆变器输出电压幅值V_o，逆变器输出电压频率ω_o和逆变器输出电压相角θ_o；切入频率反馈积分环节；切入电压反馈积分环节；切入比例积分调节器Ⅲ；闭合并网开关，使虚拟同步发电机接入电网。采用本发明提供的技术方案可以保证虚拟同步发电机并网前其输出电压的频率、幅值、相位与电网电压均相同，从而实现并网瞬间冲击电流小，保证逆变器平滑友好并网。

Description

一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法。

背景技术

随着化石类能源的枯竭和环境保护意识的提高，基于可再生能源的分布式发电系统得到了迅速的发展。然而随着分布式发电在电力系统中的比重逐渐增加，分布式发电对电力系统的影响不可忽略。为了提升电网对分布式能源的接纳能力，可以采用个虚拟同步发电机技术，即通过控制使得并网逆变器模拟同步发电机的惯性、一次调频、一次调压及励磁调节特性，使得分布式电源与同步发电机一样，能主动参与到电网的功率调节中去，从而提高整个电网的稳定性。

图1为虚拟同步发电机结构图，其包括直流输入电源V_in，三相逆变桥，LC滤波器。其中v_Ca，v_Cb，v_Cc为逆变器三相输出电压，i_La，i_Lb，i_Lc为三相逆变器侧电感电流，i_ga，i_gb，i_gc为三相逆变器进网电流，v_ga，v_gb，v_gc为三相电网电压。采样三相输出电压v_C和三相进网电流i_g进行功率计算，得到逆变器输出的有功功率和无功功率，将计算得到的有功功率和无功功率送入虚拟同步发电机控制器中，由虚拟同步发电机控制器得到三相调制波e_a，e_b，e_c，将三相调制波送入PWM调制器中，得到逆变器各个功率开关管的驱动信号。

图2为图1中的虚拟同步发电机控制器的具体控制框图。图2的上半部分为有功功率的控制，其中P_set为有功功率给定，P_e为虚拟同步发电机的实际有功功率，ω_n为额定频率。有功功率控制环路模拟同步发电机一次调频及惯性环节，包含有功(频率下垂控制(图2及下文D_p代表频率下垂系数)和虚拟转动惯性控制(J代表虚拟转动惯量)。图2的下半部分为无功功率的控制，其中Q_set为无功功率给定，Q_e为虚拟同步发电机的实际无功功率。V_n为额定电压幅值。无功功率控制环路模拟同步发电机的一次调压及电磁关系，包含无功(电压下垂控制(电压下垂系数为D_q)和励磁调节控制(励磁积分增益为1/K)。由有功功率控制和无功功率控制得到调制波e的频率参考ω、幅值参考E和相位参考θ。调制波e通过PWM环节控制图1中各开关管的通断来使逆变器输出三相对称电压。

然而，图2仅给出了虚拟同步发电机并入电网后稳态运行的控制框图，并没有说明虚拟同步发电机从离网到并网的切换过程。需要指出的是，采用图2所示的控制框图仅仅使虚拟同步发电机在控制上模拟同步发电机的外特性，其主电路仍然是由脆弱的电力电子器件组成，与实际的同步发电机相比，其抗过压过流能力弱。若虚拟同步发电机采用传统的同步发电机拖入同步的方法并入电网，则在并网瞬间冲击电流过大，会对逆变器开关器件以及磁性元件造成损害。因此需要提供一种预同步控制策略，使得虚拟同步发电机可以友好并网。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法，采用本发明提供的技术方案可以保证虚拟同步发电机并网前其输出电压的频率、幅值、相位与电网电压均相同，从而实现并网瞬间冲击电流小，保证虚拟同步发电机逆变器平滑友好并网。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)获得三相电网电压幅值V_g，三相电网电压频率ω_g和三相电网电压相角θ_g；

(2)获得逆变器输出电压幅值V_o，逆变器输出电压频率ω_o和逆变器输出电压相角θ_o；

(3)切入频率反馈积分环节；

(4)切入电压反馈积分环节；

(5)切入比例积分调节器Ⅲ；

(6)闭合并网开关，使虚拟同步发电机接入电网；

(7)切出频率反馈积分环节、电压反馈积分环节与相位调节器；缓慢增加虚拟同步发电机有功功率参考值P_set，控制虚拟同步发电机输出功率缓慢增加；

(8)待虚拟同步发电机有功功率参考值P_set增加至额定值后，将频率参考基准从电网电压频率ω_g切换为虚拟发电机的额定频率ω_n，电压参考基准从V_g切换为额定电压幅值V_n。

进一步地，所述步骤(1)中，通过电压传感器得到三相电网电压v_ga，v_gb和v_gc，利用锁相环算法得到三相电网电压幅值V_g，三相电网电压频率ω_g和三相电网电压相角θ_g；

所述步骤(2)中，通过电压传感器得到逆变器输出电压v_Ca，v_Cb和v_Cc，利用锁相环算法得到逆变器输出电压幅值V_o，逆变器输出电压频率ω_o和逆变器输出电压相角θ_o。

进一步地，所述步骤(3)中，将虚拟同步发电机的频率参考由额定频率ω_n替换为三相电网电压频率ω_g，同时在有功频率下垂环节中加入频率反馈积分环节，并切入频率反馈积分环节；

所述频率反馈积分环节为增益K₁的积分环节，其作为调节器的积分部分，利用D_p作为调节器的比例部分，组成比例积分调节器Ⅰ，使得虚拟同步发电机的频率ω能够无静差地跟踪上三相电网电压频率ω_g；所述比例积分控制调节器Ⅰ为电压调节器。

进一步地，所述步骤(4)中，将虚拟同步发电机的电压幅值参考由额定电压幅值V_n替换为电网电压的幅值V_g，同时在无功电压下垂环节中加入电压反馈积分环节，并切入电压反馈积分环节；

所述电压反馈积分环节为增益K₂的积分环节，其作为调节器的积分部分，利用D_q作为调节器的比例部分，组成比例积分调节器Ⅱ，使得虚拟同步发电机的输出电压幅值E能够无静差地跟踪上电压电网电压幅值V_g；所述比例积分控制调节器Ⅱ为电压调节器。

进一步地，所述步骤(5)中，将电网电压的相角θ_g与逆变器输出电压相角θ_o做差，得到相角差Δθ，将Δθ输入到比例积分调节器Ⅲ中，将比例积分调节器的输出叠加到虚拟同步发电机的输出频率中；

所述比例积分调节器Ⅲ为相位调节器，所述相位调节器的输出与频率调节器的输出频率之和通过积分得到虚拟同步发电机的相位，以保证虚拟同步发电机输出电压的相位无静差地跟踪电网电压的相位。

进一步地，所述步骤(6)中，保证虚拟同步发电机输出电压与电压电网电压频率相等、幅值相等、相位相同后闭合并网开关，接入电网。

进一步地，所述虚拟同步发电机最初状态为P_set＝0，Q_set＝0，ω_r＝ω_n，V_r＝V_n，并网开关断开；当进行所述预同步控制时，并网开关闭合，虚拟同步发电机从离网切换至并网；其中：P_set表示虚拟同步发电机有功功率参考值，Q_set表示虚拟同步发电机无功功率参考值＝0，ω_r表示虚拟同步发电机频率参考值，V_r表示虚拟同步发电机电压幅值参考值。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明在原有虚拟同步发电机控制结构的基础上，嵌入预同步控制算法来实现预同步的功能，可以保证虚拟同步发电机并网前其输出电压的频率、幅值、相位与电网电压均相同，从而实现并网瞬间冲击电流小，能快速准确地实现预同步，从而实现虚拟同步发电机的平滑友好并网。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的虚拟同步发电机结构图；

图2是现有技术的虚拟同步发电控制器控制框图；

图3是本发明提供的锁相环控制框图；

图4是本发明提供的加入预同步控制策略后的虚拟同步发电控制器控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提供基于虚拟同步发电机的预同步控制方法，采用基于虚拟同步发电机的预同步控制方法可以保证虚拟同步发电机并网前其输出电压的频率、幅值、相位与电网电压均相同，从而实现并网瞬间冲击电流小，保证逆变器平滑友好并网。本发明采用的硬件电路与现有的虚拟同步发电机硬件部分相同，如图1所示。但是对控制方法进行了改进，在现有的虚拟同步发电机控制结构基础上加入了预同步控制，如图4所示。具体改进如下：

(1)对于频率的调节，由于原始的虚拟同步发电机控制结构以频率下垂系数D_p作为比例调节器，则频率调节环路的低频段增益不够高，虚拟同步发电机的频率ω不能无静差地跟踪上电网频率ω_g。因此，作为改进，现加入增益为K₁的积分器(本发明称之为频率反馈积分环节)作为调节器的积分部分，利用D_p作为调节器的比例部分，组成比例积分(proportionintegration，PI)调节器Ⅰ，这样可使得虚拟同步发电机的频率ω能够无静差地跟踪上电网频率ω_g。

(2)对于电压幅值的调节，由于原始的虚拟同步发电机控制结构以电压幅值下垂系数D_q作为比例调节器，则电压幅值调节环路的低频段增益不够高，虚拟同步发电机输出电压的幅值E不能无静差地跟踪上电网电压的幅值V_g。因此，作为改进，现加入增益为K₂的积分器(本发明称之为电压反馈积分环节)作为调节器的积分部分，利用D_q作为调节器的比例部分，组成比例积分调节器Ⅱ(PI调节器)，使得虚拟同步发电机的输出电压幅值E能够无静差地跟踪上电网电压幅值V_g。

(3)对于相位的调节，本发明的改进如下：将电网电压相位θ_g减去虚拟同步发电机输出电压相位θ_o，将差值送入比例积分调节器Ⅲ(PI调节器，本发明称之为相位调节器)，PI调节器的输出与频率调节器的输出频率相加，其和通过积分得到虚拟同步发电机的相位。这样就可以保证虚拟同步发电机输出电压的相位无静差地跟踪电网电压的相位。

(4)同时，由于该改进的控制结构需要电网电压的信息(包括电网电压的幅值V_g，电网电压的频率ω_g，电网电压的相角θ_g)和逆变器输出电压的信息(包括逆变器输出电压的幅值V_o，逆变器输出电压的频率ω_o，逆变器输出电压的相角θ_o)，所以进一步在控制中加入了锁相环，锁相环的控制框图如图3所示。其中T_dq/_abc为三相电压从abc坐标系到dq坐标系下的变换矩阵，G_c(s)为锁相环调节器，一般选择PI调节器。由于锁相环是较为成熟的技术，在此处仅是应用该技术为虚拟同步发电机的预同步提供必要的信息，因此，对于锁相环控制的具体实施，此处不再赘述。

该方法包括如下步骤：

(1)通过电压传感器得到三相电网电压v_ga，v_gb，v_gc，利用锁相环算法得到三相电网电压的幅值V_g，三相电网电压的频率ω_g和三相电网电压的相角θ_g；

(2)通过电压传感器得到逆变器输出电压v_Ca，v_Cb，v_Cc，利用锁相环算法得到逆变器输出电压的幅值V_o，逆变器输出电压的频率ω_o和逆变器输出电压的相角θ_o；

采用图4所示的预同步控制，同步发电机从离网到并网，虚拟同步发电机最初状态为P_set＝0，Q_set＝0，ω_r＝ω_n，V_r＝V_n，并网开关断开，其中：P_set表示虚拟同步发电机有功功率参考值，Q_set表示虚拟同步发电机无功功率参考值＝0，ω_r表示虚拟同步发电机频率参考值，V_r表示虚拟同步发电机电压幅值参考值；具体实施步骤如下：

(3)切入频率反馈积分环节(即将开关SW₄掷于ω_g侧，闭合SW₁)：将虚拟同步发电机的频率参考由额定频率ω_n替换为电网电压频率ω_g，同时在有功频率下垂环节中加入积分环节；

(4)切入电压反馈积分环节(即将SW₅掷于V_g侧，闭合SW₂)：将虚拟同步发电机的电压幅值参考由额定电压幅值V_n替换为电网电压幅值V_g，同时在无功电压下垂环节中加入积分环节；

上述步骤(3)和(4)的目的是控制虚拟同步发电机输出电压频率与电网电压频率相等(为下面控制相位差减小做准备)，控制虚拟同步发电机输出电压幅值与电网电压幅值相等。

(5)切入比例积分调节器Ⅲ(即闭合SW₃)：将电网电压的相角θ_g与逆变器输出电压的相角θ_o做差，得到相角差Δθ，将Δθ输入到比例积分调节器中，再将比例积分调节器的输出叠加到虚拟同步发电机的输出频率中；

该步骤的目的是控制虚拟同步发电机和三相电网电压相位相同。

(6)保证虚拟同步发电机输出电压与电网电压的频率相等、幅值相等、相位相同后闭合并网开关，接入电网。

(7)切出频率反馈积分环节、电压反馈积分环节与相位调节器(即断开SW₁、SW₂与SW₃)。缓慢增加P_set，控制虚拟同步发电机输出功率缓慢增加。

(8)待P_set增加至额定值后，将频率参考基准从ω_g切换为ω_n，电压参考基准从V_g切换为V_n(即将SW₄掷于ω_n侧，将SW₅掷于V_n侧)。该步骤的目的是实现频率下垂控制与电压下垂控制，使虚拟同步发电机完全并入电网。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于虚拟同步发电机的预同步控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)获得三相电网电压幅值V_g，三相电网电压频率ω_g和三相电网电压相角θ_g；

(2)获得逆变器输出电压幅值V_o，逆变器输出电压频率ω_o和逆变器输出电压相角θ_o；

(3)切入频率反馈积分环节；

(4)切入电压反馈积分环节；

(5)切入比例积分调节器Ⅲ；

(6)闭合并网开关，使虚拟同步发电机接入电网；

(7)切出频率反馈积分环节、电压反馈积分环节与相位调节器；缓慢增加虚拟同步发电机有功功率参考值P_set，控制虚拟同步发电机输出功率缓慢增加；

(8)待虚拟同步发电机有功功率参考值P_set增加至额定值后，将频率参考基准从电网电压频率ω_g切换为虚拟发电机的额定频率ω_n，电压参考基准从V_g切换为额定电压幅值V_n。

2.如权利要求1所述的预同步控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过电压传感器得到三相电网电压v_ga，v_gb和v_gc，利用锁相环算法得到三相电网电压幅值V_g，三相电网电压频率ω_g和三相电网电压相角θ_g；

所述步骤(2)中，通过电压传感器得到逆变器输出电压v_Ca，v_Cb和v_Cc，利用锁相环算法得到逆变器输出电压幅值V_o，逆变器输出电压频率ω_o和逆变器输出电压相角θ_o。

3.如权利要求1所述的预同步控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将虚拟同步发电机的频率参考由额定频率ω_n替换为三相电网电压频率ω_g，同时在有功频率下垂环节中加入频率反馈积分环节，并切入频率反馈积分环节；

所述频率反馈积分环节为增益K₁的积分环节，其作为调节器的积分部分，利用D_p作为调节器的比例部分，组成比例积分调节器Ⅰ，使得虚拟同步发电机的频率ω能够无静差地跟踪上三相电网电压频率ω_g；所述比例积分控制调节器Ⅰ为电压调节器。

4.如权利要求1所述的预同步控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将虚拟同步发电机的电压幅值参考由额定电压幅值V_n替换为电网电压的幅值V_g，同时在无功电压下垂环节中加入电压反馈积分环节，并切入电压反馈积分环节；

所述电压反馈积分环节为增益K₂的积分环节，其作为调节器的积分部分，利用D_q作为调节器的比例部分，组成比例积分调节器Ⅱ，使得虚拟同步发电机的输出电压幅值E能够无静差地跟踪上电压电网电压幅值V_g；所述比例积分控制调节器Ⅱ为电压调节器。

5.如权利要求1所述的预同步控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，将电网电压的相角θ_g与逆变器输出电压相角θ_o做差，得到相角差Δθ，将Δθ输入到比例积分调节器Ⅲ中，将比例积分调节器的输出叠加到虚拟同步发电机的输出频率中；

所述比例积分调节器Ⅲ为相位调节器，所述相位调节器的输出与频率调节器的输出频率之和通过积分得到虚拟同步发电机的相位，以保证虚拟同步发电机输出电压的相位无静差地跟踪电网电压的相位。

6.如权利要求1所述的预同步控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中，保证虚拟同步发电机输出电压与电压电网电压频率相等、幅值相等、相位相同后闭合并网开关，接入电网。

7.如权利要求1所述的预同步控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机最初状态为P_set＝0，Q_set＝0，ω_r＝ω_n，V_r＝V_n，并网开关断开；当进行所述预同步控制时，并网开关闭合，虚拟同步发电机从离网切换至并网；其中：P_set表示虚拟同步发电机有功功率参考值，Q_set表示虚拟同步发电机无功功率参考值＝0，ω_r表示虚拟同步发电机频率参考值，V_r表示虚拟同步发电机电压幅值参考值。