CN107069828A - 基于相差实时调整的虚拟同步发电机自同步控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于相差实时调整的虚拟同步发电机自同步控制方法。属于新能源电力变换技术领域。工艺步骤包括：在中计算对应逆变电源输出功率下滤波电感两侧电压相位差Δθ；利用锁相环(PLL)采集LC滤波器电感两侧的电压相位信息；计算相角判定信号Judge＝δ‑θ_o；计算调整结束判定信号x＝Judge‑Δθ；编写转换开关逻辑控制模块；构建运行方式转换开关逻辑。通过实时计算目标功率值对应的相角差，快速调整LC滤波器电感两侧电压相角差，不需要电网相位信息及预同步环节实现与电网的自同步。加强了电网侧对分布式电源的控制，使其更好地服务于电网。虚拟同步发电机在孤岛/并网运行时采用统一的内环控制结构，避免内环控制的变化引起稳定性问题。

Description

基于相差实时调整的虚拟同步发电机自同步控制方法

技术领域

本发明属于新能源电力变换技术领域，尤其涉及一种基于相差实时调整的虚拟同步发电机自同步控制方法。

背景技术

电网中新能源种类和比例逐渐增加，分布式风电、光伏等常通过逆变器以微网形式并网，能否顺利地在并离网状态之间切换成为逆变器控制的重要目标之一。由于近年来逆变器的数量增加造成的电力系统惯量缺失的问题，虚拟同步发电机(VSG)的概念逐渐受到重视，模拟同步发电机运行特性的算法被引入到逆变器的控制策略中，使逆变器表现出类似于同步发电机的特性，补充系统惯量，提高系统稳定性。虽然已有关于VSG控制方式下的切换策略的讨论，但是现有的关于逆变器并网的策略大多需要“预同步”的过程，默认的条件是电网侧的相位已知，可以测量。但是实际应用中，存在相位测量比较困难的情况。即使可以方便测量到电网的相位信息，也要经过信息的传输，将其由网侧传至控制器处则会增加延迟时间，造成信息的准确度降低，还会提高成本。对于逆变器而言，更方便测量到的相位信息是PCC点以及逆变器滤波电感前后的电压相位，因此，本发明提出的逆变器并网控制策略不再依赖于传统的预同步策略和电网电压相位信息，而是通过控制滤波电感两端的电压相位差实现较为平滑的并网过程，避免对敏感负荷产生较大的影响。并且，不使用预并列环节，减少了PI调节器的数量，在任何时刻都可以进行并网操作，可以将并网开关设置到网侧，由调度随时根据负荷需求调整虚拟同步发电机的并离网状态，分布式电源侧不控制并网开关，使分布式电源服务于电网，免去复杂的并网过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相差实时调整的虚拟同步发电机自同步控制方法，克服了上述背景技术中提到的现有虚拟同步发电及并网控制策略存在的缺点。通过实时计算目标功率值对应的相角差，快速调整LC滤波器电感两侧电压相角差，不需要电网相位信息及预同步环节实现与电网的自同步。加强了电网侧对分布式电源的控制，使其更好地服务于电网。虚拟同步发电机在孤岛/并网运行时采用统一的内环控制结构，避免内环控制的变化引起稳定性问题。

本发明包括如下工艺步骤：

步骤1：在中计算对应逆变电源输出功率下滤波电感两侧电压相位差Δθ。对于一对极凸极机,在电感远大于电阻时，交轴同步电抗与直轴同步电抗相等，同步发电机输出的功率可由计算得到。式中的X_d、X_q分别是直轴(d轴)、交轴(q轴)同步电抗，在隐极机中才存在，对于使用同步发电机二阶方程的虚拟同步发电机控制中，认为X_d＝X_q；

步骤2：利用锁相环(PLL)采集LC滤波器电感两侧的电压相位信息，分别是逆变器出口电压相位δ(滤波电感逆变器侧电压相位)、LC滤波器电容电压(PCC点电压)相位θ_o(滤波电感与电网连接侧电压相位)；如下图所示，U1和U2的电压相位即为此处所述的需要测量的电压相位。

步骤3：计算相角判定信号Judge＝δ-θ_o；

步骤4：计算调整结束判定信号x＝Judge-Δθ；

步骤5：将步骤3、步骤4中计算得到的两个判定信号作为输入信号，编写转换开关逻辑控制模块(以C语言为例)，输出信号为转换开关控制信号S，程序如下：

if(fabs(Judge)＞0.45||fabs(x)＞0.01)

{s＝1；}

else

{s＝0；}

其中，S＝1时相角调整中，S＝0相角调整结束；

步骤6：构建运行方式转换开关逻辑。控制器中的运行方式转换开关为单刀双掷开关，实现功能为——在“相角差调整中(S＝1)”、“完成相角差调整(S＝0)”两种状态下，为虚拟同步发电机调速器的一次调频参考频率ω_r分别分配数值。当S＝1时，将(θ_o+Δθ)-δ作为PI调节器输入，调节器的输出作为此时的ω_r的值；当S＝0时，ω_r为定值，等于ω_ref＝100π。

所述逆变电源出口采用LC滤波器滤除开关次谐波，带负荷孤岛/并网运行。

所述逆变电源拓扑结构包括三相两电平结构、多重化结构、嵌入式多电平结构、H桥级联结构和MMC结构。

所述d、q轴分量以虚拟转子同步坐标系为参考。

所述控制器采用同步发电机经典二阶模型。

所述虚拟同步发电机调速器包含基于下垂控制的一次调频和同步发电机转子运动方程。

本发明能够有效实现虚拟同步发电机自同步到电网的控制。

附图说明

图1为虚拟同步发电机主电路及控制电路示意图。

图2为电压电流双环控制示意图。

图3为自同步控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对基于相差实时调整的虚拟同步发电机自同步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。

例：VSG带约60kW本地负荷运行，0～3s带本地负荷孤岛运行；3s时刻并入电网，6s时刻离网。并网前逆变器输出电压(滤波电容电压)相角与PCC电压相角差为0.08rad。

步骤1：计算对应逆变电源输出功率下滤波电感两侧电压相位差Δθ。对于一对极凸极机,在电感远大于电阻时，交轴同步电抗与直轴同步电抗相等，同步发电机输出的功率可由计算得到。此时，对应负荷功率60kW，滤波电感电抗X_d＝0.8mH*100π＝0.2513Ω，E≈U＝311V，虚拟同步机滤波电感两侧相位差Δθ＝8.9685rad；

步骤2：利用锁相环(PLL)采集LC滤波器电感两侧的电压相位信息，分别是逆变器出口电压相位δ、LC滤波器电容电压(PCC点电压)相位θ_o。；

步骤3：计算相角判定信号Judge＝δ-θ_o，并网前(0～3s)并非满载(250kW)，所以此信号结果小于0.45rad(满载时对应的相角差)，并网时瞬间(3s)会发生功率冲击，所以对应相角差大于0.45rad，启动调整过程，在半个工频周期内迅速调整输出功率恢复指令值(本地负荷值)；

步骤4：计算调整结束判定信号x＝Judge-Δθ，步骤3中的调整过程一旦启动，会迅速将逆变器输出电压相位调整至理想值，此处规定当偏差_x小于0.01rad时，结束调整；

步骤5：将步骤3、步骤4中计算得到的两个判定信号作为输入信号，编写转换开关逻辑控制模块(以C语言为例)，输出信号为转换开关控制信号S，程序如下：

if(fabs(Judge)＞0.45||fabs(x)＞0.01)

{s＝1；}

else

{S＝0；}

其中，S＝1时相角调整中，S＝0相角调整结束；实际运行中能够看到S在两个状态之间反复跳动，不断调整VSG输出电压相位，在半个周期内便平息了功率冲击，无缝并入电网。由于整个过程不需要任何预同步环节，无论在什么时刻并入电网，都能够在极短的时间内平息并网冲击，实现VSG与电网的自动同步。

步骤6：构建运行方式转换开关逻辑。控制器中运行方式转换开关为单刀双掷开关，实现功能为——在“相角差调整中(S＝1)”、“完成相角差调整(S＝0)”两种状态下，为虚拟同步发电机调速器的一次调频参考频率ω_r分别分配数值。当S＝1时，将(θ_o+Δθ)-δ作为PI调节器输入，调节器的输出作为此时的ω_r的值；当S＝0时，ω_r为定值，等于ω_ref＝100π。由于PI调节器的输出作为频率标幺值输入到一次调频环节中，所以若要限制频率的波动在±1Hz之内，就要将PI调节器输出幅值限制在±0.02之间。

图1是虚拟同步发电机主电路及控制电路示意图。框图中的上半部分虚线框内是虚拟同步发电机的主电路(功率电路)部分，使用三相IGBT全桥逆变电路。逆变电路出口采用LC滤波器滤除开关谐波，带本地负荷孤岛/并网运行。U_dc是直流侧电压；L_f和R_f分别是滤波电感的电感和电阻；C为滤波电容；Sg是由电网侧调度控制的并网开关，不受逆变器侧控制。L_g和R_g是网侧的电感和电阻；滤波电感前逆变器出口电压为E∠δ，电网电压为U∠0°，作为参考电压。电网侧电压相位信息未知，通过锁相环分别测量滤波电感前后的电压相位。dq变换/反变换采用ω_ref×t作为变换角度。i_fabc是滤波电感流过的电流，i_abc和u_oabc分别是逆变器的输出电流和输出电压，Po和Qo分别是逆变器输出的有功功率和无功功率；i_Labc为负载电流，P_L和Q_L分别是负载的有功功率和无功功率。i_gabc为电网电流，P_g和Q_g分别是电网提供的有功功率和无功功率，E₀为电压幅值参考值。

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：

f_a、f_b、f_c为abc坐标系下的对应的a相、b相和c相电压、电流；

f_d、f_q为dq坐标系下的d轴分量和q轴分量；

θ固定为ω_ref×t；

图2是电压电流双环控制示意图。主要依据的物理定律是根据滤波电感和滤波电容的Kirchhoff定律。以电容电压和电感电流作为状态变量，列写方程并进行dq变换，得到双环控制的方程。采用前馈解耦解除dq轴分量耦合，在孤岛/并网运行下均采用如图所示的统一双环控制结构，避免内环控制结构切换带来的稳定性问题。

图3是自同步控制方法示意图，其详细内容已在说明书的详细步骤中给出。

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 (6)

1.一种基于相差实时调整的虚拟同步发电机自同步控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：计算对应逆变电源输出功率下滤波电感两侧电压相位差Δθ，对于一对极凸极机,在电感远大于电阻时，交轴同步电抗与直轴同步电抗相等，同步发电机输出的功率可由计算得到；式中的X_d、X_q分别是直轴(d轴)、交轴(q轴)同步电抗，在隐极机中才存在，对于使用同步发电机二阶方程的虚拟同步发电机控制中，认为X_d＝X_q；

步骤2：利用锁相环PLL采集LC滤波器电感两侧的电压相位信息，分别是逆变器出口电压相位δ(滤波电感逆变器侧电压相位)、LC滤波器电容电压PCC点电压相位θ_o，滤波电感与电网连接侧电压相位；

步骤3：计算相角判定信号Judge＝δ-θ_o；

步骤4：计算调整结束判定信号x＝Judge-Δθ；

步骤5：将步骤3、步骤4中计算得到的两个判定信号作为输入信号，编写转换开关逻辑控制模块，以C语言，输出信号为转换开关控制信号S，程序如下：

if(fabs(Judge)＞0.45||fabs(x)＞0.01)

{s＝1；}

else

{S＝0；}

其中，S＝1时相角调整中，S＝0相角调整结束；

步骤6：构建运行方式转换开关逻辑；控制器中运行方式转换开关为单刀双掷开关，实现功能为——在“相角差调整中(S＝1)”、“完成相角差调整(S＝0)”两种状态下，为虚拟同步发电机的一次调频参考频率ω_r分别分配数值；当S＝1时，将(θ_o+Δθ)-δ作为PI调节器输入，调节器的输出作为此时的ω_r的值；当S＝0时，ω_r为定值，等于ω_ref＝100π。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逆变电源出口采用LC滤波器滤除开关次谐波，带负荷孤岛/并网运行。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逆变电源拓扑结构包括三相两电平结构、多重化结构、嵌入式多电平结构、H桥级联结构和MMC结构。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述d、q轴分量以虚拟转子同步坐标系为参考。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器采用同步发电机经典二阶模型。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机调速器包含基于下垂控制的一次调频和同步发电机转子运动方程；励磁器包含电压、无功下垂控制环节。