CN106026196A - 一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，首先采集并联组网中单台逆变器的输出电压u₀和输出电流i₀，得到并联组网电压的幅值U₀和频率f；分别经过无功功率和有功功率计算，获得逆变器的输出无功功率Q；将U₀和Q作为无功‑电压控制环节的输入，得到励磁电动势E；将额定有功功率P_ref和f作为有功‑频率控制环节的输入，得到机械功率P_m；建立虚拟同步发电机的本体模型；将机械功率P_m和励磁电动势E输入同步发电机模型中，输出调制电压；将调制电压进行脉宽调制，再经过隔离放大后作用于逆变主电路，完成基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制。本发明微电网中各逆变器输出的电压波形可保持一致，从而有效抑制环流，实现微电网中逆变器的并联运行。

Description

一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法

【技术领域】

本发明涉及微电网控制领域，具体涉及一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法。

【背景技术】

随着国民经济结构的调整以及电力行业的快速发展，社会对能源利用率、电能质量以及供电安全性和可靠性的要求越来越高。传统的火力发电大量消耗以煤为主的化石能源，由此带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题日益加重，大力推动基于新能源的分布式发电已迫在眉睫。然而分布式发电系统单机接入电网的成本高、控制困难，并且会对电网产生很大的冲击。由分布式发电单元并联组成的微电网在提高系统可靠性、提升系统功率以及降低成本方面有着巨大的优势，而且极大地削弱了分布式发电系统单机接入的不利影响，这对于实现新能源的可持续发展具有重大的意义。分布式电源经过电力电子接口的逆变器接入微电网内，因此研究试用于微电网中各逆变器的并联控制技术，使并联的各逆变器能够根据自身的容量合理调节有功和无功功率，输出波形一致的电压，从而有效地抑制环流，这对于实现微电网的安全、可靠和稳定运行具有十分重大的意义。

现有的主从控制并联技术是产生时间比较久，技术相对比较成熟的一种逆变器并联控制技术，图1是主从控制的原理图。该技术的主要思想是在各逆变器中选出一台逆变器作为主模块，该模块采用电压电流双闭环控制方法控制负载电压，是电压型逆变器。而其他的逆变器作为从模块，只采用电流闭环控制，通过控制自身的输出电流来跟踪主模块电压环输出的参考电流，从而向系统中输出功率。

主从控制方法过于依赖逆变器主模块以及控制器，系统的冗余性能比较差，主模块或者控制器一旦失效，整个微电网系统就会崩溃。而且主从控制法必须要考虑主、从模式的安全切换问题，参考电压的微小差异都会在切换过程中引起很大的环流。所以，主从控制并不能很好的实现并联冗余控制设计。

目前，国外一些发达国家已经开展了微电网的技术研究，其中逆变器并联控制采用的方法以下垂法为主，图2即为微电网中采用下垂法的逆变器控制原理图。微电网中各逆变器根据采样得到的电压电流计算自身输出的有功功率和无功功率，然后分别对其给定频率和给定电压幅值进行相应的反向调节，从而实现负载功率的均分和输出电压波形的一致。下垂控制策略使负载功率在微电网中的各逆变器间得到合理分配，同时逆变器输出电压幅值和频率也自动调整在相同的工作点上。

现有的下垂控制仅仅模拟了同步发电机的下垂特性，并没有考虑同步发电机的机械惯量大、输出阻抗大等特点，而这些特点正是同步发电机组可靠并联组网，并实现电网稳定运行不可缺少的条件。而且下垂法的数学模型中没有考虑惯性和阻尼，因此应用于微电网中逆变器的并联时，可能会带来较大的暂态电流冲击。

同时下垂系数的设计也较为复杂，设计不当有可能导致逆变器工作不稳定，对电网的安全稳定运行构成威胁。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，能够控制微电网中逆变器并联稳定运行。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括以下步骤：

步骤一：采集并联组网中单台逆变器的输出电压u₀和输出电流i₀，输出电压u₀通过锁相环得到并联组网电压的幅值U₀和频率f；

步骤二：经过无功功率计算，获得逆变器的输出无功功率Q；经过有功功率计算，获得逆变器的输出电磁功率P_e；

步骤三：将U₀和Q作为无功-电压控制环节的输入，得到励磁电动势E；将额定有功功率P_ref和f作为有功-频率控制环节的输入，得到机械功率P_m；

步骤四：建立虚拟同步发电机的本体模型；

步骤五：将机械功率P_m和励磁电动势E输入同步发电机模型中，输出调制电压；

步骤六：将调制电压进行脉宽调制，再经过隔离放大后作用于逆变主电路，完成基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制。

进一步地，步骤二中其中U为输出电压u₀的有效值，I为输出电流i₀的有效值，为输出电压u₀与输出电流i₀的相位差。

进一步地，步骤三中的机械功率P_m由额定有功功率P_ref和功率偏差ΔP组成；

ΔP＝k_f(f_N-f)，k_f为比例调节系数，f_N为额定频率，f为输出电压的频率。

进一步地，步骤三中的励磁电动势E由虚拟同步发电机的空载电势E₀、无功功率调节单元的输出电动势ΔE_Q和机端电压调节单元的输出电动势ΔE_U组成，E＝E₀+ΔE_Q+ΔE_U；

其中，ΔE_Q＝k_q(Q_ref-Q)；k_q和k_p均为比例系数，Q_ref为额定无功功率，k_i为积分系数，U_ref为额定电压幅值。

进一步地，步骤四中的虚拟同步发电机的本体模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{E}-(R_a+{\mathrm{jX}}_s)\stackrel{\·}{I}\\ J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_N)\end{array}\right.---(1-1)$

其中：

$T_e=\frac{P_e}{\mathrm{\ω}}---(1-3)$

$\mathrm{\ω}=\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}---(1-4)$

式中：为虚拟同步发电机本体模型的输出电压向量；为励磁电动势向量；R_a为电枢电阻；X_s为同步电抗；为电枢电流向量；J为转动惯量；ω为机械角速度；ω_N为额定角速度；T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；D为阻尼系数；P_m为机械功率；θ为电角度。

进一步地，步骤五具体包括：

501、输入机械功率P_m和输出电磁功率P_e，根据式(1-1)计算出角速度ω，对ω积分得到电角度θ，根据公式求得励磁电动势向量；

502、求得虚拟同步发电机的定子压降

503、根据励磁电动势向量和虚拟同步发电机的定子压降求得虚拟同步发电机本体模型的输出电压向量将该输出电压向量作为SPWM调制输入的调制电压。

进一步地，逆变主电路为单相全桥电压型逆变电路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、采用本发明设计的控制方法，对微电网中的逆变器采用基于同步发电机模型的控制策略，将其等效为同步发电机，使得逆变器的输出特性具有同步发电机的优良特性，微电网中各逆变器输出的电压波形可以保持一致，从而有效地抑制环流，实现微电网中逆变器的并联运行，且运行稳定；

2、采用本发明控制方法的逆变器可以根据负载的变化合理调节输出的有功功率和无功功率，具有电压支撑和频率支撑能力，有效地提高了逆变器的并联组网性能，提升了微电网运行的安全性和可靠性；

3、微电网中的各逆变器采用本控制算法能够模拟同步发电机的特性，可以为系统提供惯性和阻尼，使系统动态响应过程变得平滑，从而提高系统输出的稳定性；

4、本发明的控制方法实现简单，实时性高，便于采用基于嵌入式系统的方法进行硬件实现。

【附图说明】

图1是现有的主从控制原理图；

图2是现有的下垂控制原理图；

图3是本发明的系统框图；

图4是本发明的单台虚拟同步发电机的电路结构框图；

图5是本发明的流程图；

图6是本发明的虚拟同步发电机算法的本体模型；

图7是本发明虚拟同步发电机算法的有功调节框图；

图8是本发明虚拟同步发电机算法的无功调节框图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图3，其中，每个虚线框表示一个虚拟同步发电机。多个虚拟同步发电机均进行独立控制，自动地根据负载的消耗功率调节自身输出，然后将各虚拟同步发电机输出并联组成微电网，从而共同为负载供电。因为每个并联的虚拟同步发电机的结构都一致，所以通过对单个的虚拟同步发电机研究从而实现对微电网系统并联技术的研究。

单台虚拟同步发电机的电路结构如图4所示，逆变主电路为单相全桥电压型逆变电路。滤波电路采用LCL滤波电路，驱动控制电路采用基于高速光耦的隔离驱动电路。本发明重点是并联组网控制方法，接下来具体说明一下并联组网控制的过程。

参见图5和图6，本发明主要的控制流程如下：以并联组网点处的电压、频率和功率为控制目标，测量和计算该点的电压、频率、电流、有功功率和无功功率值，将其作为控制环节的输入，经无功-电压和有功-频率控制环节的调控得到虚拟同步发电机的本体模型所需的机械功率和励磁电动势，再将其输入到本体模型中，并将本体模型的输出调制电压经过SPWM调制，得到的PWM控制信号经过驱动控制电路隔离放大最后作用于逆变主电路，从而实现了整个系统的闭环控制。本发明具体包括以下步骤：

步骤一：采集并联组网中单台逆变器的输出电压u₀和输出电流i₀，输出电压u₀通过锁相环可以获得并联组网电压的幅值U₀和频率f。

步骤二：经过无功功率计算，获得逆变器的输出无功功率Q；经过有功功率计算，获得逆变器的输出电磁功率P_e。计算公式为：

其中，U为输出电压u₀的有效值，I为输出电流i₀的有效值，为输出电压u₀与输出电流i₀的相位差。

步骤三：将U₀和Q作为无功-电压控制环节的输入，得到虚拟同步发电机本体模型所需的励磁电动势E；将额定有功功率P_ref和f作为有功-频率控制环节的输入，得到虚拟同步发电机本体模型所需的机械功率P_m；

301、传统同步发电机通过对输入机械功率的调节，来调节发电机的有功输出，并且通过调频器来实现对电网频率偏差的调节。借鉴同步发电机的有功调节原理，通过对虚拟同步发电机机械功率的调节来实现微网中逆变器有功指令的调节。

如图7所示，机械功率P_m由额定有功功率P_ref和功率偏差ΔP两部分组成。其中，功率偏差是由频率偏差乘以比例系数得到的，功率偏差可以理解为是对输出电压频率的比例调节。比例系数为k_f，调节比例调节系数k_f，使得输出电压的频率最终等于额定频率值，即功率偏差可以表示为：

ΔP＝k_f(f_N-f)，f_N为额定频率，f为实际输出电压的频率，k_f为比例调节系数，通过对频率偏差的调节，使得输出电压的频率与额定频率值相等。

系统负荷的波动会引起输出电压频率的变化，频率偏差通过比例调节可以得到有功功率偏差，将其与额定有功功率值相加便可得到机械功率。虚拟同步发电机的有功调节在输出有功功率跟踪的基础上，还能针对其组网点频率的偏差作出有功调节响应，有效的提升了逆变器应对频率异常的能力。

302、同步发电机通过调节励磁来调节其输出的无功功率和机端电压，借鉴此原理，可以通过调节虚拟同步发电机的励磁电动势来调节机端电压和无功功率。

参见图8，励磁电动势E由三部分组成，分别是虚拟同步发电机的空载电势E₀、无功功率调节单元的输出电动势ΔE_Q和机端电压调节单元的输出电动势ΔE_U。无功功率调节单元的输出电动势ΔE_Q是对输出无功功率的比例(P)调节，机端电压调节单元的输出电动势ΔE_U是对输出电压幅值的比例-积分(PI)调节。

其中，空载电势E₀表征了逆变器空载运行时的机端电压。

无功功率调节单元取为比例环节，则：

ΔE_Q＝k_q(Q_ref-Q)；

机端电压调节单元的输出电动势ΔE_U可以等效为同步发电机的励磁调节器的输出，取为比例积分环节，则

k_q为比例系数，Q_ref为额定无功功率，Q为输出的无功功率；k_p为比例系数，k_i为积分系数，U_ref为额定电压幅值；U₀为输出电压幅值。

所以，虚拟同步发电机的励磁电动势为：

E＝E₀+ΔE_Q+ΔE_U

虚拟同步发电机的无功调节在保证无功功率跟踪的同时，还能参与微电网电压的调节，根据电压的偏差为其并入微电网提供必要的无功支撑。

步骤四：建立虚拟同步发电机的本体模型；对于不同的实际应用问题，同步发电机的模型有着不同程度的简化。本发明的目的是使微网中的逆变器能够模拟同步发电机的特性，为了避免发电机复杂的电磁暂态过程，简化逆变器的实现算法，所以采用同步发电机的二阶经典模型。该模型包括了转子的机械特性和定子的电气特性，模拟了同步发电机输出阻抗大、转动惯量大和自同步等优点。

虚拟同步发电机的本体模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{E}-(R_a+{\mathrm{jX}}_s)\stackrel{\·}{I}\\ J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_N)\end{array}\right.---(1-1)$

其中：

$T_e=\frac{P_e}{\mathrm{\ω}}---(1-3)$

$\mathrm{\ω}=\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}---(1-4)$

式中：为虚拟同步发电机本体模型的输出电压向量，即调制电压向量；为励磁电动势向量；R_a为电枢电阻；X_s为同步电抗；为电枢电流向量；J为转动惯量；ω为机械角速度；ω_N为额定角速度；T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；D为阻尼系数；P_m为机械功率；P_e为输出电磁功率；θ为电角度。

采用公式(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)可以得到虚拟同步发电机的本体模型，如图6所示，因为该模型中还没有考虑同步发电机的调速器和励磁控制系统，所以称其为本体模型。

步骤五：将机械功率P_m和励磁电动势E输入同步发电机模型中，输出调制电压U^*；该模型得到虚拟同步发电机输出的具体流程为：

501、由机械功率P_m和反馈的电磁功率P_e，根据式(1-1)计算出角速度ω，对ω积分得到电角度θ，取其正弦函数，再乘以励磁电动势E的幅值，最后便得到励磁电动势向量，即根据公式求得励磁电动势向量；

502、用虚拟同步发电机的电枢电阻R_a和同步电抗X_s，乘以输出电流向量即电枢电流向量便可得到虚拟同步发电机的定子压降，虚拟同步发电机的定子压降的表达式为

503、用励磁电动势向量减去虚拟同步发电机的定子压降可以得到虚拟同步发电机的端电压向量

步骤六：将作为调制电压U^*进行SPWM调制，再经过驱动控制电路隔离放大后作用于逆变主电路，完成基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制。

为了使微电网能够稳定地、高质量地向负荷供电，微电网中的各逆变器必须保证能够输出一致的、稳定的电压波形，从而有效抑制环流，并且还能够在负荷出现波动的时候自动调节自身的输出功率，进而维持系统频率与电压的稳定。同步发电机具有调节系统功率平衡，维持电网电压稳定的作用，并具有自同步特性。本发明对微电网中的逆变器采用基于同步发电机模型的控制策略，将其等效为同步发电机，使得逆变器的输出特性具有同步发电机的优良特性。本发明借鉴同步发电机在传统发电中的优势，结合逆变器的拓扑结构，建立了虚拟同步发电机模型，并在逆变器的控制环节中引入了同步发电机的控制算法，使得逆变器具有调频、调压和调功的能力，有效地提高了逆变器的并联组网性能，进而提升了微电网运行的安全性和可靠性。

本发明具有以下优点：

1、本发明使微电网中各逆变器输出的电压波形保持一致，有效地抑制了环流，从而可以实现微电网中逆变器的并联运行；

2、本发明使微电网中的逆变器在输出特性上与同步发电机等效，逆变器可以根据负载的变化调节自身输出的有功和无功，所以具有一定的电压支撑能力和频率支撑能力；

3、采用本发明本算法的逆变器的输出特性具有惯性和阻尼特性，系统动态响应过程变得平滑，从而提高系统输出的稳定性；

4、本发明的控制方法实现简单，实时性高，便于采用基于嵌入式系统的方法进行硬件实现。

本发明的技术关键点是用电力电子装置模拟了同步发电机的特性，从而实现了微电网中多个逆变器的并联组网运行。而且当系统负载波动时，逆变器能够平滑的响应并能及时调节输出，从而降低了暂态调节过程的电流冲击，提高了微电网运行的稳定性、安全性和可靠性。

Claims (7)

1.一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：采集并联组网中单台逆变器的输出电压u₀和输出电流i₀，输出电压u₀通过锁相环得到并联组网电压的幅值U₀和频率f；

步骤二：经过无功功率计算，获得逆变器的输出无功功率Q；经过有功功率计算，获得逆变器的输出电磁功率P_e；

步骤三：将U₀和Q作为无功-电压控制环节的输入，得到励磁电动势E；将额定有功功率P_ref和f作为有功-频率控制环节的输入，得到机械功率P_m；

步骤四：建立虚拟同步发电机的本体模型；

步骤五：将机械功率P_m和励磁电动势E输入同步发电机模型中，输出调制电压；

步骤六：将调制电压进行脉宽调制，再经过隔离放大后作用于逆变主电路，完成基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，其特征在于：步骤二中其中U为输出电压u₀的有效值，I为输出电流i₀的有效值，为输出电压u₀与输出电流i₀的相位差。

3.根据权利要求1所述的一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，其特征在于：步骤三中的机械功率P_m由额定有功功率P_ref和功率偏差ΔP组成；ΔP＝k_f(f_N-f)，k_f为比例调节系数，f_N为额定频率，f为输出电压的频率。

4.根据权利要求1所述的一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，其特征在于：步骤三中的励磁电动势E由虚拟同步发电机的空载电势E₀、无功功率调节单元的输出电动势ΔE_Q和机端电压调节单元的输出电动势ΔE_U组成，E＝E₀+ΔE_Q+ΔE_U；

其中，ΔE_Q＝k_q(Q_ref-Q)；k_q和k_p均为比例系数，Q_ref为额定无功功率，k_i为积分系数，U_ref为额定电压幅值。

5.根据权利要求1所述的一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，其特征在于：步骤四中的虚拟同步发电机的本体模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{E}-(R_a+{\mathrm{jX}}_s)\stackrel{\·}{I}\\ J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_N)\end{array}\right.---(1-1)$

其中：

$T_e=\frac{P_e}{\mathrm{\ω}}---(1-3)$

$\mathrm{\ω}=\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}---(1-4)$

式中：为虚拟同步发电机本体模型的输出电压向量；为励磁电动势向量；R_a为电枢电阻；X_s为同步电抗；I为电枢电流向量；J为转动惯量；ω为机械角速度；ω_N为额定角速度；T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；D为阻尼系数；P_m为机械功率；θ为电角度。

6.根据权利要求5所述的一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，其特征在于：步骤五具体包括：

501、输入机械功率P_m和输出电磁功率P_e，根据式(1-1)计算出角速度ω，对ω积分得到电角度θ，根据公式求得励磁电动势向量；

502、求得虚拟同步发电机的定子压降

503、根据励磁电动势向量和虚拟同步发电机的定子压降求得虚拟同步发电机本体模型的输出电压向量将该输出电压向量作为SPWM调制输入的调制电压。

7.根据权利要求1所述的一种基于逆变器的多虚拟同步发电机并联组网控制方法，其特征在于：逆变主电路为单相全桥电压型逆变电路。