CN106786795A - 一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略，属于分布式光伏发电控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略。本发明提供一种可以有效抑制系统动态过渡过程中的功率波动的基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略。本发明包括光伏阵列、电力电子变流电路、功频控制器、励磁控制器、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节和SPWM触发脉冲发生装置，其结构要点光伏阵列的输出端与电力电子变流电路的输入端相连，电力电子变流电路的输出端分别与交流母线、功频控制器的信号输入端、励磁控制器的信号输入端、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输入端相连。

Description

一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略

技术领域

本发明属于分布式光伏发电控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略。

背景技术

随着经济的发展，人们对能源的需求量越来越大，能源与环境问题日益凸现，传统的化石能源的大量使用不仅消耗了大量的资源储备而且也造成了严重的环境污染，已经无法满足人类社会可持续发展的需要。

作为一种典型的可再生能源，太阳能因其具有分布广泛、无污染以及使用灵活等优点而成为符合社会可持续发展理念的理想绿色能源。分布式光伏发电是太阳能开发利用的一种主要手段，正逐渐在人类社会发展中占据越来越重要的地位。

传统电力系统的绝大部分电能是由同步发电机提供的，同步发电机转子具有机械转动惯量，在这种运行方式下，当电力系统有扰动或者发生故障时，同步发电机可以利用转子中蕴藏的动能与电力系统进行能量交换，以此来维持系统的稳定性。

太阳能分布式光伏发电系统通过由电力电子器件构成的逆变器等变流装置与电力系统相连，不具有惯性与阻尼，其大量接入会对电力系统的动态稳定性造成不良影响。

为了使分布式光伏逆变电源具有传统同步发电机的转子旋转惯性与阻尼，现今以同步发电机理论为基础的虚拟同步发电机控制技术受到了人们的普遍关注。引入了虚拟同步发电机控制策略的分布式光伏逆变电源虽然具有了类似于同步发电机的转子旋转惯量与阻尼，在一定程度上提高了系统的稳定性，但现有的研究成果并没有有效克服控制过程中会产生有功功率与频率波动这一问题。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种可以有效抑制系统动态过渡过程中的功率波动的基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括光伏阵列、电力电子变流电路、功频控制器、励磁控制器、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节和SPWM触发脉冲发生装置，其结构要点光伏阵列的输出端与电力电子变流电路的输入端相连，电力电子变流电路的输出端分别与交流母线、功频控制器的信号输入端、励磁控制器的信号输入端、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输入端相连，功频控制器的信号输出端、励磁控制器的信号输出端分别与具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输入端相连，具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输出端通过PWM触发脉冲发生装置控制电力电子变流电路的开关元件；

当外界环境条件(光照强度或温度)发生变化或负载发生变化时，以电力电子变流电路的逆变电路为控制对象，以抑制系统动态过渡过程中所产生的功率波动为控制目的，检测并计算交流母线处的电压、电流、频率及功率，将它们作为功频控制器和励磁控制器的输入量，得到虚拟同步发电机的机械功率、电磁功率和励磁电动势，具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的输出经SPWM脉冲发生装置后产生触发脉冲，对逆变电路的开关元件进行控制。

作为一种优选方案，本发明所述具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节以传统发电机数学模型为基础，如式(1)所示；

式中：Mm为机械转矩，Me为电磁转矩，Pm为机械功率，Pe为电磁功率，D为阻尼系数，Δω为电气角速度差(Δω＝ω—ω0，ω0为额定电气角速度，ω为实际电角速度)，J为转动惯量，θ为电角度，E为感应电动势，U为定子端电压、I为定子电流，r为定子电枢电阻，x为同步电抗；

建立虚拟同步发电机运行等效电路及相量图，其中E和U分别为虚拟同步发电机输出电压幅值与负载电压幅值，δ为二者之间的相位差，Z＝R+jX为逆变器等效输出阻抗与线路阻抗之和；

虚拟同步发电机电磁功率表示为δ＝∫(ω-ω₀)dt，则

因此式(1)中的转子运动方程表示为进行拉普拉斯变换可得由此建立虚拟同步发电机功率闭环等效控制结构；

虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数为

设有功功率相对于频率变化的传递函数为一阶惯性环节；虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数变化为其中，C为控制参数；

引入前馈补偿环节G_f，则有

有功功率对于频率波动的闭环传递函数为

建立具有前馈补偿的虚拟同步发电机功率闭环控制结构。

作为另一种优选方案，本发明所述功频控制器包括第一比较器、调节器、第二比较器和限幅器，第一比较器对额定频率f_N和虚拟同步发电机实际频率f进行比较的出系统频率偏差△f，调节器由系统频率偏差△f得到负荷增量△P，△P与给定功率相比较，经过限幅器LTP得到逆变器的输入机械功率值P_m(输入到VSG算法中)，用以限制VSG的机械功率在允许的范围内；所述比例调节器系数K_g对应于同步发电机的调差系数。

其次，本发明所述励磁控制器包括第三比较器、比例调节器、加法器和乘法器，第三比较器将实际输出电压幅值U₀与输出电压幅值的给定参考值U_ref的差值经过比例调节器调节后产生励磁电流偏差值△i_f，加法器将△i_f与励磁电流参考值if相加后，通过乘法器与角频率相乘得到励磁电动势幅值E0，作为虚拟同步发电机电压算法的输入值。

另外，本发明所述转动惯量J设定为0.2kgm²、前馈补偿环节控制参数C设定为0.4。

本发明有益效果。

本发明在spwm触发脉冲发生装置与工频控制器、励磁控制器之间加入具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节，具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节接收Pe、i、Pm、Eo信号进行计算，输出Uref信号控制spwm触发脉冲发生装置，可以有效抑制系统动态过渡过程中的功率波动的。

本发明在光伏发电系统逆变器的控制环节中引入了同步发电机的数学模型及其控制方法，针对系统在动态响应过程中容易产生功率波动这一问题，建立了虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数，在传统虚拟同步发电机本体控制的基础之上引入前馈补偿控制环节，建立了具有前馈补偿的虚拟同步发电机功率闭环控制结构，通过对前馈补偿环节可调参数的调节可以达到降低系统阶数的控制效果，从而有效抑制过渡过程中的功率波动。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1为本发明基于虚拟同步发电机算法的光伏逆变器控制框图。

图2为本发明虚拟同步发电机的等效电路与相量图。

图3为本发明虚拟同步发电机功率闭环控制结构图。

图4为本发明具有前馈补偿的虚拟同步发电机功率闭环控制结构示意图。

图5为本发明功频控制器示意图。

图6为本发明励磁控制器示意图。

图7为本发明负载发生变化时的电流波形。

图8为本发明负载发生变化时的频率波形。

图9为本发明负载发生变化时前馈补偿控制环节控制参数C设定为不同值时的有功功率输出波形。

具体实施方式

如图所示，本发明包括光伏阵列、电力电子变流电路、功频控制器、励磁控制器、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节和SPWM触发脉冲发生装置，光伏阵列的输出端与电力电子变流电路的输入端相连，电力电子变流电路的输出端分别与交流母线、功频控制器的信号输入端、励磁控制器的信号输入端、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输入端相连，功频控制器的信号输出端、励磁控制器的信号输出端分别与具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输入端相连，具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输出端通过PWM触发脉冲发生装置控制电力电子变流电路的开关元件；

当外界环境条件(光照强度或温度)发生变化或负载发生变化时，以电力电子变流电路的逆变电路为控制对象，以抑制系统动态过渡过程中所产生的功率波动为控制目的，检测并计算交流母线处的电压、电流、频率及功率，将它们作为功频控制器和励磁控制器的输入量，得到虚拟同步发电机的机械功率、电磁功率和励磁电动势，具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的输出经SPWM脉冲发生装置后产生触发脉冲，对逆变电路的开关元件进行控制。

所述具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节以传统发电机数学模型为基础，如式(1)所示；

式中：Mm为机械转矩，Me为电磁转矩，Pm为机械功率，Pe为电磁功率，D为阻尼系数，Δω为电气角速度差(Δω＝ω—ω0，ω0为额定电气角速度，ω为实际电角速度)，J为转动惯量，θ为电角度，E为感应电动势，U为定子端电压、I为定子电流，r为定子电枢电阻，x为同步电抗；

建立虚拟同步发电机运行等效电路及相量图，如图2所示，其中E和U分别为虚拟同步发电机输出电压幅值与负载电压幅值，δ为二者之间的相位差，Z＝R+jX为逆变器等效输出阻抗与线路阻抗之和；

虚拟同步发电机电磁功率表示为δ＝∫(ω-ω₀)dt，则

因此式(1)中的转子运动方程表示为进行拉普拉斯变换可得由此建立虚拟同步发电机功率闭环等效控制结构，如图3所示；

虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数为

设有功功率相对于频率变化的传递函数为一阶惯性环节；虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数变化为其中，C为控制参数；

引入前馈补偿环节G_f，则有

有功功率对于频率波动的闭环传递函数为

建立具有前馈补偿的虚拟同步发电机功率闭环控制结构，如图4所示。

采用具有前馈补偿的虚拟同步发电机控制策略，当转动惯量J设定为0.2kgm²、C设定为不同值，当负载发生变化时，改进虚拟同步发电机控制的有功功率波形如图9所示，由图可见，可调参数C增大，有功功率超调增大，适当减小可调参数C的设定值可以有效避免有功功率超调并加快响应速度。当控制参数C增大到1时，改进虚拟同步发电机控制策略的控制效果与传统虚拟同步发电机控制等同。

如图5所示，所述功频控制器包括第一比较器、调节器、第二比较器和限幅器，第一比较器对额定频率f_N和虚拟同步发电机实际频率f进行比较的出系统频率偏差△f，调节器由系统频率偏差△f得到负荷增量△P，△P与给定功率相比较，经过限幅器LTP得到逆变器的输入机械功率值P_m(输入到VSG算法中)，用以限制VSG的机械功率在允许的范围内；所述比例调节器系数K_g对应于同步发电机的调差系数。

如图6所示，所述励磁控制器包括第三比较器、比例调节器、加法器和乘法器，第三比较器将实际输出电压幅值U₀与输出电压幅值的给定参考值U_ref的差值经过比例调节器调节后产生励磁电流偏差值△i_f，加法器将△i_f与励磁电流参考值if相加后，通过乘法器与角频率相乘得到励磁电动势幅值E0，作为虚拟同步发电机电压算法的输入值。K_e为比例放大系数。

所述转动惯量J设定为0.2kgm²、前馈补偿环节控制参数C设定为0.4。采用具有前馈补偿的虚拟同步发电机控制策略，当转动惯量J设定为0.2kgm²、前馈补偿环节控制参数C设定为0.4时，负载变化前后的输出电流波形如图7所示，在负载发生变化时输出电流经过短暂而微小波动之后迅速趋于稳定。

采用具有前馈补偿的虚拟同步发电机控制策略，当转动惯量J设定为0.2kgm²、前馈补偿环节控制参数C设定为0.4时，负载变化前后频率波形如图8所示，由图可见频率波动始终维持在±0.2Hz以内，满足频率控制要求。

如图9所示，可调参数C增大，有功功率超调增大，适当减小可调参数C的设定值可以有效避免有功功率超调并加快响应速度。经实践证明，在转动惯量J设定为0.2kgm²时，前馈补偿环节控制参数C设定为0.4，功率波动小，动态过渡时间短，是一种比较理想的工作状态。

所述具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的硬件电路可采用dsp电路。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略，包括光伏阵列、电力电子变流电路、功频控制器、励磁控制器、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节和SPWM触发脉冲发生装置，其特征在于光伏阵列的输出端与电力电子变流电路的输入端相连，电力电子变流电路的输出端分别与交流母线、功频控制器的信号输入端、励磁控制器的信号输入端、具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输入端相连，功频控制器的信号输出端、励磁控制器的信号输出端分别与具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输入端相连，具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的信号输出端通过PWM触发脉冲发生装置控制电力电子变流电路的开关元件；

当外界环境条件(光照强度或温度)发生变化或负载发生变化时，以电力电子变流电路的逆变电路为控制对象，以抑制系统动态过渡过程中所产生的功率波动为控制目的，检测并计算交流母线处的电压、电流、频率及功率，将它们作为功频控制器和励磁控制器的输入量，得到虚拟同步发电机的机械功率、电磁功率和励磁电动势，具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节的输出经SPWM脉冲发生装置后产生触发脉冲，对逆变电路的开关元件进行控制。

2.根据权利要求1所述一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略，其特征在于所述具有前馈补偿的虚拟同步发电机本体控制环节以传统发电机数学模型为基础，如式(1)所示；

$\left\{\begin{array}{c}{M}_m-M_e-D\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}=\frac{P_m}{\mathrm{\ω}}-\frac{P_e}{\mathrm{\ω}}-D\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}=J\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{dt}\\ \frac{d\mathrm{\θ}}{dt}=\mathrm{\ω}\\ \stackrel{\·}{E}=\stackrel{\·}{U}+\stackrel{\·}{I}(r+jx)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：Mm为机械转矩，Me为电磁转矩，Pm为机械功率，Pe为电磁功率，D为阻尼系数，Δω为电气角速度差(Δω＝ω—ω0，ω0为额定电气角速度，ω为实际电角速度)，J为转动惯量，θ为电角度，E为感应电动势，U为定子端电压、I为定子电流，r为定子电枢电阻，x为同步电抗；

建立虚拟同步发电机运行等效电路及相量图，其中E和U分别为虚拟同步发电机输出电压幅值与负载电压幅值，δ为二者之间的相位差，Z＝R+jX为逆变器等效输出阻抗与线路阻抗之和；

虚拟同步发电机电磁功率表示为δ＝∫(ω-ω₀)dt，则

因此式(1)中的转子运动方程表示为进行拉普拉斯变换可得由此建立虚拟同步发电机功率闭环等效控制结构；

虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数为

设有功功率相对于频率变化的传递函数为一阶惯性环节；虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数变化为其中，C为控制参数；

引入前馈补偿环节G_f，则有

有功功率对于频率波动的闭环传递函数为

建立具有前馈补偿的虚拟同步发电机功率闭环控制结构。

3.根据权利要求1所述一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略，其特征在于所述功频控制器包括第一比较器、调节器、第二比较器和限幅器，第一比较器对额定频率f_N和虚拟同步发电机实际频率f进行比较的出系统频率偏差△f，调节器由系统频率偏差△f得到负荷增量△P，△P与给定功率相比较，经过限幅器LTP得到逆变器的输入机械功率值P_m(输入到VSG算法中)，用以限制VSG的机械功率在允许的范围内；所述比例调节器系数K_g对应于同步发电机的调差系数。

4.根据权利要求1所述一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略，其特征在于所述励磁控制器包括第三比较器、比例调节器、加法器和乘法器，第三比较器将实际输出电压幅值U₀与输出电压幅值的给定参考值U_ref的差值经过比例调节器调节后产生励磁电流偏差值△i_f，加法器将△i_f与励磁电流参考值if相加后，通过乘法器与角频率相乘得到励磁电动势幅值E0，作为虚拟同步发电机电压算法的输入值。

5.根据权利要求1所述一种基于虚拟同步发电机的分布式光伏发电系统控制策略，其特征在于所述转动惯量J设定为0.2kgm²、前馈补偿环节控制参数C设定为0.4。