CN107612043B - 一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，包括以下步骤：1)前馈量计算，将虚拟同步发电机的输出频率ω减去电网额定频率ω_ref，得到两者频率差Δω，将Δω乘以前馈系数k_ω得到补偿量θ_c；2)下垂控制部分，根据虚拟同步机的输出有功功率参考指令P_ref与频率差Δω计算得到虚拟同步机的模拟机械功率P_m；3)模拟转子机械方程部分，根据P_m与实际输出有功功率P_e计算得到输出频率ω；4)将输出频率ω积分后加上相位前馈控制补偿量θ_c得到虚拟同步发电机的输出相位θ；5)将步骤4)中得到的相位θ作为dq坐标变换相位，对无功环得到的dq坐标电压指令值v^* _dq进行dq坐标变换得到abc坐标下的三相电压调制信号v^* _abc，调制信号经过PWM调制器得到开关网络的控制信号，进而用于驱动开关网络。

Description

一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术中的虚拟同步电机控制领域，具体涉及一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法。

背景技术

以风力、光伏为主的可再生新能源发电主要是以电力电子变流器作为并网接口，其具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和阻尼等不足，尤其目前并网变流器往往是以电流源模式并网，这些与传统能源所采用的同步发电机在外特性上具有显著差别。现在随着分布式可再生能源渗透率的不断提高，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，使得系统频率波动性增加，电能质量变差，严重时危及系统的频率稳定性，对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战，这严重限制了新能源的并网容量。为了充分发挥分布式能源的优势，减弱分布式电源对配电网和传输网的影响，让电网消纳更多地分布式能源，分布式电源必须参与配电网和传输网的调频和调压过程，分布式电源潜在辅助服务必须被充分挖掘，分布式电源必须向电网提供必要的辅助服务。

虚拟同步发电机是近年来提出的一种适合新能源广泛接入的并网控制策略，它通过模拟传统同步发电机的外特性，因此可以使并网变流器像传统同步发电机一样向电网提供惯性和一次调频调压功能。根据众多学者的共识，并网变流器模拟同步电机特性是未来并网变流器控制的趋势。

虚拟同步发电机控制策略通过下垂控制实现对有功功率的控制，稳态时输出的有功功率按照下垂系数分配。此外，虚拟同步发电机控制策略通过虚拟惯性控制策略来增强电网频率的稳定性，但虚拟惯性控制会引起功率的震荡，严重影响系统的稳定运行。传统的虚拟同步发电机控制策略通过引入阻尼系数来抑制功率震荡，但引入阻尼后系统响应变慢。同时，阻尼系数的存在改变了有功下垂系数的大小，有功功率不再按照下垂系数分配，其误差大小与阻尼系数成正比。

发明内容

本发明的目的是针对现有虚拟同步电机技术存在的抑制功率会降低系统响应速度以及影响下垂控制而引起稳态误差的缺陷，提供了一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，包括以下步骤：

1)前馈量计算，将虚拟同步发电机的输出频率ω减去电网额定频率ω_ref，得到两者频率差Δω作为前馈控制的采集量，将频率差Δω乘以前馈系数k_ω得到前馈控制的补偿量θ_c；

2)下垂控制部分，根据虚拟同步发电机的输出有功功率参考指令P_ref与虚拟同步发电机的输出频率ω与电网额定频率ω_ref的频率差Δω计算得到虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m；

3)模拟转子机械方程部分，根据虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m与实际输出有功功率P_e计算得到虚拟同步发电机的输出频率ω；

4)将虚拟同步电机的输出频率ω积分后加上相位前馈控制补偿量θ_c得到虚拟同步发电机的输出相位θ；

5)将步骤4)中得到的虚拟同步发电机的输出相位θ作为dq坐标变换所用相位，对无功环得到的dq坐标电压指令值v^* _dq进行dq坐标变换得到abc坐标下的三相电压调制信号v^* _abc，调制信号再经过PWM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，虚拟同步发电机的输出频率ω为模拟转子机械方程计算得到的频率；前馈系数k_ω为正实数；前馈控制的采集量频率差Δω所用计算公式为：

Δω＝ω-ω_ref

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，计算虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m所用下垂控制公式为：

P_m＝(ω_ref-ω)m_p+P_ref

其中，m_p为有功下垂系数。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，模拟转子机械方程计算虚拟同步发电机的输出频率ω所用公式为：

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，相位前馈控制补偿量θ_c的计算公式为：

θ_c＝k_ωΔω

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，虚拟同步发电机的输出相位θ的计算公式为：

本发明具有如下的优点：

本发明提供的一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，相比于传统的虚拟同步发电机控制策略，本发明采用相位前馈环节代替了阻尼系数部分。由于本发明所采用的控制策略中前馈控制不直接影响有功功率，从而克服了传统控制策略中阻尼系数影响稳态有功功率输出准确度的缺陷，使稳态时输出的有功功率严格按照有功下垂系数输出，传统控制方法在转动惯量J＝0.36Nm，阻尼系数D＝85时稳态误差能达到11％，阻尼系数D＝341时稳态误差可达到44％，而本发明提出的控制方法几乎没有稳态误差；本发明所用控制策略其等效于在有功暂态控制中引入微分项，相较传统控制策略动态响应更快；本发明所用控制策略中前馈系数的大小对稳态输出的有功功率无影响，只需折衷考虑前馈系数对动态响应速度与功率震荡抑制能力2个因素的影响，相对于传统控制策略需考虑阻尼系数对下垂系数、动态响应速度与功率震荡抑制能力3个因素的影响，本发明所采用控制策略变量选取范围更加自由，故功率震荡抑制能力更强。

进一步，采用逆变器输出的频率ω减去频率指令值ω_ref所得到两者频率差Δω直接乘以前馈系数k_ω得到相位前馈控制补偿量θ_c，不经过下垂系数环节，从而使得前馈系数的选取与前馈控制效果不依赖于下垂系数，更可靠；计算频率差Δω所用的频率均为控制信号中的频率，无需采集实际的输出频率，节省软硬件资源，更易实现。

附图说明

图1为本发明实施例的等效闭环控制框图。

图2为相位前馈补偿量计算示意图。

图3为本发明实施例的有功功率控制框图。

图4为本发明实施例的坐标变换及调制示意图。

图5为传统阻尼式虚拟同步发电机有功功率控制仿真效果图。

图6为传统阻尼式虚拟同步发电机有功功率控制实验效果图。

图7为本发明实施例有功功率控制仿真效果图。

图8为本发明实施例有功功率控制实验效果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步阐述本发明，但本发明不限于所给出的例子。

如图1所示，本发明提供的一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，包括以下步骤：

第一步：前馈量计算部分。如图2所示，将虚拟同步发电机的输出频率ω减去频率指令值ω_ref，得到两者频率差Δω作为前馈控制的采集量，将频率差Δω乘以前馈系数k_ω得到前馈控制的补偿量θ_c。

该步骤中，相位前馈控制补偿量θ_c的计算公式为：

θ_c＝k_ωΔω

其中，Δω为虚拟同步发电机的输出频率ω与电网额定频率ω_ref之差，k_ω为前馈系数。

第二步：模拟下垂控制与转子机械方程部分，根据虚拟同步发电机的输出有功功率参考指令P_ref与虚拟同步发电机的输出频率ω与频率参考值ω_ref的频率差Δω计算得到虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m，根据虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m与实际输出有功功率P_e计算得到虚拟同步发电机的输出频率ω，进而获得变流器电压电流双闭环控制所需频率、相位信息以及电流解耦所需的功角信息，如图3所示；

其中，有功指令P_ref，为虚拟同步电机并网运行参与系统调频过程留下接口。P_e与同步电机的电磁转矩对应，为并网变流器注入电网的有功功率。J即为虚拟同步电机的转动惯量。ω_ref是电网额定频率，也即同步角速度。此部分为虚拟同电机控制提供端口电压的相位信息，为指令功率留有接口。

该步骤中，电压变流器的模拟机械功率P_m与虚拟同步发电机实际输出有功功率P_e作差，经机械方程计算得到虚拟同步电机的输出频率ω，具体公式如下：

式中：s为微分算子。

第三步：对虚拟同步发电机的输出相位θ进行前馈补偿。如图3所示，对虚拟同步电机的输出频率ω进行积分，再加上相位前馈控制补偿量θ_c即可获得虚拟同步发电机的输出相位θ，具体计算公式为：

其中，ω为虚拟同步发电机的输出频率，θ_c为相位前馈控制补偿量，s为微分算子。

第四步：如图4所示，将得到的虚拟同步发电机的输出相位θ作为dq坐标变换所用相位，对无功环得到的dq坐标电压指令值v^* _dq进行dq坐标变换得到abc坐标下的三相电压调制信号v^* _abc，调制信号再经过PWM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

实施例：

从不同系数下有功功率的阶跃响应以及电网频率波动时有功功率的相应两个方面，对比本发明所提相位前馈虚拟同步发电机控制与传统的阻尼式虚拟同步发电机控制效果。

传统的阻尼式虚拟同步发电机控制效果如图5和图6所示，图5和图6分别是仿真与实验功率响应波形。图5中，开始时有功指令为500W,电网频率为50Hz，t＝3s时有功指令阶跃至1000W，t＝6s时电网频率上升至50.05Hz。图6中，开始时有功指令为500W,电网频率为50Hz，t＝2s时有功指令阶跃至1000W，t＝9s时电网频率上升至50.05Hz。

本发明实施例控制效果如图7和图8所示，图7和图8分别是仿真与实验功率响应波形。图7中，开始时有功指令为500W,电网频率为50Hz，t＝3s时有功指令阶跃至1000W，t＝6s时电网频率上升至50.05Hz。图8中，开始时有功指令为500W，电网频率为50Hz，t＝2s时有功指令阶跃至1000W，t＝9s时电网频率上升至50.05Hz。

由图5和图7中t＝3s～5.5s的波形，以及图6和图8中t＝2s～8s的波形对比可知，本发明所提相位前馈控制策略不仅具有优异的功率震荡抑制能力，同时明显改善了其暂态响应，其动态响应性能优于传统阻尼式虚拟同步发电机。

由图5和图7中t＝6s～8s的波形,以及图6和图8中t＝8s～15s的波形对比可知，本发明所提相位前馈控制策略在电网频率变化时，不仅能够有效抑制有功功率的震荡，在稳态时也能够消除稳态误差，使有功功率严格按照预设的下垂控制输出；而传统阻尼式虚拟同步发电机虽然也具有有功功率的震荡抑制能力，但其有功功率输出存在稳态误差，且稳态误差随阻尼系数增大而增大，故有功功率不能按照预设的下垂控制输出。

综上，该实施例证明了本发明所提相位前馈控制结构的有效性。实施例的具体参数设置参见表1：

表1实施例参数

Claims (6)

1.一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)前馈量计算，将虚拟同步发电机的输出频率ω减去电网额定频率ω_ref，得到两者频率差Δω作为前馈控制的采集量，将频率差Δω乘以前馈系数k_ω得到前馈控制的补偿量θ_c；

2)下垂控制部分，根据虚拟同步发电机的输出有功功率参考指令P_ref与虚拟同步发电机的输出频率ω与电网额定频率ω_ref的频率差Δω计算得到虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m；

3)模拟转子机械方程部分，根据虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m与实际输出有功功率P_e计算得到虚拟同步发电机的输出频率ω，J为虚拟同步发电机的转动惯量；

4)将虚拟同步发电机的输出频率ω积分后加上相位前馈控制补偿量θ_c得到虚拟同步发电机的输出相位θ；

5)将步骤4)中得到的虚拟同步发电机的输出相位θ作为dq坐标变换所用相位，对无功环得到的dq坐标电压指令值v^* _dq进行dq坐标变换得到abc坐标下的三相电压调制信号v^* _abc，调制信号再经过PWM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤1)中，虚拟同步发电机的输出频率ω为模拟转子机械方程计算得到的频率；前馈系数k_ω为正实数；前馈控制的采集量频率差Δω所用计算公式为：

Δω＝ω-ω_ref。

3.根据权利要求2所述的一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤2)中，计算虚拟同步发电机的模拟机械功率P_m所用下垂控制公式为：

P_m＝(ω_ref-ω)m_p+P_ref

其中，m_p为有功下垂系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤3)中，模拟转子机械方程计算虚拟同步发电机的输出频率ω所用公式为：

5.根据权利要求4所述的一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤4)中，相位前馈控制补偿量θ_c的计算公式为：

θ_c＝k_ωΔω。

6.根据权利要求5所述的一种基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤4)中，虚拟同步发电机的输出相位θ的计算公式为：

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