CN108365636A - 一种虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种虚拟同步发电机控制方法，给出了一种改进的虚拟同步发电机控制技术，主要包括加入二阶电压惯性和虚拟阻抗的改进虚拟同步控制策略和电压电流双闭环控制。改进的虚拟同步控制策略在传统虚拟同步控制的基础上引入二阶电压惯性环节和虚拟阻抗环节，提升了分布式发电单元的电压刚性和稳定性；该二阶电压惯性环节减小了电压的变化率，并滤除了电压的高次谐波；加入虚拟阻抗环节减小了分布式发电单元的功率耦合程度；通过电压电流双闭环控制实现电源输出电压精确快速反应指令信号。本发明最终实现交流微电网中分布式发电单元的稳定并联运行和稳定的调节交流微电网的有功功率。
Description
技术领域
本发明涉及微电网领域、电机领域和电力电子控制领域，涉及一种改进的虚拟同步发电机控制技术，具体为一种虚拟同步发电机控制方法。
背景技术
因为环境问题的迫切需要，近年来新能源和储能发电越来越受到研究人员的关注。为了提高发电系统的利用率和稳定性，基于新能源和储能的分布式发电单元是一种可行选择，而由多个分布式发电单元组成的微电网则能够提高系统容量以及能更好的进行能量管理。
传统的虚拟同步发电机控制策略是模拟同步发电机的暂态和稳态的下垂特性，通过计算出来的有功和无功功率来调节电压的频率和幅值。由于它的功率自调节能力强，比传统的下垂控制策略具有更强的频率惯性，近年来在微网上得到了广泛的应用。
然而，虚拟同步发电机控制策略的高性能依赖于分布式发电机单元的线路阻抗，其电压缺乏足够的惯性，容易受到功率波动的影响。如果交流微电网中存在较大的功率波动，则分布式发电单元的电压会发生较大波动。如果线路阻抗的特性呈阻感性，由于功率耦合，功率的调节能力将下降。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种虚拟同步发电机控制方法，提出一种加入二阶电压惯性和虚拟阻抗的改进虚拟同步发电机控制技术，克服了传统虚拟同步发电机控制的不足，减小了功率波动对电压的影响，使分布式发电单元具有较大的电压惯性和频率惯性，实现了分布式发电单元的稳定并联运行。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种虚拟同步发电机控制方法，包括如下步骤：
S1、有功下垂调节步骤，所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态和动态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；
S2、无功下垂调节步骤，所述无功下垂调节步骤模拟模拟了同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；
S3、引入虚拟阻抗，加入电磁方程，模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性，减小分布式发电单元的功率耦合；
S4、二阶电压惯性步骤，所述二阶电压惯性步骤采用二阶低通滤波器，增强高频幅值衰减，以及滤除高次谐波效果，减小功率波动对电压的影响，输出具有惯性的电压信号；
S5、电压电流双闭环，所述电压电流双闭环步骤具体为电压电流双闭环控制；其中，电压电流双闭环控制中外环为电压环PI控制，内环为电流环PI控制，控制信号通过SVPWM调制输出脉冲信号。
进一步的，所述有功下垂调节步骤中，根据有功功率实时改变输出的角频率，并通过相位角传递到电压电流双闭环步骤中。
进一步的，所述有功下垂调节步骤包括一有功下垂调节方程：
Pm＝-ΔωKω+Pr＝(ωr-ω)Kω+Pr
式中Pr、Pm、Kω和ωr分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。
进一步的，所述无功下垂调节步骤的无功下垂调节方程：
(Qr-Q)KV+Vr＝V
式中Qr、Q、KV和Vr分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。
进一步的，所述虚拟阻抗通过电磁方程加入，其公式为
式中Rl和Ll为虚拟电阻和虚拟电抗。id和iq分别为三相电感电流经过dq变换后的d轴电感电流和q轴电感电流。
进一步的，所述二阶电压惯性步骤包含一个二阶惯性方程，该方程为
式中ho、ωo、ζ分别为通带增益、滤波器截止频率和阻尼系数。
本发明的有益效果：本发明提供了一种虚拟同步发电机控制方法，提出一种加入二阶电压惯性和虚拟阻抗的改进虚拟同步发电机控制技术，克服了传统虚拟同步发电机控制的不足，减小了功率波动对电压的影响，使分布式发电单元具有较大的电压惯性和频率惯性，实现了分布式发电单元的稳定并联运行。
可以运用于基于多电源并联领域、岸电领域和新能源微电网领域等领域。能满足多个分布式发电单元间并联、或与多种电源间的稳定并联运行。
附图说明
图1为本发明一种虚拟同步发电机控制方法原理图。
图2为本发明一种虚拟同步发电机控制方法的具体控制策略框图。
图3为本发明一种虚拟同步发电机控制方法的电压电流双闭环控制框图。
图4为本发明一种虚拟同步发电机控制方法在微电网中的结构框图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
为了更好的说明本发明的技术方案，结合图1-2所示，本发明提供具体实施例一种虚拟同步发电机控制方法，包括如下步骤：
S1、有功下垂调节步骤，所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态和动态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；
S2、无功下垂调节步骤，所述无功下垂调节步骤模拟模拟了同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；
S3、引入虚拟阻抗，加入电磁方程，模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性，减小分布式发电单元的功率耦合；
S4、二阶电压惯性步骤，所述二阶电压惯性步骤采用二阶低通滤波器，增强高频幅值衰减，以及滤除高次谐波效果，减小功率波动对电压的影响，输出具有惯性的电压信号；
S5、电压电流双闭环，所述电压电流双闭环步骤具体为电压电流双闭环控制；其中，电压电流双闭环控制中外环为电压环PI控制，内环为电流环PI控制，控制信号通过SVPWM调制输出脉冲信号。
作为一种优选方式，所述有功下垂调节步骤中，根据有功功率实时改变输出的角频率，并通过相位角传递到电压电流双闭环步骤中。
图2为本发明一种虚拟同步发电机控制方法的具体控制策略框图。
作为一种优选方式，所述有功下垂调节步骤包括一有功下垂调节方程：
Pm＝-ΔωKω+Pr＝(ωr-ω)Kω+Pr
式中Pr、Pm、Kω和ωr分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。
作为一种优选方式，所述无功下垂调节步骤的无功下垂调节方程：
(Qr-Q)KV+Vr＝V
式中Qr、Q、KV和Vr分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。
作为一种优选方式，所述虚拟阻抗通过电磁方程加入，其公式为
式中Rl和Ll为虚拟电阻和虚拟电抗。id和iq分别为三相电感电流经过dq变换后的d轴电感电流和q轴电感电流。
作为一种优选方式，所述二阶电压惯性步骤包含一个二阶惯性方程，该方程为
如图1所示，本发明一实施例包括加入二阶电压惯性和虚拟阻抗的改进虚拟同步发电机控制策略、电压电流双闭环控制和分布式发电单元。该改进的虚拟同步发电机控制策略在传统虚拟同步发电机控制的基础上引入二阶电压惯性环节，进一步提升了分布式发电单元的电压刚性；引入虚拟阻抗环节，改变了分布式发电单元的输出阻抗特性；通过电压电流双闭环控制实现电源输出电压精确快速反应指令信号。本发明最终实现微电网中多个分布式发电单元的稳定并联运行。
图3为本发明一种虚拟同步发电机控制方法的电压电流双闭环控制框图，其中外环为电压PI控制环，内环为电流PI控制环。控制输出信号进过坐标变换后作为SVPWM的输入调制信号，通过SVPWM输出控制功率器件的脉冲信号。
忽略电压电流双闭环控制中dq轴间的耦合，因dq轴对称，所以dq轴控制参数相同。
图4为本发明一种虚拟同步发电机控制方法在微电网中的结构框图，该微电网由储能分布式发电单元、光伏分布式发电单元和负载组成。分别称为储能分布式发电单元DG1、储能分布式发电单元DG2、光伏分布式发电单元DG3和阻性负载；RLn和LLn(n＝1，2，3)分别是线路的电阻和线路的电感；Von、in(n＝1，2)和Vpcc分别为分布式发电单元的输出电压，分布式发电单元的输出电流和母线电压。DG1和DG2可以从交流微网中吸收有功功率或注入有功功率到交流微网中(PG1和PG2)。DG3是只能注入有功功率到交流微网中(PG3)。交流微网中总的有功功率如下式
∑P＝PG1+PG2+PG3-Pl-Ploss＝0
式中，Pl是负载功率，Ploss是线路的功率损耗
采用本发明虚拟同步发电机控制方法可以实现微电网中多个分布式发电单元的稳定并联运行，选取该微电网系统中三种不同的运行模式，分别为：
(1)模式一
当DG1和DG2的荷电状态(SOC)都大于40％时，DG3运行在MPPT模式，DG1和DG2注入相等的有功功率到交流微网中。
式中PG3m是DG3在MPPT模式下的输出有功功率。
(2)模式二
当DG1和DG2的SOC都小于40％时，DG3运行在MPPT模式，此时进行卸荷动作，DG1和DG2从交流微网系统中吸收相等的有功功率。
(3)模式三
当DG1的SOC小于40％，DG2的SOC大于40％时，DG3运行在MPPT模式，DG1从交流微网系统中吸收有功功率，DG2向交流微网系统注入最大的有功功率。
PG1＝PG3m+PG2m-Pl-Ploss
式中PG2m是DG2注入的最大有功功率。
当采用本发明虚拟同步发电机控制方法时，为保证上述三种交流微网运行模式能稳定运行，采取的步骤为：
步骤1：首先储能分布式发电单元DG1满载载运行，当储能分布式发电单元DG2满足并联条件后并入，和DG1均分功率。
步骤2：当系统达到稳定状态后，光伏分布式发电单元DG3接入到交流微网中，并注入有功功率。
步骤3：检测电池的荷电状态，当储能分布式发电单元DG1和DG2中的储能电池处在不同的荷电状态时，通过调整给定有功功率Pr和负载，使得储能分布式发电单元吸收或输出有功功率，同时维持母线电压的电压精度维持在额定电压(311V)的5％以内，母线电压的频率也维持在工频(50Hz)的1％以内。
通过以上步骤，实现了交流微电网稳定的并联运行和稳定的有功功率调节。
本发明虚拟同步发电机控制方法的原理是：在传统虚拟同步发电机控制策略的基础上引入二阶电压惯性环节和虚拟阻抗，能提高分布式发电单元的电压刚性和稳定性。本发明最终实现交流微电网中分布式发电单元的稳定并联运行和稳定的调节交流微电网的有功功率。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、有功下垂调节步骤，所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态和动态有功下垂调节特性，根据有功功率实时改变输出角频率；根据功率大小实时改变输出转矩，为频率惯性环节提供转矩信号；
S2、无功下垂调节步骤，所述无功下垂调节步骤模拟模拟了同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时改变输出电压大小；
S3、引入虚拟阻抗，加入电磁方程，模拟分布式发电单元的输出阻抗，通过修改虚拟阻抗参数，改变分布式发电单元中的输出阻抗特性，减小分布式发电单元的功率耦合；
S4、二阶电压惯性步骤，所述二阶电压惯性步骤采用二阶低通滤波器，增强高频幅值衰减，以及滤除高次谐波效果，减小功率波动对电压的影响，输出具有惯性的电压信号；
S5、电压电流双闭环，所述电压电流双闭环步骤具体为电压电流双闭环控制；其中，电压电流双闭环控制中外环为电压环PI控制，内环为电流环PI控制，控制信号通过SVPWM调制输出脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述有功下垂调节步骤中，根据有功功率实时改变输出的角频率通过相位角传递到电压电流双闭环步骤中。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述有功下垂调节步骤包括一有功下垂调节方程：
Pm＝-ΔωKω+Pr＝(ωr-ω)Kω+Pr
式中Pr、Pm、Kω和ωr分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。
4.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述无功下垂调节步骤的无功下垂调节方程：
(Qr-Q)KV+Vr＝V
式中Qr、Q、KV和Vr分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。
5.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述虚拟阻抗通过电磁方程加入，其公式为
式中Rl和Ll为虚拟电阻和虚拟电抗。id和iq分别为三相电感电流经过dq变换后的d轴电感电流和q轴电感电流。
6.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述二阶电压惯性步骤包含一个二阶惯性方程，该方程为
式中ho、ωo、ζ分别为通带增益、滤波器截止频率和阻尼系数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180803 |