CN109787284B - 一种虚拟同步机并网切入的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气控制领域，旨在提供一种虚拟同步机并网切入的控制方法。包括：按顺序对直流侧断路器和交流侧断路器进行合闸，对合闸后的直流侧电容电压及交流侧电容电压进行采样；如直流侧电压采样值大于直流侧额定电压的0.9倍，且交流侧三相的相电压采样值绝对值相加大于交流侧额定相电压幅值，则认为直流侧断路器和交流侧断路器合闸完成；启动锁相环待其稳定工作，检测虚拟同步机的转子相位与锁相环得到的电网电压相位角度差，进行比较；如角度差在0.1rad以内就切入虚拟同步机控制，否则不执行操作。本发明基于常用的三相逆变器并网拓扑结构，不增加任何硬件成本，控制算法使用简单；能提高控制系统的采样准确性，实现VSG的顺利并网。

Description

一种虚拟同步机并网切入的控制方法

技术领域

本发明属于电气控制领域，具体涉及一种虚拟同步机并网切入的控制方法。

背景技术

随着化石能源出现危机，以光伏、风能、潮汐能等为代表的分布式能源展现出强大的优势，包括经济性、环保性及持续性等。我国作为发展中国家的强国之一，能源消耗巨大，在传统能源日趋紧缺的情况下，必须寻求能源的多样化发展，国家也颁布多种政策措施，促进分布式能源的推广。

分布式能源通过逆变器等电力电子设备控制功率流并入电网，功率流的大小受到逆变器源端所接入的能源种类的限制，如光伏、风能都具有间歇性的不利影响。传统逆变器通过锁相环(phase locked loop，PLL)检测电网电压相位，并基于所得到的电网电压相位控制逆变器的输出电流以控制馈入电网的功率流大小。这种控制方法可认为是电网跟随式(grid following)的逆变器，逆变器的外特性呈现电流源特性。电网跟随式的逆变器在所接入的电网容量较大、频率及电压波动值很小且很稳定的电力系统中能够稳定运行，这主要得益于大容量的电力系统具备同步发电机参与到动态的调频调压过程中。但如果所接入的系统惯性很小，电网跟随式的逆变器将难以稳定运行，系统缺乏类似于同步发电机保持稳定的旋转储能部分。更值得关注的是，随着分布式能源的大规模接入，清洁能源在电力系统中的渗透率快速增加，电力系统的惯性及阻尼逐步下降，系统的稳定性受到严重威胁。在这种状况下，电网跟随式逆变器将不具优势，影响系统的稳定运行。

为解决分布式能源渗透率增加对系统所造成影响，电网构造式(grid forming)的逆变器控制策略相继被提出。例如目前广泛应用的下垂控制策略，其思想来源于同步电机的控制，能够参与电压与频率的调节。但是下垂控制在暂态过程中响应速度低，且控制仍缺乏惯性，仍然不足以对维持电网稳定性做出贡献。进一步，众多专家学者对逆变器的控制策略进行更深入的探索，虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)概念被提出，并得到大力推广。VSG利用控制策略，使得逆变器等电力电子外特性呈现出类似于同步发电机的外特性，理想状态下，从电网角度看，逆变器等效于一台同步发电机。

稳态时，VSG输出频率必然与电网频率相一致。但动态调节过程中，如VSG启动切入电网的瞬间，VSG输出频率并不一定与电网频率相一致，甚至有很大的相角差，此时VSG切入电网必然产生很大冲击电流，无法实现VSG顺利并网，甚至对电网造成不利影响。

除此以外，在实际控制中，经常会遇到控制系统中温度变化等因素，导致采样偏置值发生漂移的现象，进一步影响控制准确度。所以能够在控制中校对并改变采样偏置值，对控制的准确性具有提高作用。

为使得VSG顺利实现并网，本发明提出一种VSG并网切入的控制策略，能够顺利实现VSG从启动到并入电网的过程，为VSG的推广提供有效的技术支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种虚拟同步机并网切入的控制方法，以实现VSG的顺利并网。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种虚拟同步机并网切入的控制方法，该方法是基于三相桥式逆变器拓扑结构实现虚拟同步机的并网切入控制；包括：按顺序对直流侧断路器和交流侧断路器进行合闸，对合闸后的直流侧电容电压及交流侧电容电压进行采样；如直流侧电压采样值大于直流侧额定电压的0.9倍，且交流侧三相的相电压采样值绝对值相加大于交流侧额定相电压幅值，则认为直流侧断路器和交流侧断路器合闸完成；启动锁相环待其稳定工作，检测虚拟同步机的转子相位与锁相环得到的电网电压相位角度差，进行比较；如角度差在0.1rad以内就切入虚拟同步机控制，否则不执行操作。

本发明中，在主电路合闸之前对各路电压和电流信号进行采样，得到采样偏置值以用于后续采样校正。

本发明中，该方法具体包括以下步骤：

(1)合闸前的采样

确认主电路中的直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T处于断开状态；利用数字信号处理器DSP对主电路中各路电压电流信号采集万次级别的数值并进行平均运算，得到对应的采样偏置量，以用于对后续采样偏置数值的校正从而减小采样误差；

(2)主电路合闸

按顺序依次对直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T进行合闸，保证交流电压不会反向馈入直流侧；

(3)合闸后的确认

为保证判断合闸的准确性，检测直流侧电压采样值和交流侧三相电压采样值；设直流侧额定电压为U_dc、交流侧额定相电压幅值为U_g，如果直流侧电压采样值大于0.9U_dc，且交流侧三相的相电压采样值绝对值相加大于U_g，则判断直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T合闸完成；

(5)等待锁相环PLL稳定

在判断合闸完成后启动锁相环PLL，等待3秒以上至稳定运行；在此期间，逆变器调制波采用电网电压的采样值，此时输出电流接近为零；

(6)检测虚拟同步机相位与电网电压相位角度差

以锁相环PLL检测虚拟同步机转子相位和电网电压相位角度差phase_error；如phase_error<0.1rad，则判断虚拟同步机能切入电网，执行切入虚拟同步机控制的操作；如phase_error≥0.1rad，则判断虚拟同步机不能切入电网。

本发明中，所述步骤(6)中，执行切入虚拟同步机控制的操作时，所使用的变换角采用虚拟同步机转子相位角；并网切入完成后，逆变器的调制波是虚拟同步机控制输出的经内环电压电流双闭环调节后的输出给定值。

本发明中，所述步骤(6)中，当虚拟同步机不能切入电网时，控制所使用的变换角采用锁相环PLL所得到的电网电压相位角，此时虚拟同步机控制的有功功率环路相当于被屏蔽，有功输出接近为零；无功环仍处于控制中，但设置无功功率给定值控制无功功率输出。

发明原理描述：

本发明所述的虚拟同步机并网切入的控制策略，需要控制程序与主电路合闸顺序相互配合。该控制策略在主电路合闸之前启动程序，目的是通过多次采样零电压、零电流主电路所对应的各路传感器输出信号，计算得到采样偏置量，降低温度等外界因素所带来的采样偏置改变，减小后续控制中采样偏差。在采样偏置配置完成后，对直流侧断路器、交流侧断路器先后进行合闸，直流侧断路器先于交流侧断路器合闸目的是先行建立的直流侧电容电压，防止交流侧电压反向馈入直流侧；控制程序中，分别通过判断直流侧电容电压采样值与交流侧电容电压采样值的大小，间接判断合闸过程是否完成。合闸完成后，启动PLL并延时3秒，目的是等待PLL正常稳定工作。待PLL启动完毕，主程序可开始运行，但主程序运行的开始阶段，控制所使用的变换角采用电网电压相位，可认为VSG有功功率控制环被屏蔽，VSG未向电网馈送有功功率。在主程序中对VSG转子相位和电网电压相位的角度差进行检测，当角度差在0.1rad内，将控制所使用的变换角切换为VSG转子相位角。由于此时VSG转子相位和电网电压相位的角度差较小，此时逆变器交流侧并不会产生大的冲击电流。至此，VSG系统并入电网。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明基于常用的三相逆变器并网拓扑结构，不增加任何硬件成本，所有计算及逻辑判断都是基于逆变器控制所具备的硬件条件，控制算法使用简单，能有效实现虚拟同步机的顺利并网。

2、本发明在主电路合闸之前，对各路传感器进行采样计算，得到更接近实际的采样偏置值，降低外界因素造成的采样偏置漂移的不利影响，提高控制系统的采样准确性。

3、本发明通过软件程序与硬件电路的配合，逻辑清楚，在保证不对交流电网产生任何冲击的情况下，实现VSG的顺利并网。

附图说明

图1为本发明虚拟同步机控制系统图示例。

图2为本发明中虚拟同步机并网切入控制策略逻辑框图。

图3为具体实验案例中VSG并网切入过程的波形图示例。

具体实施方式

为实现虚拟同步机的顺利并网，本发明提出了一种虚拟同步机并网切入控制策略，有效配置DSP控制程序中采样偏置值，并避免VSG切入电网所带来的冲击电流。

一、虚拟同步机并网系统的介绍

图1为常见的基于三相逆变器拓扑结构的VSG并网系统。主电路主要由直流侧分布式能源、直流侧电容、逆变器、交流侧LC滤波器、线路阻抗及投切电路所使用的断路器组成；控制系统则由四部分组成，有VSG并网切入控制程序模块、VSG控制策略、电压和电流闭环控制、PWM控制信号模块。PWM模块用来输出开关器件的具体控制信号；电压、电流双闭环的使用主要是基于电压和电流动态响应能力及波形质量的考量，此双环控制的有无并不影响本发明并网切入控制策略的使用；VSG控制策略则是VSG系统的核心，其具体控制算法具有多种形式，如图1中包括转子、定子、磁链及功率方程，而其中转子方程尤为重要，转子方程如下：

Jpω＝T_m-T_e-D(ω-ω₀)

ω＝pθ

式中，J是转动惯量，D是阻尼系数，θ表示转子角，T_m是机械转矩，可以根据有功功率参考值P_ref得到，具体通过P_ref/ω得到，T_e是电磁转矩，p是微分算子。

虚拟同步机并网运行时，其输出频率由自身控制输出频率决定，并不一定与电网频率相同，而上式转子角θ则表征了频率的积分量，在控制中具有重要意义。

另外，该VSG并网切入控制策略需控制程序与硬件电路配合，程序需在主电路合闸之前开始运行，但即使如此，硬件电路成本并没有改变，只是对逆变器直流侧断路器与交流侧公共耦合点(PCC)断路器的合闸逻辑有所要求。

需说明的是，前述三相逆变器拓扑结构、控制系统构建方式、VSG控制策略等内容的实现方式具有多样性和可变性，本领域技术人员可根据分布式电源类型、数量及主电网具体运行状况进行调整，并不局限于上述内容。前述内容的描述只是对相应技术应用的举例或提示，并不意味着是必须或必要内容。由于属于本领域技术人员熟练掌握的技能，发明对此不再展开描述。

二、虚拟同步机并网切入的控制方法说明

(1)图1中直流侧断路器S₁、交流侧断路器S_T保持断开，数字信号处理器(DSP)开始运行，此时主电路直流侧电容电压、交流侧滤波器电容电压、电感电流及并网电流为零。通过数字信号处理器(DSP)对各路电压电流信号采集1万次进行平均运算，可以得到此时各路采样电路所对应的采样偏置量。使用这样一组通过测量得到的偏置量，可以尽量减小采样电路因温漂、零漂等因素带来的采样误差。由于DSP采样频率较快，如以10k/s的速率进行采样，1万次即可在1秒内完成，对系统控制不会造成很大时间消耗。

(2)主电路合闸：对直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T按顺序进行合闸，S₁先于S_T合闸，可以保证交流电压不会反向馈入直流侧。

(3)程序中合闸检测：VSG并网切入控制程序通过检测直流侧电压值、交流侧三相电压值判断是否合闸。若直流侧额定电压为U_dc，交流侧额定相电压幅值为U_g，为保证判断合闸的准确性，当DSP中的直流侧电压采样值大于0.9U_dc，交流侧三相的相电压采样值绝对值相加大于U_g，则判断直流侧断路器S₁、交流侧断路器S_T合闸完成。

(4)等待锁相环PLL稳定：在判断合闸后启动PLL。在控制过程中需要通过PLL检测电网电压相位，而PLL利用程序实现需要启动至稳定的过程，为保证PLL正常工作，启动PLL后等待3秒。在此期间，逆变器调制波采用电网电压的采样值，此时输出电流接近为零。

(5)检测VSG相位与电网电压相位角度差：PLL稳定后，VSG并网切入控制程序检测VSG转子相位与电网电压相位角度差phase_error，当phase_error<0.1rad，则判断VSG可切入电网，控制中所使用的变换角采用VSG转子相位角，此时逆变器的调制波为VSG控制输出经内环双闭环调节后的输出给定值；至此，VSG实现了顺利切入电网，图2给出了虚拟同步机并网切入控制策略的逻辑框图，可以看出，该并网切入控制方式逻辑清晰，易于以C等语言进行控制程序的设计。

当phase_error≥0.1rad，则判断VSG不可切入电网，控制中所使用的变换角采用PLL所得到的电网电压相位角，此时VSG控制的有功功率环路相当于被屏蔽，有功输出接近为零，无功环仍处于控制中，但可以通过设置无功功率给定值控制无功功率输出。

具体实验案例

为验证本发明所提出的虚拟同步机并网切入控制策略，利用实验室中如图1拓扑结构的VSG样机进行了实验验证。主电路电压、电流分别由LV25-P型和LA25-P型传感器进行检测；VSG控制及VSG并网切入控制都在TI公司TMS320F28335型DSP中实现；采样使用DSP自带的12位采样模块，采样频率为10kHz；IGBT控制频率也为10kHz。直流侧电压采用200V，交流侧线电压额定值为76V，并通过1:5的隔离变压器接入线电压额定值为380V的交流配电网中。

由前文叙述可知，此时在DSP中可设置：当直流侧电容电压采样值大于180V，交流侧三相的相电压采样值绝对值相加大于62V，则判断直流侧断路器S₁、交流侧断路器S_T合闸完成。

图3为VSG并网切入实验波形，可以看出，在VSG切入瞬间，系统不产生大的冲击电流。后面电流产生一定超调量，则主要由VSG控制惯性及阻尼参数所控制引起。总体而言，该并网切入控制策略能很好实现VSG投入电网。

Claims (3)

1.一种虚拟同步机并网切入的控制方法，其特征在于，该方法是基于三相桥式逆变器拓扑结构实现虚拟同步机的并网切入控制；包括：按顺序对直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T进行合闸，对合闸后的直流侧电压采样值及交流侧三相的相电压采样值进行采样；如直流侧电压采样值大于直流侧额定电压的0.9倍，且交流侧三相的相电压采样值绝对值相加大于交流侧额定相电压幅值，则认为直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T合闸完成；启动锁相环PLL待其稳定工作，检测虚拟同步机转子相位与锁相环PLL得到的电网电压相位角度差，进行比较；如角度差在0.1 rad以内就切入虚拟同步机控制，否则不执行操作；

该方法具体包括以下步骤：

（1）合闸前的采样

确认主电路中的直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T处于断开状态；利用数字信号处理器DSP对主电路中各路电压和电流信号采集万次级别的数值并进行平均运算，得到对应的采样偏置量，以用于对后续采样偏置数值的校正从而减小采样误差；

（2）主电路合闸

按顺序依次对直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T进行合闸，保证交流电压不会反向馈入直流侧；

（3）合闸后的确认

为保证判断合闸的准确性，检测直流侧电压采样值和交流侧三相的相电压采样值；设直流侧额定电压为U _dc、交流侧额定相电压幅值为U _g，如果直流侧电压采样值大于0.9U _dc，且交流侧三相的相电压采样值绝对值相加大于U _g，则判断直流侧断路器S₁和交流侧断路器S_T合闸完成；

（5）等待锁相环PLL稳定

在判断合闸完成后启动锁相环PLL，等待3秒以上至稳定运行；在此期间，逆变器调制波采用电网电压的采样值，此时输出电流接近为零；

（6）检测虚拟同步机转子相位与电网电压相位角度差

以锁相环PLL检测虚拟同步机转子相位和电网电压相位角度差phase_error；如phase_error < 0.1 rad，则判断虚拟同步机能切入电网，执行切入虚拟同步机控制的操作；如phase_error ≥ 0.1 rad，则判断虚拟同步机不能切入电网。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（6）中，执行切入虚拟同步机控制的操作时，所使用的变换角采用虚拟同步机转子相位角；并网切入完成后，逆变器的调制波是虚拟同步机控制输出的经内环电压电流双闭环调节后的输出给定值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（6）中，当虚拟同步机不能切入电网时，控制所使用的变换角采用锁相环PLL所得到的电网电压相位角，此时虚拟同步机控制的有功功率环路相当于被屏蔽，有功功率输出接近为零；无功功率环路仍处于控制中，但设置无功功率给定值控制无功功率输出。

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