CN106684921A - 基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号e_m。本发明使VSG控制策略在孤岛模式下可自动跟踪负荷波动并改变自身的出力，为微网提供频率支撑。

Description

基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路

技术领域

本发明涉及微电网中分布式电源的逆变器二次频率控制，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路。

背景技术

当前，为了在逆变器中引入同步发电机的“同步”机制，学者提出一种新型的控制方案，该方案通过模拟同步发电机的转子运动方程，使逆变器具备了阻尼功率振荡的能力，从而帮助改善系统的稳定性，虚拟同步发电机控制策略(VSG,Virtual SynchronousGenerator)，但是目前研究中该方案大多仅能实现同步发电机一次调频的功能，即VSG可实时调整自身出力为电网提供频率支撑，然而一次调频是有差调节，不能保证微网在孤岛运行时的电能质量，这就需要微网中有能实现二次调频的分布式电源。

目前用于微网的二次调频控制方法主要分为三类：一是集中式的二次调频控制算法，即通过通信手段实时计算微网内功率缺额并按一定规则分配给微网内各台逆变器；第二种是基于一致性的半分布式方案，即通过相邻分布式电源的通信，实现电压和频率的二次控制；第三是分散式控制方法，利用下垂控制策略以及本地分布式电源的信息实现控制，可实现DG的即插即用，系统可靠性高，扩展性好，系统运行更加灵活。传统的分散式控制方法需要一台容量较大的逆变器运行在恒压频(VF)模式下，为微网提供电压和频率支撑。

集中式和半分布式方案都需要通信线互联，可靠性较低，同时较低的通信带宽也会导致系统响应存在延迟；分散式控制方案中的VF方案本质上控制的是三相交流电的电压和频率，并没有对电压的相位进行控制，这就导致在负载突变等暂态过程中，电机类负载的转速受到冲击会变慢，但是电机的供电频率也就是同步角速度仍保持不变，这样电机类负载就会产生瞬时失步，从而引起转矩和转速振荡，由于缺少对电压相位的控制，此暂态过程会持续较长时间，这也是恒压频控制响应较慢且控制精度不高的主要原因；同时，为了满足负荷功率变化的需求，采用VF控制的逆变器只能是微网中包含大容量储能装置的间歇性微源或大容量非间歇性微源。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号e_m。

进一步，所述电压环包括准PR控制器和有源阻尼内环，所述准PR控制器的输入端与VSG控制器的输出端连接，准PR控制器的输出端与有源阻尼内环连接，有源阻尼内环的输出端与逆变器连接。

进一步，所述功频控制器用于模拟同步发电机，其模型为：

式中，J是同步电机的转动惯量，T_m、T_e、T_d分别是机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，P_m、P_e分别代表输入机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω为机械角速度，ω_ref为VSG控制器提供的角频率给定，ω_N为额定角频率。

进一步，所述励磁控制器，包括空载电压和无功功率控制部分，见式(3)：

E_m＝k_q∫(Q_ref+k_u(U_ref-U_pcc)-Q_e)+E₀ (3)

其中，k_q为无功调节系数，Q_ref为无功功率指令值，k_u为电压下垂系数，U_ref为电压参考，U_pcc为公共耦合点电压反馈，Q_e为逆变器输出无功功率测量值，E₀为VSG控制器的空载电势。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

原有的恒压频技术为了满足负荷功率变化的需求，参与二次调频的逆变器只能是微网中包含大容量储能装置的间歇性微源或大容量非间歇性微源，且在控制过程中缺少惯性支撑，可能与微网中电机类负载出现失步并导致震荡。本发明使VSG控制策略在孤岛模式下可自动跟踪负荷波动并改变自身的出力，为微网提供频率支撑。同时，通过改变控制参数，还可实现多台逆变器对微网缺额功率的按容量分配，达到微网内多台逆变器同时参与调频的目的，有利于总调频容量以及微电网容量的扩展。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是基于虚拟同步发电机算法的逆变器控制框图；

图2是一次调频和二次调频；

图3是VSG的控制实现；

图4是离网模式下逆变器等效电路；

图5是VSG的小信号等效模型；

图6是系统随k_i增大时的根轨迹图；

图7是定子角频率开环传递函数的Bode图；

图8是相位预同步控制框图；

图9是VF控制下的输出波形图，(a)逆变器输出功率波形，(b)孤岛模式下的微网频率，(c)公共耦合点处的电压电流波形；

图10是微网仿真平台；

图11是VSG二次调频控制下的输出波形图；(a)各逆变器输出有功功率波形，(b)微网系统频率波形，(c)各逆变器输出无功功率波形；

图12是预同步仿真波形；(a)输出有功功率，(b)微电网频率，(c)网侧电压电流波形。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1所示为采用VSG控制策略的主电路结构，直流侧为带有储能的分布式电源。

一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号e_m。

主电路采用三相电压型逆变器，U_dc为直流源电压；R_g，L_g为VSG到公共耦合点PCC的线路阻抗；R_L,L,C分别为LC滤波器的电感内阻、滤波电感和滤波电容；u_o，i_o分别为滤波电容电压和逆变器输出电流；i_c为滤波电容电流，e_m为电压指令信号；P_m、Q_ref分别代表输入机械功率和无功给定；P_e、Q_e分别代表逆变器输出有功和无功功率。功率外环通过控制逆变器瞬时有功和无功功率，得到指令电压作为电压环的输入信号。为保证输出精度，电压环采用跟踪性能突出的准PR控制器，同时为抑制LC滤波器在轻载或空载时由于输入侧扰动而产生的较大震荡，在电压环中引入基于电容电流反馈的有源阻尼内环，以实现抑制谐振的效果。

图3为功频控制器和励磁控制器的结构框图。S₁为二次调频使能开关，S₂～S₄为预同步控制使能开关。功频控制器主要模拟了同步发电机的转子运动方程，本发明对其数学模型的建立旨在使分布式电源具有同步发电机的基本特性，因此采用同步发电机的二阶模型，如式(1)所示：

式中，T_m，T_e，T_d分别是机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，J是同步电机的转动惯量，其单位是kg·m²；D为阻尼系数，代表阻尼绕组的作用；当极对数p＝1时，同步发电机的机械角速度ω即为电气角频率，经过一次积分变换可得到参考电压的相位信息。ω_g为电网同步角频率，ω_N为额定角频率，通过开关的切换，二者在不同模式下为VSG提供角频率给定ω_ref；通常令逆变器的ω_ref等于ω_N，以实现一次调频的功能。P_m、P_e分别代表输入机械功率和电磁功率。

由式(1)可知，当系统达到稳态时，有：

P_m-P_e＝Dω_N(ω-ω_ref) (2)

式(2)表明，VSG的有功功率和频率之间存在下垂特性，如图2，此时假设微电网处于并网状态，ω_ref等于ω_g。当电网频率下降时，VSG可自动的调整自身出力，增加注入电网的有功功率，从而实现一次调频功能，此时工作点从图2中的A点移动到B点，当网侧频率增大时则相反，一次调频功能同时也是有差调节。

在孤岛模式时，微网的电压和频率由逆变器自身来完成调节。二次调频即通过模拟同步发电机改变调速器工作特性的方式实现频率二次控制，使转速稳定在额定值，即从图2中的B点移动到C点。

图3中VSG的励磁控制器，包括VSG的空载电压和无功功率控制部分，见式(3)：

E_m＝k_q∫(Q_ref+k_u(U_ref-U_pcc)-Q_e)+E₀ (3)

其中，Q_ref为无功功率指令值，Q_e为逆变器输出无功功率测量值，E₀为VSG的空载电势，k_u为电压下垂系数，k_q为无功调节系数。图3中的U_g,U_N分别为电网电压和额定电压的有效值，通过模式开关S₂的选择，为微网控制器提供电压参考U_ref。为了避免线路压降对输出电压的影响，保证孤岛模式下微网公共耦合点电压的稳定，这里引入公共耦合点电压反馈U_pcc。励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和前面得到的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号e_m，其表达式为：

微网具有离网和并网两种运行方式，在并网模式下，开关S₁、S₄断开，S₂切换到U_N，开关S₃切换到ω_N，如表1所示，此时系统运行于下垂控制模式，可实现一次调频功能，相比较传统的下垂控制，VSG的输出有功功率得益于惯性环节的引入，暂态过程更加平滑，具备了阻尼功率振荡的能力，提高了系统频率的稳定性。

表1VSG运行模式

在离网模式下，开关S₁闭合，S₄断开，S₂保持在U_N，开关S₃保持在ω_N。此时VSG可实现二次控制，其中二次调频是将积分器引入到VSG的功频控制环路，和阻尼转矩共同组成PI控制器，从而实现对额定频率的跟踪控制。不同于传统的VF控制模式，VSG的二次控制通过控制角频率达到控制输出电压相位的目的。下面将就k_i的引入对系统性能的影响展开分析并确定k_i的取值范围。

首先建立系统的小信号等效模型。图4所示为离网模式下的等效电路，其中，逆变电源输出电压为E∠δ，线路阻抗Z∠α＝R_g+jX_g，Z_L为负载阻抗，逆变器输出的视在功率为S＝P+jQ，假设线路阻抗与负载阻抗统称为R+jX，则：

考察静态工作点(E_s,δ_s)处的扰动ΔE和Δδ引发的VSG输出功率偏差，对逆变器输出功率表达式(5)进行线性化并简化表示：

其中K_pf，K_pe，K_qf，K_qe分别为对应的增益。本发明为简化分析，将有功和无功看作近似解耦。然后结合式(1)(2)(3)(6)，可得到离网模式下功率外环的小信号等效模型，如图5所示。

根据图5中有功环路的控制框图，可以求出定子角频率ω_ref到ω的闭环传递函数：

表2给出了VSG控制系统的参数设置，本发明选取J＝0.3，D＝15。

下面讨论积分器增益k_i对系统稳定性的影响，式(7)的闭环特征方程为：

表2VSG控制方案系统参数设置

当k_i≠0时，对于确定的J和D，以积分器增益k_i为开环增益的等效开环传递函数为：

上式令k_i增大时的系统根轨迹如图6所示。

从图6可以看出，一对共轭复根始终在虚轴的左侧，说明k_i的引入不会影响原有系统的稳定性。下面求取k_i的取值范围。本发明所提VSG的二次控制本质上是通过衰减额定角速度的扰动分量来达到跟踪效果，因此，参数k_i需要保证角频率开环传递函数的环路增益满足衰减条件，即环路增益小于1。根据图5，定子角频率的开环传递函数为:

由于角频率的扰动分量在复频域内处于极低频段，因此式(10)的环路增益可以近似化简为：

令上式小于1即可得到k_i的取值下限。通常同步发电机的时间常数为秒级，为了模拟同步发电机二次调频时的暂态响应曲线，保证微网系统频率的稳定，k_i的取值不能过大，以避免扰动分量衰减过快导致微网频率出现失步，因此，本发明在环路增益为0.1时求得k_i的取值上限。在此取值范围内，系统既可实现对扰动分量的衰减，同时又能保证频率在暂态恢复过程中对同步发电机机械惯性的模拟，有利于系统频率的稳定。图7为在不同的k_i取值下，系统角频率的开环传递函数对应的Bode图。从图7中也可看出随着k_i的增大，系统在低频段对扰动分量的衰减能力不断增强。

从式(11)可得出逆变器输出电压角频率的闭环增益：

为了实现逆变器在二次调频时按容量均分缺额功率的功能，结合式(12)，可以计算得到参与二次调频的逆变器对应的积分器增益k_i的取值，即：

T_cl1:T_cl2:…T_cli＝S_n1:S_n2:…S_ni(i＝1,2,3…) (13)

其中，T_cli、S_ni分别为逆变器角频率的闭环增益和逆变器容量。

前面所提的VSG二次调频控制还可辅助完成预同步控制的频率同步环节。微网在并离网切换过程中，VSG可保持并网时的初始状态(包括电势和相位)，不会出现明显的暂态过程，即实现并离网的无缝切换。但是逆变器在孤岛运行时，由于电压和频率的调节作用，其运行状态和电网之间会出现偏差，此时强行并网会导致冲击电流过大而使并网失败。因此逆变器在离并网切换时，需要完成预同步环节，包括电压幅值、频率以及相位的预同步。

本发明引入三相软件锁相环(SPLL)实现预同步控制。相位的预同步控制框图如图8所示。其中E_g、ω_g、θ_g分别为电网电压的幅值，角频率和相位。将dq坐标系的d轴定位u_g的正方向上，通过控制u_pcc的q轴分量为0，实现耦合点电压与电网电压的同步追踪。实际预同步过程如下：

(1)离网模式下，首先将开关S₂切换到U_g，开关S₃切换到ω_g。目的是控制逆变器耦合点电压与电网电压幅值和频率的同步。

(2)开关S₄闭合，切入同步补偿角频率Δω_pre，实现耦合点电压对电网电压的相位追踪。

(3)完成两者的同步后闭合并网开关。

(4)断开S₁、S₄，将开关S₂切换到U_N，S₃切换到ω_N。目的是使逆变器运行在并网模式且可实现一次调频调压功能。

通过以上步骤，逆变器即完成预同步过程。实际使用时还需加入相位差检测环节，当相位差减小到一定程度时自动闭合并网开关。

为了突出本发明所提控制策略的优越性，本发明入VF控制进行对比验证。仿真采用单台VF控制的逆变器，参数和表2一致，线路阻抗为0.64+j0.31Ω，负荷为10kW/5kVar，在0.3s突增5kW有功负荷，并在0.6s切出，图9是对应的波形图。

从上图可以看出，VF控制体现了逆变器惯性小的特点，响应速度很快，并且VF控制可以保证微网在孤岛模式下电压和频率的恒定。但是图9(b)显示，在负荷突变的过程中，微网频率并没有明显的暂态变化过程，这可能导致微网内出现低频振荡等不稳定现象，符合前文理论分析。

基于前文分析，本发明通过MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建了由三台逆变器组成的小型微网仿真平台，逆变器均采用VSG控制，其中VSG1容量为20kVA，另外两台容量为10kVA。具体电路结构如图10所示，相关参数见表2。

三台逆变器线路阻抗分别为0.64+j0.31Ω，0.64+j0.31Ω，0.5+j0.84Ω。其中VSG1和VSG2采用改进二次调频控制算法，VSG3采用传统的虚拟同步发电机算法，可实现一次调频调压特性。VSG1和VSG2的功率给定全部设置为0，使其跟随负荷调整自身输出，同时k_i1＝230，k_i2＝500，保证两台逆变器按容量均分缺额功率。VSG3的功率给定值为P_ref＝5000kW，Q_ref＝5000kVar。初始负荷为20kW/10kVar，0.5s时突增10kW有功负荷，并在1s时切出。

仿真结果见图11，其中P_vsgi、Q_vsgi(i＝1,2,3)分别代表对应VSG的输出有功和无功功率。从结果可知系统达到稳态时，计划外有功和无功由VSG1和VSG2共同承担。在0.5s时，负荷突增10kW，此时频率突然下降，由于一次调频的响应速度是毫秒级，因此三台逆变器几乎瞬时响应微网的频率突变，输出功率增大，频率初步稳定在49.89Hz；随后二次调频开始发挥作用，VSG1和VSG2调整自身出力以满足功率缺额，并且输出功率和自身容量成正比，微网频率回到50Hz额定值附近，VSG3继续按照功率给定值输出有功功率。

从图11(c)中可知，VSG3的励磁控制器采用传统的无功电压下垂控制，只要网侧电压稳定，VSG3就可按照给定值输出无功。VSG1和VSG2采用本发明所提励磁控制器方案，引入PCC点电压反馈，可以为微网提供电压支撑。综上，本发明所提方案可响应负荷变化，避免在负荷波动过程中出现低频振荡现象，保证了微网系统的安全稳定运行。

本发明所提方案还可辅助实现离并网的切换控制，完成对电网电压的频率追踪。仿真采用一台VSG逆变器验证，功率给定值P_ref＝12kW，Q_ref＝5kVar，带10kW/5kVar负荷孤岛运行，线路阻抗为0.64+j0.31Ω，设置电网参数为ω_g＝312.9rad/s，并网前电网电压和逆变器输出电压的相位差为60度。在0.4s时，开关S₂切换到U_g，开关S₃切换到ω_g。0.45s时，开关S₄闭合，切入预同步部分，0.8s时闭合并网开关，同时断开S₁，0.85s断开S₄，切出预同步单元，0.9s时，开关S₂切换到U_N，开关S₃切换到ω_N，预同步过程结束。图12为对应的仿真波形。从图12(a)(b)可以看出，0.4s时预同步过程开始，逆变器频率给定和电压给定切换为电网参数，二次调频和励磁控制器完成逆变器对电网的频率和电压追踪，0.5s时预同步单元使能，从图12(c)可以看出并网点电压经过两摆完成与网侧电压的相位同步，0.8s并网时，电压的完全同步避免了冲击电流的产生。同时S₁断开，VSG恢复为有功频率和无功电压下垂模式，可以按照功率给定输出并响应网侧频率和电压变化，实现一次调节功能。

虚拟同步发电机通过模拟传统同步发电机的外特性，使微网逆变器实现了与传统同步发电机的等效。本发明可以使逆变器模拟电力系统二次调频的过程，在孤岛模式下实时响应负荷变化，改变自身出力，维持微网的频率恒定；本发明还可应用于多台逆变器互联，可使微网内多台逆变器同时参与二次调频，有利于总调频容量以及微电网容量的扩展；同时，所提二次调频方案可辅助完成预同步过程的频率追踪环节，保证预同步的顺利进行。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，其特征在于：还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号e_m。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，其特征在于：所述电压环包括准PR控制器和有源阻尼内环，所述准PR控制器的输入端与VSG控制器的输出端连接，准PR控制器的输出端与有源阻尼内环连接，有源阻尼内环的输出端与逆变器连接。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，其特征在于：所述功频控制器用于模拟同步发电机，其模型为：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T_m-T_e-T_d=\frac{P_m}{{\mathrm{\ω}}_N}-\frac{P_e}{{\mathrm{\ω}}_N}-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_{ref})\\ \frac{d\mathrm{\δ}}{dt}=\mathrm{\ω}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，J是同步电机的转动惯量，T_m、T_e、T_d分别是机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，P_m、P_e分别代表输入机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω为机械角速度，ω_ref为VSG控制器提供的角频率给定，ω_N为额定角频率。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，其特征在于：所述励磁控制器，包括空载电压和无功功率控制部分，见式(3)：

E_m＝k_q∫(Q_ref+k_u(U_ref-U_pcc)-Q_e)+E₀ (3)

其中，k_q为无功调节系数，Q_ref为无功功率指令值，k_u为电压下垂系数，U_ref为电压参考，U_pcc为公共耦合点电压反馈，Q_e为逆变器输出无功功率测量值，E₀为VSG控制器的空载电势。