CN108306337A - 一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于虚拟同步电机控制领域，具体涉及一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法。本发明解决了电气设备对频率和电压幅值变化敏感的问题，能使VSG在离网运行模式下，面对微电网负载的变化，不仅能维持微电网功率的平衡，而且实现了频率的无差调节和相电压幅值调节的小偏差。

Description

一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法

技术领域

本发明属于虚拟同步电机控制领域，具体涉及一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法。

背景技术

随着能源短缺、环境污染等情况已严重影响社会与经济的发展，经济、清洁、可再生的风能、太阳能等新能源受到了越来越多的关注。随着新能源并网装机容量快速增长，传统电力系统运行的稳定性因分布式电源发电具有非线性和随机波动性，面临着巨大威胁。分布式电源由于其电路中无旋转元部件，属于静止式装置，这使得分布式电源与传统同步发电机相比，缺乏维持电网整体能量平衡、系统稳定的旋转备用容量及转动惯量。

若能使电路中无旋转元部件的分布式电源借助储能装置模拟同步发电机的运行特性，将解决新能源大规模接入电网所造成的稳定性问题。为此，国内外学者提出了虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)。

采用虚拟同步电机技术的分布式电源既可以工作在并网运行模式，也可以工作在离网运行模式。当并网运行模式时，由于无需为系统提供频率与电压支撑，虚拟同步电机只需向电网输出能量。当离网运行模式时，面对由负载变化导致的短周期、小幅度频率和电压幅值偏离，虚拟同步电机依靠其具有的惯性与阻尼，阻止频率和电压幅值发生突变，使其有足够的时间调节输出功率，恢复系统功率平衡，确保系统输出交流电的各项参数在一定范围以内。以上过程为虚拟同步电机的一次调整，虚拟同步电机的一次调整由有功频率控制和无功电压控制两部分组成，本质上是一种下垂控制，属于有差调节。离网运行模式下，负载变化导致虚拟同步电机输出频率和电压幅值偏离额定值，将会影响一些对频率和电压幅值变化敏感的电气设备的正常运行。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，通过采用下垂系数自适应调节的技术，解决了电气设备对频率和电压幅值变化敏感的问题，具有实现频率的无差调节和相电压幅值调节的小偏差效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一：设置VSG(虚拟同步发电机)输出有功功率的上限值P_max和下限值P_min，设置VSG输出无功功率的上限值Q_max和下限值Q_min，设置VSG输出额定角频率ω_o，设置VSG输出相电压幅值上限值U_max和下线值U_min；

步骤二：采集VSG的输出交流电的电压U_o、输出电流I_o和输出角频率ω，并经过有功功率和无功功率计算，获得VSG的输出有功功率P_o和无功功率Q_o；

步骤三：建立虚拟同步发电机模型，

步骤四：将VSG输出角频率ω、虚拟机械功率P_m与VSG输出有功功率P_o作为VSG转子方程的输入，得到调制电压的参考相角θ；

步骤五：将E和θ合成的调制电压进行空间电压矢量调制(SVPWM)，生成控制信号，控制信号经过隔离放大后作用于逆变器主电路，完成VSG的控制；

其中，E为调制电压的参考电压幅值，θ为调制电压的参考相角。

优选的，所述步骤三的具体建模公式如下：

具体公式如下：

P_m＝P_ref+K_p(ω_o-ω)

式中：P_ref、P_o、P_m分别为VSG的给定有功功率、实际输出有功功率和虚拟机械功率，ω_o和ω分别为VSG的额定角频率和输出角频率，D_p为VSG虚拟阻尼，J为VSG的虚拟转动惯量，K_p为有功频率下垂系数，Q_ref、Q_o分别为VSG的给定无功功率和实际输出无功功率，U_ref为VSG的参考相电压幅值，U_o为VSG的输出相电压幅值，K_q为无功电压下垂系数，K为积分控制系数。

优选的,所述步骤四中，当VSG输出角频率ω偏离额定值ω_o时，有功频率下垂系数K_p根据VSG实际工作状况进行自适应调节，使VSG输出角频率ω值维持在额定值，其中，K_p的自适应调节依据如下公式：

式中：ω^*为VSG空载角频率；为VSG在t-t₀时刻输出的有功功率，由P_o延时t₀得到。

优选的,所述步骤四中，取值范围必须在[P_min，P_max]范围内，当时，则取值为P_min；当时，则取值为P_max。

优选的,所述步骤五中，当U_o≤U_min或U_max≤U_o时，K_q根据VSG实际工作状况进行自适应调节，使得U_o恢复到U_min≤U_o≤U_max水平；当U_min≤U_o≤U_max时，不对K_q进行调整；其中，K_q的自适应调节依据如下公式：

式中：U^*为VSG空载相电压幅值，为VSG在t-t₀时刻输出的无功功率，由Q_o延时t₀得到。

优选的,所述步骤五中，的取值范围为当时，则取值为Q_min；当时，则取值为Q_max。

本发明有益效果是:VSG在离网运行模式下，面对微电网负载的变化，不仅能维持微电网功率的平衡，而且实现了频率的无差调节和相电压幅值调节的小偏差。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的控制框图。

图2是本发明的具体实施方式的自适应有功频率下垂系数控制流程图。

图3是本发明的具体实施方式的自适应无功电压下垂系数控制流程图。

图4是本发明的具体实施方式的控制信号生成图。

图5是本发明的具体实施方式的有功功率响应对比图。

图6是本发明的具体实施方式的无功功率响应对比图。

图7是本发明的具体实施方式的频率响应对比图。

图8是本发明的具体实施方式的电压响应对比图。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，其结构图如图1所示。所述该方法包括以下步骤：

步骤一：设置VSG输出有功功率的上限值P_max和下限值P_min，设置VSG输出无功功率的上限值Q_max和下限值Q_min，设置VSG输出额定角频率ω_o，设置VSG输出相电压幅值上限值U_max和下线值U_min。

步骤二：采集VSG的输出交流电的电压U_o、输出电流I_o和输出角频率ω，并经过有功功率和无功功率计算，获得VSG的输出有功功率P_o和无功功率Q_o。

步骤三：建立虚拟同步发电机模型，具体公式如下：

P_m＝P_ref+K_p(ω_o-ω)(2)

式中：P_ref、P_o、P_m分别为VSG的给定有功功率、实际输出有功功率和虚拟机械功率，ω_o和ω分别为VSG的额定角频率和输出角频率，D_p为VSG虚拟阻尼，J为VSG的虚拟转动惯量，K_p为有功频率下垂系数，θ为调制电压的参考相角，Q_ref、Q_o分别为VSG的给定无功功率和实际输出无功功率，U_ref为VSG的参考相电压幅值，U_o为VSG的输出相电压幅值，K_q为无功电压下垂系数，K为积分控制系数，E为调制电压的参考电压幅值。

步骤四：将VSG输出角频率ω、虚拟机械功率P_m与VSG输出有功功率P_o作为VSG转子方程的输入，得到调制电压的参考相角θ；当VSG输出角频率ω偏离额定值ω_o时，有功频率下垂系数K_p根据VSG实际工作状况进行自适应调节，使VSG输出角频率ω值维持在额定值，其中，K_p的自适应调节依据如下公式：

式中：ω^*为VSG空载角频率；为VSG在t-t₀时刻输出的有功功率，由P_o延时t₀得到；取值范围必须在[P_min，P_max]范围内，当时，则取值为P_min；当时，则取值为P_max。

步骤五：将E和θ合成的调制电压进行空间电压矢量调制(SVPWM)，生成控制信号，控制信号经过隔离放大后作用于逆变器主电路，完成VSG的控制。其中，当U_o≤U_min或U_max≤U_o时，K_q根据VSG实际工作状况进行自适应调节，使得U_o恢复到U_min≤U_o≤U_max水平；当U_min≤U_o≤U_max时，不对K_q进行调整；其中，K_q的自适应调节依据如下公式：

式中：U^*为VSG空载相电压幅值，为VSG在t-t₀时刻输出的无功功率，由Q_o延时t₀得到。的取值范围为当时，则取值为Q_min；当时，则取值为Q_max。

图2为自适应有功频率下垂系数控制流程图。在离网模式下，若VSG输出角频率ω等于额定角频率ω_o，则VSG的有功频率下垂系数K_p不改变，任然为以原值K_p′；若VSG输出角频率ω不等于额定角频率ω_o，VSG的有功功率输出P_o经过时间t₀后得到(为了维持VSG的稳定运行，取值范围必须在[P_min，P_max]范围内，当时，则取值为P_min；当时，则取值为P_max)，再代入自适应有功频率下垂系数算法，具体公式如下：

式中：ω^*为VSG空载角频率；计算得到新的有功频率下垂系数值，代入虚拟同步发电机模型，使得VSG能生成合适调制电压的参考相角θ，达到使VSG输出角频率稳定在额定值的目的。

图3为自适应有功电压下垂系数控制流程图。在离网模式下，若VSG输出相电压幅值在U_m ⁱ _n≤U_o≤U_max范围内，则VSG的有功电压下垂系数K_q不改变，任然为以原值K_q′；若VSG输出相电压幅值不在U_min≤U_o≤U_max范围内，VSG的无功功率输出Q_o经过时间t₀后得到(为了维持VSG的稳定运行，取当时，则取值为Q_min；当时，则取值为Q_max)，再代入自适应有功频率下垂系数算法，具体公式如下：

式中：U^*为VSG空载相电压幅值；计算得到新的无功电压下垂系数值，代入虚拟同步发电机模型，使得VSG能生成合适调制电压的参考电压幅值E，达到使VSG输出相电压幅值稳定在内的目的。

图4是控制信号生成图。E和θ合成的调制电压后，进行空间电压矢量调制(SVPWM)，生成控制信号，控制信号经过隔离放大后作用于逆变器主电路，完成VSG的控制。

本实施例以两台独立运行的VSG进行对比实验，一台采用传统虚拟同步发电机控制方法，另一台采用本发明所述控制方法。在离网模式下，当负载发生变化时，通过观察两台VSG输出的有功功率、无功功率、输出电压频率及输出相电压幅值的变化，将本发明提出的一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法与现有传统虚拟同步发电机控制方法进行对比分析。仿真系统参数如表1所示，其中，设置传统虚拟同步发电机控制方法的K_p＝6×10⁵、K_q＝322.3。设置本发明所述控制方法的初始K_p＝6×10⁵、初始K_q＝322.3；

图5、图6、图7和图8分别给出了本发明提出控制方法与传统控制方法输出有功功率、无功功率、输出电压频率及输出相电压幅值的变化的仿真波形。仿真开始时，负载为2kW+200var；当t＝3s时，负载增加到3.5kW+300var；当t＝7s时，微电网的负载降低至2.5kW+200var；当t＝10s时，仿真结束。

如图5和图6为本发明提出控制方法与传统控制方法输出的P_o和Q_o波形。由图4和图5可以看出，当负载改变时，改进型VSG能及时调整P_o和Q_o输出，其维持系统功率平衡的能力与传统VSG一样。

图7为本发明提出控制方法与传统控制方法输出频率波形。由图6可知，当0＜t＜3s时，P_o＝2kW，P_o＜P_ref，传统虚拟同步发电机控制方法输出f＞50Hz；当3＜t＜7s时，P_o＝3.5kW，P_o＞P_ref，传统虚拟同步发电机控制方法输出f＜50Hz。当7＜t＜10s时，P_o＝2.5kW，2kW<P_o＜P_ref，此时传统虚拟同步发电机控制方法输出f＞50Hz。与传统虚拟同步发电机控制方法相比，本发明所述控制方法从仿真开始到结束，面对有功功率负载的变化，其输出频率等于额定频率。

图8为本发明提出控制方法与传统控制方法输出U_o波形。由图7可知，当0＜t＜3s时，Q_o＝200var，Q_o＜Q_ref，传统虚拟同步发电机控制方法输出U_o＞312V，本发明所述控制方法输出U_o≈310.5V；当3＜t＜7s时，Q_o＝Q_ref＝300var，传统虚拟同步发电机控制方法输出U_o＝310V，本发明所述控制方法输出U_o≈310.1V；当7＜t＜10s时，Q_o＝200var，Q_o＜Q_ref，传统虚拟同步发电机控制方法输出U_o＞312V，本发明所述控制方法输出U_o≈310.5V。本发明所述控制方法面对无功功率负载的变化，309V≤U_o≤311V，实现了U_o幅值调节在规定范围内。

表1实施例系统参数

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于,所述方法具体步骤如下：

步骤一：设置VSG输出有功功率的上限值P_max和下限值P_min，设置VSG输出无功功率的上限值Q_max和下限值Q_min，设置VSG输出额定角频率ω_o，设置VSG输出相电压幅值上限值U_max和下线值U_min；

步骤二：采集VSG的输出交流电的电压U_o、输出电流I_o和输出角频率ω，并经过有功功率和无功功率计算，获得VSG的输出有功功率P_o和无功功率Q_o；

步骤三：建立虚拟同步发电机模型，

步骤四：将VSG输出角频率ω、虚拟机械功率P_m与VSG输出有功功率P_o作为VSG转子方程的输入，得到调制电压的参考相角θ；

步骤五：将E和θ合成的调制电压进行空间电压矢量调制，生成控制信号，控制信号经过隔离放大后作用于逆变器主电路，完成VSG的控制；

其中，E为调制电压的参考电压幅值，θ为调制电压的参考相角。

2.根据权利要求1所述的基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于,所述步骤三的具体建模公式如下：

P_m＝P_ref+K_p(ω_o-ω)

式中：P_ref、P_o、P_m分别为VSG的给定有功功率、实际输出有功功率和虚拟机械功率，ω_o和ω分别为VSG的额定角频率和输出角频率，D_p为VSG虚拟阻尼，J为VSG的虚拟转动惯量，K_p为有功频率下垂系数，Q_ref、Q_o分别为VSG的给定无功功率和实际输出无功功率，U_ref为VSG的参考相电压幅值，U_o为VSG的输出相电压幅值，K_q为无功电压下垂系数，K为积分控制系数。

3.根据权利要求1所述的基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于,所述步骤四中，当VSG输出角频率ω偏离额定值ω_o时，有功频率下垂系数K_p根据VSG实际工作状况进行自适应调节，使VSG输出角频率ω值维持在额定值，其中，K_p的自适应调节依据如下公式：

式中：ω^*为VSG空载角频率；为VSG在t-t₀时刻输出的有功功率，由P_o延时t₀得到。

4.根据权利要求3所述的基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于,所述步骤四中，取值范围必须在[P_min，P_max]范围内，当时，则取值为P_min；当时，则取值为P_max。

5.根据权利要求1所述的基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于,所述步骤五中，当U_o≤U_min或U_max≤U_o时，K_q根据VSG实际工作状况进行自适应调节，使得U_o恢复到U_min≤U_o≤U_max水平；当U_min≤U_o≤U_max时，不对K_q进行调整；其中，K_q的自适应调节依据如下公式：

式中：U^*为VSG空载相电压幅值，为VSG在t-t₀时刻输出的无功功率，由Q_o延时t₀得到。

6.根据权利要求5所述的基于下垂系数自适应调节的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于,所述步骤五中，的取值范围为当时，则取值为Q_min；当时，则取值为Q_max。