CN105978038A

CN105978038A - 一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法

Info

Publication number: CN105978038A
Application number: CN201610308642.7A
Authority: CN
Inventors: 耿乙文; 孙帅; 王宇; 丁建佳; 田芳芳; 张泉泉; 云阳; 高翔; 王昊; 马鸿宇; 郝双程; 王亮; 许家斌
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: CN105978038B

Abstract

一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法，属于预同步控制方法。预同步控制方法包括：在并网开关S_g两端存在一个虚拟阻抗X_v；检测PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g；计算虚拟电抗上虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v，通过PI控制器使虚拟有功和无功趋近为0，当两者同时为0时，并网开关S_g两端电压的幅值和相位分别相等，此时若并网则并网瞬间冲击电流小，保证了逆变器平滑友好并网。传统预同步控制方法有两个锁相环，需要较多的PI调节器，控制系统复杂；本发明省略了锁相环环节，控制更加简单，也不受锁相环的延迟和控制精度的影响；只需要两个PI控制器，简化了算法复杂度；实现逆变器输出电压与电网电压同幅值同相位，降低了暂态冲击电流，实现离/并网无缝切换。

Description

一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种预同步控制方法，具体涉及一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法。

背景技术

随着能源危机的不断加剧与环境污染的日益严峻，基于可再生能源的分布式发电系统得到迅速的发展，当分布式电源的容量越来越大时，并网逆变器给电力系统带来了不小的挑战。而基于虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制策略可以参与电网的调频和调压，还可以像同步发电机那样独立自治运行，大大提高了微电网和配电网对分布式电源的适应性和接纳能力，所以虚拟同步发电机算法有很大的发展前景。

微电网具有离网和并网这2种不同的运行模式，当基于虚拟同步发电机的逆变器处于离网运行后，随着时间的累积，微电网电压和电网电压之间的幅值和相位出现偏差，若在不合时宜的时刻并网，可能会引起过大的冲击电流，导致离/并网失败，所以并网过程中两者间的同步问题是实现平滑切换的关键。

针对上述问题，基于虚拟同步发电机的并网逆变器，常用的同步方法是采用幅值预同步和相位预同步控制环节对电网电压进行跟踪,直到条件满足后再并网。这种常规预同步控制方法需要增加额外的控制环节，增加了控制系统复杂性；且需要锁相获得电网的角度和幅值，控制受锁相环的延时和控制精度的影响。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法，解决基于虚拟同步发电机传统预同步方法的问题，省略锁相环环节，控制更加简单，也不受锁相环的延迟和控制精度的影响，且可以实现逆变器输出电压与电网电压同幅值同相位，降低了暂态冲击电流，实现离/并网无缝切换。

本发明的目的是这样实现的：该预同步控制方法的如下：

(1)获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g；

(2)计算虚拟电抗上虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v；

(3)通过PI调节器对有功功率P_v和无功功率Q_v进行调节，使两者趋近于0，并将PI输出量送入虚拟同步发电机控制算法中的有功-频率环和无功-电压环；

(4)闭合并网开关，使基于虚拟同步发电机的并网逆变器接入电网。

具体实现步骤为：

步骤(1)中，在并网开关S_g两端存在一个虚拟电抗X_v，虚拟阻抗X_v两端分别为PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，通过电压传感器获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，然后对PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g分别进行Clark变换得到αβ坐标系下的值U_pccα、U_pccβ和U_gα、U_gβ。

步骤(2)中，虚拟电抗X_v上输送的虚拟有功和无功功率为：

其中θ_PCC、θ_g分别为PCC电压和电网电压的相位。

检测并网开关S_g两侧电压，当且仅当U_PCC＝U_g且θ_PCC＝θ_g时，虚拟电抗的计算有功功率P_v和无功功率Q_v同时为0；或者说，通过检测PCC两端电压来计算虚拟电抗输送的功率，并通过控制策略使虚拟有功功率和无功功率同时为0时，两端电压的幅值和相位分别相等；

控制系统反馈虚拟有功功率和无功功率的计算可以釆用并网开关S_g两侧电压直角坐标分量，虚拟电抗可以给定常数；控制系统反馈虚拟有功功率和无功功率计算公式为：

其中U^α _PCC、U^β _PCC与U^α _g、U^β _g分别为PCC电压和电网电压的α轴和β轴分量。

步骤(3)中，将计算得到的虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v分别与基准值0进行比较做差，然后经过PI调节器进行调节，实现对虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v的无静差控制，将得到的PI输出的扰动量加入到虚拟同步发电机算法的有功-频率环和无功-电压环中。

步骤(4)中，当虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v为0时，此时逆变器输出电压与电网电压同幅值同相位，闭合并网开关S_g，使基于虚拟同步发电机的逆变器接入电网，实现离/并网无缝切换。

与现有技术和控制方法相比，本发明的优点是：

(1)传统预同步控制方法有两个锁相环，本发明省略了锁相环环节，控制更加简单，也不受锁相环的延迟和控制精度的影响；

(2)传统控制方法所需的PI调节器数量较多，增加了控制系统复杂性；本发明只需要两个PI控制器，简化了算法复杂度；

(3)可以快速实现逆变器输出电压与电网电压同幅值同相位，降低了暂态冲击电流，实现离/并网无缝切换。

附图说明

图1为本发明一种包含并网开关虚拟电抗的光伏发电系统图。

图2为现有技术的虚拟同步发电机整体控制框图。

图3为现有技术的传统预同步控制框图。

图4为本发明一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法图。

图5为本发明一种虚拟同步发电机模式切换控制框图。

具体实施方式

该预同步控制方法的如下：

(1)获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g；

(2)计算虚拟电抗上虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v；

具体实现步骤为：

步骤(1)中，在并网开关S_g两端存在一个虚拟电抗X_v，虚拟阻抗X_v两端分别为PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，通过电压传感器获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，不需要锁相环环节，降低了控制系统复杂度，也不受锁相环的延迟和控制精度的影响，然后对PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g分别进行Clark变换得到αβ坐标系下的值U_pccα、U_pccβ和U_gα、U_gβ。

步骤(2)中，虚拟电抗X_v上输送的虚拟有功和无功功率为：

其中θ_PCC、θ_g分别为PCC电压和电网电压的相位。

检测并网开关S_g两侧电压，当且仅当U_PCC＝U_g且θ_PCC＝θ_g时，虚拟电抗的计算有功功率P_v和无功功率Q_v同时为0；或者，通过检测PCC两端电压来计算虚拟电抗输送的功率，并通过控制策略使虚拟有功功率和无功功率同时为0时，两端电压的幅值和相位分别相等；

步骤(4)中，当虚拟有功功率Pv和无功功率Qv为0时，此时逆变器输出电压与电网电压同幅值同相位，闭合并网开关Sg，使基于虚拟同步发电机的逆变器接入电网，实现离/并网无缝切换。

结合附图对本发明进一步进行详细说明。

常规预同步控制方法需要增加额外的控制环节，增加了控制系统复杂性；且需要锁相环环节获得电网的角度和幅值，控制受锁相环的延时和控制精度的影响，本发明针对这个问题，提出一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法，可以快速实现逆变器输出电压与电网电压同幅值同相位，降低了暂态冲击电流，实现离/并网无缝切换。

本发明的主电路拓扑结构如图1所示，采用三相桥式结构；图2为本发明采用的虚拟同步发电机控制策略框图，如图所示，虚拟同步发电机的调速器和励磁器分别生成电压参考相位与幅值，而后进入电压电流双环控制生成六路PWM波，离网和并网都采用电压型控制，电压电流双闭环策略采用电容电压PI外环、电感电流P内环双闭环控制；在原有的基于虚拟同步发电机的控制策略中加入了基于虚拟阻抗的控制环节，如图4所示，从而可以实现虚拟同步发电机双模式运行方式的无缝切换，如图5所示。具体改进如下：

(1)对于电压相位的调节，如图3所示，常规的预同步方法采用相位预同步控制环节对电压相位进行调节，通过锁相环环节得到电网电压相位θ_g，再经过比较器和PI调节器实现对电压相位无静差调节；而本发明省去了锁相环环节，如图4所示，假设在并网开关S_g两端存在一个虚拟电抗X_v，虚拟阻抗两端分别为PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，通过电压传感器获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，若要使PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g相位一样，通过公式推导和证明，只需使虚拟阻抗的虚拟有功功率为0，首先使用算法计算出虚拟有功功率P_v，然后与基准值0进行比较，再经过PI调节器实现无静差调节，使虚拟有功功率P_v为0，即PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g相位一样。

(2)对于电压幅值的调节，如图3所示，常规的预同步方法采用幅值预同步控制环节对电压幅值进行调节，通过锁相环环节得到电网电压幅值，然后与逆变器输出电压幅值进行比较做差，然后经过PI调节器实现无静差调节，即实现逆变器输出电压与电网电压幅值一样。而本发明省去了锁相环环节，如图4所示，假设在并网开关S_g两端存在一个虚拟电抗X_v，虚拟阻抗两端分别为PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，通过电压传感器获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，若要使PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g幅值一样，通过公式推导和证明，只需使虚拟阻抗的虚拟无功功率为0，首先使用算法计算出虚拟无功功率Q_v，然后与基准值0进行比较，再经过PI调节器实现无静差调节，使虚拟无功功率Q_v为0，从而使PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g幅值相同。

(3)对于虚拟同步发电机运行模式的切换，如图5所示，其中1、2、3分别为孤岛运行、预同步与并网运行开关，投切不同的开关即可分别工作在孤岛运行、预同步和并网运行三种模式。首先探讨虚拟同步发电机从并网运行模式向离网运行模式的转换过程，基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器具有和同步发电机相比拟的外特性，可以等效为1个独立的电压源。因此，在计划孤岛或非计划孤岛时，当电网切除后，虚拟同步发电机仍然保持并网时的初始状态(虚拟发电机电势E和相位δ)，进而在并/离网模式切换过程中不会出现明显的暂态过程，故可以自然地实现并/离网模式的无缝、平滑切换。因此本发明的预同步环节是针对虚拟同步发电机从离网运行模式向并网运行模式的转换过程。

该实施方式包括如下步骤：

步骤(1)，如图1所示，假设在并网开关S_g两端存在一个虚拟电抗X_v，虚拟阻抗两端分别为PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，通过电压传感器获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，然后对PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g分别进行Clark变换得到αβ坐标系下的值U_pccα、U_pccβ和U_gα、U_gβ。

步骤(2)，主要是对虚拟有功和无功功率的计算，虚拟电抗上输送的虚拟有功和无功功率为：

检测开关两侧电压，当且仅当且U_PCC＝U_g时，虚拟电抗的计算有功功率P_v和无功功率Q_v同时为0；或者，用S_g两侧θ_PCC＝θ_g检测电压来计算虚拟电抗输送的功率，当虚拟有功功率和无功功率同时为0时，两端电压的幅值和相位分别相等。

虚拟有功功率和无功功率的计算可以釆用并网开关两侧电压直角坐标分量，虚拟电抗可以给定常数；控制系统反馈虚拟有功功率和无功功率计算公式为：

根据公式可知，采用步骤(1)得到的U_pccα、U_pccβ和U_gα、U_gβ。便可以求出控制系统反馈虚拟有功功率和无功功率。

步骤(3)中，如图4所示，将计算得到的虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v分别与基准值0进行比较做差，然后经过PI调节器进行调节，实现对虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v的无静差控制，并将得到的扰动量送入VSG控制器中。

步骤(4)中，如图5所示，闭合并网开关3，使基于虚拟同步发电机逆变器接入电网，实现离/并网无缝切换。

当基于虚拟同步发电机逆变器处于离网状态，即开关1闭合，如图5所示，若需要实现并网，首先使开关切换到开关2，实现预同步，然后再切换到开关3，使虚拟同步发电机接入电网，实现离/并网无缝切换。

Claims

1.一种基于虚拟阻抗的预同步控制方法，其特征在于，由如下几个步骤构成:

(1)获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g；

(2)计算虚拟电抗上虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v；

(3)通过PI调节器对有功功率P_v和无功功率Q_v进行调节，使两者趋近于0，并将PI输出量分别加入到虚拟同步发电机算法中的有功-频率环和无功-电压环；

(4)闭合并网开关，使基于虚拟同步发电机控制的逆变器接入电网。

2.如权利要求1所述的基于虚拟阻抗的预同步控制方法，其特征在于，步骤(1)中，在并网开关S_g两端存在一个虚拟电抗X_v，虚拟阻抗X_v两端分别为PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，通过电压传感器获得PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g，然后对PCC节点电压U_pcc和电网电压U_g分别进行Clark变换得到αβ坐标系下的值U_pccα、U_pccβ和U_gα、U_gβ。

3.如权利要求1所述的基于虚拟阻抗的预同步控制方法，其特征在于，步骤(2)中，虚拟电抗X_v上输送的虚拟有功和无功功率为：

\{\begin{matrix} P_{v} = \frac{U_{P C C} U_{g}}{X_{v}} \sin (θ_{P C C} - θ_{g}) \\ Q_{v} = \frac{U_{P C C}}{X_{v}} [U_{P C C} - U_{g} \cos (θ_{P C C} - θ_{g})] \end{matrix}

控制系统反馈虚拟有功功率和无功功率的计算可以釆用并网开关S_g两侧电压直角坐标分量，虚拟电抗为给定常数；控制系统反馈虚拟有功功率和无功功率计算公式为：

\{\begin{matrix} P_{v} = \frac{{U^{β}}_{P C C} {U^{α}}_{g} - {U^{α}}_{P C C} {U^{β}}_{g}}{X_{v}} \\ Q_{v} = \frac{1}{X_{v}} [{({U^{α}}_{g})}^{2} + {({U^{β}}_{g})}^{2} - {U^{α}}_{P C C} {U^{α}}_{g} - {U^{β}}_{P C C} {U^{β}}_{g}] \end{matrix} .

4.如权利要求1所述的基于虚拟阻抗的预同步控制方法，其特征在于，步骤(3)中，将计算得到的虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v分别与基准值0进行比较做差，然后经过PI调节器进行调节，实现对虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v的无静差控制，将得到的PI输出的扰动量加入到虚拟同步发电机算法的有功-频率环和无功-电压环中。

5.如权利要求1所述的基于虚拟阻抗的预同步控制方法，其特征在于，步骤(4)中，当虚拟有功功率P_v和无功功率Q_v为0时，即逆变器输出电压与电网电压同幅值同相位，闭合并网开关S_g，使基于虚拟同步发电机的逆变器并网，实现离/并网无缝切换。