CN108493997A - 基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种分布式发电控制领域中的一种基于虚拟同步发电机的转动惯量的优化控制方法，频率偏移量超出允许范围时，调节转动惯量，以减缓频率的变化；频率变化率过零反向时，调节转动惯量以实现频率恢复。该方法对微网逆变器采用虚拟同步发电机的控制策略，实现虚拟同步发电机的转动惯量的优化算法。同时，改进了调速环节，使用控制方式计算相角的方法得到电压电流的相角。该方法既能充分体现对传统同步发电机的惯性优势，又能兼顾逆变器固有的动态性能及其稳定性，而且使电网运行的经济性得以提高。

Description

基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于虚拟同步发电机技术的微电网分布式电源的控制方法，属于新能源发电中的控制技术领域。

背景技术

同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，并能够参与电网电压和频率的调节，具有对电网天然友好的优势。因此借鉴电力系统的运行经验和同步发电机的特性，可以实现逆变器电网的友好接入，在很大程度上可以解决分布式电源在并网方面所面临的诸多问题和挑战。基于这一思想，虚拟同步发电机技术应运而生。虚拟同步发电机技术通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频和无功调压等特性，使逆变器从运行机制和外特性上都可以与传统同步发电机相媲美。

但是，由于采用虚拟同步发电机控制策略的微网逆变器模拟了电力系统一次调频调压以及直流分布式电源出力发生扰动时，逆变器输出功率和频率也就会不可避免的震荡。但是对于逆变器来说，其瞬态抗干扰能力和过载能力远不如同步发电机，震荡造成的冲击电流可能导致逆变器保护作用而停机，甚至危及功率器件的安全和微电网运行的稳定性。因此，针对转动惯量的优化控制方法是在必行。

发明内容

针对先有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于虚拟同步发电机的转动惯量的优化控制方法，该方法用于微网逆变器以达到模拟同步发电机的惯性，并抑制逆变器输出频率和有功功率震荡。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征在于，包括如下其主要步骤如下：

步骤1，采集一个开关周期内的电网电压e_a、e_b、e_c，微网逆变器的输出的电容电压u_oa、u_ob、u_oc，桥臂侧电感电流i_La、i_Lb、i_Lc和输出侧电流i_oa、i_ob、i_oc，经坐标变化得到同步旋转坐标系下的电容电压u_od、u_oq，电感电流i_Ld、i_Lq和输出电流i_od、i_oq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压e_a、e_b、e_c，经过锁相环得到电网角频率ω_g及电网电压相角θ_g；

步骤3，根据步骤1中得到的旋转坐标系下的电容电压，输出电流经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；

所述的功率计算模块包括有功功率计算方程和无功功率计算方程；

所述有功功率计算方程：

所述无功功率计算方程：

其中ω₀为低通滤波器的截止频率；s为拉普拉斯算子。

步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、电网角频率ω_g、微网逆变器中给定的有功功率参考值P_ref及优化算法得到的最优虚拟转动惯量，经过调速器可以得到微网逆变器角频率ω^*，对该角频率ω^*做积分，得到虚拟同步发电机的矢量角θ^*；

所述的J优化算法模块，包括角频率偏差的计算和角频率变化率；所述的调速器模块，包括虚拟同步发电机的转子运动方程及其调速方程：

所述的角频率偏差的计算公式为：

其中ω为计算所得的电网电压角频率，ω_g为电网电压实际角频率；

所述微网逆变器角频率的计算公式为：

其中为开关周期；

所述虚拟阻尼的计算公式为

其中，为虚拟同步发电机运行不产生震荡时的转动惯量的初始值；k_f为频率变化量的限定值，K为依据微网允许设定的频率波动范围，当频率波动范围超过设定值时，方程有效，当频率波动量不超过设定范围时，转动惯量即为初始值；

所述虚拟同步发电机调速方程为：

所述虚拟同步发电机的转子方程为：

步骤5，根据步骤3中得到的无功功率Q，和微网逆变器给定的参考无功功率Q_ref和参考电压U_ref，经过励磁器得到虚拟同步发电机的端电压U^*；

所述的励磁器包括虚拟同步发电机的无功-电压下垂方程，

所述虚拟同步发电机的无功-下垂控制方程为：

，

其中，n为无功-电压下垂系数。

步骤6，根据步骤5中得到的端电压U^*和步骤A中得到的旋转坐标系下的电容电压u_od、u_oq，通过电压控制器得到电容电流信号，再根据电容电流信号和步骤1中得到的电感电流i_Ld、i_Lq，和输出电流i_od、i_oq，通过电流控制器得到控制信号u_d、u_q；

所述的电压控制器为：

其中K_up为电压控制器的比例系数，K_ui为电压控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述的电流控制器为：

其中，K_ip为电流控制环的比例控制系数，s为拉普拉斯算子。

步骤7，根据步骤6得到的控制信号u_d、u_q和步骤4中得到的矢量角θ^*，经同步旋转坐标系的反变换的到调制波信号u_a、u_b、u_c，在经过SPWM模块，生成逆变器电力电子元件的通断控制信号m。

相对于现有技术，本发明的有益效果为本发明技术既能充分体现传统同步发电机的惯性优势，又能兼顾逆变器的运行稳定性，解决了逆变器输出功率和频率的震荡问题。

附图说明

图1为微网逆变器主电路拓扑及其控制结构图。

图2为调速器控制结构图。

图3为励磁器控制结构图。

图4为输出电压控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的原理和具体实施方式。

图1为本发明微网逆变器主电路拓扑及其控制结构图，通过对转动惯量的优化控制，可以避免逆变器输出功率和频率的震荡，最大程度的保护系统的稳定运行

本发明的步骤为：

步骤1，采集一个开关周期内的电网电压e_a、e_b、e_c，微网逆变器的输出的电容电压u_oa、u_ob、u_oc，桥臂侧电感电流i_La、i_Lb、i_Lc和输出侧电流i_oa、i_ob、i_oc，经坐标变化得到同步旋转坐标系下的电容电压u_od、u_oq，电感电流i_Ld、i_Lq和输出电流i_od、i_oq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压e_a、e_b、e_c，经过锁相环得到电网角频率ω_g及电网电压相角θ_g；

步骤3，根据步骤1中得到的旋转坐标系下的电容电压，输出电流经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；

所述的功率计算模块包括有功功率计算方程和无功功率计算方程；

所述有功功率计算方程：

所述无功功率计算方程：

其中ω₀为低通滤波器的截止频率；s为拉普拉斯算子。

步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、电网角频率ω_g、微网逆变器中给定的有功功率参考值P_ref及优化算法得到的最优虚拟转动惯量，经过调速器可以得到微网逆变器角频率ω^*，对该角频率ω^*做积分，得到虚拟同步发电机的矢量角θ^*；

所述的J优化算法模块，包括角频率偏差的计算和角频率变化率；所述的调速器模块，包括虚拟同步发电机的转子运动方程及其调速方程：

所述的角频率偏差的计算公式为：

其中ω为计算所得的电网电压角频率，ω_g为电网电压实际角频率；

所述微网逆变器角频率的计算公式为：

其中为开关周期；

所述虚拟阻尼的计算公式为

其中，为虚拟同步发电机运行不产生震荡时的转动惯量的初始值；k_f为频率变化量的限定值，K为依据微网允许设定的频率波动范围，当频率波动范围超过设定值时，方程有效，当频率波动量不超过设定范围时，转动惯量即为初始值；

所述虚拟同步发电机调速方程为：

所述虚拟同步发电机的转子方程为：

本调速器控制框图可参考图2.

步骤5，根据步骤3中得到的无功功率Q，和微网逆变器给定的参考无功功率Q_ref和参考电压U_ref，经过励磁器得到虚拟同步发电机的端电压U^*；

所述的励磁器包括虚拟同步发电机的无功-电压下垂方程，

所述虚拟同步发电机的无功-下垂控制方程为：

，

其中，n为无功-电压下垂系数。

本励磁器控制框图可参考图3。

步骤6，根据步骤5中得到的端电压U^*和步骤A中得到的旋转坐标系下的电容电压u_od、u_oq，通过电压控制器得到电容电流信号，再根据电容电流信号和步骤1中得到的电感电流i_Ld、i_Lq，和输出电流i_od、i_oq，通过电流控制器得到控制信号u_d、u_q；

所述的电压控制器为：

其中K_up为电压控制器的比例系数，K_ui为电压控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述的电流控制器为：

其中，K_ip为电流控制环的比例控制系数，s为拉普拉斯算子。

步骤7，根据步骤6得到的控制信号u_d、u_q和步骤4中得到的矢量角θ^*，经同步旋转坐标系的反变换的到调制波信号u_a、u_b、u_c，在经过SPWM模块，生成逆变器电力电子元件的通断控制信号m。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采集一个开关周期内的电网电压e_a、e_b、e_c，微网逆变器的输出的电容电压u_oa、u_ob、u_oc，桥臂侧电感电流i_La、i_Lb、i_Lc和输出侧电流i_oa、i_ob、i_oc，经坐标变化得到同步旋转坐标系下的电容电压u_od、u_oq，电感电流i_Ld、i_Lq和输出电流i_od、i_oq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压e_a、e_b、e_c，经过锁相环得到电网角频率ω_g及电网电压相角θ_g；

步骤3，根据步骤1中得到的旋转坐标系下的电容电压，输出电流经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；

步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、电网角频率ω_g、微网逆变器中给定的有功功率参考值P_ref及优化算法得到的最优虚拟转动惯量，经过调速器可以得到微网逆变器角频率ω^*，对该角频率ω^*做积分，得到虚拟同步发电机的矢量角θ^*；

步骤5，根据步骤3中得到的无功功率Q，和微网逆变器给定的参考无功功率Q_ref和参考电压U_ref，经过励磁器得到虚拟同步发电机的端电压U^*；

步骤6，根据步骤5中得到的端电压U^*和步骤A中得到的旋转坐标系下的电容电压u_od、u_oq，通过电压控制器得到电容电流信号，再根据电容电流信号和步骤1中得到的电感电流i_Ld、i_Lq，和输出电流i_od、i_oq，通过电流控制器得到控制信号u_d、u_q；

步骤7，根据步骤6得到的控制信号u_d、u_q和步骤4中得到的矢量角θ^*，经同步旋转坐标系的反变换的到调制波信号u_a、u_b、u_c，在经过SPWM模块，生成逆变器电力电子元件的通断控制信号m。

2.跟据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征是步骤2中所述的锁相环为基于旋转坐标系变换的锁相环。

3.跟据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征是步骤3中所述的功率计算模块，其中包括有功功率计算和无功功率计算方程：

有功功率计算方程：

无功功率计算方程：

其中ω₀为低通滤波器的截止频率；s为拉普拉斯算子。

4.跟据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征是步骤4中所述的J优化算法模块，包括角频率偏差的计算和角频率变化率；所述的调速器模块，包括虚拟同步发电机的转子运动方程及其调速方程：

所述的角频率偏差的计算公式为：

所述微网逆变器角频率的计算公式为：

其中为开关周期；

所述虚拟阻尼的计算公式为

其中，为虚拟同步发电机运行不产生震荡时的转动惯量的初始值；k_f为频率变化量的限定值，依据微网允许频率波动范围来设定

其中ω_g为电网电压；

所述虚拟同步发电机调速方程为：

所述虚拟同步发电机的转子方程为：。

5.跟据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征是步骤5中所述的励磁器包括虚拟同步发电机的无功-电压下垂方程，

所述虚拟同步发电机的无功-下垂控制方程为：

其中，n为无功-电压下垂系数。

6.跟据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征是步骤6中所述的电压控制器为：

其中K_up为电压控制器的比例系数，K_ui为电压控制器的积分系数，s为拉普拉斯算子。

7.跟据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法，其特征是步骤6中所述的电流控制器为：

其中，K_ip为电流控制环的比例控制系数，s为拉普拉斯算子。