CN109066793A - 一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法包括虚拟柴油发动机控制系统虚拟励磁控制系统与虚拟凸极同步发电机控制系统。虚拟柴油发动机控制系统将逆变器输出有功功率计算值P和角速度计算值输入而输出机械转矩T_m。虚拟励磁控制系统将逆变器输出无功功率计算值Q和采集的三相交流电压输入从而输出磁链M_fi_f。虚拟凸极同步发电机控制系统将采集的三相交流电流、发动机控制系统输出的机械转矩T_m、励磁控制系统输出的磁链M_fi_f输入从而输出有功功率计算值P、无功功率计算值Q、角速度计算值和逆变器输出电压指令值e_abc作为逆变器的SPWM调制波控制逆变器的输出。本方法使逆变器与柴油发电机组动态特性一致，实现在负载变化时两者动态功率均分。

Description

一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法。

背景技术

新能源发电技术的迅速发展，使得微电网的运行控制技术成为研究热点。在脱离大电网工作的独立微电网如海岛中，为了提高微电网系统的供电可靠性，需要在系统中配置传统的柴油发电机组，形成以柴油发电机组和其余分布式电源联合供电的方式。然而以逆变器为接口的分布式发电系统缺乏传统电机所具有的惯性和阻尼，表现出响应速度过快的特点，逆变器与柴油发电机组并网运行时，在负载变化情况下动态功率无法按预期分配，往往呈现由逆变器承受较大波动功率的情况，对系统动态稳定性和经济性造成影响。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

为解决上述问题，本发明提出一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法，使逆变器的动态特性与柴油发电机组一致，实现在负载变化时两者动态功率均分。

2.技术方案：

一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法，其特征在于：所述虚拟柴油发电机组控制方法包括虚拟柴油发动机控制系统、虚拟励磁控制系统与虚拟凸极同步发电机控制系统。

所述虚拟柴油发动机控制系统将有功功率计算值P送入下垂控制器，得到角速度参考值再将角速度参考值与角速度计算值做差后送入转速调节器的模型获得的油量给定信号u_RG，油门执行器的模型模拟油门在油量给定信号u_RG驱动下的动作，控制高压柴油泵向柴油发动机气缸内喷油量的过程，输出喷油量υ_TH，柴油发动机模型模拟柴油在柴油发动机气缸内与空气融合后燃烧做功的过程，输出机械转矩T_m。

所述虚拟励磁控制系统具体包括以下步骤：

S21.通过三相电压电流检测电路采集三相交流电压v_abc的幅值，并将v_abc输入幅值检测电路输出检测到的幅值v_m；通过Q-v下垂控制得到幅值参考值为v_ref。

S22.将检测到的幅值v_m与三相幅值参考值为v_ref做差后，送入励磁调压器，输出励磁电压u_F；所述励磁电压u_F通过励磁系统稳定器输出反馈电压u_FB，形成反馈环节；所述励磁电压u_F输入增益为1/K的积分器，输出磁链M_fi_f。

所述虚拟凸极同步发电机控制系统，将采集的三相交流电流i_abc、机械转矩T_m、磁链M_fi_f送入凸极同步发电机的数学模型；得到电磁转矩计算值T_e、有功功率计算值P、无功功率计算值Q以及电压指令值e_abc；其中所述凸极同步发电机的数学模型包括电磁转矩计算值T_e模型，有功功率计算模型P模型，无功功率计算值Q模型与电压指令值e_abc模型。

其中电磁转矩计算值T_e模型为：

(8)式中的p为同步发电机极对数；M_fi_f为同步发电机的磁链。

有功功率计算模型P模型与无功功率计算值Q模型为：

电压指令值e_abc模型为：

所述虚拟凸极同步发电机控制系统的具体的过程为：机械转矩T_m与电磁转矩计算值T_e的差值加上转矩设定值T_set一同输入增益为1/J的积分器，输出角速度计算值再次积分得到相位计算值θ；将角速度计算值与相位计算值θ送入电磁转矩计算值T_e模型，有功功率计算模型P模型，无功功率计算值Q模型与电压指令值e_abc模型，形成数学模型闭环；其中，无功功率计算值Q送入虚拟励磁系统，形成无功-电压控制闭环；有功功率计算值P与角速度计算值送入虚拟柴油发动机及其调速系统，形成转矩-频率控制闭环；电压指令值e_abc作为逆变器的SPWM调制波，送入PWM发生器，输出逆变器开关器件的开关信号，控制逆变器的输出，形成软件与硬件的闭环。

进一步地，所述下垂控制系统具体过程为将设定的有功功率额定值P_N与有功功率计算值P做差后得到有功功率差值ΔP，有功功率差值ΔP乘上下垂系数D_p后加上设定的角速度额定值得到角速度参考值

3.有益效果：

本发明方法可有效解决逆变器与柴油发电机组并联系统中逆变器响应速度过快的问题，使逆变器与柴油发电机组动态特性一致，实现在负载变化时两者动态功率均分。

附图说明

图1为本发明虚拟柴油发电机组的总体结构示意图；

图2为本发明中虚拟柴油发动机控制系统的结构框图；

图3为本发明中虚拟柴油发动机控制系统的下垂控制的结构框图；

图4为本发明中为虚拟励磁控制系统结构框图；

图5为本发明中为Q-v下垂控制的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

如附图1所示为本发明虚拟柴油发电机组的总体结构示意图。如图1所示包括了功率和电子两个部分。其中功率部分是一个图1中右下角的电路部分；包括将直流转换成三相交流的逆变器，所述逆变器为基于高频开关的三相全桥电路、三相LC低通滤波器以及三相电压电流检测电路；电子部分即是本发明提供的一种控制方法，用于控制图1所示的电力电子开关，即电子部分的核心就是虚拟凸极同步发电机控制系统以及与之控制相关的虚拟柴油发动机控制系统和虚拟励磁控制系统。

下面对本发明中所述的虚拟凸极同步发电机控制系统的原理进行详细的说明：

首先在abc三相静止坐标系下推导凸极同步发电机的数学模型，凸极同步发电机中定子三相绕组和转子励磁绕组的磁链方程为：

(1)式中定子绕组的自感L和互感M均为转子电角度θ的函数，可表示为：

(2)式中，L_s0和M_s0分别为定子自感的互感的平均值；L_s2和M_s2分别为定子自感和互感的二次谐波幅值，L_s2＝M_s20，励磁绕组和定子绕组之间的互感可表示为：

假设定子绕组的电阻为R_s，令L_s＝L_s0+M_s0，则端电压方程为：

(4)式中，e_a,e_b,e_c是由于转子转动时产生的反电动势，为：

发电机的机械部分遵循下式：

(6)式中，J是所有与转子一起转动的部件的转动惯量，T_m是机械转矩，T_e是电磁转矩。电磁转矩T_e可以从存储在发电机中的磁场能量E来得到。磁场能量E是

为方便行文，引入记号

X_abc＝[X_a,X_b,X_c]^T

和

磁场能量可以写为：

(7)式中，<·,·>表示传统的点积运算。当三相电流是正弦的(θ的正弦函数)且平衡时，是一个常值。从简单的能量来考虑，电磁转矩T_e为：

用矩阵函数逆的导数公式不难证明这个式子等价于：

因为转子的机械角度θ_m满足θ＝pθ_m，

假设虚拟柴油发电机组中同步逆变器的(虚拟)转子绕组由可变直流电流源i_f，而不是电压源v_f来供电，在这种情况下，端电压v_f的变化无关紧要。只要i_f保持不变，输出电压式(5)变为式(9)。

功率部分包括三相桥臂和一个用来消除开关纹波的三相LC滤波器。式(4)中的端电压v_a,v_b,v_c是图1所示电容C上的电压。电感L_s和R_s用来代替柴油发电机组中同步发电机的定子电抗的固定部分。通过PWM技术来操作逆变器中的开关器件使逆变器桥臂处的输出电压为式(9)中的e_a,e_b,e_c，模拟柴油发电机组中同步发电机转子转动时产生的反电动势。

逆变器(在桥臂处)产生的有功功率P与无功功率Q是：

P＝<i_abc,e_abc>，Q＝<i_abc,e_qabc>

上式中，e_qabc与e_abc幅值相同但相位滞后π/2rad，因此，有功功率和无功功率分别为：

综上所述，式(6)、(8)、式(9)与式(10)一起构成了本方法的虚拟柴油发电机组电子部分中的虚拟凸极同步发电机控制系统，如图1所示。虚拟凸极同步发电机控制系统的状态变量包括真实电流i_abc、虚拟角度θ和虚拟角速度其控制输入是T_m和M_fi_f。在虚拟凸极同步发电机的基础上，引入虚拟柴油发动机控制系统和虚拟励磁控制系统分别产生虚拟凸极同步发电机的控制量T_m和M_fi_f，，从而保持系统稳定并使虚拟凸极同步发电机能够模拟柴油发电机组的调节方式使电压频率和幅值达到期望值。在本方法中，由虚拟凸极同步发电机及与其运行相关的虚拟柴油发动机控制系统和虚拟励磁控制系统共同组成微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法。

在柴油发电机组中，对同步发电机而言，机械转矩Tm由柴油发动机提供，转子的速度由柴油发动机及调速系统调节。当有功功率需求增加时，同步发电机的速度将下降，此时需由调速系统控制柴油发动机增加机械能的输出，具体动作为增大油门开度，从而达到新的能量平衡。针对实际柴油发电机组中柴油发动机及其调速系统的工作机制，本方法采用的虚拟柴油发电机控制系统如图2所示。虚拟柴油发动机控制系统的工作流程为：将有功功率计算值P送入下垂控制器，得到角速度参考值再将角速度参考值与角速度计算值做差后送入转速调节器的模型获得的油量给定信号u_RG，油门执行器的模型模拟油门在油量给定信号u_RG驱动下的动作，控制高压柴油泵向柴油发动机气缸内喷油量的过程，输出喷油量υ_TH，柴油发动机模型模拟柴油在柴油发动机气缸内与空气融合后燃烧做功的过程，输出机械转矩T_m。其中T₁、T₂、T₃为调速器控制参数，T₄、T₅、T₆为油门执行器控制参数，K_TU表示涡轮增压器对转速调节的增益，T_DEG为柴油发动机气缸工作延迟时间常数。如图3为下垂控制器的结构图。

在柴油发电机组中，同步发电机励磁系统的功能是通过控制励磁电压uF，从而为励磁绕组提供电流，其本质为控制磁链M_fi_f。针对实际柴油发电机组中励磁系统的工作机制，本方法采用的虚拟励磁控制系统如图4所示。虚拟励磁系统的控制流程为：将无功功率计算值Q送入Q-v下垂控制生成当前无功功率对应的电压参考值v_ref，通过幅值检测环节获得端电压v_abc的幅值v_m，再将电压参考值v_ref与电压幅值v_m的差值送入励磁调节器与励磁系统稳定器反馈环节共同组成的模型，产生的励磁电压u_F输入增益为1/K的积分器来产生M_fi。其中，K_A、T_A为励磁调压器放大环节的增益和时间常数；K_FB、T_FB为励磁调压器反馈环节的增益和时间常数。如图3为Q-v下垂控制器的结构图，幅值检测环节的时间常数与励磁系统中检测环节的时间常数相同，端电压v的幅值v_m可以通过有效值的方法得到，也可以利用以下公式来获得：

如附图5，Q-v下垂控制的工作流程为：将设定的无功功率额定值Q_N与无功功率计算值Q做差后得到无功功率差值ΔQ，无功功率差值ΔQ乘上Q-v下垂系数D_q后加上设定的电压幅值额定值v_n得到电压幅值参考值v_ref。

完整的虚拟柴油发电机组结构示意图如图1所示，本方法无需改变传统逆变器原有的控制硬件基础，实用性高，可实现逆变器与柴油发电机组间的动态功率均分，提高了系统动态稳定性和经济性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (2)

1.一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法，其特征在于：所述虚拟柴油发电机组控制方法包括虚拟柴油发动机控制系统、虚拟励磁控制系统与虚拟凸极同步发电机控制系统；

所述虚拟柴油发动机控制系统将有功功率计算值P送入下垂控制器，得到角速度参考值再将角速度参考值与角速度计算值做差后送入转速调节器的模型获得的油量给定信号u_RG，油门执行器的模型模拟油门在油量给定信号u_RG驱动下的动作，控制高压柴油泵向柴油发动机气缸内喷油量的过程，输出喷油量υ_TH，柴油发动机模型模拟柴油在柴油发动机气缸内与空气融合后燃烧做功的过程，输出机械转矩T_m；

所述虚拟励磁控制系统具体包括以下步骤：

S21.通过三相电压电流检测电路采集三相交流电压v_abc的幅值，并将v_abc输入幅值检测电路输出检测到的幅值v_m；通过Q-v下垂控制得到幅值参考值为v_ref；

S22.将检测到的幅值v_m与三相幅值参考值为v_ref做差后，送入励磁调压器，输出励磁电压u_F；所述励磁电压u_F通过励磁系统稳定器输出反馈电压u_FB，形成反馈环节；所述励磁电压u_F输入增益为1/K的积分器，输出磁链M_fi_f；

所述虚拟凸极同步发电机控制系统，将采集的三相交流电流i_abc、机械转矩T_m、磁链M_fi_f送入凸极同步发电机的数学模型；得到电磁转矩计算值T_e、有功功率计算值P、无功功率计算值Q以及电压指令值e_abc；其中所述凸极同步发电机的数学模型包括电磁转矩计算值T_e模型，有功功率计算模型P模型，无功功率计算值Q模型与电压指令值e_abc模型；

其中电磁转矩计算值T_e模型为：

(8)式中的p为同步发电机极对数；M_fi_f为同步发电机的磁链；

有功功率计算模型P模型与无功功率计算值Q模型为：

电压指令值e_abc模型为：

所述虚拟凸极同步发电机控制系统的具体的过程为：机械转矩T_m与电磁转矩计算值T_e的差值加上转矩设定值T_set一同输入增益为1/J的积分器，输出角速度计算值再次积分得到相位计算值θ；将角速度计算值与相位计算值θ送入电磁转矩计算值T_e模型，有功功率计算模型P模型，无功功率计算值Q模型与电压指令值e_abc模型，形成数学模型闭环；其中，无功功率计算值Q送入虚拟励磁系统，形成无功-电压控制闭环；有功功率计算值P与角速度计算值送入虚拟柴油发动机及其调速系统，形成转矩-频率控制闭环；电压指令值e_abc作为逆变器的SPWM调制波，送入PWM发生器，输出逆变器开关器件的开关信号，控制逆变器的输出，形成软件与硬件的闭环。

2.根据权利要求1所述的一种微网逆变器的虚拟柴油发电机组控制方法，其特征在于：所述下垂控制系统具体过程为将设定的有功功率额定值P_N与有功功率计算值P做差后得到有功功率差值ΔP，有功功率差值ΔP乘上下垂系数D_p后加上设定的角速度额定值得到角速度参考值