CN107919681A - 一种准虚拟同步机控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种准虚拟同步机控制方法，通过在虚拟同步机的惯性环节并联比例调节器，形成有功功率环PI调节器和无功功率环PI调节器，将原有的积分调节器特性转变为比例积分调节器特性，以有功功率环PI调节器为核心的有功功率控制器产生虚拟同步机角度信息，以无功功率环PI调节器为核心的无功功率控制器产生虚拟同步机的电压幅值信息，角度信息和幅值信息经Park反变换后调制驱动三相桥臂IGBT动作。本发明在并网运行且电网电压幅值和频率正常时可以实现有功无功功率的无差控制，在电网幅值和频率异常时，可以提供惯性和一次调节功能，在离网运行时可以很容易的实现功率均分。

Description

一种准虚拟同步机控制方法
技术领域
本发明涉及一种准虚拟同步机控制方法，尤其涉及一种具有有功功率环PI调节器和无功功率环PI调节器的准虚拟同步机控制方法。
背景技术
近年来，随着分布式可再生能源和微电网的快速发展，将变流器虚拟成同步发电机的虚拟同步机控制技术因其可以使变流器呈现带有惯性和阻尼特性的电压源，受到广泛关注。但是，变流器作为电力电子装置，其暂态功率波动的承受能力和短时过载能力十分有限，轻则造成系统振荡，重则导致变流器设备损坏。
现有的虚拟同步机控制器，为了减弱功率振荡，通常需要调整阻尼参数。《CN201610474093-基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法》提出一种基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法，通过功角信息得到阻尼系数，使虚拟同步发电机在不同稳态工作点均能保证振荡抑制效果，且有较好的动态特性，但是由于阻尼参数与下垂系数的相关性，由电网需求确定，不具备调整的灵活性。《CN201510315421-基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法》，将虚拟同步发电机中的下垂系数m、虚拟惯性J和虚拟阻尼D三个控制自由度有机结合起来，实现虚拟同步发电机关键参数的优化配置，但是其未给出并网模式下恒PQ控制方法。《CN201610165118-基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法》提出了一种适用于虚拟同步电机的功率解耦方法用于消除由于功率耦合带来的功率动态振荡和稳态误差，但是由于嵌套了电压电流双PI环，降低了虚拟同步机控制响应速度，同时由于功率环与电流环均涉及电流信号，影响并联运行的稳定性。《CN201710333030-基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法》提出了一种基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法，增大了系统阻尼，减弱了功率振荡，但是其本质仍然是对虚拟惯性和阻尼参数进行调整。并且当虚拟同步机处于PQ运行模式时，下垂特性被禁用，使得虚拟同步机缺少了阻尼特性，控制稳定性变差。
发明内容
本发明针对现有虚拟同步机阻尼特性在并网禁用一次调频时失效的缺点，提出一种准虚拟同步机控制方法。通过在虚拟同步机的惯性环节并联比例调节器，组成有功功率环PI调节器和无功功率环PI调节器，将原有的积分调节器特性转变为比例积分调节器特性，本发明称其为准虚拟同步机控制方法。以有功功率环PI调节器为核心的有功功率控制器产生虚拟同步机角度信息，以无功功率环PI调节器为核心的无功功率控制器产生虚拟同步机的电压幅值信息，角度信息和幅值信息经Park反变换后调制驱动三相桥臂IGBT动作。解决了虚拟同步机并网状态下因为阻尼不足导致功率振荡的问题。
具体步骤如下：
1、通过锁频环获取变流器输出电压的角度θg和幅值vg。
2、对电流采样并使用变流器输出电压的角度θg进行等功率旋转变换，得到有功电流id和无功电流iq。
3、通过步骤1、步骤2得到的电压幅值vg、有功电流id和无功电流iq，计算有功功率P和无功功率Q，计算公式为：
其中，TPow为一阶低通滤波器时间常数，s为拉氏变换算子。
4、使用下式求取频率下垂有功功率Pdroop和幅值下垂无功功率Qdroop：
Pdroop＝Dp(ωset-ω)
Qdroop＝Dq(vset-vg)
式中，Dp为频率有功下垂系数，Dq为幅值无功下垂系数，ωset为虚拟同步机额定角频率，ω为虚拟同步机角频率，vset为虚拟同步机额定电压幅值，vg为步骤1中得到的变流器输出电压幅值。
5、使用下式计算有功功率偏差Perr和无功功率偏差Qerr：
Perr＝Pset+Pdroop-P
Qerr＝Qset+Qdroop-Q
其中，Pset为有功功率设定值，Qset为无功功率设定值。
6、有功功率偏差Perr除以虚拟同步机角频率ω得到转矩偏差Terr。
7、转矩偏差Terr作为有功功率环PI调节器的输入，有功功率环PI调节器的输出即为虚拟同步机角频率ω，有功功率环PI调节器的传递函数Wp(s)为：
式中Kp为有功功率环PI调节器的比例系数，Jp为有功功率环PI调节器的积分时间常数，模拟虚拟同步机的转动惯量，s为拉氏变换算子。
8、无功功率偏差Qerr作为无功功率环PI调节器的输入，无功功率环PI调节器的输出即为虚拟同步机输出电压幅值es，无功功率环PI调节器的传递函数Wq(s)为：
式中Kq为无功功率环PI调节器的比例系数，Jq为无功功率环PI调节器的积分时间常数，s为拉氏变换算子。
9、虚拟同步机角度θ由虚拟同步机角频率ω的积分运算获得，公式为：
s为拉氏变换算子。
10、将虚拟同步机输出电压幅值es使用虚拟同步机角度θ进行Park反变换，得到两相静止坐标系下的调制电压，经调制后驱动变流器三相桥臂的IGBT开关动作。
本发明准虚拟同步机控制方法的优点是：保持了虚拟同步机惯性特性以及离网运行时的下垂特性和并网一次调频特性；在并网禁用一次调频功能时，有效抑制功率振荡。本发明所述方法在并网运行且电网电压幅值和频率正常时可以实现有功功率和无功功率的无差控制，在电网幅值和频率异常时，可以提供惯性和一次调节功能，在离网运行时可以很容易的实现功率均分。本发明所述方法计算过程简单，易于数字控制器实现。
附图说明
图1为虚拟同步机电气拓扑图；
图2为本发明所述准虚拟同步机控制框图；
图3为有功功率控制器和无功功率控制器输出控制框图；
图4为一次调频响应效果图；
图5为惯量响应效果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，虚拟同步机的直流母线端连接储能单元，功率单元的三相桥臂通过LC组成的滤波回路连接至电网。本发明所述准虚拟同步机控制框图如图2所示，图中上方为以有功功率环PI调节器为核心的有功功率控制器，图中下方为以无功功率环PI调节器为核心的无功功率控制器，两个控制器分别产生调制电压的角度和幅值信息。调制电压的角度和幅值信息经由图3所示的Park反变换处理后进行调制，驱动三相桥臂IGBT动作。
本发明所述的准虚拟同步机控制方法具体实施步骤如下：
1、通过锁频环获取变流器输出电压的角度θg和幅值vg。
2、对电流采样并使用变流器输出电压的角度θg进行等功率旋转变换，得到有功电流id和无功电流iq。
3、通过步骤1、步骤2得到的电压幅值vg、有功电流id和无功电流iq，计算有功功率P和无功功率Q，计算公式为：
其中，TPow为一阶低通滤波器时间常数，s为拉氏变换算子。
4、使用下式求取频率下垂有功功率Pdroop和幅值下垂无功功率Qdroop：
Pdroop＝Dp(ωset-ω)
Qdroop＝Dq(vset-vg)
式中，Dp为频率有功下垂系数，Dq为幅值无功下垂系数，ωset为虚拟同步机额定角频率，ω为虚拟同步机角频率，vset为虚拟同步机额定电压幅值，vg为步骤1中得到的变流器输出电压幅值。
5、使用下式计算有功功率偏差Perr和无功功率偏差Qerr：
Perr＝Pset+Pdroop-P
Qerr＝Qset+Qdroop-Q
其中，Pset为有功功率设定值，Qset为无功功率设定值。
6、有功功率偏差Perr除以虚拟同步机角频率ω得到转矩偏差Terr。
7、转矩偏差Terr作为有功功率环PI调节器的输入，有功功率环PI调节器的输出即为虚拟同步机角频率ω，有功功率环PI调节器的传递函数Wp(s)为：
式中Kp为有功功率环PI调节器的比例系数，Jp为有功功率环PI调节器的积分时间常数，模拟虚拟同步机的转动惯量，s为拉氏变换算子。
8、无功功率偏差Qerr作为无功功率环PI调节器的输入，无功功率环PI调节器的输出即为虚拟同步机输出电压幅值es，无功功率环PI调节器的传递函数Wq(s)为：
式中Kq为无功功率环PI调节器的比例系数，Jq为无功功率环PI调节器的积分时间常数，s为拉氏变换算子。
9、虚拟同步机角度θ由虚拟同步机角频率ω的积分运算获得，公式为：
s为拉氏变换算子。
10、将虚拟同步机输出电压幅值es使用虚拟同步机角度θ进行Park反变换，得到两相静止坐标系下的调制电压，经调制后驱动变流器三相桥臂的IGBT开关动作。
以100kW变流器为例，仿真验证本发明所述控制方法。一次调频仿真结果如图4所示，频率有功下垂系数设置为20，有功参考限幅100kW，1.5s加载至80kW，2s使能一次调频，3s频率由50Hz阶跃至48.5Hz并保持，4s恢复50Hz并保持，可以看出调频启动时间约为8ms，调频响应时间约为20ms，调频调节时间约为270ms，响应速度快，功率无振荡。惯量响应仿真结果如图5所示，虚拟惯量设置为2，则对应0.5Hz/s的频率变化，惯量响应功率理论值2kW，仿真在1.5s加载至80kW，2.5s频率由50Hz开始下降，6.3s频率至48.1Hz并保持，可以看出惯量响应时间约为118ms，惯量响应功率值约为2kW。仿真结果显示，本发明所述控制方法达到了预期效果。

Claims (2)

1.一种准虚拟同步机控制方法，其特征在于：所述的控制方法通过在虚拟同步机的惯性环节并联比例调节器，形成有功功率环PI调节器和无功功率环PI调节器，将原有的积分调节器特性转变为比例积分调节器特性，以有功功率环PI调节器为核心的有功功率控制器产生虚拟同步机角度信息，以无功功率环PI调节器为核心的无功功率控制器产生虚拟同步机的电压幅值信息，角度信息和幅值信息经Park反变换后调制驱动三相桥臂IGBT动作。
2.如权利要求1所述的准虚拟同步机控制方法，其特征在于：所述的控制方法具体步骤如下：
(1)通过锁频环获取变流器输出电压的角度θg和幅值vg；
(2)对电流采样并使用变流器输出电压的角度θg进行等功率旋转变换，得到有功电流id和无功电流iq；
(3)通过步骤1、步骤2得到的电压幅值vg、有功电流id和无功电流iq，计算有功功率P和无功功率Q，计算公式为：
<mrow> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mi>g</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow>
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其中，TPow为一阶低通滤波器时间常数，s为拉氏变换算子；
(4)使用下式求取频率下垂有功功率Pdroop和幅值下垂无功功率Qdroop：
Pdroop＝Dp(ωset-ω)
Qdroop＝Dq(vset-vg)
式中，Dp为频率有功下垂系数，Dq为幅值无功下垂系数，ωset为虚拟同步机额定角频率，ω为虚拟同步机角频率，vset为虚拟同步机额定电压幅值，vg为步骤1中得到的变流器输出电压幅值；
(5)、使用下式计算有功功率偏差Perr和无功功率偏差Qerr：
Perr＝Pset+Pdroop-P
Qerr＝Qset+Qdroop-Q
其中，Pset为有功功率设定值，Qset为无功功率设定值；
(6)有功功率偏差Perr除以虚拟同步机角频率ω得到转矩偏差Terr；
(7)转矩偏差Terr作为有功调节器的输入，有功调节器的输出即为虚拟同步机角频率ω，有功调节器的传递函数Wp(s)为：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mi>p</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中Kp为有功调节器的比例系数，Jp为有功调节器的积分时间常数，模拟虚拟同步机的转动惯量，s为拉氏变换算子；
(8)无功调节器的功率偏差Qerr作为无功调节器的输入，无功调节器的输出即为虚拟同步机输出电压幅值es，无功调节器的传递函数Wq(s)为：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mi>q</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>q</mi> </msub> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中Kq为无功调节器的比例系数，Jq为无功调节器的积分时间常数，s为拉氏变换算子；
(9)虚拟同步机角度θ由虚拟同步机角频率ω的积分运算获得，公式为：
<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>s</mi> </mfrac> </mrow>
s为拉氏变换算子；
(10)将虚拟同步机输出电压幅值es使用虚拟同步机角度θ进行Park反变换，得到两相静止坐标系下的调制电压，经调制后驱动变流器三相桥臂的IGBT开关动作。
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