CN108429289B - 一种基于虚拟同步发电机的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机的控制方法及系统，在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网电压幅值；对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，得到机端电压幅值；将电网电压幅值作为给定值，将机端电压幅值作为反馈值，进行闭环控制，得到幅值同步量，将该幅值同步量叠加至励磁控制器的电压控制环上。对电网电压进行锁相环控制时，得到频率调整量，将该频率调整量叠加至功频控制器。本发明能够自适应的补偿由于LC/LCL滤波器导致的桥臂电压相位和机端电压相位偏差，进而实现机端电压相位和电网电压相位同步，以及幅值同步。

Description

一种基于虚拟同步发电机的控制方法及系统
技术领域
本发明属于新能源发电并网技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的控制方法及系统。
背景技术
随着全球范围内能源危机和环境问题的日益突出，以光伏、风电为代表的间歇式能源装机容量占总装机容量的比重越来越大。但是，间歇式能源出力的大幅、频率的随机波动性对系统的有功平衡造成冲击，影响系统的调频特性。不同于常规发电厂的旋转电机，通过电力电子设备接入电网的间歇式能源为非旋转的静止元件，不具备常规机组的转动惯量，其大规模接入电网将使系统等效转动惯量降低，削弱系统应对功率波动的能力，影响系统的频率暂态稳定水平。
针对该问题，可在风电、光伏电站增加大容量集中式储能平抑其出力波动。储能结合虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术是近年来的一个研究热点。虚拟同步发电机技术将同步发电机本体及其控制器数学模型引入储能变流器的控制方法，使电站具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，增强并网点电压强度。
与传统同步发电机一样，VSG并网前需预同步单元与电网同步。不同的是，由于电力电子器件过载能力弱，并网前VSG输出电压需和电网电压频率、幅值、相位一致，才能避免电流冲击。
例如，《中国电机工程学报》2014年6月5日第34卷第16期出版的作者为吕志鹏、盛万兴、钟庆昌等的《虚拟同步发电机及其在微电网中的应用》公开了一种虚拟同步发电机的控制方法，该方法通过一个锁相环来获取电网电压，并将锁相环输出的ΔU叠加至无功调节环中的电压环上，Δω叠加至机械部分中角速度环上，该方法基于单锁相环的方法，控制结构简单，但未考虑带载工况下的相位偏移问题。在离网带载预同步时，此时由于LC/LCL滤波器的作用容易导致VSG输出电压相位和桥臂电压相位偏移。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步发电机的控制方法及系统，用以解决由于LC/LCL滤波器的作用容易导致VSG输出电压相位和桥臂电压相位偏移的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的控制方法，包括如下方法方案：
方法方案一，包括如下步骤：
在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网电压幅值；对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，得到机端电压幅值；
将电网电压幅值作为给定值，将机端电压幅值作为反馈值，进行闭环控制，得到幅值同步量，将该幅值同步量叠加至励磁控制器的电压控制环上。
方法方案二，在方法方案一的基础上，在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网q轴电压，将电网q轴电压的负值经过调节器调节控制，得到频率调整量，将该频率调整量叠加至功频控制器。
方法方案三，在方法方案一的基础上，对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，还得到机端电压相位；机端电压相位分别作为虚拟同步发电机机端电压锁相环控制的相角输入和电网电压锁相环控制的相角输入。
方法方案四，在方法方案二的基础上，在离网转并网运行阶段，将虚拟同步发电机并入电网，并使得到的频率调整量为0，得到的幅值同步量为0。
方法方案五，在方法方案一的基础上，在并网转离网运行阶段，将虚拟同步发电机从电网中切除，同时将励磁控制器中的无功功率指令值置为0，将功频控制器中的有功功率指令值置为0。
本发明还提供一种基于虚拟同步发电机的控制系统，包括如下系统方案：
系统方案一，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网电压幅值；对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，得到机端电压幅值；
将电网电压幅值作为给定值，将机端电压幅值作为反馈值，进行闭环控制，得到幅值同步量，将该幅值同步量叠加至励磁控制器的电压控制环上。
系统方案二，在系统方案一的基础上，在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网q轴电压，将电网q轴电压的负值经过调节器调节控制，得到频率调整量，将该频率调整量叠加至功频控制器。
系统方案三，在系统方案一的基础上，对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，还得到机端电压相位；机端电压相位分别作为虚拟同步发电机机端电压锁相环控制的相角输入和电网电压锁相环控制的相角输入。
系统方案四，在系统方案二的基础上，在离网转并网运行阶段，将虚拟同步发电机并入电网，并使得到的频率调整量为0，得到的幅值同步量为0。
系统方案五，在系统方案一的基础上，在并网转离网运行阶段，将虚拟同步发电机从电网中切除，同时将励磁控制器中的无功功率指令值置为0，将功频控制器中的有功功率指令值置为0。
本发明的有益效果：
本发明的基于虚拟同步发电机的控制方法及系统，采用两个锁相环，分别对电网电压和虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，将得到的电网电压幅值作为给定值，将机端电压幅值作为反馈值，进行闭环控制，得到幅值同步量，将该幅值同步量叠加至励磁控制器的电压控制环上。进一步的，对电网电压进行锁相环控制时，得到频率调整量，将该频率调整量叠加至功频控制器。本发明能够自适应的补偿由于LC/LCL滤波器导致的桥臂电压相位和机端电压相位偏差，进而实现机端电压相位和电网电压相位同步，以及幅值同步。
附图说明
图1是本发明的基于虚拟同步发电机的控制系统的控制框图；
图2是电流内环的控制框图；
图3是本发明的基于虚拟同步发电机的控制原理框图；
图4-1是采用本发明方法的离网转并网运行时的uabc仿真结果图；
图4-2是采用本发明方法的离网转并网运行时的iabc仿真结果图；
图4-3是采用本发明方法的离网转并网运行时的现场实验结果图；
图5-1是采用本发明方法的并网转离网运行时的uabc仿真结果图；
图5-2是采用本发明方法的并网转离网运行时的iabc仿真结果图；
图5-3是采用本发明方法的并网转离网运行时的现场实验结果图。
具体实施方式
为使实现对LC/LCL滤波器相移的补偿，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的控制系统，该系统的控制框图如图1所示。
该系统中包括两个锁相环，一个为虚拟同步发电机同步锁相环，一个为电网电压同步锁相环。虚拟同步发电机同步锁相环输出的幅值同步量usyn叠加至励磁控制器，电网电压同步锁相环输出的频率调整量ωsyn叠加至功频控制器。
励磁控制器包括无功控制环和电压控制环，功频控制器包括有功控制环和频率控制环。
励磁控制器的输出和功频控制器的输出经过定子电气控制，得到电流内环控制的给定值iabc_ref，将iabc_ref经过abc/dq变换，得到d轴电流给定值id_ref和q轴电流给定值iq_ref，进行如图2所示的电流内环控制，生成PWM波，进行PWM控制。
虚拟同步发电机VSG模型如下：
Figure BDA0001601340900000041
其中，ω为VSG的角速度，ω0为额定角速度，J为VSG转动惯量，Tm、Te分别为VSG机械转矩、电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为VSG定子电阻和定子电感，eabc、uabc、iabc分别为VSG三相内电势、机端电压、定子电流，δ为VSG功角，即内电势与机端电压相位差。
VSG模型的机械转矩Tm由原动机调节计算得到，内电势幅值E由励磁控制器计算得到。原动机调节描述如下：
Tm＝[Pref-kf(ω-ω0)]/ω
其中，ω为机端电压频率，ω0为机端电压额定频率，kf为调频系数，Pref为有功功率指令值。
励磁控制器描述如下：
Figure BDA0001601340900000042
其中，E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令值，Q为VSG无功功率，ku为调压系数，uN为额定机端电压，um为机端电压。
针对两个锁相环，如图3所示，做具体的介绍。
虚拟同步发电机同步锁相环用于采集机端电压uabc，并将机端电压uabc经过abc/dq变换，得到机端d轴电压ud和q轴电压uq，进而得到虚拟同步发电机的机端电压幅值
Figure BDA0001601340900000051
将机端q轴电压uq的负值经过PI调节器后得到的值叠加至ωn，并积分，得到虚拟同步发电机的机端电压相位
Figure BDA0001601340900000052
将获取的机端电压相位
Figure BDA0001601340900000053
分别作为虚拟同步发电机同步锁相环和电网电压同步锁相环的相角输入。
将电网电压ugabc经过abc/dq变换，得到电网d轴电压ugd和q轴电压ugq，进而得到电网电压幅值
Figure BDA0001601340900000054
将q轴电压ugq的负值经过PI调节器调节控制后得到频率调整量ωsyn，将该频率调整量ωsyn叠加至功频控制器。
将电网电压幅值Ug作为给定值，将机端电压幅值U作为反馈值，进行PI闭环控制，得到幅值同步量usyn，将该幅值同步量usyn叠加至励磁控制器。
基于图1所示的控制系统，下面对其工作过程做详细说明。
在并网预同步阶段，闭合图1中的相位同步开关Sf，幅值同步开关Su，相应的将PI调节器投入，虚拟同步发电机开始同步电网频率和相位，实现并网预同步。
在离网转并网运行阶段，VSG同步上电网幅值和频率后，在一定的时间范围内，VSG连续多次检测到机端电压幅值和相位小于一定限值时，闭合PCC开关，VSG并入电网；同时，断开相位同步开关Sf和幅值同步开关Su，且将虚拟同步发电机同步锁相环输出的频率调整量ωsyn置为0，电网电压同步锁相环输出的幅值同步量usyn置为0，并闭合无功闭环开关Sq，进行有功无功控制，从而将负载转移至电网。
当VSG收到离网运行指令后，由并网转离网运行阶段，断开PCC开关的同时，将无功闭环开关Sq断开，同时将有功功率指令值Pref和无功功率指令值Qref皆置为0，无功环PI输出置0。
基于上述介绍的方法，做仿真实验和现场实验来验证本发明的方法。
图4-1、4-2是采用本发明方法的离网转并网运行时的现场实验结果图，4-3是采用本发明方法的离网转并网运行时的现场实验结果图，从这三幅图中可看出采用本发明的方法，虚拟同步发电机在离网到并网过程中VSG冲击电流较小；图5-1、5-2是采用本发明方法的并网转离网运行时的仿真结果图；图5-3是采用本发明方法的并网转离网运行时的现场实验结果图，从这三幅图中可以看出采用本发明的方法，虚拟同步发电机在并网转离网过程中输出电压无较大超调。

Claims (6)

1.一种基于虚拟同步发电机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网电压幅值；对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，得到机端电压幅值；
将电网电压幅值作为给定值，将机端电压幅值作为反馈值，进行闭环控制，得到幅值同步量，将该幅值同步量叠加至励磁控制器的电压控制环上；
在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网q轴电压，将电网q轴电压的负值经过调节器调节控制，得到频率调整量，将该频率调整量叠加至功频控制器；
对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，还得到机端电压相位；机端电压相位分别作为虚拟同步发电机机端电压锁相环控制的相角输入和电网电压锁相环控制的相角输入。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的控制方法，其特征在于，在离网转并网运行阶段，将虚拟同步发电机并入电网，并使得到的频率调整量为0，得到的幅值同步量为0。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的控制方法，其特征在于，在并网转离网运行阶段，将虚拟同步发电机从电网中切除，同时将励磁控制器中的无功功率指令值置为0，将功频控制器中的有功功率指令值置为0。
4.一种基于虚拟同步发电机的控制系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：
在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网电压幅值；对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，得到机端电压幅值；
将电网电压幅值作为给定值，将机端电压幅值作为反馈值，进行闭环控制，得到幅值同步量，将该幅值同步量叠加至励磁控制器的电压控制环上；
所述处理器还用于执行指令实现如下方法，在并网预同步阶段，对电网电压进行锁相环控制，得到电网q轴电压，将电网q轴电压的负值经过调节器调节控制，得到频率调整量，将该频率调整量叠加至功频控制器；
所述处理器还用于执行指令实现如下方法，对虚拟同步发电机机端电压进行锁相环控制，还得到机端电压相位；机端电压相位分别作为虚拟同步发电机机端电压锁相环控制的相角输入和电网电压锁相环控制的相角输入。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟同步发电机的控制系统，其特征在于，所述处理器还用于执行指令实现如下方法，在离网转并网运行阶段，将虚拟同步发电机并入电网，并使得到的频率调整量为0，得到的幅值同步量为0。
6.根据权利要求4所述的基于虚拟同步发电机的控制系统，其特征在于，所述处理器还用于执行指令实现如下方法，在并网转离网运行阶段，将虚拟同步发电机从电网中切除，同时将励磁控制器中的无功功率指令值置为0，将功频控制器中的有功功率指令值置为0。
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