CN109638881A - 电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法及系统，包括数据采集、功率计算、虚拟调速器输出量计算、转子机械方程的输出量计算、电网阻抗计算、阻尼值样条插值拟合、参数更新。本发明改进虚拟阻尼环节，通过向虚拟阻尼环节中引入微分，使得虚拟阻尼对于虚拟调差系数无影响，消除虚拟同步机一次调频的稳态误差。同时引入一阶惯性环节，提高系统的稳定性。对虚拟阻尼环节进行自适应参数优化控制。通过谐波中注入法对电网阻抗进行在线检测，根据检测所得电网阻抗以及自适应公式来在线调节阻尼环节参数，使得电网强度变化前后，虚拟同步机均能有较好的响应特性。

Description

电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法及系统

技术领域

本发明涉及发电变电技术领域，具体地，涉及电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法及系统。

背景技术

新能源发电经过电力电子变换器并入电网，由于缺乏同步机类似的阻尼和惯量，不能自主响应电力系统的功率变化，使得新能源高比例入网对电力系统安全稳定运行造成威胁。因此，有学者提出了用逆变器来模拟同步电机特性的控制方法，通过增加阻尼、惯量和调频调压特性，提高运行稳定性，这一控制被称为虚拟同步发电机控制(VSG，virtualsynchronous generator)。这项技术一经提出就得到了关注，在含光伏、风电、储能分布式电源的微电网中更是成为了研究热点。

虚拟同步控制的核心在于虚拟惯量环节和虚拟阻尼环节，传统的虚拟同步技术所采用的虚拟阻尼与虚拟惯量构成的一阶惯性环节为开环控制，导致虚拟阻尼与虚拟调差系数相互耦合，使得实际的虚拟调差系数明显小于设计值，导致虚拟同步发电机在电网频率波动时过量响应，造成不利后果。而仅通过在改造虚拟阻尼环节来消除这一稳态误差时，会造成虚拟同步机在强网与弱网下参数无法统一，导致虚拟同步机响应变差。

因此，在改造阻尼环节来消除稳态误差的同时，根据电网强度对新的阻尼环节进行自适应参数优化控制，使得虚拟同步机拥有更好的电网强度适应能力。

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电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法及系统。

根据本发明提供的一种电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法，包括：

数据采集步骤：采集储能逆变器的三相电压和三相电流；

功率计算步骤：对采集的三相电压和三相电流分别进行park变化，得到对应d轴与q轴分量值，用锁相环得到虚拟同步机的频率，并计算虚拟同步机的输出有功功率；

虚拟调速器输出量计算步骤：根据虚拟同步机的频率计算虚拟调速器的输出量；

转子机械方程的输出量计算步骤：根据虚拟调速器的输出量和虚拟同步机的输出有功功率计算转子机械方程的输出量；

电网阻抗计算步骤：控制虚拟同步机向电网注入一个可检测范围内的谐波，检测所述谐波的电压和电流的幅值和相角，并计算得到电网阻抗；

阻尼值样条插值拟合步骤：选取虚拟惯量和阻尼环节时间常数，计算不同电网阻抗下使阻尼比为最优时对应的阻尼值，然后进行样条差值拟合，得到自适应参数优化函数；

参数更新步骤：将计算得到的电网阻抗代入所述自适应参数优化函数中，得到新的阻尼值，更新虚拟同步机控制环节中的相应参数，使当前电网强度下得虚拟同步机阶跃响应最优。

较佳的，三相电压和三相电流包括：滤波器电容电压、滤波器出口电流和并网点电压；

三相电压得到对应的d轴与q轴分量值分别为：u_d、u_q；

三相电流得到对应的d轴与q轴分量值分别为：i_d、i_q；

用锁相环计算得到虚拟同步机的频率ω，并计算虚拟同步机的输出有功功率P_e和无功功率Q_e：

较佳的，虚拟调速器的输出量P_m的计算方法包括：

其中，P_ref为虚拟同步机有功输出的指令值，ω为虚拟同步机的检测频率，m为虚拟调差系数。

较佳的，转子机械方程的输出量ω_ref的计算方法包括：

Δω＝ω_ref-ω_n；

其中ω_n为额定转速，D为虚拟阻尼，t_d为阻尼环节的时间常数，H为虚拟惯量。

较佳的，向电网注入的可检测范围内的谐波为75Hz谐波，检测电压和电流的幅值和相角u_h，θ_u，i_h，θ_i，并计算电网阻抗Z，阻抗Z的计算方法包括：

z＝R+jω_gL；

其中ω_h为谐波频率，ω_g为电网频率，Z_h为75Hz谐波下的电网阻抗，R为电网电阻，L为电网电感。

根据本发明提供的一种电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步系统，包括：

数据采集模块：采集储能逆变器的三相电压和三相电流；

功率计算模块：对采集的三相电压和三相电流分别进行park变化，得到对应d轴与q轴分量值，用锁相环得到虚拟同步机的频率，并计算虚拟同步机的输出有功功率；

虚拟调速器输出量计算模块：根据虚拟同步机的频率计算虚拟调速器的输出量；

转子机械方程的输出量计算模块：根据虚拟调速器的输出量和虚拟同步机的输出有功功率计算转子机械方程的输出量；

电网阻抗计算模块：控制虚拟同步机向电网注入一个可检测范围内的谐波，检测所述谐波的电压和电流的幅值和相角，并计算得到电网阻抗；

阻尼值样条插值拟合模块：选取虚拟惯量和阻尼环节时间常数，计算不同电网阻抗下使阻尼比为最优时对应的阻尼值，然后进行样条差值拟合，得到自适应参数优化函数；

参数更新模块：将计算得到的电网阻抗代入所述自适应参数优化函数中，得到新的阻尼值，更新虚拟同步机控制环节中的相应参数，使当前电网强度下得虚拟同步机阶跃响应最优。

较佳的，三相电压和三相电流包括：滤波器电容电压、滤波器出口电流和并网点电压；

三相电压得到对应的d轴与q轴分量值分别为：u_d、u_q；

三相电流得到对应的d轴与q轴分量值分别为：i_d、i_q；

用锁相环计算得到虚拟同步机的频率ω，并计算虚拟同步机的输出有功功率P_e和无功功率Q_e：

较佳的，虚拟调速器的输出量P_m的计算方法包括：

其中，P_ref为虚拟同步机有功输出的指令值，ω为虚拟同步机的检测频率，m为虚拟调差系数。

较佳的，转子机械方程的输出量ω_ref的计算方法包括：

Δω＝ωref-ωn；

其中ω_n为额定转速，D为虚拟阻尼，t_d为阻尼环节的时间常数，H为虚拟惯量。

较佳的，向电网注入的可检测范围内的谐波为75Hz谐波，检测电压和电流的幅值和相角u_h，θ_u，i_h，θ_i，并计算电网阻抗Z，阻抗Z的计算方法包括：

z＝R+jω_gL；

其中ω_h为谐波频率，ω_g为电网频率，Z_h为75Hz谐波下的电网阻抗，R为电网电阻，L为电网电感。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)改进虚拟阻尼环节，通过向虚拟阻尼环节中引入微分，使得虚拟阻尼对于虚拟调差系数无影响，消除虚拟同步机一次调频的稳态误差。同时引入一阶惯性环节，提高系统的稳定性。

2)对虚拟阻尼环节进行自适应参数优化控制。通过谐波中注入法对电网阻抗进行在线检测，根据检测所得电网阻抗以及自适应公式来在线调节阻尼环节参数，使得电网强度变化前后，虚拟同步机均能有较好的响应特性。

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为本发明的流程图；

图2为储能并网逆变器结构图；

图3为有功频率环节控制框图；

图4为传统虚拟同步控制一次调频响应示意图；

图5为本发明一次调频响应示意图；

图6为未采用自适应控制的虚拟同步控制的弱电网阶跃响应示意图；

图7为本发明的弱电网阶跃响应示意图。

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。

如图1和图2所示，本发明所采用的虚拟同步机系统结构及其控制方法，其中，直流源由分布式储能系统供电，通过三相桥式变流器和三相滤波器后并入电网，L_f为滤波器电感，C_f为滤波器电容。

本发明所采用的有功频率控制环节框图如图3所示，实施举例中所采用的的储能系统容量为250kw，额定线电压为380V，开关频率5kHz，滤波器电感0.1mH，滤波器电容120μF。本实施举例的具体步骤如下。

步骤一、通过电压传感器和电流传感器，采集并转换为数字量信号，包括储能逆变器的滤波器电容电压u_a、u_b、u_c，滤波器出口电流i_a、i_b、i_c，以及并网点电压u_ga、u_gb、u_gc。

步骤二、针对步骤一中获得的三相电压与电流值，进行park变换，得到其d轴与q轴分量值u_d、u_q，i_d、i_q，u_gd、u_gq，用锁相环得到虚拟同步机的频率ω。并计算虚拟同步机的输出有功功率P_e和无功功率Q_e，计算公式如下：

步骤三、计算虚拟调速器的输出量P_m，其计算公式为

其中，P_ref为虚拟同步机有功输出的指令值；ω为虚拟同步机的检测频率；m为虚拟调差系数，此处取5％。

步骤四、控制虚拟同步机向电网注入一个可检测范围内幅值非常小的75Hz谐波，检测其电压和电流的幅值和相角u_h，θ_u，i_h，θ_i。并以此计算电网阻抗Z，其计算公式为

z＝R+jω_gL

其中ω_h为谐波频率，取471.24rad/s；ω_g为电网频率，取314.16rad/s。Z_h为75Hz谐波下的电网阻抗，R为电网电阻，L为电网电感。

步骤五、根据检测到的电网阻抗值进行阻尼环节参数的在线自适应优化，取虚拟惯量H＝5，虚拟阻尼时间常数t_d＝0.6s，系统阻尼比为最优阻尼比0.707，在此条件下，阻尼D关于电网阻抗Z的自适应函数为

根据步骤四中检测计算得到的电网阻抗Z来计算最合适的阻尼D。

步骤六、转子机械方程的输出量ω_ref的计算公式为

步骤七、将步骤六中计算得到的ω作为反park变换的频率，对虚拟同步机的d轴和q轴电压幅值进行反park变换，经过归一化处理后作为调制波传递给三相桥，进行虚拟同步控制。

实施效果对比。实施举例中所采用的的储能系统容量为250kw，额定线电压为380V，开关频率5kHz，滤波器电感0.1mH，滤波器电容120μF。虚拟惯量H＝5，虚拟阻尼时间常数t_d＝0.6s。

采用传统虚拟同步控制方法时，设计虚拟调差系数为5％，考虑最优阻尼比0.707所对应的虚拟阻尼D＝241，当电网频率下降0.1Hz时，其一次调频响应如图4所示，可以看出，虚拟同步机实际增加出力130.5kW，实际调差系数为0.383％，虚拟同步机过量响应，容易容量不足从而产生稳定性问题。

采用本发明提出的方法时，设计虚拟调差系数为5％，当电网频率下降0.1Hz，其一次调频响应如图5所示，可以看出，虚拟同步机实际增加出力10kW，实际调差系数为5％，与设计值相符，无稳态误差，虚拟同步机稳态性能较好。

若仅改造虚拟阻尼环节，不采用自适应优化控制时，按照电网短路比为25设计的阻尼环节参数为t_d＝0.3，D＝167.2，电网短路比降到5时，若仍采用原参数，虚拟同步机的有功阶跃响应如秃6所示，可以看出，系统的超调明显增大，呈现欠阻尼特性，动态响应欠佳。

采用本发明提出的方法时，若电网短路比降到5，首先根据75Hz谐波检测电网阻抗，经过自适应优化函数得到此时阻尼环节参数应该为t_d＝0.6，D＝64.8，最终在自适应优化后的参数下，更不记得有功阶跃响应如图7所示，可以看出，系统响应基本符合最优解跃响应曲线，系统的动态特性得到显著改善。

在上述一种电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法的基础上，本发明还提供一种电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步系统，包括：

数据采集模块：采集储能逆变器的三相电压和三相电流；

功率计算模块：对采集的三相电压和三相电流分别进行park变化，得到对应d轴与q轴分量值，用锁相环得到虚拟同步机的频率，并计算虚拟同步机的输出有功功率和无功功率；

虚拟调速器输出量计算模块：根据虚拟同步机的频率计算虚拟调速器的输出量；

转子机械方程的输出量计算模块：根据虚拟调速器的输出量和虚拟同步机的输出有功功率计算转子机械方程的输出量；

电网阻抗计算模块：控制虚拟同步机向电网注入一个可检测范围内的谐波，检测所述谐波的电压和电流的幅值和相角，并计算得到电网阻抗；

阻尼值样条插值拟合模块：选取虚拟惯量和阻尼环节时间常数，计算不同电网阻抗下使阻尼比为最优时对应的阻尼值，然后进行样条差值拟合，得到自适应参数优化函数；

参数更新模块：将计算得到的电网阻抗代入所述自适应参数优化函数中，得到新的阻尼值，更新虚拟同步机控制环节中的相应参数，使当前电网强度下得虚拟同步机阶跃响应最优。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

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 (10)

1.一种电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法，其特征在于，包括：

数据采集步骤：采集储能逆变器的三相电压和三相电流；

功率计算步骤：对采集的三相电压和三相电流分别进行park变化，得到对应d轴与q轴分量值，用锁相环得到虚拟同步机的频率，并计算虚拟同步机的输出有功功率；

虚拟调速器输出量计算步骤：根据虚拟同步机的频率计算虚拟调速器的输出量；

转子机械方程的输出量计算步骤：根据虚拟调速器的输出量和虚拟同步机的输出有功功率计算转子机械方程的输出量；

电网阻抗计算步骤：控制虚拟同步机向电网注入一个可检测范围内的谐波，检测所述谐波的电压和电流的幅值和相角，并计算得到电网阻抗；

阻尼值样条插值拟合步骤：选取虚拟惯量和阻尼环节时间常数，计算不同电网阻抗下使阻尼比为最优时对应的阻尼值，然后进行样条差值拟合，得到自适应参数优化函数；

参数更新步骤：将计算得到的电网阻抗代入所述自适应参数优化函数中，得到新的阻尼值，更新虚拟同步机控制环节中的相应参数，使当前电网强度下得虚拟同步机阶跃响应最优。

2.根据权利要求1所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法，其特征在于，三相电压和三相电流包括：滤波器电容电压、滤波器出口电流和并网点电压；

三相电压得到对应的d轴与q轴分量值分别为：u_d、u_q；

三相电流得到对应的d轴与q轴分量值分别为：i_d、i_q；

用锁相环计算得到虚拟同步机的频率ω，并计算虚拟同步机的输出有功功率P_e和无功功率Q_e：

3.根据权利要求2所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法，其特征在于，虚拟调速器的输出量P_m的计算方法包括：

其中，P_ref为虚拟同步机有功输出的指令值，ω为虚拟同步机的检测频率，m为虚拟调差系数。

4.根据权利要求3所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法，其特征在于，转子机械方程的输出量ω_ref的计算方法包括：

Δω＝ω_ref-ω_n；

其中ω_n为额定转速，D为虚拟阻尼，t_d为阻尼环节的时间常数，H为虚拟惯量。

5.根据权利要求4所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法，其特征在于，向电网注入的可检测范围内的谐波为75Hz谐波，检测电压和电流的幅值和相角u_h，θ_u，i_h，θ_i，并计算电网阻抗Z，阻抗Z的计算方法包括：

Z＝R+jω_gL；

其中ω_h为谐波频率，ω_g为电网频率，Z_h为75Hz谐波下的电网阻抗，R为电网电阻，L为电网电感。

6.一种电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步系统，其特征在于，包括：

数据采集模块：采集储能逆变器的三相电压和三相电流；

功率计算模块：对采集的三相电压和三相电流分别进行park变化，得到对应d轴与q轴分量值，用锁相环得到虚拟同步机的频率，并计算虚拟同步机的输出有功功率；

虚拟调速器输出量计算模块：根据虚拟同步机的频率计算虚拟调速器的输出量；

转子机械方程的输出量计算模块：根据虚拟调速器的输出量和虚拟同步机的输出有功功率计算转子机械方程的输出量；

电网阻抗计算模块：控制虚拟同步机向电网注入一个可检测范围内的谐波，检测所述谐波的电压和电流的幅值和相角，并计算得到电网阻抗；

阻尼值样条插值拟合模块：选取虚拟惯量和阻尼环节时间常数，计算不同电网阻抗下使阻尼比为最优时对应的阻尼值，然后进行样条差值拟合，得到自适应参数优化函数；

参数更新模块：将计算得到的电网阻抗代入所述自适应参数优化函数中，得到新的阻尼值，更新虚拟同步机控制环节中的相应参数，使当前电网强度下得虚拟同步机阶跃响应最优。

7.根据权利要求6所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步系统，其特征在于，三相电压和三相电流包括：滤波器电容电压、滤波器出口电流和并网点电压；

三相电压得到对应的d轴与q轴分量值分别为：u_d、u_q；

三相电流得到对应的d轴与q轴分量值分别为：i_d、i_q；

用锁相环计算得到虚拟同步机的频率ω，并计算虚拟同步机的输出有功功率P_e和无功功率Q_e：

8.根据权利要求7所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步系统，其特征在于，虚拟调速器的输出量P_m的计算方法包括：

其中，P_ref为虚拟同步机有功输出的指令值，ω为虚拟同步机的检测频率，m为虚拟调差系数。

9.根据权利要求8所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步系统，其特征在于，转子机械方程的输出量ω_ref的计算方法包括：

Δω＝ω_ref-ω_n；

其中ω_n为额定转速，D为虚拟阻尼，t_d为阻尼环节的时间常数，H为虚拟惯量。

10.根据权利要求9所述的电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步系统，其特征在于，向电网注入的可检测范围内的谐波为75Hz谐波，检测电压和电流的幅值和相角u_h，θ_u，i_h，θ_i，并计算电网阻抗Z，阻抗Z的计算方法包括：

Z＝R+jω_gL；

其中ω_h为谐波频率，ω_g为电网频率，Z_h为75Hz谐波下的电网阻抗，R为电网电阻，L为电网电感。