CN104953617B - 虚拟同步发电机带负载并网的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟同步发电机带负载并网的控制方法和系统，其中方法包括：在离网状态下调整虚拟同步发电机的输出功率实现带负载运行；通过采集虚拟同步发电机输出电压及电网侧的电压，计算出每一时刻的虚拟电压差，进一步计算虚拟同步发电机一侧的虚拟电流，根据虚拟电流对虚拟同步发电机的磁通量、虚拟偏转角和实际输出的角速度进行调节，从而调节虚拟同步发电机的输出电压，使虚拟同步发电机的输出电压与电网电压同步。本发明具有如下优点：能够提高虚拟同步发电机并网过程的完善性，确保负载及电网均可稳定运行。

Description

虚拟同步发电机带负载并网的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及虚拟同步发电机带负载并网的控制方法及系统，属于新能源发电中的控制技术领域。

背景技术

随着当今社会对能源和环境的关注度不断提高，新能源分布式发电技术开始飞速发展。新能源分布式发电得到的电能往往需要经过逆变过程转化为适合大多数负载使用及接入电网的工频交流电源。这类分布式能源由于具有独立性，可独立带负载运行，但若直接接入电网，则会对电网及所带负载产生较大的冲击，影响系统的安全稳定运行。因此，虚拟同步发电机技术控制方法势在必行。

虚拟同步发电机技术的是通过控制算法对逆变器进行控制，改善逆变器的特性，以实现虚拟同步发电机(以下简称VSG)作为独立电源带载运行和平滑接入电网的功能。与传统的逆变器控制方法相比，虚拟同步发电机技术的主要优势在于使逆变电源对外表现出同步发电机的特性，因此可以利用电力系统已有的控制经验对分布式电源的电压及功率进行调节，降低整体系统的复杂性并提高系统运行的安全性。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种虚拟同步发电机带负载并网的控制方法。

本发明第二个目的在于提出一种虚拟同步发电机带负载并网的控制系统。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种虚拟同步发电机带负载并网的控制方法，包括以下步骤：A：在离网状态下调整虚拟同步发电机的输出功率实现带负载运行；B：通过预同步模块调整所述虚拟同步发电机的输出电压与电网同步后，将所述虚拟同步发电机及负载同时接入电网；其中，在步骤B中，进一步包括：B1：通过所述采集虚拟同步发电机输出电压及电网侧的电压，计算出每一时刻的虚拟电压差；B2：根据所述虚拟电压差计算所述虚拟同步发电机一侧的虚拟电流；B3：根据所述虚拟电流对所述虚拟同步发电机的磁通量、虚拟偏转角和实际输出的角速度进行调节；B4：根据所述磁通量、所述虚拟偏转角和所述实际输出的角速度调节所述虚拟同步发电机的输出电压，使所述虚拟同步发电机的输出电压与所述电网电压同步。

根据本发明实施例的虚拟同步发电机带负载并网的控制方法，能够提高虚拟同步发电机并网过程的完善性，确保负载及电网均可稳定运行。

另外，根据本发明第一方面实施例的预同步的虚拟同步发电机带负载并网的控制方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在步骤A中，在离网状态下，设定所述虚拟同步发电机的有功功率和无功功率均为零。

进一步地，在步骤B1中，所述虚拟电压差ΔV的计算公式为：

ΔV(s)＝E(s)-V_g(s)

其中，E(s)为所述虚拟同步发电机的输出电压，Vg(s)为电网电压；

在步骤B2中，所述虚拟电流I_s(s)的计算公式为：

其中，Ls+R为虚拟阻抗，s为拉普拉斯算子；

在步骤B3中，所述磁通量M_fi_f、所述虚拟偏转角θ和所述实际输出的角速度的调节过程为：

其中，Tm表示所述虚拟同步发电机向所述电网输送的机械转矩，Pset表示所述虚拟同步发电机向所述电网输送的有功功率值，表示所述虚拟同步发电机的额定角速度，K_p表示比例系数，K_i表示积分系数，K为无功调节惯量，表示所述虚拟同步发电机的参考角速度，D_p表示所述虚拟同步发电机的定常阻尼系数，J表示所述虚拟同步发电机的虚拟转动惯量，Te表示所述虚拟同步发电机输出的电磁转矩，Q表示所述虚拟同步发电机实际输出的无功功率大小。

进一步地，在步骤B4后，还包括步骤C：在并网模式下，调整所述虚拟同步发电机的所有功功率和无功功率实现所述虚拟同步发电机一侧与所述电网一侧的功率负荷平衡。

为了实现上述目的，本发明的第二方面的实施例公开了一种虚拟同步发电机带负载并网的控制系统，包括：虚拟同步发电机和断路器，所述虚拟同步发电机包括分布式电源、逆变器，所述分布式电源依次通过所述逆变器和所述断路器与电网连接；还包括预同步模块，所述预同步模块与所述逆变器连接，所述预同步模块根据采集的电网电压和当前虚拟同步发电机的电动势之差调整所述虚拟同步发电机一侧的虚拟电流，通过所述虚拟电流调节所述虚拟同步发电机的磁通量、虚拟偏转角和实际输出的角速度，进而调节所述虚拟同步发电机的电动势，使采集的所述电网电压与调整后的所述虚拟同步发电机的电动势之差小于一个预设值后，连接断路器使所述虚拟同步发电机带负载进入电网。

根据本发明实施例的虚拟同步发电机带负载并网的控制系统，能够提高虚拟同步发电机并网过程的完善性，确保负载及电网均可稳定运行。

另外，根据本发明第二方面实施例的虚拟同步发电机带负载并网的控制系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在所述逆变器和所述断路器之间还连接有LCL滤波器。

进一步地，所述预同步模块还用于在所述虚拟同步发电机接入电网后，根据电网侧的需求调整所述虚拟同步发电机的有功功率和无功功率，实现所述虚拟同步发电机一侧与所述电网一侧的功率负荷平衡。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明待并网的带负载虚拟同步发电机的拓扑结构示意图；

图2为本发明的控制方法的整体流程框图；

图3是本发明本地负载的电压波形图；

图4是本发明虚拟同步发电机输出的有功功率波形图；

图5是本发明虚拟同步发电机输出的无功功率波形图；

图6是本发明虚拟电压差波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的。

图1为本发明待并网的带负载虚拟同步发电机的拓扑结构示意图。请参考图1，预同步的虚拟同步发电机带负载并网的控制系统包括分布式电源、逆变器、LCL滤波器、负载和断路器。分布式电源首先通过逆变器后变成交流电，然后通过LCL滤波器进行滤波，再然后接入负载，最后通过断路器与电网连接。

图2为本发明的控制方法的整体流程框图。请参考图2，确定VSG额定角速度即电压频率，并给出VSG向电网输送的有功功率值Pset以及无功功率值Qset，在离网状态下，该有功及无功功率值应设定为零，需采集的信息为电网电压Vg，以及VSG向电网输出的电流ig。各变量间关系如下：

ΔV(s)＝E(s)-V_g(s)

其中Tm表示向电网输送的机械转矩，Te为VSG输出的电磁转矩,e为感应电动势即VSG输出电压，Q为实际输出的无功功率大小，Dp为定常阻尼系数,J为VSG的虚拟转动惯量，K_p表示比例系数，K_i表示积分系数，K为无功调节惯量，Mf为虚拟励磁绕组与电枢绕组间互感，If为虚拟励磁电流，为参考角速度，为实际VSG输出的角速度,θ为VSG虚拟偏转角，L和R为虚拟线路阻抗，用于计算虚拟电流is，Sc即为断路器。

图3是本发明本地负载的电压波形图，图4是本发明虚拟同步发电机输出的有功功率波形图，图5是本发明虚拟同步发电机输出的无功功率波形图，图6是本发明虚拟电压差波形图。请参考图3至图6，本实施例的虚拟同步发电机设置输出功率的初始值为有功功率6kW、无功功率5kvar，即所带负载所需功率为有功功率6kW、无功功率5kvar，直流电源电压为700V，线路阻抗为0.1Ω、1e-3H，虚拟阻抗为0.1Ω、0.002H，控制参数Dp为9，J为0.1，K为10000。

在离网状态下实现虚拟同步发电机带负载运行:离网状态即为Pset和Qset均设为零，VSG与电网间没有能量交换，此时断路器为断开状态。

通过预同步模块调整虚拟同步发电机的输出电压与电网同步：当虚拟同步发电机工作在预同步模式时，假设VSG与电网间存在能量交换，则认为有虚拟电流流经断路器，通过采集虚拟同步发电机输出电压e及电网侧Vg的电压数据，并相减可以计算出每一时刻的虚拟电压差ΔV，计算公式为：

ΔV(s)＝E(s)-V_g(s)

断路器及线路存在一定的导通阻抗，由于此时断路器中无真实电流通过，因此这一阻抗为虚拟阻抗，通过虚拟电压差及虚拟阻抗可以计算得到虚拟电流值，具体如下所示：

其中中E(s)为输出电压，Vg(s)为电网电压，Ls+R为虚拟阻抗，s为拉普拉斯算子。通过虚拟电流调节虚拟同步发电机的电动势的调节过程如下：

a、当虚拟同步发电机运行在预同步模式时，断路器Sc于1处闭合，此时虚拟电流is即为计算电流i。当i值变化时，虚拟同步发电机输出Q、Te值随之改变，如公式(12)和公式(13)所示；

b、输出Q值改变后，M_fi_f的值随之改变；

c、输出Te值改变后，的值发生变化，同时θ的值改变；

d、经过上述过程，M_fi_f、及θ的值均改变，因此e的值也随之改变；

等待控制算法对VSG输出电压进行调整并观察虚拟电压差的大小，此过程中始终保持Pset和Qset为零，当虚拟电压差降至20V以内时，闭合断路器Sc，此时VSG及负载同时被接入电网。本实施例中并网的时间为0.7s。

通过上述技术方案，本发明可以使逆变电源对外表现出同步发电机的特性，降低整体系统运行的复杂性并提高了对分布式能源的调控能力；考虑了虚拟同步发电机带负载并网的情况，采用优化控制方法，实现了并网过程中持续为负载供电的功能；将虚拟电压差作为并网的判断标准，保证了并网过程中功率输出的平衡，避免对负载和电网造成冲击，同时也避免了预同步时间过长，保证了切换过程的时效性；每台虚拟同步发电机在带负载并网的过程中具有独立性，可以实现多台虚拟同步发电机的同时控制。

在并网模式下，可对虚拟同步发电机的输出功率及工作模式进行调整：并入电网后，出现新的功率负荷平衡，因此可根据电网侧的需求调整VSG对电网的输出有功功率及无功功率，即控制框图中Pset和Qset的设定值；本实施例中在并网后仍工作在有功功率和无功功率控制模式，1.0s时增加虚拟同步发电机的有功功率输出大小，从6kW增加到10kW，总仿真时长为1.5s。

当需要退出并网运行时，只需断开断路器并将Pset和Qset重新设为零，VSG即可恢复单机带负载运行状态。

另外，本发明实施例的虚拟同步发电机带负载并网的控制方法和系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种虚拟同步发电机带负载并网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：在离网状态下调整虚拟同步发电机的输出功率实现带负载运行；

B：通过预同步模块调整所述虚拟同步发电机的输出电压与电网同步后，将所述虚拟同步发电机及负载同时接入电网；

其中，在步骤B中，进一步包括：

B1：通过所述采集虚拟同步发电机输出电压及电网侧的电压，计算出每一时刻的虚拟电压差；

B2：根据所述虚拟电压差计算所述虚拟同步发电机一侧的虚拟电流；

B3：根据所述虚拟电流对所述虚拟同步发电机的磁通量、虚拟偏转角和实际输出的角速度进行调节；

B4：根据所述磁通量、所述虚拟偏转角和所述实际输出的角速度调节所述虚拟同步发电机的输出电压，使所述虚拟同步发电机的输出电压与所述电网电压同步。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机带负载并网的控制方法，其特征在于，在步骤A中，在离网状态下，设定所述虚拟同步发电机的有功功率和无功功率均为零。

3.根据权利要求2所述的虚拟同步发电机带负载并网的控制方法，其特征在于，在步骤B1中，所述虚拟电压差ΔV的计算公式为：

ΔV(s)＝E(s)-Vg(s)

其中，E(s)为所述虚拟同步发电机的输出电压，Vg(s)为电网电压；

在步骤B2中，所述虚拟电流Is(s)的计算公式为：

其中，Ls+R为虚拟阻抗，s为拉普拉斯算子；

在步骤B3中，所述磁通量M_fi_f、所述虚拟偏转角θ和所述实际输出的角速度的调节过程为：

1

其中，Tm表示所述虚拟同步发电机向所述电网输送的机械转矩，Pset表示所述虚拟同步发电机向所述电网输送的有功功率值，表示所述虚拟同步发电机的额定角速度，K_p表示比例系数，K_i表示积分系数，表示所述虚拟同步发电机的参考角速度，D_p表示所述虚拟同步发电机的定常阻尼系数，J表示所述虚拟同步发电机的虚拟转动惯量，Te表示所述虚拟同步发电机输出的电磁转矩，Q表示所述虚拟同步发电机实际输出的无功功率大小。

4.根据权利要求1-3任一所述的虚拟同步发电机带负载并网的控制方法，其特征在于，在步骤B4后，还包括步骤C：在并网模式下，调整所述虚拟同步发电机的所有功功率和无功功率实现所述虚拟同步发电机一侧与所述电网一侧的功率负荷平衡。

5.一种虚拟同步发电机带负载并网的控制系统，其特征在于，包括：虚拟同步发电机和断路器，所述虚拟同步发电机包括分布式电源、逆变器，所述分布式电源依次通过所述逆变器和所述断路器与电网连接；

还包括预同步模块，所述预同步模块与所述逆变器连接，所述预同步模块根据采集的电网电压和当前虚拟同步发电机的电动势之差调整所述虚拟同步发电机一侧的虚拟电流，通过所述虚拟电流调节所述虚拟同步发电机的磁通量、虚拟偏转角和实际输出的角速度，进而调节所述虚拟同步发电机的电动势，使采集的所述电网电压与调整后的所述虚拟同步发电机的电动势之差小于一个预设值后，连接断路器使所述虚拟同步发电机带负载进入电网。

6.根据权利要求5所述的虚拟同步发电机带负载并网的控制系统，其特征在于，在所述逆变器和所述断路器之间还连接有LCL滤波器。

7.根据权利要求5或6所述的虚拟同步发电机带负载并网的控制系统，其特征在于，所述预同步模块还用于在所述虚拟同步发电机接入电网后，根据电网侧的需求调整所述虚拟同步发电机的有功功率和无功功率，实现所述虚拟同步发电机一侧与所述电网一侧的功率负荷平衡。