CN109617070B - 一种基于变频空调负荷的电网调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频空调负荷的电网调节方法。该方法包括：在变频空调控制器中建立虚拟同步电机的仿真数学模型；根据所述仿真数学模型建立电网调节的虚拟惯性控制环节和下垂控制环节；通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω；通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref；将所述压缩机转动角频率参考值ωref和所述压缩机转速变化量参考值Δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动。本发明能提高电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。

Description

一种基于变频空调负荷的电网调节方法

本专利申请要求于2018年3月28日提交的、申请号为201810262888.4、申请人为国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，国网江苏省电力有限公司，中国电力科学研究院有限公司，河海大学、发明名称为“一种基于变频空调负荷的电网调节”的中国专利申请的优先权，该申请的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明实施例涉及电网需求侧响应技术领域，尤其涉及一种基于变频空调负荷的电网调节方法。

背景技术

随着越来越多的风力、光伏发电以及电动汽车接入，电网中电源以及负荷的随机性大大地提高，传统的调频调峰手段已经不能满足需求。与此同时，物联网技术以及智能家居技术的发展，赋予了电网与负荷双向通信的能力。因此，需求侧响应(DemandSideResponse，DSR)被看作未来最有前景的调频手段之一。

在众多可控负荷中，空调负荷尤其是中央空调负荷参与调峰调频的潜力最大。首先，城市空调负荷用电量巨大，用电高峰期最高可能占到尖峰负荷的30％ -40％；第二，封闭的建筑空间具有较强的储热储冷的能力，短时间内调节空调功率不会影响用户的舒适度；第三，空调负荷的响应速度主要取决于控制信号的传输，现有工程的测试结果表明其响应速度满足调频调峰的要求。

发明内容

本发明提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法，以实现解决新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，利用电网需求侧响应优化变频空调负荷控制策略，能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于变频空调负荷的电网调节方法，包括：

在变频空调控制器中建立虚拟同步电机的仿真数学模型；

根据所述仿真数学模型建立电网调节的虚拟惯性控制环节和下垂控制环节；

通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω；

通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref；

将所述压缩机转动角频率参考值ω_ref和所述压缩机转速变化量参考值Δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动。

可选地，还包括：

建立虚拟同步电机的信号模型，并得到各变频空调截止频率ω_c；

获取虚拟同步电机的相角裕度PM，并根据所述相角裕度PM和变频空调截止频率ω_c计算虚拟同步电机的转动惯量J；

根据所述相角裕度PM的取值范围得到虚拟同步电机的转动惯量J的最大值。

可选地，所述仿真数学模型为：

其中，△ω_sg为虚拟同步电机角频率扰动量，△ω_g为电网电压角频率扰动量， K_D为下垂系数，ω_N为额定转速，△δ为功角扰动量，△P_sg为功率扰动量。

可选地，所述通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω，包括：

获取电网电压U_g，用微分法生成与电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θ_v进行派克变换，得到电网电压相对于V_d、V_q分量，则虚拟同步电机的功角δ_v为：

δ_v＝arctan(V_q/V_d)；

虚拟同步电机的虚拟功率P_v为：

压缩机转速变化量参考值Δω为：

其中，U_g为电网电压，E为虚拟电动势，X_a为虚拟电抗，n为常数，ΔP_V为功耗变化量。

可选地，所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref，包括：

根据变频空调设定温度与室内温度获取变频空调定运行功率P_N，并通过公式P_D＝P_N+K_D(ω_N-ω_g)计算得到变频空调的稳态输出功率P_D，其中，ω_g为电网电压角频率，K_D为电网下垂系数；

将实际测量得到的变频空调功率与所述变频空调的稳态输出功率P_D之间的差值输入至PI控制器，得到压缩机转动角频率参考值ω_ref。

可选地，所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref，还包括：

设变频空调的功率范围为{0，P_max}，则在电网调频时，功率的可调节范围为P_N±min{(P_max-P_N),P_N}，其中P_max为变频空调的最大功率；

在频率误差在0.3Hz时，变频空调功率达到上限，通过以下公式计算得到电网下垂系数K_D。

可选地，还包括：

通过公式得到各变频空调截止频率ω_c，其中，Kp为常数；

根据相角裕度PM的公式在所述相角裕度PM处于30°～50°范围时，计算得到转动惯量J的最大值，其中，∠T_p(ω_c)为虚拟惯性环节的环路增益幅值。

可选地，所述将所述压缩机转动角频率参考值ω_ref和所述压缩机转速变化量参考值Δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动，包括：

采集两相电流i_a，i_b；

将两相电流i_a，i_b经过clarke变换后得到两轴正交电流量i_α，i_β；

将正交电流量i_α，i_β经过旋转变换后得到正交的电流量i_d、i_q，其中i_q与转矩有关，i_d与磁通有关；

将得到的i_d与i_q分别输入到PI控制器，得到对应的输出v_d和v_q；

通过传感器得到电机转过的角度θ，并与v_d、v_q进行逆park变换，得到二轴电流量v_α,v_β；

将v_α,v_β进行clarke逆变换，得到需要的三相电压，并输给逆变电桥以驱动电机转动。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于变频空调负荷的电网调节方法，包括：

建立变频空调虚拟同步电机的仿真数学模型；

根据所述虚拟同步电机的仿真数学模型建立所述虚拟同步电机的调节结构；

实时获取电网的参数；

将所述电网的参数输入至所述调节结构进行计算，得到所述变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率需要变动的参考值ω_ref；

根据所述变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率参考值ω_ref调节所述变频空调的工作点。

可选地，在所述建立变频空调虚拟同步电机的仿真数学模型之前，还包括：

建立所述虚拟同步电机的信号模型，并得到各所述变频空调截止频率ω_c；

获取所述虚拟同步电机的相角裕度PM，并根据所述相角裕度PM和所述变频空调截止频率ω_c计算所述虚拟同步电机的转动惯量J；

根据所述相角裕度PM的取值范围得到所述虚拟同步电机的转动惯量J的最大值。

可选地，所述仿真数学模型为：

其中，△ω_sg为虚拟同步电机角频率扰动量，△ω_g为电网电压角频率扰动量，K_D为下垂系数，ω_N为额定转速，△δ为功角扰动量，△P_sg为功率扰动量， J为所述虚拟同步电机的转动惯量。

可选地，所述调节结构包括虚拟惯性控制环节和下垂控制环节；所述根据所述虚拟同步电机的仿真数学模型建立所述虚拟同步电机的调节结构，包括：

根据所述虚拟同步电机的仿真数学模型确定所述虚拟惯性控制环节的惯性调节比例参数和所述下垂控制环节的下垂调节比例参数。

可选地，所述将所述电网的参数输入至所述调节结构进行计算，得到所述变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率需要变动的参考值ω_ref，包括：

将所述电网的电压输入至所述虚拟惯性控制环节进行计算，得到所述变频空调的转速变化量参考值Δω；

将所述电网的频率输入至所述下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref。

可选地，所述将所述电网的电压输入至所述虚拟惯性控制环节进行计算，得到所述变频空调的转速变化量参考值Δω，包括：

获取电网电压U_g，用微分法生成与所述电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θ_v进行派克变换，得到电网电压相对于V_d、V_q分量，则虚拟同步电机的功角δ_v为：

δ_v＝arctan(V_q/V_d)；

虚拟同步电机的虚拟功率P_v为：

压缩机转速变化量参考值Δω为：

其中，U_g为电网电压，E为虚拟电动势，X_a为虚拟电抗，n为常数，ΔP_V为功耗变化量。

可选地，所述将所述电网的频率输入至所述下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref，包括：

根据变频空调设定温度与室内温度获取变频空调定运行功率P_N，并通过公式P_D＝P_N+K_D(ω_N-ω_g)计算得到变频空调的稳态输出功率P_D，其中，ω_g为电网电压角频率，K_D为电网下垂系数；

将实际测量得到的变频空调功率与所述变频空调的稳态输出功率P_D之间的差值输入至PI控制器，得到压缩机转动角频率参考值ω_ref。

可选地，在所述将所述电网的频率输入至所述下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref之前，还包括：获取所述下垂控制环节的下垂系数；所述下垂系数K_D为：

其中，P_max为所述变频空调的最大功率，P_N为所述变频空调的额定功率，所述变频空调的功率可调范围为P_N±min{(P_max-P_N),P_N}。

可选地，所述变频空调的截止频率ω_c为：

其中，Kp为常数。

可选地，所述相角裕度PM的取值范围得与所述虚拟同步电机的转动惯量J 的最大值之间的关系为：

其中，PM为相角裕度，∠T_p(ω_c)为虚拟惯性环节的环路增益幅值。

可选地，所述根据所述变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率参考值ω_ref调节所述变频空调的工作点，包括：

采集所述变频空调的两相电流i_a，i_b；

将所述两相电流i_a，i_b经过clarke变换后得到两轴正交电流量i_α，i_β；

将所述正交电流量i_α，i_β经过旋转变换后得到正交的电流量i_d、i_q，其中i_q与转矩有关，i_d与磁通有关；

将得到的i_d与i_q分别输入到PI控制器，得到对应的输出v_d和v_q；

通过传感器得到所述变频空调的电机转过的角度θ，并与v_d、v_q进行逆park 变换，得到二轴电流量v_α,v_β；

将v_α,v_β进行clarke逆变换，得到需要的三相电压，并输给逆变电桥以驱动所述变频空调工作。

本发明的技术方案，通过建立虚拟同步电机的仿真数学模型，在电网频率发生波动时，变频空调的输出功率能模拟同等容量的空载同步电机的输出功率及转速的变化过程。解决新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于变频空调负荷的电网调节方法示意图；

图2为本发明实施例提供的基于虚拟电机的变频空调的控制结构图；

图3为本发明实施例提供的不同控制方法下单组变频空调总功率的仿真结果示意图；

图4为本发明实施例提供的不同控制方法下电网频率的仿真结果示意图；

图5为本发明实施例提供的磁场定向控制器FOC结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种基于变频空调负荷的电网调节方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

针对当前新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，利用电网需求侧响应优化变频空调负荷控制策略，本发明提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法，通过建立虚拟同步电机的仿真数学模型，在电网频率发生波动时，变频空调的输出功率能模拟同等容量的空载同步电机的输出功率及转速的变化过程。能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。

如图1所示，为本发明提供的一种基于变频空调负荷的电网调节方法示意图，该方法包括以下步骤：

S1：在变频空调控制器中建立虚拟同步电机的仿真数学模型。

S2：根据所述仿真数学模型建立变频空调的虚拟惯性控制环节和下垂控制环节。

S3：通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω。

S4：通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref。

S5：将所述压缩机转动角频率参考值ω_ref和所述压缩机转速变化量参考值Δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动。

进一步，还包括：

建立虚拟同步电机的信号模型，并得到各变频空调截止频率ω_c。

获取虚拟同步电机的相角裕度PM，并根据所述相角裕度PM和变频空调截止频率ω_c计算虚拟同步电机的转动惯量J。

根据所述相角裕度PM的取值范围得到虚拟同步电机的转动惯量J的最大值。

具体地，如图2所示，为本发明提供的一种基于虚拟电机的变频空调控制结构示意图。在电网频率发生变化时，采集电网电压U_g，将电网电压通过虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω，同时将电网电压通过下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref，然后将两者之和输至磁场定向控制器 FOC进行控制，降低负荷波动时交流频率的波动幅度，提高电网的转动惯量。

进一步，所述仿真数学模型为：

其中，J为同步电机转动惯量；△ω_sg为同步电机角频率扰动量；△ω_g为电网电压角频率扰动量；K_D为下垂系数；ω_N为额定转速，△δ为功角扰动量，△P_sg为功率扰动量。

更进一步，所述通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω，包括：

获取电网电压U_g，用微分法生成与电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θ_v进行派克变换，得到电网电压相对于V_d、V_q分量，则虚拟同步电机的功角δ_v为：

δ_v＝arctan(V_q/V_d)；

虚拟同步电机的虚拟功率P_v为：

压缩机转速变化量参考值Δω为：

其中，U_g为电网电压，E为虚拟电动势，X_a为虚拟电抗，n为常数，ΔP_V为功耗变化量。

在实际应用中，配电网电压一般在0.95～1.05倍额定电压之间波动，同时由于PFC控制下变频空调功率因数固定约等于1.0，无法参与电网电压调节，E 取固定值。因此，令常数K_p＝U_gE/X_a。

由于单相交流电功率为一个工频周期内的平均值，对功率的测量具有一定的滞后。考虑到变频空调输出功率可近似认为与压缩机转速呈线性关系，为了使变频空调功率快速跟踪虚拟惯量环节的参考功率，故取：

进一步，所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref，包括：

根据变频空调设定温度与室内温度获取变频空调定运行功率P_N，并通过公式P_D＝P_N+K_D(ω_N-ωg)计算得到变频空调的稳态输出功率P_D，其中，ω_g为电网电压角频率，K_D为电网下垂系数。

将实际测量得到的变频空调功率与所述变频空调的稳态输出功率P_D之间的差值输入至PI控制器，得到压缩机转动角频率参考值ω_ref。

综上，将△ω与下垂控制环节求得的ω_ref叠加后，输入到磁场定向控制器 FOC进行电压调频。

所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref，还包括：

设变频空调的功率范围为{0，P_max}，则在电网调频时，功率的可调节范围为P_N±min{(P_max-P_N),P_N}，其中P_max为变频空调的最大功率；

在频率误差在0.3Hz时，变频空调功率达到上限，通过以下公式计算得到电网下垂系数K_D：

更进一步，建立虚拟同步电机的小信号模型，通过以下公式得到各变频空调截止频率表达式ω_c：

根据以下相角裕度PM的表达式，在保留一定的相角裕度(30°～50°)时，计算得到转动惯量J的最大值；

其中，ω_g为电网电压角频率，P_max为变频空调的最大功率，K_p为常数，∠ T_p(ω_c)为虚拟惯性环节的环路增益幅值。

具体地，在如图3所示，三相交流接入三组每组7台变频空调的系统进行验证，组成每组的变频空调运行点、下垂系数等参数相同。

假定每台变频空调的设定温度以及所处环境室温已知，求得各变频空调的额定运行点，如表1第二列所示，根据下垂系数K_D的公式得到如表1第三列所示，由相角裕度PM求得各变频空调转动惯量，如表1第四列所示。表1如下所示：

表1一组中变频空调参数

在实际应用中，可在负荷波动时变频空调在普通下垂控制或在本申请方法进行控制，图3、图4为负荷波动时变频空调在普通下垂控制以及所提控制策略下系统动态过程的仿真结果。需要说明的是，图3和图4中图示的所提算法为基于虚拟同步电机的变频空调负荷控制。从图3可以看出，冲击负荷接入瞬间，相比于下垂控制所提控制策略下的变频空调功率下调速度更快，更迅速地降低了微电网的功率不平衡。由图4可知，应用所提控制策略以后，微电网频率跌落速率都得到了较大的减缓。

如图5所示，为本发明提供的磁场定向控制器FOC结构示意图，所述磁场定向控制器FOC的工作过程如下：

步骤1、首先采集两相电流i_a，i_b。

步骤2、经过clarke变换后得到两轴正交电流量i_α，i_β。

步骤3、经过旋转变换后得到正交的电流量i_d、i_q，其中i_q与转矩有关，i_d与磁通有关。在实际控制中，常将i_d置为0。得到的这两个量不是时变的，因此可以单独的对这两个量进行控制，类似直流量控制一样。而不需要知道具体要给电机三相具体的电压为多少。

步骤4、将第3步中得到的i_d与i_q量分别送进PI调节器，得到对应的输出 v_d和v_q。

步骤5、通过传感器得到电机转过的角度。

步骤6、进行逆park变换，得到二轴电流量v_α,v_β。

步骤7、对步骤6步中的v_α,v_β进行clarke逆变换，得到实际需要的三相电压输入给逆变电桥，驱动电机转动。

本实施例的技术方案，通过建立虚拟同步电机的仿真数学模型，在电网频率发生波动时，变频空调的输出功率能模拟同等容量的空载同步电机的输出功率及转速的变化过程。解决新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。

本发明实施例还提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法，图6为本发明实施例提供的另一种基于变频空调负荷的电网调节方法示意图。如图6所示，该方法包括以下步骤：

S10、建立变频空调虚拟同步电机的仿真数学模型。

S20、根据虚拟同步电机的仿真数学模型建立虚拟同步电机的调节结构。

具体地，参考图2，调节结构可以是虚拟惯性控制环节和下垂控制环节。根据虚拟同步电机的仿真数学模型可以确定虚拟惯性控制环节惯性调节比例参数和下垂控制环节的下垂调节比例参数。例如，虚拟同步电机的仿真数学模型中的

△P_sg为电网功率扰动量，由电网实时测得。当电网出现频率变化时，测得电网功率扰动量△P_sg。由公式(1)可知，电网功率扰动量△P_sg包括两部分，一部分为K_D△ω_sg的乘积，表现为调节结构的下垂控制环节，另一部分为

表现为虚拟惯性控制环节。因此可以根据虚拟同步电机的仿真数学模型建立虚拟同步电机的调节结构。一般情况下，公式(1) 通过确定调节结构中的参数表现在调节结构中。例如，由虚拟同步电机的仿真数学模型中的J确定虚拟惯性控制环节中一阶系统参数，由虚拟同步电机的仿真数学模型的K_D确定下垂控制环节中的下垂系数。

S30、实时获取电网的参数。

具体地，参考图2，调节结构在计算之前，从电网获取电网的实时频率、电压电流等参数，从而确定电网的频率变化以及变频空调实时从电网获取的功率。

S40、将电网的参数输入至调节结构进行计算，得到变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率需要变动的参考值ω_ref。

具体地，继续参考图2，当确定调节结构的虚拟惯性控制环节和下垂控制环节中的参数以及实时获取电网的参数后，可以将电网的参数输入至调节结构计算得到变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率需要变动的参考值ω_ref。示例性地，将电网的电压输入至虚拟惯性控制环节进行计算，得到变频空调的转速变化量参考值Δω，将电网的频率输入至下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref。

S50、根据变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率参考值ω_ref调节变频空调的工作点。

继续参考图2，频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率参考值ω_ref作差得到需要调节的角频率值，并将其输入至磁场定向控制器FOC进行控制 PWM电路，从而实现调节变频空调的工作点，使变频空调的工作点根据电网的参数变化适应性调节，当电网的频率降低时，变频空调适应性降低工作频率，减少了从电网获取的功率，进而减少变频空调从电网获取转动惯量，降低电网出现波动时电网频率的波动幅度。

进一步地，在建立变频空调虚拟同步电机的仿真数学模型之前，还包括：

建立虚拟同步电机的信号模型，并得到各变频空调截止频率ω_c。

获取虚拟同步电机的相角裕度PM，并根据相角裕度PM和变频空调截止频率ω_c计算虚拟同步电机的转动惯量J。

根据相角裕度PM的取值范围得到虚拟同步电机的转动惯量J的最大值。

通过在建立变频空调虚拟同步电机的仿真数学模型之前确定虚拟同步电机的转动惯量J的取值范围，进而可以方便计算虚拟同步电机的仿真数学模型。

仿真数学模型为：

其中，△ω_sg为虚拟同步电机角频率扰动量，△ω_g为电网电压角频率扰动量，K_D为下垂系数，ω_N为额定转速，△δ为功角扰动量，△P_sg为功率扰动量， J为虚拟同步电机的转动惯量。

更进一步的，将电网的电压输入至虚拟惯性控制环节进行计算，得到变频空调的转速变化量参考值Δω，包括：

获取电网电压U_g，用微分法生成与所述电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θ_v进行派克变换，得到电网电压相对于V_d、V_q分量，则虚拟同步电机的功角δ_v为：

δ_v＝arctan(V_q/V_d)；

虚拟同步电机的虚拟功率P_v为：

压缩机转速变化量参考值Δω为：

其中，U_g为电网电压，E为虚拟电动势，X_a为虚拟电抗，n为常数，ΔP_V为功耗变化量。

在实际应用中，配电网电压一般在0.95～1.05倍额定电压之间波动，同时由于PFC控制下变频空调功率因数固定约等于1.0，无法参与电网电压调节，E 取固定值。因此，令常数K_p＝U_gE/X_a。

由于单相交流电功率为一个工频周期内的平均值，对功率的测量具有一定的滞后。考虑到变频空调输出功率可近似认为与压缩机转速呈线性关系，为了使变频空调功率快速跟踪虚拟惯量环节的参考功率，故取：

进一步地，将电网的频率输入至下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref，包括：

根据变频空调设定温度与室内温度获取变频空调定运行功率P_N，并通过公式P_D＝P_N+K_D(ω_N-ωg)计算得到变频空调的稳态输出功率P_D，其中，ω_g为电网电压角频率，K_D为电网下垂系数；

将实际测量得到的变频空调功率与变频空调的稳态输出功率P_D之间的差值输入至PI控制器，得到压缩机转动角频率参考值ω_ref。

具体地，在将电网的频率输入至下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref之前，还包括：获取下垂控制环节的下垂系数；下垂系数K_D为：

其中，P_max为变频空调的最大功率，P_N为变频空调的额定功率，变频空调的功率可调范围为P_N±min{(P_max-P_N),P_N}。

具体地，变频空调的截止频率ω_c为：

其中，Kp为常数。

相角裕度PM的取值范围得与虚拟同步电机的转动惯量J的最大值之间的关系为：

其中，PM为相角裕度，∠T_p(ω_c)为虚拟惯性环节的环路增益幅值。

具体地，在如图3所示，三相交流接入三组每组7台变频空调的系统进行验证，组成每组的变频空调运行点、下垂系数等参数相同。

假定每台变频空调的设定温度以及所处环境室温已知，求得各变频空调的额定运行点，继续参考表1，如表1第二列所示，根据下垂系数K_D的公式得到如表1第三列所示，由相角裕度PM求得各变频空调转动惯量，如表1第四列所示。

在实际应用中，可在负荷波动时变频空调在普通下垂控制或在本申请方法进行控制，图3、图4为负荷波动时变频空调在普通下垂控制以及所提控制策略下系统动态过程的仿真结果。需要说明的是，图3为本发明实施例提供的不同控制方法下单组变频空调总功率的仿真结果示意图；图4为本发明实施例提供的不同控制方法下电网频率的仿真结果示意图。图3和图4中所提算法为基于虚拟同步电机的变频空调负荷控制的算法。从图3可以看出，冲击负荷接入瞬间，相比于下垂控制所提控制策略下的变频空调功率下调速度更快，更迅速地降低了电网的功率不平衡。由图4可知，应用所提控制策略以后，电网频率跌落速率都得到了较大的减缓。

进一步地，如图5所示，为本发明实施例提供的磁场定向控制器FOC结构示意图，所述磁场定向控制器FOC的工作过程如下：根据变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率参考值ω_ref调节变频空调的工作点，包括：

采集所述变频空调的两相电流i_a，i_b；

将所述两相电流i_a，i_b经过clarke变换后得到两轴正交电流量i_α，i_β；

将所述正交电流量i_α，i_β经过旋转变换后得到正交的电流量i_d、i_q，其中i_q与转矩有关，i_d与磁通有关；

将得到的i_d与i_q分别输入到PI控制器，得到对应的输出v_d和v_q；

通过传感器得到所述变频空调的电机转过的角度θ，并与v_d、v_q进行逆park 变换，得到二轴电流量v_α,v_β；

将v_α,v_β进行clarke逆变换，得到需要的三相电压，并输给逆变电桥以驱动所述变频空调工作。

本实施例的技术方案，通过建立虚拟同步电机的仿真数学模型，在电网频率发生波动时，变频空调的输出功率能模拟同等容量的空载同步电机的输出功率及转速的变化过程。解决新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种基于变频空调负荷的电网调节方法，其特征在于，包括：

在变频空调控制器中建立虚拟同步电机的仿真数学模型；

根据所述仿真数学模型建立电网调节的虚拟惯性控制环节和下垂控制环节；

通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω；

通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref；

将所述压缩机转动角频率参考值ω_ref和所述压缩机转速变化量参考值Δω之和输入到磁场定向控制器控制所述压缩机转动；

所述通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值Δω，包括：

获取电网电压U_g，用微分法生成与电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θ_v进行派克变换，得到电网电压的V_d、V_q分量，则虚拟同步电机的功角δ_v为：

δ_v＝arctan(V_q/V_d)；

虚拟同步电机的虚拟功率P_v为：

压缩机转速变化量参考值Δω为：

其中，U_g为电网电压，E为虚拟电动势，X_a为虚拟电抗，n为常数，ΔP_V为功耗变化量；V_d为电网电压相对于转子旋转的直轴(d轴)分量，V_q为电网电压相对于交轴(q轴)的分量；

所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref，包括：

根据变频空调设定温度与室内温度获取变频空调定运行功率P_N，并通过公式P_D＝P_N+K_D(ω_N-ω_g)计算得到变频空调的稳态输出功率P_D，其中，ω_g为电网电压角频率，K_D为电网下垂系数；

将实际测量得到的变频空调功率与所述变频空调的稳态输出功率P_D之间的差值输入至PI控制器，得到压缩机转动角频率参考值ω_ref。

2.根据权利要求1所述的电网调节方法，其特征在于，还包括：

建立虚拟同步电机的信号模型，并得到变频空调各工作频率对应的截止频率ω_c；

获取所述虚拟同步电机的相角裕度PM，并根据所述相角裕度PM和变频空调各工作频率对应的截止频率ω_c计算虚拟同步电机的转动惯量J；

根据所述相角裕度PM的取值范围得到所述虚拟同步电机的转动惯量J的最大值。

3.根据权利要求2所述的电网调节方法，其特征在于，所述仿真数学模型为：

其中，△ω_sg为虚拟同步电机角频率扰动量，△ω_g为电网电压角频率扰动量，K_D为下垂系数，ω_N为额定转速，△δ为功角扰动量，△P_sg为功率扰动量。

4.根据权利要求1所述的电网调节方法，其特征在于，所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ω_ref，还包括：

设变频空调的功率范围为{0，P_max}，则在电网调频时，功率的可调节范围为P_N±min{(P_max-P_N),P_N}，其中P_max为变频空调的最大功率；

在频率误差在0.3Hz时，变频空调功率达到上限，通过电网下垂系数K_D的计算公式计算得到电网下垂系数K_D。

5.根据权利要求4所述的电网调节方法，其特征在于，还包括：

通过公式得到各变频空调截止频率ω_c，其中，Kp为常数；

根据相角裕度PM的公式在所述相角裕度PM处于30°～50°范围时，计算得到转动惯量J的最大值，其中，∠T_p(ω_c)为虚拟惯性环节的环路增益幅值。

6.根据权利要求5所述的电网调节方法，其特征在于，所述将所述压缩机转动角频率参考值ω_ref和所述压缩机转速变化量参考值Δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动，包括：

采集两相电流i_a，i_b；

将两相电流i_a，i_b经过clarke变换后得到两轴正交电流量i_α，i_β；

将正交电流量i_α，i_β经过旋转变换后得到正交的电流量i_d、i_q，其中i_q与转矩有关，i_d与磁通有关；

将得到的i_d与i_q分别输入到PI控制器，得到对应的输出v_d和v_q；

通过传感器得到电机转过的角度θ，并与v_d、v_q进行逆park变换，得到二轴电流量v_α,v_β；

将v_α,v_β进行clarke逆变换，得到需要的三相电压，并输给逆变电桥以驱动电机转动。

7.一种基于变频空调负荷的电网调节方法，其特征在于，包括：

在变频空调控制器中建立变频空调虚拟同步电机的仿真数学模型；

根据所述虚拟同步电机的仿真数学模型建立所述虚拟同步电机的调节结构；所述调节结构包括虚拟惯性控制环节和下垂控制环节；

实时获取电网的电压和频率；

将所述电网的参数输入至所述调节结构进行计算，得到压缩机的转速变化量参考值Δω和转动角频率需要变动的参考值ω_ref；

根据所述压缩机的转速变化量参考值Δω和转动角频率参考值ω_ref之和输入到磁场定向控制器调节所述变频空调的工作点，其中，所述变频空调的不同工作点对应所述变频空调的不同工作频率；

所述根据所述虚拟同步电机的仿真数学模型建立所述虚拟同步电机的调节结构，包括：

根据所述虚拟同步电机的仿真数学模型确定所述虚拟惯性控制环节的惯性调节比例参数和所述下垂控制环节的下垂调节比例参数；

所述将所述电网的参数输入至所述调节结构进行计算，得到所述变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率需要变动的参考值ω_ref，包括：

将所述电网的电压输入至所述虚拟惯性控制环节进行计算，得到所述变频空调的转速变化量参考值Δω；

将所述电网的频率输入至所述下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref；

所述将所述电网的电压输入至所述虚拟惯性控制环节进行计算，得到所述变频空调的转速变化量参考值Δω，包括：

获取电网电压U_g，用微分法生成与所述电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以所述虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θ_v进行派克变换，得到电网电压的V_d、V_q分量，则所述虚拟同步电机的功角δ_v为：

δ_v＝arctan(V_q/V_d)；

所述虚拟同步电机的虚拟功率P_v为：

压缩机转速变化量参考值Δω为：

其中，U_g为电网电压，E为虚拟电动势，X_a为虚拟电抗，n为常数，ΔP_V为功耗变化量；V_d为电网电压相对于转子旋转的直轴(d轴)分量，V_q为电网电压相对于交轴(q轴)的分量；

所述将所述电网的频率输入至所述下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref，包括：

根据所述变频空调设定温度与室内温度获取所述变频空调定运行功率P_N，并通过公式P_D＝P_N+K_D(ω_N-ω_g)计算得到所述变频空调的稳态输出功率P_D，其中，ω_g为电网电压角频率，K_D为电网下垂系数；

将实际测量得到的所述变频空调功率与所述变频空调的稳态输出功率P_D之间的差值输入至PI控制器，得到压缩机转动角频率参考值ω_ref。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述建立变频空调虚拟同步电机的仿真数学模型之前，还包括：

建立所述虚拟同步电机的信号模型，并得到所述变频空调各工作频率对应的截止频率ω_c；

获取所述虚拟同步电机的相角裕度PM，并根据所述相角裕度PM和所述变频空调截止频率ω_c计算所述虚拟同步电机的转动惯量J；

根据所述相角裕度PM的取值范围得到所述虚拟同步电机的转动惯量J的最大值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述仿真数学模型为：

其中，△ω_sg为虚拟同步电机角频率扰动量，△ω_g为电网电压角频率扰动量，K_D为下垂系数，ω_N为额定转速，△δ为功角扰动量，△P_sg为功率扰动量，J为所述虚拟同步电机的转动惯量。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述将所述电网的频率输入至所述下垂控制环节进行计算，得到转动角频率需要变动的参考值ω_ref之前，还包括：获取所述下垂控制环节的下垂系数；所述下垂系数K_D为：

其中，P_max为所述变频空调的最大功率，P_N为所述变频空调的额定功率，所述变频空调的功率可调范围为P_N±min{(P_max-P_N),P_N}。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述变频空调的截止频率ω_c为：

其中，Kp为常数。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述相角裕度PM的取值范围得与所述虚拟同步电机的转动惯量J的最大值之间的关系为：

其中，PM为相角裕度，∠T_p(ω_c)为虚拟惯性环节的环路增益幅值。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述变频空调的转速变化量参考值Δω和转动角频率参考值ω_ref调节所述变频空调的工作点，包括：

采集所述变频空调的两相电流i_a，i_b；

将所述两相电流i_a，i_b经过clarke变换后得到两轴正交电流量i_α，i_β；

将所述正交电流量i_α，i_β经过旋转变换后得到正交的电流量i_d、i_q，其中i_q与转矩有关，i_d与磁通有关；

将得到的i_d与i_q分别输入到PI控制器，得到对应的输出v_d和v_q；

通过传感器得到所述变频空调的电机转过的角度θ，并与v_d、v_q进行逆park变换，得到二轴电流量v_α,v_β；

将v_α,v_β进行clarke逆变换，得到需要的三相电压，并输给逆变电桥以驱动所述变频空调工作。

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