CN107017621B - 基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法，属于新能源电力变换技术领域。采集了逆变电源网侧LC滤波器的输出电压、电流及频率，利用上述各量计算得到滤波器输出有功、无功功率、电压。其中滤波器输出无功功率及滤波电容电压幅值通过虚拟励磁控制器产生维持电网电压稳定的虚拟励磁电势，连同上述滤波器输出有功功率及PLL输出频率通过虚拟同步发电机控制器得到逆变器输出电压参考值，作为PWM逆变器调制信号。能够模拟真正同步机动态，有利于微网的稳定运行。优点在于，克服了目前虚拟同步发电机技术在建模上常采用低阶模型，无法更准确的模拟同步发电机的动态的缺陷。

Description

基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法
技术领域
本发明属于新能源电力变换技术领域，特别是涉及一种基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法。
背景技术
随着能源的日渐枯竭和环境污染的日益严重，分布式能源迅速发展起来，传统集中式电力系统正面临向分布式发电转变的深刻变革。随着分布式电源渗透率增加，传统同步发电机的装机比例将逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减小，这对电网的安全稳定运行带来了严峻的挑战。电网将逐步发展为电力电子变换器为主导的低惯量、欠阻尼网络，稳定性问题愈发严重。虚拟同步发电机(VSG)技术因其能使逆变器模拟同步发电机运行机制、有利于改善系统稳定性而成为研究热点，而具有广泛的应用前景。但是目前虚拟同步发电机技术在建模上常采用低阶模型，无法更准确的模拟同步发电机的动态，尚需一种弥补上述缺点的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法，克服了目前虚拟同步发电机技术在建模上常采用低阶模型，无法更准确的模拟同步发电机的动态的缺陷。采集了逆变电源网侧LC滤波器的输出电压、电流及频率，利用上述各量计算得到滤波器输出有功、无功功率、电压。其中滤波器输出无功功率及滤波电容电压幅值通过虚拟励磁控制器产生维持电网电压稳定的虚拟励磁电势，连同上述滤波器输出有功功率及PLL输出频率通过虚拟同步发电机控制器得到逆变器输出电压参考值，作为PWM逆变器调制信号。能够模拟真正同步机动态，有利于微网的稳定运行。具体工艺步骤及控制的技术参数如下：
步骤1：采集逆变电源网侧LC滤波器输出电压(Ua,Ub,Uc)、电流(iga,igb,igc)，利用dq变换提取d、q轴分量(Ud,Uq,id,iq)，经计算、低通滤波得到LC滤波器输出有功(P)、无功功率(Q)和电压幅值(V)；
步骤2：将LC滤波器输出无功功率(Q)和电压幅值(V)作为虚拟励磁控制器的输入得到维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势(Ef)；
步骤3：将LC滤波器输出电流d、q轴分量(id,iq)，LC滤波器输出有功功率(P)，虚拟励磁电势(Ef)和电网频率(ωgrid)作为采用五阶数学模型建模的虚拟同步发电机控制器的输入量，得到逆变器输出电压d、q轴参考指令值(edref,eqref)及逆变器输出频率(ω)。
步骤4：将虚拟同步发电机控制器的输出电压d、q轴参考指令值(edref,eqref)及逆变器输出频率(ω)作为电压电流双环控制的输入量，得到PWM控制信号，进而调节逆变电源输出功率，维持微电网频率稳定。
上述步骤3中的虚拟同步发电机控制器采用同步发电机五阶模型。其具体控制策略如下：
步骤1：与同步发电机类似，虚拟同步机的转子运动方程可写作：
其中Pm为转子机械功率；Pe为电磁功率；H为惯性时间常数；KD为阻尼系数；ω为转子角速度；Δω为转子角速度偏差量；δ为功角；ωb为转子角频率基准值。
步骤2：与同步发电机五阶模型类似，虚拟同步机的电磁方程可写作：
其中，Td0’为d轴暂态时间常数，Tq0”为q轴次暂态时间常数,Xd为d轴同步电抗，Xd’为d轴暂态电抗，Xd”为d轴次暂态电抗，Xq为q轴同步电抗，Xq”为q轴次暂态电抗，Eq’为q轴暂态电势，Eq”为q轴次暂态电势，Ed”为d轴次暂态电势。Vd,Vq为虚拟同步机控制器输出电压参考值，Vd＝edref,Vq＝eqref。
步骤3：对于式(2)中的结果，化简可得：
步骤4：将步骤3代入式(3)中，可得：
所述虚拟同步发电机控制包含频率控制及电压控制两部分。
所述虚拟同步发电机频率控制通过虚拟转子方程实现。
本发明能够有效模拟真实同步机动态，维持微电网频率稳定。
附图说明
图1为微电网频率控制示意图。
图2为虚拟同步发电机控制器原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对基于虚拟同步发电机的微电网频率控制方法进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明提供一种基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法，用以模拟同步发电机动态，维持微电网频率稳定：逆变电源经LC滤波器接入系统，在dq坐标系下提取LC滤波器输出电压、电流分量(Ua,Ub,Uc)，(iga,igb,igc)，经计算和低通滤波器得到LC滤波器输出有功、无功功率和电压幅值(P,Q,V)；将LC滤波器输出无功功率(Q)和电压幅值(V)作为虚拟励磁控制器的输入得到维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势(Ef)；将LC滤波器输出有功功率(P)，虚拟励磁电势(Ef)和锁相环得到的电网频率(ωgrid)作为虚拟同步发电机控制器的输入量，得到逆变器输出电压d、q轴参考指令值(edref,eqref)和输出角频率(ω)，进而调节逆变电源输出功率，维持微电网频率稳定。
本发明借助全控型逆变电源，通过虚拟同步发电机控制及虚拟励磁控制器改变逆变电源所发出的功率，在扰动过程中维持系统频率稳定。
本发明方法的步骤为：
步骤1：采集逆变电源网侧LC滤波器输出电压(Ua,Ub,Uc)、电流(iga,igb,igc)，利用dq变换提取d、q轴分量(Ud,Uq,id,iq)，经计算、低通滤波得到LC滤波器输出有功(P)、无功功率(Q)和电压幅值(V)；
步骤2：将LC滤波器输出无功功率(Q)和电压幅值(V)作为虚拟励磁控制器的输入得到维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势(Ef)；
步骤3：将LC滤波器输出电流d、q轴分量(id,iq)，LC滤波器输出有功功率(P)，虚拟励磁电势(Ef)和电网频率(ωgrid)作为采用五阶数学模型建模的虚拟同步发电机控制器的输入量，得到逆变器输出电压d、q轴参考指令值(edref,eqref)及逆变器输出频率(ω)。
步骤4：将虚拟同步发电机控制器的输出电压d、q轴参考指令值(edref,eqref)及逆变器输出频率(ω)作为电压电流双环控制的输入量，得到PWM控制信号，进而调节逆变电源输出功率，维持微电网频率稳定。
上述步骤3中的虚拟同步发电机控制器采用同步发电机五阶模型。其具体控制策略如下：
步骤1：与同步发电机类似，虚拟同步机的转子运动方程可写作：
其中Pm为转子机械功率；Pe为电磁功率；H为惯性时间常数；KD为阻尼系数；ω为转子角速度；Δω为转子角速度偏差量；δ为功角；ωb为转子角频率基准值。
步骤2：与同步发电机五阶模型类似，虚拟同步机的电磁方程可写作：
其中，Td0’为d轴暂态时间常数，Tq0”为q轴次暂态时间常数,Xd为d轴同步电抗，Xd’为d轴暂态电抗，Xd”为d轴次暂态电抗，Xq为q轴同步电抗，Xq”为q轴次暂态电抗，Eq’为q轴暂态电势，Eq”为q轴次暂态电势，Ed”为d轴次暂态电势。Vd,Vq为虚拟同步机控制器输出电压参考值，Vd＝edref,Vq＝eqref。
步骤3：对于式(2)中的结果，化简可得：
步骤4：将步骤3代入式(3)中，可得：
所述虚拟同步发电机控制包含频率控制及电压控制两部分。
所述虚拟同步发电机频率控制通过虚拟转子方程实现。
本发明能够有效模拟真实同步机动态，维持微电网频率稳定。
本发明能够有效模拟真实同步机动态，维持微电网频率稳定。
图1是基于SPWM控制的全控型逆变电源用于虚拟同步发电机控制的示意图。提取逆变电源LC滤波器输出电压、电流d、q轴分量，通过计算和低通滤波器得到LC滤波器输出有功、无功功率和电压幅值，作为虚拟励磁控制器的输入。
逆变电源LC滤波器输出无功功率Q和输出电压幅值V通过下垂系数形成下垂控制特性，经PI调节后生成虚拟励磁电势作为虚拟同步发电机控制器的输入。结合虚拟励磁控制器输出的励磁电压，提取逆变电源LC滤波器滤波电感电流d、q轴分量及频率作为虚拟同步发电机控制器输入，最终形成调制波的d、q轴电压分量edref、eqref；调制波的dq轴电压分量经dq/abc变换后，形成调制波的三相电压量，与载波比较后，形成控制全控型开关器件通断的脉冲触发信号。
电压、电流量在abc坐标系与dq坐标系之间的变换关系如下公式所示：
其中：
fa、fb、fc为abc坐标系下的对应的a相、b相和c相电压、电流；
fd、fq为dq坐标系下的d轴分量和q轴分量；
θ为虚拟转子旋转角度；
图2是虚拟同步发电机控制器的原理示意图。分为两部分：频率控制与电压控制。频率控制由虚拟转子方程得到，将虚拟转子角频率ω作为输入，与额定角频率比较，生成维持系统频率稳定的有功功率增量。电压控制将逆变电源LC滤波器滤波电感电流的d、q轴分量id、iq，有功功率增量和LC滤波器输出功率P作为输入，利用同步发电机五阶模型得到逆变电源输出电压参考指令edref、eqref。
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 (2)

1.一种基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法，其特征在于：具体工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)采集逆变电源网侧LC滤波器输出电压Ua,Ub,Uc、电流iga,igb,igc，利用dq变换提取d、q轴分量Ud,Uq,id,iq，经计算、低通滤波得到LC滤波器输出有功功率P、无功功率Q和电压幅值V；
(2)将LC滤波器输出无功功率Q和电压幅值V作为虚拟励磁控制器的输入得到维持微电网电压稳定的虚拟励磁电势Ef；
(3)将LC滤波器输出电流d、q轴分量id,iq，LC滤波器输出有功功率P，虚拟励磁电势Ef和电网频率ωgrid作为采用五阶数学模型建模的虚拟同步发电机控制器的输入量，得到逆变器输出电压d、q轴参考指令值edref,eqref及逆变器输出频率ω；
(4)将虚拟同步发电机控制器的输出电压d、q轴参考指令值edref,eqref及逆变器输出频率ω作为电压电流双环控制的输入量，得到PWM控制信号，进而调节逆变电源输出功率，维持微电网频率稳定。
2.根据权利要求1所述的基于同步发电机五阶数学模型的虚拟同步机建模方法，其特征在于，步骤(3)中的虚拟同步发电机控制器采用同步发电机五阶数学模型；其控制方法如下：
1)与同步发电机类似，虚拟同步机的转子运动方程写作：
其中Pm为转子机械功率；Pe为电磁功率；H为惯性时间常数；KD为阻尼系数；ω为转子角速度；Δω为转子角速度偏差量；δ为功角；ωb为转子角频率基准值；
2)与同步发电机五阶数学模型类似，虚拟同步机的电磁方程写作：
其中，Td0’为d轴暂态时间常数，Tq0”为q轴次暂态时间常数,Xd为d轴同步电抗，Xd’为d轴暂态电抗，Xd”为d轴次暂态电抗，Xq为q轴同步电抗，Xq”为q轴次暂态电抗，Eq’为q轴暂态电势，Eq”为q轴次暂态电势，Ed”为d轴次暂态电势；
3)对于式(2)中的结果，化简得：
4)将式(4)代入式(3)中，得：
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