CN109980701A - 微电网虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种微电网虚拟同步发电机控制方法，包括：计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值；对差值进行微分，得到有功功率差值微分前馈量；将有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略中，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数。本申请实现对微电网内有功功率不平衡量进行检测，提高虚拟同步发电机对微电网功率变化的响应速度，增加系统阻尼，减小微电网频率的超调、幅值偏差及变化速率，提升微电网的频率稳定性。

Description

微电网虚拟同步发电机控制方法
技术领域
本申请涉及虚拟同步发电机领域，尤其是一种微电网虚拟同步发电机控制方法。
背景技术
微电网是一种有效整合各种分布式电源(Distributed Generator，DG)的电网结构，通过对各种微电源的灵活控制，提高供电可靠性和电能质量，避免分布式电源单独供电对电网安全性、稳定性和电能质量等造成冲击。微电网中可再生能源渗透率的不断升高，系统的惯性和阻尼水平逐渐降低，降低系统的稳定性。虚拟同步发电机技术通过控制策略模拟同步发电机工作原理，使得电力电子变流器能够像同步发电机一样，为系统提供惯性和阻尼。
现有的虚拟同步发电机控制技术通过检测微电网频率变化，对微电网内有功功率不平衡情况做出判断，进而对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整，提高系统的频率稳定性，其实质是系统频率闭环控制。但是，由于微电网内可再生能源出力的变化及负荷的波动都会引起系统频率的变化，新能源出力的变化及负荷的波动超前于微电网频率变化。因此，依靠微电网频率闭环控制来动态调整虚拟同步发电机有功功率的方法，存在补偿滞后，系统频率的超调、幅值偏差及变化速率控制效果不明显的问题。
发明内容
为至少在一定程度上克服虚拟同步发电机依靠频率闭环控制来动态调整输出有功功率的方法，存在的滞后性、频率的超调、幅值偏差及变化速率控制效果不明显的问题，本申请提供一种微电网虚拟同步发电机控制方法，包括：
计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值；
对所述差值进行微分，得到有功功率差值微分前馈量；
将所述有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略中，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数。
进一步的，所述计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值，包括：
检测微电网内可再生能源输出电流、负载电流、微电网电压；
计算虚拟同步发电机输出可再生能源输出瞬时有功功率、负载瞬时有功功率；
通过陷波滤波器进行滤波，得到滤除谐波后的可再生能源输出有功功率、负载有功功率。
计算滤波后可再生能源输出有功功率、负载有功功率的差值。
进一步的，所述将所述有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略中，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数，包括：
将所述有功功率差值微分前馈量带入转子运动方程；
计算出虚拟同步电机机械角速度及电角速度；
根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机内电势基准电压。
进一步的，所述根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机内电势基准电压，包括：
根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机相位；
根据所述虚拟同步发电机暂态内电势幅值、虚拟同步发电机相位计算出所述虚拟同步发电机内电势基准电压。
进一步的，所述方法还包括电压电流控制环，将所述虚拟同步发电机内电势基准电压输入所述电压电流控制环得到虚拟同步发电机机端电压参考值。
进一步的，所述方法还包括脉宽调制模块，将所述虚拟同步发电机机端电压参考值输入所述脉宽调制模块得到PWM波形，实现对所述虚拟同步发电机的控制。
进一步的，所述计算出虚拟同步发电机暂态内电势幅值，还包括：
检测虚拟同步发电机输出电压及输出电流，根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到虚拟同步电机输出无功功率；
预设虚拟同步电机的无功功率指令值，根据所述虚拟同步电机无功功率指令值和所述虚拟同步电机输出无功功率计算出虚拟同步发电机暂态内电势幅值。
进一步的，所述根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到虚拟同步电机输出无功功率包括：
根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算出瞬时无功功率；
将所述瞬时无功功率输入低通滤波器得到所述虚拟同步电机输出无功功率。
进一步的，所述转子运动方程还包括虚拟同步电机输出有功功率。
进一步的，所述虚拟同步电机输出有功功率根据虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请中通过计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值，实现对微电网内有功功率不平衡量进行检测，通过对差值进行微分，得到有功功率差值微分前馈量，将有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数，从而实现对微电网内有功功率不平衡量的快速补偿，提高虚拟同步发电机对微电网功率变化的响应速度，增加系统阻尼，减小微电网频率的超调、幅值偏差及变化速率，提升微电网的频率稳定性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的一种微电网虚拟同步发电机控制方法的流程图。
图2是本申请一个实施例提供的一种微电网虚拟同步发电机控制方法的微电网结构图。
图3是本申请一个实施例提供的一种微电网虚拟同步发电机拓扑与控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
图1是本申请一个实施例提供的一种微电网虚拟同步发电机控制方法的流程图。
如图1所示，本实施例的微电网虚拟同步发电机控制方法包括：
S11：计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值；
S12：对所述差值进行微分，得到有功功率差值微分前馈量；
S13：将所述有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略中，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数。
计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值可以实现对微电网内有功功率不平衡量进行及时检测，避免单独依靠系统频率闭环控制来调整虚拟同步发电机输出有功功率带来的补偿滞后问题。
作为本发明可选的一种实现方式，所述计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值，包括：
检测微电网内可再生能源输出电流、负载电流、微电网电压；
计算虚拟同步发电机输出可再生能源输出瞬时有功功率、负载瞬时有功功率；
通过陷波滤波器进行滤波，得到滤除谐波后的可再生能源输出有功功率、负载有功功率。
计算滤波后可再生能源输出有功功率、负载有功功率的差值。
例如，检测微电网内可再生能源输出电流i1abc、负载电流i2abc、微电网电压egabc，计算虚拟同步发电机输出可再生能源输出瞬时有功功率p1、负载瞬时有功功率p2，通过陷波滤波器进行滤波，得到滤除谐波后的输出有功功率P1。负载有功功率P2。i1d、i1q为i1abc分别在同步旋转dq坐标系下的d、q轴分量，i2d、i2q为i2abc分别在同步旋转dq坐标系下的d、q轴分量，egd、egq为egabc在同步旋转dq坐标系下的d、q轴分量。瞬时有功功率计算公式如下：
陷波滤波器传递函数为：ωy为需要滤除的谐波角频率，s传递函数中的表示微分的算子。
微电网系统内功率不平衡情况可用负载有功功率与可再生能源输出有功功率的差值ΔP表示，ΔP＝P2-P1。
对微电网内可再生能源输出有功功率与负载有功功率间的差值ΔP进行微分，并乘以系数K，得到有功功率差值微分前馈量P′，P′＝KΔPs。
通过对差值进行微分，得到有功功率差值微分前馈量，将有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略，实现对虚拟同步发电机输出有功功率的动态调整。
本实施例中，通过计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载瞬时有功功率的差值，实现对微电网内有功功率不平衡量进行检测，通过对差值进行微分，得到有功功率差值微分前馈量，将有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数，从而实现微电网有功功率不平衡量的实时补偿，提高虚拟同步发电机对微电网有功功率变化的响应速度，增加系统阻尼，减小微电网频率的超调、幅值偏差及变化速率，提升微电网的频率稳定性。
图2是本申请一个实施例提供的一种微电网虚拟同步发电机控制方法的微电网结构图。图3是本申请一个实施例提供的一种微电网虚拟同步发电机拓扑与控制框图。
如图2、图3所示，本实施例的微电网虚拟同步发电机控制方法包括：
作为本发明可选的一种实现方式，所述将所述有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略中，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数，包括：
将所述有功功率差值微分前馈量带入转子运动方程；
计算出虚拟同步电机机械角速度及电速度，虚拟同步发电机极对数等于1时，虚拟同步发电机机械角速度等于虚拟同步发电机电角速度；
根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机内电势基准电压。
微电网系统结构如图2所示，可再生能源经过变流器后接入微电网，虚拟同步发电机接入微电网，负载接入微电网，i1abc为可再生能源变流器输出电流、i2abc为负载电流、ioabc为虚拟同步发电机输出电流，egabc为电网电压。微电网虚拟同步发电机拓扑与控制框图如图3所示，P为输出有功功率、为输出无功功率Q，Pref为有功功率给定值、Qref为无功功率给定值，ω0为额定角速度，ω为虚拟同步发电机机械角速度，E为虚拟同步发电机暂态内电势幅值，θ为虚拟同步发电机相位，egabc为电网电压，根据此时转子运动方程可得：
Pm为虚拟同步发电机的机械功率，Pe为虚拟同步发电机的电磁功率，PD为阻尼功率；有功功率差值微分前馈量P′，P′＝KΔPs。
由此可得虚拟同步发电机Pe-ω(Pe为虚拟同步发电机的电磁功率，即虚拟同步发电机输出有功功率P)特性可表示为：
Pref为有功功率给定值，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼系数，ω0为额定角速度，ω为机械角速度，在极对数为1时，则电角速度和机械角速度相等，m为有功下垂系数，s传递函数中的表示微分的算子。
作为本发明可选的一种实现方式，所述转子运动方程还包括虚拟同步电机输出有功功率。
作为本发明可选的一种实现方式，所述虚拟同步电机输出有功功率根据虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到。
瞬时有功功率p，p＝1.5(uodiod+uodioq)，瞬时无功功率p经过低通滤波器后得到有功功率P。
传统的虚拟同步发电机Pe-ω特性，可表示为：
从上式可以看出，输出频率ω与频率偏差(ω0-ω)、功率偏差(Pref-Pe)之间都呈现低通滤波器特性，存在一定滞后性。
在系统内功率出现不平衡时，增加系统有功功率不平衡微分前馈之后，虚拟同步发电机根据功率不平衡微分量进行输出功率动态调整，增加系统阻尼，减小系统频率偏差及频率变化率，减小频率稳定时间。
作为本发明可选的一种实现方式，所述根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机内电势基准电压，包括：
根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机相位，虚拟同步发电机相位等于虚拟同步发电机电角速度对时间的积分；
根据所述虚拟同步发电机暂态内电势幅值、虚拟同步发电机相位计算出所述虚拟同步发电机内电势基准电压。
作为本发明可选的一种实现方式，所述计算出虚拟同步发电机暂态内电势幅值，还包括：
检测虚拟同步发电机输出电压及输出电流，根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到虚拟同步电机输出无功功率；
预设虚拟同步电机的无功功率指令值，根据所述虚拟同步电机无功功率指令值和所述虚拟同步电机输出无功功率计算出虚拟同步发电机暂态内电势幅值。
作为本发明可选的一种实现方式，所述根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到虚拟同步电机输出无功功率包括：
根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算出瞬时无功功率；
将所述瞬时无功功率输入低通滤波器得到所述虚拟同步电机输出无功功率。
虚拟同步发电机暂态内电势幅值E由下式表示：
E＝E0+EQ＝E0+n(Qref-Q)
EQ为励磁控制器输出，E0为空载电势，Qref为虚拟同步发电机无功功率给定值，n为无功下垂系数，Q为无功功率，Q等于瞬时无功功率q经过低通滤波器之后的值。
q＝1.5(uoqiod-uodioq)
θ为虚拟同步发电机相位，θ＝∫ωdt，得到虚拟同步发电机内电势基准电压ea、eb、ec，公式如下式：
[ea eb ec]＝E[sin(θ) sin(θ-2π/3) sin(θ+2π/3)]
作为本发明可选的一种实现方式，所述方法还包括电压电流控制环，将所述虚拟同步发电机内电势基准电压输入所述电压电流控制环得到虚拟同步发电机机端电压参考值。
作为本发明可选的一种实现方式，所述方法还包括脉宽调制模块，将所述虚拟同步发电机机端电压参考值输入所述脉宽调制模块得到PWM波形，实现对虚拟同步发电机的控制。
脉宽调制模块例如为SVPWM，SVPWM是空间矢量脉宽调制(Space Vector PulseWidth Modulation)的简称，SVPWM在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小；利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单；逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的正弦波脉宽调制逆变器输出电压高15％。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，包括：
计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值；
对所述差值进行微分，得到有功功率差值微分前馈量；
将所述有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略中，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数。
2.根据权利要求1所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述计算微电网内可再生能源输出有功功率及负载有功功率的差值，包括：
检测微电网内可再生能源输出电流、负载电流、微电网电压；
计算虚拟同步发电机输出可再生能源输出瞬时有功功率、负载瞬时有功功率；
通过陷波滤波器进行滤波，得到滤除谐波后的可再生能源输出有功功率、负载有功功率。
计算滤波后可再生能源输出有功功率、负载有功功率的差值。
3.根据权利要求1所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述将所述有功功率差值微分前馈量带入虚拟同步控制策略中，得到对虚拟同步发电机输出有功功率进行动态调整的控制参数，包括：
将所述有功功率差值微分前馈量带入转子运动方程；
计算出虚拟同步电机机械角速度和电角速度；
根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机内电势基准电压。
4.根据权利要求3所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机内电势基准电压，包括：
根据所述虚拟同步电机电角速度计算出虚拟同步发电机相位；
根据所述虚拟同步发电机暂态内电势幅值、虚拟同步发电机相位计算出所述虚拟同步发电机内电势基准电压。
5.根据权利要求4所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，还包括电压电流控制环，将所述虚拟同步发电机内电势基准电压输入所述电压电流控制环得到虚拟同步发电机机端电压参考值。
6.根据权利要求5所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，还包括脉宽调制模块，将所述虚拟同步发电机机端电压参考值输入所述脉宽调制模块得到PWM波形，实现对虚拟同步发电机控制。
7.根据权利要求4所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，计算出虚拟同步发电机暂态内电势幅值，还包括：
检测虚拟同步发电机输出电压及输出电流，根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到虚拟同步电机输出无功功率；
预设无功功率指令值，根据所述虚拟同步电机无功功率指令值和所述虚拟同步电机输出无功功率计算出虚拟同步发电机暂态内电势幅值。
8.根据权利要求7所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到虚拟同步电机输出无功功率包括：
根据所述虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算出瞬时无功功率；
将所述瞬时无功功率输入低通滤波器得到所述虚拟同步电机输出无功功率。
9.根据权利要求3所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述转子运动方程还包括虚拟同步电机输出有功功率。
10.根据权利要求9所述的微电网虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述虚拟同步电机输出有功功率根据虚拟同步发电机输出电压及输出电流计算得到。
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