CN109861280A - 基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统，属于微网变流器频率控制技术领域。该控制方法包括以下步骤：1)微网变流器采用虚拟同步机模型进行控制，通过对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，实现微网变流器频率的一次调节；2)在频率一次调节下，当微网变流器输出功率与负荷达到平衡时，以虚拟同步机模型的电磁功率作为动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿。本发明的有益效果是：当微网变流器输出功率与负荷达到平衡时，通过利用虚拟同步机模型的电磁功率作为动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿，实现了微网变流器频率的二次调节，使得微网变流器频率稳定在额定频率，实现简单。

Description

基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统，属于微网变流器频率控制技术领域。

背景技术

对于交流微电网系统，频率稳定是系统可靠运行的必要条件。微网变流器频率控制最常见的是采用有功-频率下垂控制：微网变流器根据下垂曲线和检测的频率自适应调整输出功率和运行频率点，下垂控制为一次调节，频率偏移额定工作点。为实现频率的无差控制，通常会增加频率的二次调节，如采用PI等无差控制器进行调节。无差控制器的引入增大了控制参数设计难度，同时引入新的振荡模态，增加不稳定风险。

虚拟同步发电机(VSG)技术是近年来的研究热点，其将同步发电机本体及其控制器数学模型引入变流器的控制算法，通过调整内电势幅值和功角调节有功、无功输出。VSG技术用于微网变流器，可使变流器调频、调压具备惯量/阻尼特性，有效抑制并网点频率振荡，增强并网点电压强度。例如公布号为CN107887926A的发明专利申请文件，公开了一种园区型负荷虚拟同步协调控制系统，该控制系统根据频率变化情况，通过功频器控制机械功率改变实现一次调频，通过改变频率曲线使系统重新回到额定频率实现二次调频。该文件虽然公开了二次调频的内容，但是并没有给出具体手段。和常规变流器一样，基于VSG技术的微网变流器频率二次调节同样存在参数设计复杂和不稳定风险问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统，用以解决目前采用VSG技术进行微电网变流器频率控制，存在的参数设计复杂、难以实现的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，该控制方法包括以下步骤：

1)微网变流器采用虚拟同步机模型进行控制，通过对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，实现微网变流器频率的一次调节；

2)在频率一次调节下，当微网变流器输出功率与负荷达到平衡时，以虚拟同步机模型的电磁功率作为动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿。

本发明还提供了一种基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制系统，包括处理器和存储器，所述处理器用于运行存储在所述存储器中的程序指令，以实现如下方法：

1)微网变流器采用虚拟同步机模型进行控制，通过对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，实现微网变流器频率的一次调节；

2)在频率一次调节下，当微网变流器输出功率与负荷达到平衡时，以虚拟同步机模型的电磁功率作为动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿。

本发明的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统的有益效果是：当微网变流器输出功率与负荷达到平衡时，通过利用虚拟同步机模型的电磁功率作为动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿，实现了微网变流器频率的二次调节，使得微网变流器频率稳定在额定频率，实现简单。

为了使得到的动态负荷补偿量更加精准，进一步提高频率调节的稳定性，作为对上述基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统的一种改进，所述动态负荷补偿量通过将虚拟同步机模型的电磁功率进行低通滤波和求平均得到。

为了实现低通滤波，作为对上述基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统的另一种改进，所述低通滤波采用的低通滤波器的传递函数G(s)为：

其中，G₀为低通滤波器增益，ω_n为低通滤波器截止频率，ξ为阻尼系数。

为了更精确地对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，作为对上述基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统的又一种改进，所述步骤1)采用功频控制器对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，功频控制器的模型描述为：

T_m＝[P_ref-k_f(f-f₀)P_N]/ω

其中，T_m为虚拟同步机模型的机械转矩，f、f₀分别为虚拟同步机模型的机端电压频率、机端电压额定频率，P_N为虚拟同步机模型的额定功率，P_ref为有功功率指令值，k_f为一次调频系数，ω为虚拟同步机模型的角速度。

为了更精确地对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿，作为对上述基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统的再一种改进，利用所述动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿，具体为：

P_m′＝k_f(f_n-f_r)+P_{e_avg}

其中，P_m′为补偿后的虚拟同步机模型的机械功率，k_f为一次调频系数，f_n为虚拟同步机模型的额定频率，f_r为虚拟同步机模型的转子频率，P_{e_avg}为动态负荷补偿量。

为了更精确地对微网变流器频率进行调节，作为对上述基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法及系统的进一步改进，所述虚拟同步机模型为：

其中，ω、ω₀分别为虚拟同步机模型的角速度、额定角速度，H为虚拟同步机模型的惯性时间常数，T_m、T_e分别为虚拟同步机模型的机械转矩、电磁转矩，K_d为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步机模型的定子电阻、定子电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为虚拟同步机模型的三相内电势、三相机端电压、三相定子电流，P_e为虚拟同步机模型的电磁功率，i_a、i_b、i_c为单相定子电流，e_a、e_b、e_c为单相内电势。

附图说明

图1是本发明的虚拟同步机模型图；

图2是本发明的机械功率补偿框图；

图3是本发明的频率二次调节原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法实施例：

本发明的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，包括以下步骤：

1)微网变流器采用虚拟同步机模型进行控制，通过对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，实现微网变流器频率的一次调节。

其中，本发明采用功频控制器对虚拟同步机模型(也称VSG)的机械转矩进行控制，从而实现微网变流器频率的一次调节，其中VSG的机械转矩由功频控制器计算得到。

如图1所示，虚拟同步机模型为：

其中，ω、ω₀分别为VSG的角速度、额定角速度，H为VSG的惯性时间常数，T_m、T_e分别为VSG的机械转矩、电磁转矩，P_e为VSG的电磁功率，K_d为阻尼系数，R、L分别为VSG的定子电阻、定子电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为VSG的三相内电势、三相机端电压、三相定子电流，i_a、i_b、i_c为单相定子电流，e_a、e_b、e_c为单相内电势，θ为VSG的转子相角。

功频控制器的模型为：

T_m＝[P_ref-k_f(f-f₀)P_N]/ω

其中，T_m为VSG的机械转矩，f、f₀分别为VSG的机端电压频率、机端电压额定频率，P_N为VSG的额定功率，P_ref为有功功率指令值，k_f为一次调频系数，ω为VSG的角速度。

实现微网变流器频率的一次调节的具体过程如下：

当微网变流器运行在稳态工作点时，虚拟同步机模型的机械功率与电磁功率达到平衡；

当负荷突增时，虚拟同步机模型输出电磁功率随之增大，其机械功率与电磁功率失衡，微网变流器频率降低。一次调节控制器(即功频控制器)根据频率偏差增大虚拟同步机模型的机械功率，使其机械功率与电磁功率重新达到稳态，但由于一次调节为有差调节，微网变流器新的稳态工作点频率向下偏移；

当负荷突减时，虚拟同步机模型输出电磁功率随之减小，其机械功率与电磁功率失衡，微网变流器频率升高。一次调节控制器根据频率偏差减小虚拟同步机模型的机械功率，使其机械功率与电磁功率重新达到稳态，但由于一次调节为有差调节，微网变流器新的稳态工作点频率向上偏移。

2)在频率一次调节下，当微网变流器输出功率与负荷达到平衡时，以虚拟同步机模型的电磁功率作为动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿。

其中，本发明通过将虚拟同步机模型的电磁功率进行低通滤波和求平均，得到动态负荷补偿量，并采用动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿，实现微网变流器频率的二次调节，从而使微网变流器频率稳定在额定频率。

动态负荷补偿量的计算过程如下：

由于稳态下，VSG的机械功率P_m、电磁功率P_e、系统负荷P_L三者近似相等，因此，可将电磁功率P_e作为负荷动态估算值。同时，为防止补偿过程中的振荡失稳，需对电磁功率P_e进行低通滤波和求平均处理，最终得到动态负荷补偿量P_{e_avg}。

低通滤波器的传递函数如下：

其中，G₀为滤波器增益，ω_n为滤波器截止频率，ξ为阻尼系数。工程上一般设置G₀＝1，ξ按“二阶最优系统”整定为0.707，ω_n根据仿真或试验结果进行调整，优选ω_n<ω₀/5。

如图2所示，利用动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿，具体为：

P_m′＝k_f(f_n-f_r)+P_{e_avg}

其中，P_m′为补偿后的虚拟同步机模型的机械功率，k_f为一次调频系数，f_n为虚拟同步机模型的额定频率，f_r为虚拟同步机模型的转子频率，P_{e_avg}为动态负荷补偿量。

如图3所示，在功频控制器一次调节控制下，当微网变流器输出功率P与负荷P_L达到平衡时，微网变流器运行于工作点A，微网变流器输出频率相对其额定频率f_N的偏移量为-△f；加入频率二次调节后，一次调节频率-功率下垂曲线右移，稳态时，微网变流器运行于工作点A′，微网变流器输出额定频率f_N，负荷仍为P_L。

基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制系统实施例：

本发明的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制系统，包括处理器和存储器，处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现本发明的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，具体方法参见基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法实施例。

Claims (7)

1.一种基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

1)微网变流器采用虚拟同步机模型进行控制，通过对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，实现微网变流器频率的一次调节；

2)在频率一次调节下，当微网变流器输出功率与负荷达到平衡时，以虚拟同步机模型的电磁功率作为动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，其特征在于，所述动态负荷补偿量通过将虚拟同步机模型的电磁功率进行低通滤波和求平均得到。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，其特征在于，所述低通滤波采用的低通滤波器的传递函数G(s)为：

其中，G₀为低通滤波器增益，ω_n为低通滤波器截止频率，ξ为阻尼系数。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，其特征在于，所述步骤1)采用功频控制器对虚拟同步机模型的机械转矩进行控制，功频控制器的模型描述为：

T_m＝[P_ref-k_f(f-f₀)P_N]/ω

其中，T_m为虚拟同步机模型的机械转矩，f、f₀分别为虚拟同步机模型的机端电压频率、机端电压额定频率，P_N为虚拟同步机模型的额定功率，P_ref为有功功率指令值，k_f为一次调频系数，ω为虚拟同步机模型的角速度。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，其特征在于，利用所述动态负荷补偿量对虚拟同步机模型的机械功率进行补偿，具体为：

P′_m＝k_f(f_n-f_r)+P_{e_avg}

其中，P′_m为补偿后的虚拟同步机模型的机械功率，k_f为一次调频系数，f_n为虚拟同步机模型的额定频率，f_r为虚拟同步机模型的转子频率，P_{e_avg}为动态负荷补偿量。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制方法，其特征在于，所述虚拟同步机模型为：

其中，ω、ω₀分别为虚拟同步机模型的角速度、额定角速度，H为虚拟同步机模型的惯性时间常数，T_m、T_e分别为虚拟同步机模型的机械转矩、电磁转矩，K_d为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步机模型的定子电阻、定子电感，e_abc、u_abc、i_abc分别为虚拟同步机模型的三相内电势、三相机端电压、三相定子电流，P_e为虚拟同步机模型的电磁功率，i_a、i_b、i_c为单相定子电流，e_a、e_b、e_c为单相内电势。

7.一种基于虚拟同步发电机的微网变流器频率控制系统，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于运行存储在所述存储器中的程序指令，以实现权利要求1-6任一项所述方法。