CN104734598A - 基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，具体包括以下步骤：1)模拟转子转动方程部分，获得变流器电压电流双闭环控制所需频率及相位信息；2)模拟同步机阻尼绕组功能设计带通阻尼反馈环节，计算出阻尼功率对步骤1)中输出频率及相位信息进行校正；3)利用步骤2)校正所得频率及相位信息设计变流器电压电流双闭环控制部分，得到开关控制信号，用于驱动开关网络。本发明提出了模拟同步电机获取频率和相位的新方法用来控制变流器，可以使变流器输出特性与同步机类似，为电网提供辅助服务；并且本发明提出的带通阻尼绕组模拟方法，与现有方法相比，使得虚拟同步机调整阻尼参数变得方便可行。

Description

基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法

技术领域：

本发明专利属于虚拟同步电机控制领域，具体涉及一种基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法。

背景技术：

分布式新能源发电单元大部分接入配电网，与负荷靠近。随着分布式新能源接入比例提高，配电网由传统的垂直结构向网状结构发展。网状结构的配电网最典型特点是，发电单元不再是传统的少数大容量，而是多数小容量。另外大部分分布发电单元都是通过电力电子变流器并网，因此其并网特性受到变流器的控制方法决定。通常分布式新能源并网时，变流器采用电流源控制模式，即注入电网的有功和无功通过控制变流器的交流电流实现。与传统旋转同步发电机相比，并网变流器有功无功响应速度快、输出阻抗小、无转动惯量的特点。这些使得配电网面临一些新问题：一是配电网对整个电网系统的可靠性、稳定性和安全性影响加大，尤其有标准规定分布式电源在电网故障时必须自动退出，进一步加重了系统暂态过程的功率不平衡；二是新能源的间歇性特点给高阻抗的配电网带来了严重的电压波动问题，三是配电网潮流由简单的单向变为复杂的双向，影响了配电网的电压控制、继电保护、网损以及电能质量。为了充分发挥分布式能源的优势，渐弱分布式电源对配电网和传输网的影响，让电网消纳更多地分布式能源，分布式电源必须参与配电网和传输网的调频和调压过程，分布式电源潜在辅助服务必须被充分挖掘，分布式电源必须向电网提供必要的辅助服务。

根据众多学者的共识，并网变流器模拟同步电机特性是未来并网变流器控制的趋势。传统并网变流器控制是以锁相环输出相位为基础的。锁相环能有很好的动态特性和精确性，大部分锁相环能够在一到两个周波内(10ms～40ms)完成相位的跟踪，即使有负序和谐波存在。变流器锁相环能够感受变流器并网节点电压的相位和幅值变化，但是它能在数十毫秒内重新完成相位的跟踪，而且变流器的输出功率是通过电流环被控制的，因此变流器并不会如同步电机一样响应并网节点的负载变化，使变流器输出功率发生改变，这就不能满足分布式电源向电网提供辅助服务的要求。

现有研究成果中提出的模拟同步发电机转子部分的方法，都把模拟阻尼绕组的功能和模拟同步电机调速器的功能用同一个环节同时表示，这就会导致优化两个模拟功能时都需要改变这一个环节的值，从而导致无法有效进行这两项功能的优化。

发明内容：

本发明针对虚拟同步电机技术的缺陷，提供了一种基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，包括以下步骤：

1)模拟转子转动方程部分，根据电压型变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值P_err计算得到虚拟同步电机的频率标幺值ω^*，利用虚拟同步电机的频率标幺值ω^*获得变流器电压电流双闭环控制所需频率及相位信息；

2)模拟同步机阻尼绕组功能，设计带通阻尼反馈环节，进而计算出虚拟同步机阻尼功率，利用虚拟同步机阻尼功率对步骤1)中输出频率及相位信息进行校正；

3)利用步骤2)校正所得频率及相位信息设计变流器电压电流双闭环控制环节，得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，电压变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e作差，其差值经过整个系统的基准容量P_base标幺，标幺后的结果除以2倍的同步电机惯性常数H并对结果积分，得到频率标幺值ω^*，具体公式如下：

${\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{(P_{\mathrm{ref}}-P_e)}{P_{\mathrm{base}}}\·\frac{1}{2\mathrm{Hs}}---\left(1\right)$

式中：s为积分算子；

频率标幺值ω^*再乘以频率基准值ω_R并对结果积分，得到设计变流器电压电流双闭环控制环所需的相位信息θ，具体公式如下：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\ω}}^{*}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_R}{s}---\left(2\right).$

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，以模拟实际同步电机中阻尼绕组的作用为目标，设计带通阻尼反馈环节使其在低频段的增益为无穷小，即在稳态时输出为零；在中频段带通阻尼与纯比例环节幅频和相频特性一致；

频率标幺值ω^*与基准频率标幺值1作差后，与此环节相乘得到阻尼功率，将阻尼功率与步骤1)中得到的差值P_err实时作差，用于校正步骤1)中差值P_err，进而校正步骤1)中输出频率及相位信息。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，利用步骤2)中得到的校正后的相位，将变流器实际输出电压u_a、u_b、u_c变换到dq坐标系得到u_d、u_q，将变流器dq轴输出电压指令和分别与u_d和u_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴输出电流指令和将变流器dq轴输出电流指令和分别与变流器dq轴实际输出电流作差，其差值经过PI控制器，计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM或者SVM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、提出了模拟同步电机获取变流器电压电流双闭环控制环中所需频率和相位信息获取的新方法，使并网变流器能为自己提供频率源，输出功率可对并网点频率变化做出响应，为电网提供辅助服务；

2、提出了利用带通阻尼环节模拟同步电机阻尼绕组作用的方法，使虚拟同步机算法模拟的阻尼绕组功能与实际同步机的阻尼绕组功能更逼近，不会影响模拟的其他部分的功能，从而使得虚拟同步机调整阻尼参数变得方便可行。

附图说明：

图1为基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法的控制框图；

图2为转子运动方程部分控制框图；

图3为带通阻尼控制框图；

图4为变流器电压电流双闭环控制框图；

图5为电网频率漂移时变流器输出功率的响应波形。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，包括以下步骤：

1)模拟转子转动方程部分，根据电压型变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值P_err计算得到虚拟同步电机的频率标幺值ω^*，利用虚拟同步电机的频率标幺值ω^*获得变流器电压电流双闭环控制所需频率及相位信息，如图2所示；

其中，有功指令P_ref，也为虚拟同步电机并网运行参与系统调频过程留下接口。P_e与同步电机的电磁转矩对应，为并网变流器注入电网的有功功率。P_base是整个系统的基准容量，用于标幺。H即为同步电机或者传统发电站的惯量常数，它是转子储存的能量与系统的基准容量的比值。w_R是同步角速度。此部分为虚拟同电机控制提供相位信息，为指令功率留有接口；

该步骤中，电压变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e作差，其差值经过整个系统的基准容量P_base标幺，标幺后的结果除以2倍的同步电机惯性常数H并对结果积分，得到频率标幺值ω^*，具体公式如下：

${\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{(P_{\mathrm{ref}}-P_e)}{P_{\mathrm{base}}}\·\frac{1}{2\mathrm{Hs}}---\left(1\right)$

式中：s为积分算子。

频率标幺值ω^*再乘以频率基准值ω_R并对结果积分，得到设计变流器电压电流双闭环控制环所需的相位信息θ，具体公式如下：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\ω}}^{*}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_R}{s}---\left(2\right)$

2)模拟同步机阻尼绕组功能，设计带通阻尼反馈环节，并计算出虚拟同步机阻尼功率，利用虚拟同步机阻尼功率对步骤1)中输出频率及相位信息进行校正，如图3所示；

其中，在低频段，带通阻尼的增益为无穷小，即在稳态时输出为零；在中频段带通阻尼与纯比例环节幅频和相频特性一致，能够为虚拟同步电机控制提供阻尼效果，带通阻尼绕组能够阻尼频率的变化，但对频率稳态没有影响。

该步骤中，频率标幺值ω^*与基准频率标幺值1作差后，与此环节相乘得到阻尼功率，将阻尼功率与步骤1)中得到的差值P_err实时作差，用于校正步骤1)中P_err，进而校正步骤1)中输出频率及相位信息；

3)利用步骤2)校正所得频率及相位信息设计变流器电压电流双闭环控制环，得到开关控制信号，用于驱动开关网络，如图4所示；

该步骤中，利用步骤2)中得到的校正后的相位，将变流器实际输出电压u_a、u_b、u_c变换到dq坐标系得到u_d、u_q，将变流器dq轴输出电压指令和分别与u_d和u_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴输出电流指令和将变流器dq轴输出电流指令和分别与变流器dq轴实际输出电流作差，其差值经过PI控制器，计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM或者SVM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

实施例：

在电网频率突变的情况下，对比本发明所提带通阻尼算法与传统纯比例阻尼算法。在10s时刻，电网频率由50Hz突变到50.2Hz；在20s时刻，电网频率由50.2Hz突变到50Hz。变流器输出功率响应过程如图5所示。可以看出在10s到15s之间，电网系统频率为50.2Hz，所提带通阻尼算法下，并网变流器稳态输出功率保持不变，而传统纯比例阻尼算法输出功率与工频下输出功率发生了偏移。而由于仿真并没有加入功率-频率下垂控制功能，仿真的理想结果应该是电网频率发生漂移时，变流器稳态输出功率不变。所以该实施例证明了本发明所提带通阻尼算法的优越性。仿真的具体参数设置参见表1：

表1并网变流器和虚拟同步电机控制参数

Claims (4)

1.基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)模拟转子转动方程部分，根据电压型变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值P_err计算得到虚拟同步电机的频率标幺值ω^*，利用虚拟同步电机的频率标幺值ω^*获得变流器电压电流双闭环控制所需频率及相位信息；

2)模拟同步机阻尼绕组功能，设计带通阻尼反馈环节，进而计算出虚拟同步机阻尼功率，利用虚拟同步机阻尼功率对步骤1)中输出频率及相位信息进行校正；

3)利用步骤2)校正所得频率及相位信息设计变流器电压电流双闭环控制环节，得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

2.根据权利要求1所述的基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征在于，步骤1)中，电压变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e作差，其差值经过整个系统的基准容量P_base标幺，标幺后的结果除以2倍的同步电机惯性常数H并对结果积分，得到频率标幺值ω^*，具体公式如下：

${\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{(P_{\mathrm{ref}}-P_e)}{P_{\mathrm{base}}}\·\frac{1}{2\mathrm{Hs}}---\left(1\right)$

式中：s为积分算子；

频率标幺值ω^*再乘以频率基准值ω_R并对结果积分，得到设计变流器电压电流双闭环控制环所需的相位信息θ，具体公式如下：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\ω}}^{*}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_R}{s}---\left(2\right).$

3.根据权利要求1所述的基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征在于，步骤2)中，以模拟实际同步电机中阻尼绕组的作用为目标，设计带通阻尼反馈环节使其在低频段的增益为无穷小，即在稳态时输出为零；在中频段带通阻尼与纯比例环节幅频和相频特性一致；

频率标幺值ω^*与基准频率标幺值1作差后，与此环节相乘得到阻尼功率，将阻尼功率与步骤1)中得到的差值P_err实时作差，用于校正步骤1)中差值P_err，进而校正步骤1)中输出频率及相位信息。

4.根据权利要求1所述的基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征在于，步骤3)中，利用步骤2)中得到的校正后的相位，将变流器实际输出电压u_a、u_b、u_c变换到dq坐标系得到u_d、u_q，将变流器dq轴输出电压指令和分别与u_d和u_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴输出电流指令和将变流器dq轴输出电流指令和分别与变流器dq轴实际输出电流作差，其差值经过PI控制器，计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM或者SVM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。