CN108390414A - 一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，首先，根据并网所需的输出电压的频率、相位、幅值条件，以及同步发电机设计有功调频控制环与无功调压控制环；然后，基于超前校正预同步方法，使虚拟同步发电机机端电压与电网电压同步。本发明采用基于超前校正预同步的控制策略后，虚拟同步发电机输出电压与电网电压保持一致，并网动作后无冲击电流，能够很好地实现虚拟同步发电机的平滑并网。

Description

一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法

技术领域

本发明涉及电力工程技术，具体涉及电网分析技术领域。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，能源缺乏的问题日益凸显。采用清洁能源补充或替代传统化石能源，是保证能源领域可持续发展的重要手段。在电力系统领域，分布式发电作为清洁能源发电的重要形式，得到政府和行业的大力支持，有望成为未来电力供应的重要组成部分。

然而，分布式发电的迅速发展，给电力系统的运行带来了诸多挑战。现有分布式发电系统采用电力电子器件并入电网，相比传统发电系统更为灵活，同时也呈现低惯性、弱阻尼等缺点，影响了分布式发电系统与现有电网的友好兼容。

一种虚拟阻抗的虚拟同步发电机并网控制方法，不仅可解决传统并网中额外的测量装置制约分布式发电系统灵活输出的问题，而且能实现更为简洁有效的虚拟同步发电机平滑并网，因此具有十分重要的应用价值和和良好的发展前景。

通过对现有技术的检索发现，申请号为CN 201110047934.7的《基于虚拟阻抗的逆变器并联运行方法》公开了一种逆变器并联运行一种控制方法，针对每台逆变器，引入一虚拟发电机，对虚拟发电机使用下垂控制，利用逆变器的有功和无功分别调节虚拟发电机的频率以及电压幅值，进而求得虚拟发电机的电压指令值，进而求得逆变器的输出电压指令值，控制逆变器输出电压跟踪该指令值，从而实现对虚拟发电机的电压的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种虚拟阻抗的虚拟同步发电机并网控制方法，实现了虚拟同步发电机的平滑并网，以解决传统并网中额外的测量装置制约分布式发电系统灵活输出的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，首先，根据并网所需的输出电压的频率、相位、幅值条件，以及同步发电机设计有功调频控制环与无功调压控制环；然后，基于超前校正预同步方法，使虚拟同步发电机机端电压与电网电压同步；其中，超前校正预同步方法首先要确定虚拟同步发电机的机端电压输出的超前校正角度然后再设计超前校正环节。

优选的，有功调频控制采集电压、电流、频率，计算所需的实际输出有功功率和无功功率；根据频率偏差，通过调频器，再基于同步发电机转子运动方程，计算出目标输出电压相角，最终达到调节虚拟同步机有功输出实现对电网的有功调频目标。

优选的，根据电网电压幅值偏差，由无功调节器与电压调节器计算出目标输出电压幅值，调节无功输出，实现对系统的无功调压控制。

优选的，确定虚拟同步发电机的机端电压输出的超前校正角度包括如下步骤，

(1)测量采集电网电压信息，采用锁相环计算环节得出电网电压的频率、相位信息与幅值信息，分别作为频率给定f、幅值给定Uref、相位给定ω₀；

(2)采集虚拟同步发电机机端电压，计算电网电压与虚拟同步发电机机端电压的相角差，此相角即为超前校正角度

优选的，设计超前校正环节包括如下步骤，

(1)超前校正就是在前向通道中串联传递函数为

的校正装置；

(2)通过下式计算参数α，

(3)在Bode图上确定未校正系统幅值为的频率ω_m，该频率作为校正后系统开环剪切频率ω_c，即ω_c＝ω_m；

(4)通过下面的公式计算参数τ，

本发明采用基于超前校正预同步的控制策略后，虚拟同步发电机输出电压与电网电压保持一致，并网动作后无冲击电流，能够很好地实现虚拟同步发电机的平滑并网；并通过设计虚拟阻抗环节，使虚拟同步发电机输出功率为零；提出的预同步方法相比传统虚拟同步发电机并网方法更为简单有效。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是有功调频控制图。

图2是无功调压控制图。

图3是整体控制框图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，参考图3所示，包括如下步骤，第一步，根据并网所需的输出电压的频率、相位、幅值条件，以及同步发电机设计有功调频控制环与无功调压控制环；第二步，基于超前校正预同步方法，使虚拟同步发电机机端电压与电网电压同步。第一步是虚拟同步机并网后的控制策略，为虚拟同步发电机基础理论。第二步是本发明在并网时减少冲击的控制策略：使得并网之前逆变器(这里指虚拟同步发电机)输出电压和电网电压的频率、相位、幅值完全一致，即实现理论上与电网无功率交换的平滑并网。本发明的主要思想，并网时，以采样的的电网电压作为虚拟同步机的目标电压指令，采用超前校正来校正虚拟同步机控制延时与误差，使校正后的虚拟同步发电机输出电压与电网电压的频率、相位、幅值更拟合一致。

其中，有功调频控制采集电压、电流、频率，计算所需的实际输出有功功率和无功功率；根据频率偏差，通过调频器，再基于同步发电机转子运动方程，计算出目标输出电压相角，最终达到调节虚拟同步机有功输出实现对电网的有功调频目标。

图1中，P_ref调度有功指令；P：实际输出的有功功率；f_ref电网频率基准值(50Hz)；f实际电网电压频率；T_m虚拟机械转矩；T_e虚拟电磁转矩；T₀虚拟机械转矩指令；D_p虚拟阻尼系数；J:虚拟转动惯量；ω虚拟同步机实际输出电压角速度，在极对数为1的情况下，同步发电机的机械角速度ω即为其电气角速度。ω^*虚拟同步机目标输出电压角速度；ω₀电网电压角速度；J为同步发电机的转动惯量，kg*m²。

实际输出有功功率和无功功率计算具体公式如下：

其中，P为有功功率，Q为无功功率，u_a、u_b、u_c为A、B、C三相瞬时采样电压，i_a、i_b、i_c为A、B、C三相瞬时采样电流，N为1个周波采样的点数。

虚拟同步发电机的机械方程(同步发电机转子运动方程)可表示为：

传统同步发电机通过对机械转矩的调节，来调节发电机的有功输出，并且通过调频器实现对电网频率偏差的响应。借鉴该原理，通过对虚拟同步发电机虚拟机械转矩T_m的调节来实现并网逆变器有功指令的调节。

根据电网电压幅值偏差，由无功调节器与电压调节器计算出目标输出电压幅值，调节无功输出，实现对系统的无功调压控制。这个采用的是虚拟同步发电机基本原理，具体公式解释如下：

参考图2所示，图中，Q_ref调度无功指令；Q：实际输出的无功功率；U_ref电网电压幅值指令值；U实际电网电压幅值；T_m虚拟机械转矩；T_e虚拟电磁转矩；T₀虚拟机械转矩指令；E₀虚拟同步机机端空载电压；E:虚拟反电动势，也是虚拟同步机目标输出电压幅值。

同步发电机通过调节励磁来调节其无功输出及机端电压。类似地，可以通过调节虚拟同步发电机模型的虚拟电势E来调节机端电压和无功。

虚拟同步发电机的虚拟电势指令E由3部分组成。其一，是虚拟同步发电机的空载电势E0，表征了逆变器空载离网运行时的机端电压；其二，是对应于无功功率调节的部分ΔE_Q，可表示：ΔE_Q＝k_p(Q_ref-Q)(其中，k_p为无功调节系数)；第3部分对应于机端电压调节单元的输出ΔE_U，等效为同步发电机的励磁调节器或自动电压调节器，可表示：ΔE_U＝k_U(U_ref-U)，其中，k_U为电压调节系数。

超前校正预同步方法原理即用电网电压直接作为虚拟同步发电机输出电压指令，之后可以算出虚拟同步发电机输出电压与电压之间的相角差以及幅值差。即得到超前校正环节的设计条件，即校正的相角与幅值。最终到达得并网之前虚拟同步发电机输出电压和电网电压的频率、相位、幅值完全一致，此时并网的有功功率与无功功率近乎0，并网瞬间冲击电流也最小。

超前校正预同步方法包括如下步骤：

第一步：先确定虚拟同步发电机的机端电压输出的超前校正角度

(1)测量采集电网电压信息，采用锁相环计算环节得出电网电压的频率、相位信息与幅值信息，分别作为图中频率给定f、幅值给定Uref、相位给定ω₀；

(2)采集虚拟同步发电机机端电压，计算电网电压与虚拟同步发电机机端电压的相角差。此相角即为超前校正角度

第二步，设计超前校正环节，

(1)超前校正就是在前向通道中串联传递函数为

的校正装置；这是超前校正标准传递函数，其中α、τ为参数，设计超前校正环节就是为了基于校正的条件，算这两个参数。自控的基本理论：超前网络的转折频率1/τ、1/ατ，选择待校正系统的截止频率的两旁。

(2)通过下式计算参数α，

(3)在Bode图上确定未校正系统幅值为的频率ω_m，该频率作为校正后系统开环剪切频率ω_c，即ω_c＝ω_m；

(4)通过下面的公式计算参数τ。

预同步方法，理论上能够使得并网之前逆变器(这里指虚拟同步发电机)输出电压和电网电压的频率、相位、幅值完全一致。但在实际工程实现中尚有一些问题：1)采用过零检测的方法来检测电网电压的相角，而实际电网电压存在一定程度的过零畸变，会给检测带来误差。2)虚拟同步发电机自身控制存在一定输出延时误差，在物理上表现为虚拟同步发电机输出电压与目标电压指令之间的相角差。因此第一步(确定虚拟同步发电机的机端电压输出的超前校正角度)原理即用电网电压直接作为虚拟同步发电机输出电压指令，之后可以算出虚拟同步发电机输出电压与电压之间的相角差以及幅值差。即得到超前校正环节的设计条件，即校正的相角与幅值。最终到达得并网之前虚拟同步发电机输出电压和电网电压的频率、相位、幅值完全一致，此时并网的有功功率与无功功率近乎0，并网瞬间冲击电流也最小。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，其特征在于，首先，根据并网所需的输出电压的频率、相位、幅值条件，以及同步发电机设计有功调频控制环与无功调压控制环；然后，基于超前校正预同步方法，使虚拟同步发电机机端电压与电网电压同步；其中，超前校正预同步方法首先要确定虚拟同步发电机的机端电压输出的超前校正角度然后再设计超前校正环节。

2.根据权利要求1所述的一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，其特征在于，有功调频控制采集电压、电流、频率，计算所需的实际输出有功功率和无功功率；根据频率偏差，通过调频器，再基于同步发电机转子运动方程，计算出目标输出电压相角，最终达到调节虚拟同步机有功输出实现对电网的有功调频目标。

3.根据权利要求1所述的一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，其特征在于，根据电网电压幅值偏差，由无功调节器与电压调节器计算出目标输出电压幅值，调节无功输出，实现对系统的无功调压控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，其特征在于，确定虚拟同步发电机的机端电压输出的超前校正角度包括如下步骤，

(1)测量采集电网电压信息，采用锁相环计算环节得出电网电压的频率、相位信息与幅值信息，分别作为频率给定f、幅值给定Uref、相位给定ω₀；

(2)采集虚拟同步发电机机端电压，计算电网电压与虚拟同步发电机机端电压的相角差，此相角即为超前校正角度

5.根据权利要求4所述的一种基于超前校正预同步的虚拟同步发电机并网控制方法，其特征在于，设计超前校正环节包括如下步骤，

(1)超前校正就是在前向通道中串联传递函数为

的校正装置；

(2)通过下式计算参数α，

(3)在Bode图上确定未校正系统幅值为的频率ω_m，该频率作为校正后系统开环剪切频率ω_c，即ω_c＝ω_m；

(4)通过下面的公式计算参数τ，