CN105006834B

CN105006834B - 基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法

Info

Publication number: CN105006834B
Application number: CN201510315421.8A
Authority: CN
Inventors: 张兴; 毛福斌; 刘芳; 徐海珍; 石荣亮; 胡超; 李文超
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2017-09-19
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: CN105006834A

Abstract

本发明公开了分布式发电控制领域中的一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法。该方法对微网逆变器采用虚拟同步发电机的控制策略，将虚拟同步发电机中的下垂系数m、虚拟惯性J和虚拟阻尼D三个控制自由度有机结合起来，实现虚拟同步发电机关键参数的优化配置。该方法既能够充分体现传统同步发电机的惯性优势，又能兼顾逆变器的稳定性和固有的动态性能；同时能够在考虑储能装置功率和容量配置的基础上解决因虚拟惯性引入而带来的输出功率和频率振荡问题，有效提高了微电网运行的稳定性和经济性。

Description

基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电控制领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机技术的微电网分布式电源控制方法。

背景技术

近年来，包含众多分布式电源的微电网正成为国内外研究的热点。微电网中的分布式电源主要有风电、光伏、微型燃气轮机、柴油机等，其中大部分分布式电源均通过逆变器接入微电网，配有储能装置的逆变器已成为微电网可靠运行的核心部件。作为一种新的微网逆变器控制方案，虚拟同步发电机控制策略越来越受到学者的关注。

但是，由于基于虚拟同步发电机控制策略的微网逆变器模拟了电力系统一次调频调压以及同步发电机的转子惯性和阻尼特性，与同步发电机类似，在功率调度指令发生变化或者直流侧分布式电源出力发生扰动时，并网或多机并联运行的逆变器输出频率和功率也就会不可避免地引入振荡。但对于逆变器来说，其瞬态抗扰能力和过载能力远不如同步发电机，振荡造成的冲击电流可能导致逆变器保护动作而停机，严重时甚至危及功率器件的安全和微电网的稳定运行。

针对上述问题，多个学者做了相关研究，如题为“微电网电源的虚拟惯性频率控制策略”，杜威，姜齐荣，陈蛟瑞，电力系统自动化，2011年第35卷第23期26-31页的文章；该文提出通过优化主电路和控制器的参数来抑制振荡，但是该方案主电路增加的线路阻抗将增大输出电压降落，控制器参数的改变除增加阻尼外也减慢了动态响应。

题为“Power System Stabilization Using Virtual Synchronous Generatorwith Alternating Moment of Inertia”，Jaber Alipoor,Yushi Miura,Toshifumi，《IEEEJournal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》，2014.3(2):451-458(“基于虚拟同步发电机交替变化惯量的电力系统稳定性研究”，《IEEE期刊—电力电子技术中新兴和选定主题》，2014年第3卷第2期451-458页)和“Distributed generationgrid integration using virtual synchronous generator with adaptive virtualinertia”，Alipoor J,MiuraY,Ise T，《IEEE Energy Conversion Congress andExposition(ECCE)》,2013:4546–4552(“基于虚拟同步发电机自适应虚拟惯性的分布式发电并网研究”，2013年IEEE能量转换国际会议和博览会(ECCE)论文集4546-4552页)的文章；分别提出了一种交替变化虚拟惯性和自适应虚拟惯性的虚拟同步发电机控制策略，通过灵活改变同步发电机模型中的参数来抑制这种振荡，但由于虚拟惯性的取值采用Bang-Bang控制，在稳态运行时虚拟惯性的频繁变化造成了功率的抖动，而且当中负虚拟惯性时存在稳定性的问题。

另外，虚拟同步发电机的具体实现离不开分布式电源、储能装置和逆变器。但现有关于虚拟同步发电机的研究，都假定配置的储能单元容量足够大且控制策略仅针对逆变器本身，还没有研究在考虑分布式电源和储能装置的基础上对微网逆变器的协调控制进行深入研究。

综上所述，现有的技术主要存在如下的不足：

1、抑制逆变器输出功率和频率振荡时牺牲了逆变器的稳定性和固有的良好动态性能；

2、对于虚拟同步发电机的关键参数并未综合考虑协调控制；

3、没有考虑储能装置功率和容量，在实际应用中存在一定的局限性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，该方法用于微网逆变器以达到模拟同步发电机的惯性并兼顾自身的动态性能，抑制逆变器输出功率和频率的振荡以及储能装置功率和能量合理配置的目的。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，主要步骤如下：

步骤1，采集一个开关周期内的电网电压e_a、e_b、e_c，微网逆变器的输出电容电压u_oa、u_ob、u_oc，桥臂侧电感电流i_La、i_Lb、i_Lc和输出电流i_oa、i_ob、i_oc，经过同步旋转坐标变换得到微网逆变器的输出电容电压的dq分量u_od、u_oq，桥臂侧电感电流的dq分量i_Ld、i_Lq和输出电流的dq分量i_od、i_oq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压e_a、e_b、e_c，经过锁相环得到电网角频率ω_g；

步骤3，根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量u_od、u_oq和输出电流的dq分量i_od、i_oq，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；

所述的功率计算模块包括有功功率计算方程和无功功率计算方程；

所述有功功率计算方程：

所述无功功率计算方程：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。

步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、微网逆变器给定的有功功率指令P_ref、微网逆变器给定的角频率指令ω_ref及最优虚拟惯性模块计算得到的最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D，经过有功-频率控制模块得到微网逆变器的角频率ω_m，对该角频率ω_m积分得到虚拟同步机的矢量角θ^*；

所述的最优虚拟惯性控制模块包括角频率偏差Δω_m的计算、微网逆变器输出角频率变化率的计算、最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D的计算；所述的有功-频率控制模块包括虚拟同步发电机调速器方程和虚拟同步发电机转子运动方程；

所述角频率偏差Δω_m的计算公式为：Δω_m＝ω_m0-ω_g0，

其中，ω_m0为上一开关周期微网逆变器输出角频率；ω_g0为上一开关周期电网角频率；

所述微网逆变器输出角频率变化率的计算公式为：

其中Δt为开关周期；

所述最优虚拟惯性J的计算采用线性二次型最优控制策略，包括线性二次型性能指标的确定和加权矩阵的确定；

所述线性二次型性能指标I的表达式为：

其中H和R为加权矩阵，取加权矩阵H＝1，R＝m²；

所述虚拟阻尼D的计算公式为：

其中，U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗；

所述虚拟同步发电机调速器方程为：

其中，m为有功-频率下垂系数，P_m为机械功率；

所述虚拟同步发电机转子运动方程为：

步骤5，根据步骤3中得到的无功功率Q和微网逆变器给定的无功功率指令Q_ref、微网逆变器给定的电压指令U_ref，经过无功-电压控制模块得到虚拟同步机的端电压U^*；

所述的无功-电压控制模块包括虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程，

所述虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程为：U^*＝U_ref+n(Q_ref-Q)，

其中，n为无功-电压下垂系数。

步骤6，根据步骤5中得到的端电压U^*和步骤1中得到的输出电容电压的dq分量u_od、u_oq，通过电压控制器得到电容电流指令信号再根据电容电流指令信号和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量i_Ld、i_Lq和输出电流的dq分量i_od、i_oq，通过电流控制器得到控制信号u_d、u_q；

所述的电压控制器为：

其中，K_up为电压控制器的比例控制系数，K_ui为电压控制器的积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

所述的电流控制器为：

其中，K_ip为电流控制器的比例控制系数，s为拉普拉斯算子。

步骤7，根据步骤6中的控制信号u_d、u_q和步骤4中得到的矢量角θ^*，经过同步旋转坐标反变换得到调制波信号u_a、u_b、u_c，再根据空间矢量脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动逆变桥开关管S_k(k＝1，2，...，6)。

优选的，所述的锁相环为基于双同步坐标系的解耦软件锁相环。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：采用本发明后，基于虚拟同步发电机技术的微网逆变器，在既能充分体现传统同步发电机惯性优势，又能兼顾逆变器稳定性和固有的动态性能的基础上，具有了如下优点：

1、实现了虚拟同步发电机技术中关键参数下垂系数、虚拟惯性和虚拟阻尼3个控制自由度的有机结合；

2、解决了因虚拟惯性的引入而造成的微网逆变器输出功率和频率的振荡问题；

3、考虑了储能装置功率和能量的优化配置，有效提高了微电网运行的稳定性和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中微网逆变器主电路拓扑及其控制结构图。

图2为本发明实施例中最优虚拟惯性取值曲线族图。

图3为本发明实施例中有功-频率控制结构图。

图4为本发明实施例中无功-电压控制结构图。

图5为本发明实施例中瞬时过流保护实验结果图。

图6为本发明实施例中采用恒定虚拟惯性时实验结果图。

图7为本发明实施例中采用自适应虚拟惯性时实验结果图。

图8为本发明实施例中采用最优虚拟惯性时实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的原理和具体实施方式。

如图1所示，微网逆变器的额定容量为100kW，直流母线电压U_dc为600V，输出交流线电压有效值为380V/50Hz，滤波电感L为0.24mH，滤波电容C为90μF，T为100kVA，270/400V的Dy11型隔离变压器，S_T为同步接触器。

步骤1，数据采集和变换。

采集一个开关周期内的电网电压e_a、e_b、e_c，微网逆变器的输出电容电压u_oa、u_ob、u_oc，桥臂侧电感电流i_La、i_Lb、i_Lc和输出电流i_oa、i_ob、i_oc，经过同步旋转坐标变换得到微网逆变器的输出电容电压的dq分量u_od、u_oq，桥臂侧电感电流的dq分量i_Ld、i_Lq和输出电流的dq分量i_od、i_oq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压e_a、e_b、e_c，经过锁相环得到电网角频率ω_g。其中锁相环为基于双同步坐标系的解耦软件锁相环。

根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量u_od、u_oq和输出电流的dq分量i_od、i_oq，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；

所述有功功率计算方程：

所述无功功率计算方程：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，本例取1.5e^-3s，s为拉普拉斯算子。

所述的最优虚拟惯性控制模块包括角频率偏差Δω_m的计算、微网逆变器输出角频率变化率的计算、最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D的计算；所述的有功-频率控制模块包括虚拟同步发电机调速器方程和虚拟同步发电机转子运动方程。

(1)角频率偏差Δω_m的计算公式为：Δω_m＝ω_m0-ω_g0

其中，ω_m0为上一开关周期逆变器输出角频率，为已知数值；ω_g0为上一开关周期电网角频率，为已知数值。

(2)所述微网逆变器输出角频率ω_m变化率的计算公式为：

其中Δt为一个开关周期，本例取2e^-4s。

(3)最优虚拟惯性J的计算采用线性二次型最优控制策略，包括线性二次型性能指标的确定和加权矩阵的确定。

线性二次型性能指标I的表达式为：

线性二次型性能指标包括两部分能量：一部分是称作过程代价，用它来限制动态调节过程中角频率的误差，以保证系统响应具有适当的快速性，另一部分是称作控制代价，用它来限制控制输出功率的幅值及平滑性，以保证系统稳定运行，另外，当考虑到直流侧的储能，它对限制整个控制过程中总能量输出也能起到重要的作用，从而保证系统具有适当的节能性和经济性。

线性二次型性能指标中加权矩阵H和R的确定：取加权矩阵H＝1，R＝m²。

令I取极小值，得到其中的为Riccati方程的正数解，a＝-D/J，b＝-1/J，此时对应的最优虚拟惯性其中的U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗。

本发明实施例中，当角频率偏差Δω_m∈(-0.2π，0.2π)rad/s，且角频率变化率时，微网逆变器最优虚拟惯性J的取值可参见图2；当角频率偏差和变化率不在上述范围时，虚拟惯性J取定值2/π。

(4)虚拟阻尼D的计算公式为：

其中，U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗。

(5)虚拟同步发电机调速器方程为：

其中，m为有功-频率下垂系数，P_m为机械功率。有功-频率下垂系数m的取值原则为有功功率变化100％时，频率变化额定频率的1％以内，即0.5Hz，本例取5e^-6Hz/W。

(6)虚拟同步发电机转子运动方程为：

本实施例的有功-频率控制结构可参见图3。

步骤5，根据步骤3中得到的无功功率Q和微网逆变器给定的无功功率指令Q_ref、微网逆变器给定的电压指令U_ref，经过无功-电压控制模块得到虚拟同步机的端电压U^*。所述的无功-电压控制模块包括虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程，其表达式为：

U^*＝U_ref+n(Q_ref-Q)，

其中，n为无功-电压下垂系数，取值原则为无功功率变化100％时，电压变化额定电压的2％以内，即7.6V，本例取7.6e^-5V/Var。

本实施例的无功-电压控制结构可参见图4。

步骤6，根据步骤5中得到的端电压U^*和步骤1中得到的输出电容电压的dq分量u_od、u_oq，通过电压控制器得到电容电流指令信号再根据电容电流指令信号、，和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量i_Ld、i_Lq和输出电流的dq分量i_od、i_oq，通过电流控制器得到控制信号u_d、u_q；其中，电压控制器为

其中的K_up为比例控制系数，K_ui为积分控制系数，s为拉普拉斯算子，本例中K_up＝0.03，K_ui＝200。

电流控制器为

其中的K_ip为比例控制系数，s为拉普拉斯算子，本例中K_ip＝0.5。

步骤7,根据步骤6中的控制信号u_d、u_q和步骤4中得到的矢量角θ^*，经过同步旋转坐标反变换得到调制波信号u_a、u_b、u_c，再根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法，生成PWM控制信号驱动逆变桥开关管S_k(k＝1，2，...，6)。

为了对比分析，图5为对J和D选择的一种极端情况，由图5-a可以看出，突加功率给定50kW之后，输出电流增加并且超调，超过瞬时电流保护值，逆变器因保护而停机，相应的输出功率波形如图5-b所示。

图6-图8分别给出了在不同控制策略下，微网逆变器开机从0kW阶跃到50kW时并网电流和输出功率的实验波形图。

采用恒定虚拟惯性控制策略时，功率给定突加50kW阶跃，并网电流缓慢增加，1s后才达到稳态值，如图6-a所示；虽然避免了功率超调，但是调节时间过长，对应的功率波形如图6-b所示，可以看出1s左右功率才达到给定值。

如图7所示，采用自适应虚拟惯性控制策略，功率给定突加50kW阶跃时，并网电流和输出功率出现严重超调和振荡，实验波形分别如图7-a和图7-b所示，2s左右才达到稳态值，由于采用Bang-Bang控制，虚拟惯性频繁突变，造成持续振荡。

如图8所示，采用最优虚拟惯性控制策略时，功率给定突加50kW阶跃，并网电流和功率略有超调并迅速达到稳态运行点，实验波形分别如图8-a和图8-b所示，动态响应响应速度快，调节时间短，在保证动态性能指标的前提下也解决了功率和频率振荡的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、微网逆变器给定的有功功率指令P_ref、微网逆变器给定的角频率指令ω_ref及最优虚拟惯性模块计算得到的最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D，经过有功-频率控制模块得到微网逆变器角频率ω_m，对该角频率ω_m积分得到虚拟同步机的矢量角θ^*；

所述最优虚拟惯性模块包括角频率偏差Δω_m的计算、微网逆变器输出角频率变化率的计算、最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D的计算；所述的有功-频率控制模块包括虚拟同步发电机调速器方程和虚拟同步发电机转子运动方程；

1)所述角频率偏差Δω_m的计算公式为：Δω_m＝ω_m0-ω_g0，

2)所述微网逆变器输出角频率变化率的计算公式为：

其中Δt为开关周期；

3)所述最优虚拟惯性J的计算采用线性二次型最优控制策略，线性二次型最优控制策略包括线性二次型性能指标I的确定和加权矩阵的确定；

线性二次型性能指标I的表达式为：

其中，ΔP为有功功率的变化量，H和R为加权矩阵；

设加权矩阵H＝1，R＝m²，并令线性二次型性能指标I取极小值，对应的最优虚拟惯性其中的U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗；

4)所述的虚拟阻尼D的计算公式为：其中，U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗；

5)所述虚拟同步发电机调速器方程为：其中，m为有功-频率下垂系数，P_m为机械功率；

6)所述虚拟同步发电机转子运动方程为：

步骤7，根据步骤6中的控制信号u_d、u_q和步骤4中得到的矢量角θ^*，经过同步旋转坐标反变换得到调制波信号u_a、u_b、u_c，再根据空间矢量脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动逆变桥开关管S_k，k＝1,2,3…6。

2.根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是步骤2中所述的锁相环为基于双同步坐标系的解耦软件锁相环。

3.根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是步骤3中所述的功率计算模块包括有功功率计算方程和无功功率计算方程：

所述有功功率计算方程：

所述无功功率计算方程：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是步骤5中所述的无功-电压控制模块包括虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程，

其中，n为无功-电压下垂系数。

5.根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是步骤6中所述的电压控制器为：

6.根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是步骤6中所述的电流控制器为：