CN109301867B - 一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法，属于电力技术领域，方法包括，通过对真实柴油发电机组的频率下垂特性和轴系转动特性进行模拟，输出模拟的轴系角速度和角度；通过对真实柴油发电机组的电压下垂特性进行模拟，输出模拟的励磁电压；将轴系角速度、角度和励磁电压，以及采集的模拟发电机输出电流，输入到发电机方程中，计算得到同步发电机的电动势；以电动势作为调制波驱动逆变器的开关管，进行供电。本发明对传统的虚拟同步电机控制方法进行了改进，使控制方法简单、稳定、可靠。

Description

一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其是一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法。

背景技术

虚拟同步电机是指采用一种合适的方法控制逆变器，使其外特性近似或者部分近似同步发电机的频率和电压特性，从而改善逆变器的并网特性的控制方法。

传统的虚拟同步电机通常用于向电网并联的风力发电逆变器、光伏发电逆变器以及不间断电源中，可以有效控制逆变器的输出功率。但当逆变器与柴油发电机组单独并联时，却往往无法适应并联运行的动态过程。这是因为传统虚拟同步电机只模拟了同步发电机，并没有考虑柴油机的转速控制特性，因此与单机运行的柴油发电机组相比，输出特性还有很大差异，动态响应速度不能匹配。在并网瞬间、负载变化等动态过程中，会出现频率和功率的振荡，造成系统的不稳定，甚至触发逆变器的硬件保护，影响系统正常运行。

目前，对传统虚拟同步电机进行的改进方案中，

1)通过增加一次调频方程和动态功率补偿，改善系统的动态特性。但由于属于电流型逆变器，工作时必须额外提供电压支撑，不能断网独立运行，仅适用于储能逆变器，使用范围大大受限。

2)通过对传统下垂控制算法进行改进，引入柴油发电机组的调速环节和电磁方程，利用电压电流双闭环控制，改善系统的动态响应。但此由于将执行器和惯性发电机简化为一阶惯性环节，不能反应真实的柴油发电机组特性。方案中采用的控制算法也较复杂，需要额外进行锁相环运算，引入了非线性环节，且电磁方程中包含了微分环节，在实际应用中容易引起系统振荡，不利于系统的稳定运行。此外，算法中使用的锁相环和双环控制，运算量很大，对处理器的运算能力有很高的要求，提高了系统的成本和复杂度。

因此，目前迫切需要一种简单、稳定、可靠的虚拟同步电机控制方法，控制逆变器模拟柴油发电机组的输出特性，使其可以运行于单机供电、并网运行等工况，还可以与柴油发电机组并联运行，提升此类微电网的容量和稳定性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法，控制逆变器模拟柴油发电机组的输出特性，获取良好的动态特性。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法，包括如下步骤：

通过对真实柴油发电机组的频率下垂特性和轴系转动特性进行模拟，输出模拟的轴系角速度ω和角度θ；

通过对真实柴油发电机组的电压下垂特性进行模拟，输出模拟的励磁电压E；

将所述轴系角速度ω、角度θ和励磁电压E，以及采集的模拟发电机输出电流i，输入到发电机方程中，计算得到同步发电机的电动势e；

以所述同步发电机的电动势e作为调制波驱动逆变器的开关管，进行供电。

进一步地，所述发电机方程为

式中，i为采集的发电机输出的电流，θ为轴系角度；<>为向量内积算子；E为模拟的励磁电压；T_e为输出的电磁转矩；ω为模拟的柴油机轴系角速度；e为输出的发电机三相电动势；Q为输出的无功功率。

进一步地，所述对真实柴油发电机组的频率下垂特性和轴系转动特性进行模拟，包括：

模拟柴油机电子调速器的下垂特性，根据柴油机功率实时输出角速度参考值ω_f；

模拟柴油机在电子调速器控制下的转矩输出特性，输出柴油机的机械转矩T_m；

引入转动方程，模拟柴油发电机组的轴系运动过程，根据模型的柴油机的机械转矩T_m和发电机输出的电磁转矩T_e计算输出模拟的轴系角速度ω和角度θ。

进一步地，所述角速度参考值为ω_f＝ω_n-P_mD_p；式中ω_n为角速度额定值，P_m为模拟柴油机的输出功率，D_p为下垂系数；

或者，所述角速度参考值为ω_f＝ω_n-ωT_eD_p，式中，ω为模拟的柴油机轴系角速度，T_e为电磁转矩。

进一步地，通过方程

模拟柴油机在电子调速器控制下的转矩输出特性；式中ω为模拟柴油机的角速度，k_p、k_i、k_d分别为PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子；

或者，通过方程

模拟柴油机在电子调速器控制下的转矩输出特性；式中ω为模拟柴油机的角速度，k_p、k_i分别为PID控制的比例系数和积分系数，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子。

进一步地，对所述模拟柴油机的输出功率P_m进行限幅，设置最大输出功率和最小输出功率；所述最大输出功率对应模拟柴油机油门的最大位置；所述最小输出功率模拟柴油机油门的最小位置。

进一步地，所述引入转动方程为

式中T_e为电磁转矩，J为模拟柴油机的转动惯量，θ为轴系的角度，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子。

进一步地，所述对真实柴油发电机组的电压下垂特性进行模拟，包括：

模拟发电机调压器的下垂控制特性；发电机输出电压参考值V_n和输出电压额定值V_g，计算输出无功功率参考值Q_r；

模拟发电机的励磁惯性环节，根据无功功率参考值Q_r和发电机方程输出的无功功率Q，计算输出模拟的励磁电压E。

进一步地，所述无功功率参考值Q_r＝(V_n-V_g)D_v，V_n为输出电压参考值，V_g为输出电压额定值，D_v为下垂系数。

进一步地，所述励磁电压

Q为无功功率，K为励磁惯性系数，s为拉普拉斯算子。

本发明有益效果如下：

本发明对传统的虚拟同步电机控制方法进行了改进，增加了转速下垂步骤和柴油机调节步骤，并改进了发电机方程，使控制方法简单、稳定、可靠。特别是针对与柴油发电机组并联运行的微电网，可控制逆变器模拟真实柴油发电机组的输出特性，从而改善系统的动态响应，提升微电网的容量和稳定性。

通过对电子调速器的工作原理的模拟，改善了系统的动态响应特性，使逆变器的输出特性与柴油发电机组一致，大大减小了负载突变等瞬态过程中的频率和有功波动，使系统运行更加稳定。步骤中的功率限幅可模拟柴油机油门的最大位置和最小位置，模拟实际柴油发电机组的过载失速过程，也可以保护逆变器的硬件电路。

此外，改进后的发电机方程中不包含发电机的电阻、电感等参数，且方程中不含微分、积分环节，使用简单，无需设置参数，便于通用。方程计算得到的三相电动势，可直接用作脉宽调制的调制波，省去了复杂的电压电流双环控制，减少了控制系统的运算量，同时提高了系统稳定性。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的虚拟同步电机控制方法明细示意框图；

图2为本发明实施例中的逆变器主电路拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1、频率下垂调节步骤：模拟柴油机电子调速器的下垂特性，根据柴油机功率实时输出角速度参考值ω_f；

可选的，在频率下垂调节步骤中，采用公式ω_f＝ω_n-P_mD_p计算角速度参考值ω_f；式中ω_n为角速度额定值，P_m为模拟柴油机的输出功率，D_p为下垂系数；

从上述公式中可知，随着模拟柴油机的输出功率P_m增大，输出的角速度参考值ω_f减小，实现根据柴油机功率实时转速参考值的调节，与实际柴油机电子调速器的下垂特性相符合。

可选的，在频率下垂调节步骤中，还可以采用公式ω_f＝ω_n-ωT_eD_p计算角速度参考值ω_f；式中，ω为模拟的柴油机轴系角速度，T_e为电磁转矩；

ωT_e表示柴油机的电磁功率，采用电磁功率进行频率下垂调节，更符合柴油发电机组的真实特性，但运算稍加复杂。

步骤S2、柴油机调节步骤：模拟柴油机在电子调速器控制下的转矩输出特性，输出柴油机的机械转矩T_m；

可选的，在柴油机调节步骤中，采用方程

计算柴油机的机械转矩T_m；式中ω为模拟柴油机的角速度，k_p、k_i、k_d分别为PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子。

进一步地，在柴油机调节步骤中，还可以省略上式的PID控制环节的微分环节，只保留比例环节和积分环节，柴油机调节的方程变为

式中ω为模拟柴油机的角速度，k_p、k_i分别为PID控制的比例系数和积分系数，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子。

特殊的，为了使模拟的柴油机调节过程与实际柴油机调节过程更一致，对模拟柴油机的输出功率P_m进行限幅，设置最大输出功率和最小输出功率；最大输出功率对应模拟柴油机油门的最大位置；最小输出功率模拟柴油机油门的最小位置。若负载功率大于机械功率的最大限幅值，则机械功率受限，模拟柴油机保持恒功率运行，转速降低、机械转矩增大，直至机械转矩与负载转矩平衡，系统重新进入稳态。这和实际柴油发电机组的过载失速过程一致，也可以保护逆变器内部的硬件电路。

由于在实际的电子调速器的工作原理中，是针对柴油机的转速偏差作PID调节，输出执行器电流控制柴油机的油门位置，油门位置则直接对应柴油机输出的机械功率。

为模拟此过程，在实施例的本步骤中，先对转速偏差进行PID计算，使用PID环节计算输出机械功率并进行限幅，再除以角速度计算机械转矩。相比传统VSG算法中用转速偏差直接计算机械转矩，更接近电子调速器真实的调节过程，从而可获得更精确的响应特性，尤其是动态响应特性。

由此，与柴油发电机组并联运行的微电网中，逆变器与柴油发电机组的特性一致，可大大减小负载突变等瞬态过程中的频率和有功波动，使系统运行更加稳定。

步骤S3、引入转动方程，模拟柴油发电机组的轴系运动过程，根据模型的柴油机的机械转矩T_m和发电机输出的电磁转矩T_e计算输出模拟的轴系角速度ω和角度θ；

可选的，引入转动方程为

式中T_e为电磁转矩，J为模拟柴油机的转动惯量，θ为轴系的角度，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子。

通过转动方程调节转动惯量参数可改变系统的动态响应速度，模拟真实柴油发电机组的特性。

步骤S4、电压下垂调节步骤：模拟发电机调压器的下垂控制特性；利用发电机输出电压参考值V_n和输出电压额定值V_g，计算输出无功功率参考值Q_r；

可选的，在电压下垂调节步骤中，采用公式Q_r＝(V_n-V_g)D_v计算无功功率参考值Q_r，V_n为输出电压参考值，V_g为输出电压额定值，D_v为下垂系数。

从上述公式中可知，根据输出电压偏差实时实现无功输出调节，无功参考值随电压偏差增大而增大，与实际发电机调压器的下垂控制特性相符合。

步骤S5、励磁调节步骤：模拟发电机的励磁惯性环节，根据无功功率参考值Q_r和采样的无功功率Q，计算输出模拟的励磁电压E。

可选的，在励磁调节步骤中，采用公式

计算模拟的励磁电压E；Q为无功功率，K为励磁惯性系数，s为拉普拉斯算子。

从上述公式中可知，通过调节励磁惯性系数K即可改变系统的动态响应速度，与实际发电机的励磁惯性环节特性相符合。

步骤S6、建立发电机方程，模拟同步发电机的电磁暂态特性，将所述轴系角速度ω、角度θ和励磁电压E，以及采集的模拟发电机输出电流i，输入到发电机方程中，计算得到同步发电机的电动势e、无功功率Q和电磁转矩T_e；

所述电动势e作为调制波，用于PWM调制；

所述无功功率Q反馈到励磁调节步骤，用于计算输出模拟的励磁电压E；

所述电磁转矩T_e反馈到转动方程，用于计算模拟的轴系角速度ω和角度θ。

具体的，建立的发电机方程为

式中，i为采集的发电机输出的电流，θ为轴系角度；对于三相电，e为三相电动势i为三相电流，轴系角度为

<>为向量内积算子；E为模拟的励磁电压；T_e为输出的电磁转矩；ω为模拟的柴油机轴系角速度；Q为输出的无功功率。

建立的发电机方程中不包含发电机的电阻、电感等参数，且方程中不含微分、积分环节，使用简单，无需设置参数，便于通用。方程计算得到的三相电动势，可直接用作脉宽调制的调制波，省去了复杂的电压电流双环控制，减少了控制系统的运算量，同时提高了系统稳定性。

步骤S7、PWM步骤：以同步发电机的电动势e作为调制波，采用经典的脉宽调制算法，生成逆变器开关管所需的驱动信号；根据所述驱动信号控制逆变器开关管的开关，输出与柴油发电机组类似的供电形式进行供电。

以同步发电机的电动势直接用作PWM步骤中脉宽调制的调制波，省去了复杂的电压电流双环(或电流内环)控制环节。

本实施例采用的逆变器电路采用通常逆变器结构，如图2所示，电路包含6个开关管组成的三相全桥和电感电容组成的LCL滤波电路。

综上所述，本发明实施例给出的模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法，对传统的虚拟同步电机控制方法进行了改进，增加了转速下垂步骤和柴油机调节步骤，并改进了发电机方程，使控制方法简单、稳定、可靠。特别是针对与柴油发电机组并联运行的微电网，可控制逆变器模拟真实柴油发电机组的输出特性，从而改善系统的动态响应，提升微电网的容量和稳定性。

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。

Claims (8)

1.一种模拟柴油发电机组的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过对真实柴油发电机组的频率下垂特性和轴系转动特性进行模拟，输出模拟的轴系角速度ω和角度θ；

通过对真实柴油发电机组的电压下垂特性进行模拟，输出模拟的励磁电压E；

将所述轴系角速度ω、角度θ和励磁电压E，以及采集的模拟发电机输出电流i，输入到发电机方程中，计算得到同步发电机的电动势e；

以所述同步发电机的电动势e作为调制波驱动逆变器的开关管，进行供电；

所述对真实柴油发电机组的频率下垂特性和轴系转动特性进行模拟，包括：

模拟柴油机电子调速器的下垂特性，根据柴油机功率实时输出角速度参考值ω_f；

模拟柴油机在电子调速器控制下的转矩输出特性，输出柴油机的机械转矩T_m；

引入转动方程，模拟柴油发电机组的轴系运动过程，根据模型的柴油机的机械转矩T_m和发电机输出的电磁转矩T_e计算输出模拟的轴系角速度ω和角度θ；

通过方程

模拟柴油机在电子调速器控制下的转矩输出特性；式中P_m为模拟柴油机的输出功率，ω为模拟柴油机的角速度，k_p、k_i、k_d分别为PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子；

或者，通过方程

模拟柴油机在电子调速器控制下的转矩输出特性；式中，P_m为模拟柴油机的输出功率，ω为模拟柴油机的角速度，k_p、k_i分别为PID控制的比例系数和积分系数，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，所述发电机方程为

式中，i为采集的发电机输出的三相电流；θ为轴系角度；<>为向量内积算子；E为模拟的励磁电压；T_e为输出的电磁转矩；ω为模拟的柴油机轴系角速度；e为输出的发电机三相电动势；Q为输出的无功功率。

3.根据权利要求1所述的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，所述角速度参考值为ω_f＝ω_n-P_mD_p；式中ω_n为角速度额定值，P_m为模拟柴油机的输出功率，D_p为下垂系数；

或者，所述角速度参考值为ω_f＝ω_n-ωT_eD_p，式中，ω_n为角速度额定值，ω为模拟的柴油机轴系角速度，T_e为电磁转矩，D_p为下垂系数。

4.根据权利要求1所述的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，对所述模拟柴油机的输出功率P_m进行限幅，设置最大输出功率和最小输出功率；所述最大输出功率对应模拟柴油机油门的最大位置；所述最小输出功率模拟柴油机油门的最小位置。

5.根据权利要求1所述的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，所述引入转动方程为

式中T_e为电磁转矩，J为模拟柴油机的转动惯量，θ为轴系的角度，T_m为机械转矩，s为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求2所述的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，所述对真实柴油发电机组的电压下垂特性进行模拟，包括：

模拟发电机调压器的下垂控制特性，发电机输出电压参考值V_n和输出电压额定值V_g，计算输出无功功率参考值Q_r；

模拟发电机的励磁惯性环节，根据无功功率参考值Q_r和发电机方程输出的无功功率Q，计算输出模拟的励磁电压E。

7.根据权利要求6所述的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，所述无功功率参考值Q_r＝(V_n-V_g)D_v，V_n为输出电压参考值，V_g为输出电压额定值，D_v为下垂系数。

8.根据权利要求6所述的虚拟同步电机控制方法，其特征在于，所述励磁电压

Q为无功功率，K为励磁惯性系数，s为拉普拉斯算子。

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