CN107332279B - 一种vsg运行模式切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种VSG运行模式切换控制方法，该方法以实现系统稳定运行为目的，分别在有功/频率控制模块和无功/电压控制模块的PI控制环节增加模式切换开关，通过选择不同通道，使得有功/频率控制模块既可工作在传统VSG有功/频率控制模式也可工作在恒功率控制模式，使得无功/电压控制模块既可工作在下垂模式也可作为PI控制器，使输出功率跟随设定值。本发明通过VSG运行模式无缝切换技术，避免了输出电压频率发生突变，减少了系统动态调节所需要的时间和对电网带来的冲击，实现系统稳定运行。

Description

一种VSG运行模式切换控制方法
技术领域
本发明属于微网及分布式发电领域，尤其涉及一种VSG运行模式切换控制方法。
背景技术
当微源逆变器并网运行时，其输出电压的频率与幅值受到大电网的钳制，当采用虚拟同步发电机控制技术时，微源逆变器能够根据大电网的实际需求调节自身输出的有功与无功功率，用以维持系统的稳定运行。
当电网的频率与微源逆变器的额定频率之间差值较大，理论上需要输出或者吸收大量的有功功率，才能够保持与大电网频率同步，但微源逆变器实际容量有限，可能无法达到其标准。当大电网的电压幅值与微源逆变器的额定电压幅值差值较大，需要大量的无功补偿以实现电压平衡，此时若不考虑逆变器容量，将会导致逆变器过载，更严重甚至会导致无功振荡。当大电网的频率和电压幅值发生波动时，同样会导致微源逆变器输出功率的波动。因此，若依旧依靠传统的VSG控制，将无法满足稳定运行的要求。
传统的VSG控制策略，能够使并网逆变器具有同步发电机的外特性，提高逆变器的运行性能。为了满足电网复杂的工作环境要求，充分利用电力电子装置控制灵活性的优点，VSG在模拟同步发电机的外部特性的同时，还需根据实际工况需求改变控制策略。
VSG运行模式的切换，可以实现系统稳定运行的目的。通过对VSG中有功控制模块和无功控制模块进行改进，研究以实现系统稳定运行为目的，具有一定的可行性和有效性。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种VSG运行模式切换控制方法，使得微源逆变器能够在VSG控制与PQ控制之间实现平滑切换，实现系统稳定运行，满足电网复杂工作环境要求。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种VSG运行模式切换控制方法，在有功/频率控制模块和无功/电压控制模块的PI控制环节中均增加模式切换开关，使得有功/频率控制模块工作在传统VSG有功/频率控制模式或恒功率控制模式，无功/电压控制模块工作在下垂模式或作为PI控制器。
进一步地，在有功/频率控制模块中，对PI控制器进行改良，当模式切换开关选择通道0时，有功控制环节为传统VSG有功/频率控制模式；当模式切换开关选择通道1时，有功控制环节变为恒功率控制模式。
进一步地，在无功/电压控制模块中，对PI控制器进行改良，当模式切换开关选择通道0时，无功控制模块工作在下垂模式；当模式开关选择通道1时，下垂系数与积分参数共同形成PI控制器。
有益效果：本发明通过对有功控制模块和无功控制模块进行改进，实现微源逆变器在VSG控制与PQ控制之间的切换，通过对PI控制环节的改进，实现运行模式的无缝平滑切换，减小了对电网带来的冲击，实现系统稳定运行的目的。
附图说明
图1是有功控制模块控制示意图；
图2是无功控制模块控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的VSG运行模式切换控制方法，通过对PI控制环节的改进，实现微源逆变器在VSG模式与PQ模式间无缝、平滑切换，在传统的VISMA控制模型基础上，以实现系统稳定运行为目标，从有功控制模块和无功控制模块进行改进，获得可行有效的方案。
基于VISMA控制模型搭建仿真，采用本文提出的VSG运行模式无缝切换技术，对逆变器的运行模式进行分析，验证控制策略的正确性和有效性。
在有功/频率控制模块中，对PI控制器进行改良。当模式切换开关选择通道0时，有功控制环节为传统VSG有功-频率控制；当模式切换开关选择通道1时，有功控制环节变为恒功率控制模式，当切换稳定后，通道1可以等效为比例积分器。与常规的PI控制器相比较，避免输出电压频率发生突变，减少了系统动态调节所需要的时间，保证系统能够快速到达稳定状态。
如图1所示，有功/频率控制模块对PI控制环节进行改进，S为模式切换信号，Ki和Kp分别为PI控制器的比例和积分参数，Ts为时间常数，Z-1为延迟环节。
当模式切换开关选择通道0时，有功控制环节为传统VSG有功-频率控制，逆变器输出电压频率与相角可以通过下式计算得到：
Figure BDA0001390468910000021
其中，Tm、Te和Td分别是机械转矩、电磁转矩以及阻尼转矩；D为阻尼系数。
机械转矩Tm如下式所示：
Figure BDA0001390468910000022
Pset为并网逆变器的有功指令，此时有：
ωr＝ωn (3)
其中，ωr为角速度的参考值，ωn为大电网角速度的额定值。
当模式切换开关选择通道1时，此时有功控制环节变为恒功率控制模式。当切换稳定后，通道1可以等效为比例积分器。由于PI控制器的作用，在稳态时有
Td＝0 (4)
由于VSG稳定运行时，角速度保持不变，因此由式1可得，等式左边为0，当Td为0时，Tm与Te保持一致，即微源逆变器输出的功率与逆变器的功率指令一致，此时微源逆变器处于恒功率控制模式。
在模式切换的过程中，角速度参考值可以表示为：
Figure BDA0001390468910000031
其中，△ω为PI控制模块输出值。
假设在由VSG模式切换至恒功率模式的瞬间，ωr的值维持不变，那么即可降低冲击带来的影响。当处于VSG模式时，Δω始终为0。在切换的瞬间，由于延迟环节Z-1的作用，使得ωr的值在模式转换的前后一致，避免输出电压频率发生突变。
在无功/电压控制模块中，对PI控制器进行改良。无功控制模块工作在下垂模式，按照下垂系数，输出的电压幅值随着功率均分结果进行变化，模拟同步发电机的无功/电压控制；当模式开关选择通道1时，下垂系数Kpq与积分参数Kiq共同形成PI控制器，保证输出功率跟随设定值Qset。同时，由于延迟环节Z-1的作用，积分环节输出值在切换瞬间依旧为0，避免了输出瞬间突变。
如图2所示，无功/电压控制模块针对VISMA控制模型建立，图中，Q和Qset分别为功率的实际值和功率的设定值，Kpq为下垂系数，Kiq为控制的积分参数，U0为电压幅值的初始设定值，S为模式切换信号，Z-1为延迟环节。
当S选择通道0时，无功控制模块工作在下垂模式，按照下垂系数，输出的电压幅值随着功率均分结果进行变化，模拟同步发电机的无功/电压控制。
当S选择通道1时，下垂系数Kpq与积分参数Kiq共同形成PI控制器，保证输出功率跟随设定值Qset。同时，由于延迟环节Z-1的作用，积分环节输出值在切换瞬间依旧为0，避免了输出瞬间突变。
本发明通过对有功控制模块和无功控制模块进行改进，根据电网的需求，实现微源逆变器在VSG控制与PQ控制之间的切换，通过对PI控制环节的改进，实现运行模式的无缝、平滑切换，减小了对电网带来的冲击，实现系统稳定运行的目的。

Claims (2)

1.一种VSG运行模式切换控制方法，其特征在于：在有功/频率控制模块的PI控制环节中增加模式切换开关，使得有功/频率控制模块工作在传统VSG有功/频率控制模式或恒功率控制模式；在无功/电压控制模块的PI控制环节中增加模式切换开关，使得无功/电压控制模块工作在下垂模式或作为PI控制器；
在有功/频率控制模块中，对PI控制器进行改良，当模式切换开关选择通道0时，有功控制环节为传统VSG有功/频率控制模式；当模式切换开关选择通道1时，有功控制环节变为恒功率控制模式；
当模式切换开关选择通道0时，逆变器输出电压频率与相角可以通过下式计算得到：
Figure FDA0002243622020000011
其中，Tm、Te和Td分别是机械转矩、电磁转矩以及阻尼转矩，D为阻尼系数；机械转矩Tm如下式所示：
Figure FDA0002243622020000012
Pset为逆变器的有功指令，此时有：
ωr＝ωn (3)
其中，ωr为角速度的参考值，ωn为大电网角速度的额定值；
当模式切换开关选择通道1时，切换稳定后等效为比例积分器，稳态时有：
Td＝0 (4)
稳定运行时，角速度保持不变，等式(1)左边为0，当Td为0时，Tm与Te保持一致；
在模式切换的过程中，角速度的参考值表示为：
Figure FDA0002243622020000013
其中，△ω为PI控制器输出值；处于VSG模式时，Δω为0；切换的瞬间由于延迟环节的作用，ωr的值在模式转换的前后一致。
2.根据权利要求1所述的VSG运行模式切换控制方法，其特征在于：在无功/电压控制模块中，对PI控制器进行改良，当模式切换开关选择通道0时，无功/电压控制模块工作在下垂模式；当模式开关选择通道1时，下垂系数与积分参数共同形成PI控制器；
当模式切换开关选择通道0时，无功/电压控制模块工作在下垂模式，按照下垂系数，输出的电压幅值随着功率均分结果进行变化；
当模式切换开关选择通道1时，下垂系数与积分参数共同形成PI控制器，输出功率跟随设定值；由于延迟环节的作用，积分环节输出值在切换瞬间依旧为0。
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