CN108599264A - 一种基于虚拟同步发电机控制的频率电压无差调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机控制的频率电压无差调节方法，包括如下步骤：通过有功控制环模拟同步发电机的功频控制器，获得虚拟同步发电机的输出功率、角速度和相角；通过无功控制环模拟同步发电机的励磁调节器，获得虚拟同步发电机的输出电压幅值；采集网侧电压以及电流，计算出每一时刻的有功功率和无功功率，作为有功和无功控制环的额定参考值；将有功环和无功环输出的相角和电压幅值进行组合，得到PWM的调制波信号。本发明将有功功率和无功功率值作为传统虚拟同步发电机的额定有功功率和无功功率参考值，并简化为对频率和电压的控制，实现频率电压的无差调节。本发明使虚拟同步发电机自动跟踪负荷波动并改变自身的输出功率。

Description

一种基于虚拟同步发电机控制的频率电压无差调节方法

技术领域

本发明涉及微电网中分布式电源的逆变器的频率电压控制，具体涉及一种基于虚拟同步发电机控制策略的频率电压无差调节方法。

背景技术

为了解决能源危机和环境问题，可再生能源和储能系统等得到越来越广泛的应用。近年来光伏、风电等分布式电站建设规模逐年扩大，装机容量迅速增长。预计到2020年，我国可再生能源发电在电网中的份额将达到15％，到2050年将超过30％。据此，电力系统正在从集中式发电向分布式发电转变。

然而，由于与电网电压频率、幅值存在差异，大部分分布式电站需要通过电力电子变换器接入电网。当新能源装机容量较低时，传统发电机可以为系统稳定性提供支撑。但是，随着越来越多的新能源接入电网，传统发电机不足以继续维持电力系统的稳定运行。传统的逆变器控制策略有PQ控制，VF控制，下垂控制。PQ控制又称恒功率控制，一般用于并网运行的情况下，无法实现离网运行；VF控制又称恒压频控制，一般用于微网的孤岛运行，能为微网提供电压和频率的支撑，但不适用于并网运行；下垂控制模拟了同步发电机的功频下垂控制和励磁电压下垂控制，但不具有阻尼和惯性。为此，有学者提出在逆变器中引入同步发电机的“同步”机制，称为虚拟同步发电机控制策略(VSG，Virtual SynchronousGenerator)。该方案模拟同步发电机的转子机械方程，使逆变器具备了虚拟惯性的能力。

在目前的研究中，专利文献CN104953617A公开了一种虚拟同步发电机带负载并网的控制方法和系统，通过采集虚拟同步发电机输出电压及电网侧的电压，计算出每一时刻的虚拟电压差，进一步计算虚拟同步发电机一侧的虚拟电流，根据虚拟电流对虚拟同步发电机的磁通量、虚拟偏转角和实际输出的角速度进行调节，从而调节虚拟同步发电机的输出电压，使虚拟同步发电机的输出电压与电网电压同步。该方法只能实现频率和电压的有差调节，并不能保证电能质量。专利文献CN106684921A公开了一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，该电路包括功频控制和励磁控制器，励磁控制器生成的电压指令幅值信息和功频控制器生成电压指令相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号。虽然该方法能实现频率的无差调节，但控制过程相对复杂，同时，电压也无法实现无差调节。专利文献CN105811438A公开了一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置，根据输出电压和输出电流计算得到虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、空载时角频率参考值以及平均有功功率计算得到虚拟同步机的相角，根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及平均无功功率计算得到虚拟同步机的输出电压幅值，根据相角和控制信号实现基于虚拟同步机的无频差控制。但该方法计算过程复杂，且只考虑了频率的无差控制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于虚拟同步发电机控制的频率电压无差调节方法。本发明通过有功控制环模拟同步发电机的功频控制器，获得虚拟同步发电机的输出功率、角速度和相角。通过无功控制环模拟同步发电机的励磁调节器，获得虚拟同步发电机的输出电压幅值。采集网侧电压以及电流，计算出每一时刻的有功功率和无功功率，将计算得出的有功功率和无功功率分别作为有功控制环和无功控制环的额定参考值。将有功环和无功环输出的相角和电压幅值进行组合，经过电压电流双闭环控制，得到PWM的调制波信号。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种基于虚拟同步发电机控制的频率电压无差调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：采集网侧电压V_a、V_b、V_c和电流I_a、I_b、I_c，计算得到有功功率P和无功功率Q，计算公式如下：

P＝V_aI_a+V_bI_b+V_cI_c

式中，V_a、V_b、V_c分别为A、B、C三相相电压，I_a、I_b、I_c分别为A、B、C三相的电流，V_bc、V_ca、V_ab分别为BC、CA、AB之间的线电压。

步骤S2：通过有功控制环模拟同步发电机的功频控制器，得到虚拟同步发电机的指令电压相角信号；

步骤S3：通过无功控制环模拟同步发电机的励磁控制器，得到虚拟同步发电机的指令电压幅值信号；

步骤S4：将功频控制器生成的指令电压相角信息和励磁调节器生成的指令电压幅值信息进行组合，得到虚拟同步发电机的输出电压指令E，对E进行帕克变换得到电压外环的输入电压指令E_d、E_q，再经过电流内环的控制后得到PWM的调制波信号。

上述技术方案中，所述步骤S2包括：

步骤S201：将计算得到的有功功率作为虚拟同步发电机的额定有功功率参考值；

步骤S202：所述功频控制器输出的虚拟机械功率式(1)所示：

P_m＝D_p(f_ref-f)+P (1)

式中，P_m为虚拟机械功率，D_p为有功下垂系数，f_ref为参考频率(50Hz)，f为系统的频率，P为网侧计算得到的有功功率；

步骤S203：所述同步发电机转子机械方程如式(2)所示：

式中，J是同步发电机的转动惯量，T_m和T_e分别代表机械转矩电磁转矩，P_m和P_e分别是机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω为机械角速度，ω_ref为指定角频率，ω₀为额定角频率；

步骤S204：根据式(1)和式(2)，功频控制器输出指令电压相角的计算方法如式(3)所示：

上述技术方案中，所述步骤S3包括：

步骤S301：将计算得到的无功功率作为虚拟同步发电机的额定无功功率参考值；

步骤S302：所述励磁控制器输出的电压幅值如式(4)所示：

式中，E_mag为输出指令电压幅值，U_n和U_m分别为系统额定电压值和网侧电压幅值，K_p和K_i为PI控制器的参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的方法中只需将网侧负荷的有功功率作为有功环的额定有功功率参考值，就可以实现频率的无差控制；

2、本发明提供的方法中只需将网侧负荷的无功功率作为无功环的额定无功功率参考值，就可以实现电压的无差控制；

3、本发明提供的方法把有功环和无功环简化为对频率和电压的控制，控制简单，无需复杂的参数设计，易于实现。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于虚拟同步发电机控制算法的控制框图；

图2为虚拟同步发电机功频控制器框图；

图3为虚拟同步发电机励磁控制器框图；

图4为传统虚拟同步发电机一次调频仿真结果图；

图5为传统虚拟同步发电机一次调压仿真结果图；

图6为改善后虚拟同步发电机无差调频仿真结果图；

图7为改善后虚拟同步发电机无差调频仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1所示为采用虚拟同步发电机控制策略的主电路结构，直流侧为带有储能的分布式电源，交流侧为LC滤波器，测量单元以及负载。控制环节主要有有功控制环，无功控制环和电压电流双闭环控制环节。通过测量单元测量网侧电压电流，计算网侧的有功功率和无功功率，将计算得出的有功功率和无功功率分别作为有功控制环和无功控制环的额定参考值。一旦有功功率和无功功率发生变化，有功环和无功环就会自动调节自身的输出功率和电压，实现频率和电压的无差调节。

本发明的一种基于虚拟同步发电机控制的频率电压无差调节方法，包括如下步骤：

步骤S1：采集网侧电压V_a、V_b、V_c和电流I_a、I_b、I_c，计算得到有功功率P和无功功率Q，计算公式如下：

P＝V_aI_a+V_bI_b+V_cI_c

式中，V_a、V_b、V_c分别为A、B、C三相相电压，I_a、I_b、I_c分别为A、B、C三相的电流，V_bc、V_ca、V_ab分别为BC、CA、AB之间的线电压。

步骤S2：通过有功控制环模拟同步发电机的功频控制器，得到虚拟同步发电机的指令电压相角信号；

步骤S3：通过无功控制环模拟同步发电机的励磁控制器，得到虚拟同步发电机的指令电压幅值信号；

步骤S4：将功频控制器生成的指令电压相角信息和励磁调节器生成的指令电压幅值信息进行组合，得到虚拟同步发电机的输出电压指令E，对E进行帕克变换得到电压外环的输入电压指令E_d、E_q，再经过电流内环的控制后得到PWM的调制波信号。

具体地，如图2所示，功频控制器通过频率差调节功率，有功下垂系数相当于有功变化与频率变化的比值。与传统的虚拟同步发电机有功环相比，这里的额定有功功率参考值不再是一个确定的值。当负荷发生波动时，负载功率与额定有功功率的差值即为虚拟同步发电机输出的缺额。

所述步骤S2包括：

步骤S201：将计算得到的有功功率作为虚拟同步发电机的额定有功功率参考值；

步骤S202：所述功频控制器输出的虚拟机械功率式(1)所示：

P_m＝D_p(f_ref-f)+P (1)

式中，P_m为虚拟机械功率，D_p为有功下垂系数，f_ref为参考频率(50Hz)，f为系统的频率，P为网侧计算得到的有功功率；

根据式(1)，可知要使频率变化为0，只需使系统所需输入机械功率和额定有功功率相等。将额定有功功率设置为网侧有功功率就能实现无差调频，此时，有功环简化为对频率的控制。

步骤S203：所述同步发电机转子机械方程如式(2)所示：

式中，J是同步发电机的转动惯量，T_m和T_e分别代表机械转矩电磁转矩，P_m和P_e分别是机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω为机械角速度，ω_ref为指定角频率，ω₀为额定角频率；

步骤S204：根据式(1)和式(2)，功频控制器输出指令电压相角的计算方法如式(3)所示：

具体地，如图3所示，与功频控制器的原理相似，当额定无功功率参考值设定为网侧无功功率时，励磁控制器可以简化为对电压的直接控制。励磁控制器输出的电压幅值如式(3)所示。

所述步骤S3包括：

步骤S301：将计算得到的无功功率作为虚拟同步发电机的额定无功功率参考值；

步骤S302：所述励磁控制器输出的电压幅值如式(4)所示：

式中，E_mag为输出指令电压幅值，U_n和U_m分别为系统额定电压值和网侧电压幅值，K_p和K_i为PI控制器的参数。

进一步地，在MATLAB中搭建仿真模型进行验证，具体的仿真参数如表1所示：

表1

本发明将与传统的虚拟同步发电机调频调压特性进行对比来验证所提控制策略的有效性和准确性。

图4、图5分别是传统虚拟同步发电机控制策略的仿真结果图，设置额定有功功率和无功功率分别为10kW和0Var，在0.2s时负荷增加有功2kW、无功5kVar，可以发现频率和电压在0.2s时下降，而且并没有随着时间自动回复到额定值，只是单单实现了一次调频。图6、图7采用本发明提出的改进后的虚拟同步发电机控制策略，发现频率和电压在0.2s时发生波动后回复到了额定值，符合要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种基于虚拟同步发电机控制的频率电压无差调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：采集网侧电压V_a、V_b、V_c和电流I_a、I_b、I_c，计算得到有功功率P和无功功率Q，计算公式如下：

P＝V_aI_a+V_bI_b+V_cI_c

式中，V_a、V_b、V_c分别为A、B、C三相相电压，I_a、I_b、I_c分别为A、B、C三相的电流，V_bc、V_ca、V_ab分别为BC、CA、AB之间的线电压。

步骤S2：通过有功控制环模拟同步发电机的功频控制器，得到虚拟同步发电机的指令电压相角信号；

步骤S3：通过无功控制环模拟同步发电机的励磁控制器，得到虚拟同步发电机的指令电压幅值信号；

步骤S4：将功频控制器生成的指令电压相角信息和励磁调节器生成的指令电压幅值信息进行组合，得到虚拟同步发电机的输出电压指令E，对E进行帕克变换得到电压外环的输入电压指令E_d、E_q，再经过电流内环的控制后得到PWM的调制波信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机控制策略的频率电压无差调节方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S201：将计算得到的有功功率作为虚拟同步发电机的额定有功功率参考值；

步骤S202：所述功频控制器输出的虚拟机械功率式(1)所示：

P_m＝D_p(f_ref-f)+P (1)

式中，P_m为虚拟机械功率，D_p为有功下垂系数，f_ref为参考频率(50Hz)，f为系统的频率，P为网侧计算得到的有功功率；

步骤S203：所述同步发电机转子机械方程如式(2)所示：

式中，J是同步发电机的转动惯量，T_m和T_e分别代表机械转矩电磁转矩，P_m和P_e分别是机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω为机械角速度，ω_ref为指定角频率，ω₀为额定角频率；

步骤S204：根据式(1)和式(2)，功频控制器输出指令电压相角的计算方法如式(3)所示：

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机控制策略的频率电压无差调节方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S301：将计算得到的无功功率作为虚拟同步发电机的额定无功功率参考值；

步骤S302：所述励磁控制器输出的电压幅值如式(4)所示：

式中，E_mag为输出指令电压幅值，U_n和U_m分别为系统额定电压值和网侧电压幅值，K_p和K_i为PI控制器的参数。