CN108599250A - 一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法 - Google Patents

一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法 Download PDF

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CN108599250A CN201810450042.3A CN201810450042A CN108599250A CN 108599250 A CN108599250 A CN 108599250A CN 201810450042 A CN201810450042 A CN 201810450042A CN 108599250 A CN108599250 A CN 108599250A
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颜景斌
杨晨
常龙龙
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Harbin University of Science and Technology
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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Abstract

本发明提供了一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法，首先建立了虚拟同步发电机控制，能够使逆变器模拟了同步发电机的一些外特性；其次，在原有有功频率控制环节上，增加预见型微分控制环节，使得频率能够预测有功的变化提前动作，减小调整时间，能够在有功频率调节过程中抑制动态震荡，并且减小有功动态调节过程中虚拟同步发电机输出电压频率的超调，实现动态调节的优化，提高电力系统稳定性。

Description

一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟同步发电机控制中频率优化的方法，属于微网新能源逆变控制技术领域。
背景技术
现在，新能源得到广泛发展，分布式电源在电力系统的渗透率不断提升，传统的同步发电机装置比例逐渐减小、电力系统的旋转备用容量以及转动惯量的减小，导致电网稳定性问题越发严峻。而且并网逆变器控制策略各异以及分布式电源输出功率具有波动性、不确定性等特点，很难参与电网自主调节。因此，采用虚拟同步发电机技术，即通过控制使逆变器模拟出同步发电机一次调频调压以及励磁等外特性，使得分布式电源能够参与大电网的自主调节中，提高电网的稳定性。
发明内容
本发明的目的是在现有技术基础上，提供了一种基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器方法，该方法包括：有功频率控制环节、无功电压控制环节，因此具有同步发电机相似的有功和无功调节特性，其主要特征是在电磁转矩反馈的基础上，增加了一个微分反馈，抑制超调，提高了电网负载变动时的动态调节能力。
本发明所涉及的一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法的结构原理图如附图1所示，虚拟同步发电机主电路设计为三相半桥逆变电路。用直流侧电压Udc代替光伏、风电等带储能部分，模拟同步发电机的原动机部分；逆变器桥臂端电压Ea、Eb、Ec模拟同步发电机的反电动势；用滤波电容电压Va、Vb、Vc模拟同步发电机定子输出电压。将测量得出滤波电容电压Va、Vb、Vc和输出电流ia、ib、ic送入虚拟同步发电机控制器，将计算出来的参考电压送入电压电流双环控制，得到调制波信号，然后将此信号转化为逆变器的驱动信号，控制逆变器中开关的通断，从而使逆变器实现同步发电机的特性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：采样得到虚拟同步发电机输出电流iabc，计算虚拟同步发电机瞬时功率Pe,Q，具体公式如下：
（1）
式中，Mfif为转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积；为虚拟同步发电机的电角速度；为虚拟同步发电机输出的电压相位；是点积运算符号；
;;。
步骤2：根据步骤1中得到的有功功率Pe代入有功频率控制环节，计算得到虚拟同步发电机输出的电角速度和电压相位，具体公式如下：
（2）
式中，J为虚拟同步发电机的虚拟转动惯量；Dp为虚拟同步发电机的有功下垂系数（也可称为阻尼系数）；Tm为原动机向虚拟同步发电机输入的机械转矩；Pset为虚拟同步发电机给定的有功功率参考值；Te为虚拟同步发电机输出的电磁转矩；为虚拟同步发电机的额定电角速度。
步骤3：根据步骤1得到的无功功率代入无功电压控制环节，计算得到转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif，具体公式如下：
式中，Vn是虚拟同步发电机电压参考值；V为采样得到虚拟同步发电机输出电压Vabc的幅值；Dq为虚拟同步发电机的无功下垂系数；Qset为虚拟同步发电机给定的无功功率参考值；是拉普拉斯算子；K为积分环节的增益系数。
步骤4：根据步骤2、步骤3得到的转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif和虚拟同步发电机输出的电角速度计算反电动势e，具体公式如下：
（3）
将步骤2得到的相位和步骤4得出的反电动势e合成三相电动势，送入双环电压电流控制环节，得到调制波信号，然后将此信号转化为逆变器的驱动信号，控制逆变器中开关的通断，从而使逆变器实现同步发电机的特性。
步骤5：本发明进一步的改进优化在于，步骤2中，在反馈的电磁转矩Te基础上增加一个预见性控制，即微分环节；最终将这两部分的和送入步骤2的有功频率公式，得到公式（4）：
（4）
式中，kd是微分环节的增益；
最终将步骤5的优化后的有功频率控制环节的公式（4）代入步骤2中取代原有有功频率控制环节。
本发明提出的一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法，其优点是：在有功频率控制环节，增加了电磁转矩的微分环节，能够在有功频率调节过程中抑制动态震荡，并且减小有功动态调节过程中虚拟同步发电机输出电压频率的超调。
附图说明
图1是典型的逆变器结构原理图；
图2是优化后的虚拟同步发电机控制器原理图；
图3是有功负载变化时频率优化前和优化后的仿真对比图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的优化方法作进一步详细的描述，包括以下步骤：
步骤1：采样得到虚拟同步发电机输出电流iabc，计算虚拟同步发电机瞬时功率Pe,Q，具体公式如下
（1）
式中，Mfif为转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积；为虚拟同步发电机的电角速度；为虚拟同步发电机输出的电压相位；是点积运算符号；
;;；
步骤2：根据步骤1中得到的有功功率Pe计算得到电磁转矩Te，并在基础上增加一个预见性控制，即微分环节，从而计算得到虚拟同步发电机输出的电角速度和电压相位，具体公式如下：
（2）
式中，J为虚拟同步发电机的虚拟转动惯量；Dp为虚拟同步发电机的有功下垂系数（也可称为阻尼系数）；Tm为原动机向虚拟同步发电机输入的机械转矩；Pset为虚拟同步发电机给定的有功功率参考值；Te为虚拟同步发电机输出的电磁转矩；为虚拟同步发电机的额定电角速度；kd是微分环节的增益；
步骤3：根据步骤1得到的无功功率代入无功电压控制环节，计算得到转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif，具体公式如下：
式中，Vn是虚拟同步发电机电压参考值；V为采样得到虚拟同步发电机输出电压Vabc的幅值；Dq为虚拟同步发电机的无功下垂系数；Qset为虚拟同步发电机给定的无功功率参考值；是拉普拉斯算子；K为积分环节的增益系数；
步骤4：根据步骤2、步骤3得到的虚拟同步发电机输出的电角速度和转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif计算反电动势e，具体公式如下：
（3）
将步骤4得出的反电动势e和步骤2得到的相位合成三相电动势，送入双环电压电流控制环节，得到调制波信号，然后将此信号转化为逆变器的驱动信号，控制逆变器中开关的通断，从而使逆变器实现同步发电机的特性。
为了充分比较优化后的特性，搭建一台8kW的三相半桥逆变器，直流侧电压700V，电网电压220V/50Hz,LCL滤波器参数为：Lf=4mH、Lg=0.5mH、C=10，J=0.12，Dp=4.05,Dq=192.85,K=7,kd=0.02。在0.5s时刻，负载有功P变化4kW时，频率优化前后的比较如附图3所示，可见本发明能够实现调整时间和超调量的减小，提高电力系统电压的稳定性。

Claims (5)

1.一种基于虚拟同步发电机控制频率优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采样得到虚拟同步发电机输出电流iabc，计算虚拟同步发电机瞬时功率Pe,Q；
步骤2：根据步骤1中得到的有功功率Pe代入有功频率控制环节，在反馈的电磁转矩Te基础上增加一个预见性控制，即微分环节；最终将这两部分的和送入有功频率控制环节，计算得到虚拟同步发电机输出的电角速度和电压相位；
步骤3：根据步骤1得到的无功功率代入无功电压控制环节，计算得到转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif；
步骤4：根据步骤2、步骤3得到的虚拟同步发电机输出的电角速度和转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif计算反电动势e；将反电动势e和步骤2得到的相位合成三相电动势，送入双环电压电流控制环节，得到调制波信号，然后将此信号转化为逆变器的驱动信号，控制逆变器中开关的通断，从而使逆变器实现同步发电机的特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法，其特征在于，步骤1中，计算虚拟同步发电机瞬时功率Pe,Q，具体公式如下：
（1）
式中，Mfif为转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积；为虚拟同步发电机的电角速度；为虚拟同步发电机输出的电压相位；是点积运算符号；
;;。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法，其特征在于，步骤2中，将得到的有功功率Pe计算得到电磁转矩Te，并在基础上增加一个预见性控制，即微分环节，从而计算得到虚拟同步发电机输出的电角速度和电压相位，具体公式如下：
（2）
式中，J为虚拟同步发电机的虚拟转动惯量；Dp为虚拟同步发电机的有功下垂系数（也可称为阻尼系数）；Tm为原动机向虚拟同步发电机输入的机械转矩；Pset为虚拟同步发电机给定的有功功率参考值；Te为虚拟同步发电机输出的电磁转矩；为虚拟同步发电机的额定电角速度；kd是微分环节的增益。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法，其特征在于，步骤3中，将无功功率Q代入无功电压控制环节，计算得到转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif，具体公式如下：
式中，Vn是虚拟同步发电机电压参考值；V为采样得到虚拟同步发电机输出电压Vabc的幅值；Dq为虚拟同步发电机的无功下垂系数；Qset为虚拟同步发电机给定的无功功率参考值；是拉普拉斯算子；K为积分环节的增益系数。
5.根据权利要求4和权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机控制的频率优化方法，其特征在于，步骤4中，将转子和定子绕组的互感与励磁电流的乘积Mfif和虚拟同步发电机输出的电角速度计算反电动势e，具体公式如下：
（3）
最后将反电动势e和步骤2得到的相位合成三相电动势，送入双环电压电流控制环节，得到调制波信号，然后将此信号转化为逆变器的驱动信号，控制逆变器中开关的通断，从而使逆变器实现同步发电机的特性。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110233500A (zh) * 2019-06-24 2019-09-13 上海电力学院 虚拟同步发电机离网切换到并网的方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
余璞: ""基于虚拟同步发电机的微网逆变器并网技术研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 *

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