CN110233500A - 虚拟同步发电机离网切换到并网的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，采用三相桥式逆变器并网结构和虚拟同步发电机控制方法，并结合二次调频调压策略以及直接电压鉴相原理，实现虚拟同步发电机离并网的无缝切换。首先，利用电能质量检测装置检测电网输出电压值和频率值；然后，将其作为微电网孤岛运行时的给定值，以频率偏差积分反馈实现频率二次调频，以电压偏差积分反馈实现二次调压；最后，计算微电网相电压与电网线电压相互垂直识别两者相位相同，实现无需锁相环的离并网无缝切换。本发明无需锁相环，只需切换策略，即可实现以较小的超调和较短的时间实现离并网无缝切换，进而提高电网稳定性。

Description

虚拟同步发电机离网切换到并网的方法

技术领域

本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种基于二次调频调压和电压鉴相原理的虚拟同步发电机离网切换到并网的方法。

背景技术

近年来，利用可再生能源供电的分布式发电技术得到了世界各国的重视。微电网可聚集小容量发电单元，减少发电功率不稳定性，可通过自我管理实现独立安全可靠供电，是大电网的有益补充。逆变器是可再生资源与电网能量交换的枢纽，是将新能源产生的电能转化为用户电能的关键设备，能够模拟同步发电机转动惯性的虚拟同步发电机控制方法受到研究者们的重视。

虚拟同步发电机由离网运行突然切换并网运行，由于离网电压和大电网电压会出现幅值、相位和频率的偏差，因此产生非常大的功率冲击，甚至导致运行方式切换失败。因此，由离网电压自动跟踪电网电压实现无冲击的闭合并网开关是研究过程的重点和难点。

目前国内外对同塔多回输电线路不平衡度的研究，主要存在以下问题：①离并网切换时若采用传统预同步并网方式，需时刻量测微电网输出电压以及电网电压的相位、频率和幅值信息；②传统控制需增加额外的锁相环以及其他测量系统，实现方式复杂对不平衡衡量指标的计算。

发明内容

本发明是针对国内外虚拟同步发电机离网和并网无缝切换的问题，提出了一种虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，本发明采用三相桥式逆变器并网结构和虚拟同步发电机控制方法，并结合二次调频调压策略以及直接电压鉴相原理，实现虚拟同步发电机离并网的无缝切换。

本发明的技术方案为：一种虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，具体包括如下步骤：

1)直流电压经过三相逆变器转换为交流电输出，输出交流电通过串联滤波电感和并联滤波电容后接入交流电网，并网连接点PCC由断路器连接微网和三相交流网；电能质量检测装置检测公共连接点PCC断路器两侧电压和频率，判断微电网处于离网运行，并且微网中央控制器接收到并网指令，微网中央控制器执行并网预同步指令，对电能质量进行判断，这时若电能质量满足要求，发出使能信号，并网连接点PCC断路器闭合；若电网电能质量不满足要求，则返回“不可并网运行”提示；

2)下达并网预同步指令后，首先，将三相交流电网相电压u_g和微电网三相逆变器输出电压u_mg变换为dq坐标系下电压直轴分量u_gd、u_d和交轴分量u_gq、u_q，然后将三相交流电网电压直轴分量和频率值作为微电网无功电压控制器电压给定值U_gref和功率外环频率给定值ω₀；计算微电网输出有功功率P、无功功率Q以及输出电压瞬时幅值U_mg；

3)并网预同步环节：有功功率给定值P_ref和频率给定值ω₀经过改进型功率外环生成相位角θ,微电网电压给定值U_gref经过无功电压控制器生成无功电压控制器电压产生值U_ref；改进型功率外环中加入预同步调节信号S,利用PI调节器对预同步调节信号S进行调节，将调节后输出信号Δω_s叠加于虚拟同步发电机给定频率上；

4)基于步骤3)中无功电压控制器产生值U_ref经过虚拟同步发电机二阶数学模型、dq坐标系下电压环以及电流内环变换，得到正弦脉宽调制信号的直轴和交轴分量，然后，经过dq/abc反变换以及SPWM模块，生成触发脉冲信号；

5)设定连接点PCC断路器合闸阈值,当在预同步过程中，满足合闸条件时，发出合闸信号,PCC断路器合闸，并网稳定后，关断并网预同步环节中加入的预同步调节信号，完成离并网切换，

合闸条件为：

式中：Δω、Δθ、ΔU分别为微电网和三相电网之间的频率偏差、相位差、电压差；A、B、C分别为频率偏差、相位差、电压差的判断阈值。

所述步骤3)具体实现方法如下：

改进型功率外环包括：一次调频环节、转子运动方程、频率偏差反馈环节和预同步调节环节，其中，模拟同步发电机调速器的一次调频环节的表达式：

p_m＝p_ref+k_w(ω₀-ω)

式中：P_m为原动机输入机械功率；P_ref为给定有功；K_w为功频调差系数；ω₀、ω分别为虚拟同步机参考角频率和实际值；

一次调频环节后引入同步发电机转子运动方程：

式中：J为虚拟同步发电机的转动惯量；P_e为输出电磁功率；δ为功角；D为阻尼系数；

在转子运动方程中引入频率偏差积分反馈环节，该积分环节和阻尼D并联共同组成PI控制器，离并网转换时，通过闭合开关S₁实现频率偏差积分反馈环节的映入，达到频率的无误差跟踪的目的；

无功电压控制器是在无功电压下垂控制的基础上，离并网转换时，通过闭合开关S₂引入电压前馈补偿环节；

在闭合开关S₁和S₂后，微电网电压和频率恢复额定值后，通过闭合开关S₃引入并网预同步环节，利用PI2调节器对预同步调节信号S进行调节，将调节后输出信号Δω_s叠加于VSG给定频率上。

所述步骤3)中预同步调节信号S为：

式中：u_mga、u_mgb、u_mgc为微电网输出三相电压；u_ga、u_gb、u_gc为三相交流网三相相电压；u_lg为三相交流电网三相线电压向量，θ为改进型功率外环生成相位角。

所述步骤2)中计算微电网输出有功功率P、无功功率Q以及输出电压瞬时幅值U_mg方法如下：

微电网输出三相电压值u_mgabc和三相电流值i_mgabc输入功率计算得到瞬时有功P_e和瞬时无功功率值Q_e，然后再经过低通滤波器得到有功功率P和无功功率Q；其中，P_e、Q_e分别为：

低通滤波器采样时间为5×10^-6s，时间常数为1/100/π；将微电网三相电压u_mg变换为αβ坐标系下值u_α、u_β，则输出电压瞬时幅值

本发明的有益效果在于：本发明虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，考虑了传输功率主要与电压幅值和相角相关，在PCC(point of common coupling公共连接点)断路器两侧电压幅值相等的前提下，利用电压鉴相原理，提出了一种离并网无缝切换方法。运用该方法，能够实现无需锁相环离并网切换，并且该方法能够以较短时间、较小的波动实现离并网的无缝切换。

附图说明

图1为本发明虚拟同步发电机主电路及控制结构框图；

图2为本发明整体控制结构示意图。

具体实施方式

如图1所示虚拟同步发电机主电路及控制结构框图，直流电压经过三相逆变器转换为交流电输出，输出交流电通过串联滤波电感和并联滤波电容后接入交流电网，并网连接点PCC由断路器连接微网和三相交流网。U_dc为直流侧电压；L_f、C_f为滤波电感和电容；i_Labc为滤波电感三相电流；u_mgabc为逆变器输出三相电压；i_mgabc为逆变器输出三相电流；P、Q为微电网输出有功功率P、无功功率Q；P_ref、Q_ref为有功和无功功率参考值，U₀、ω₀为虚拟同步机参考端口电压和参考角频率；S为离并网转换开关；u_abc为三相逆变器的三相触发脉冲信号。如图2所示，P、Q、P_ref、Q_ref、U₀、ω₀送入虚拟同步发电机VSG的有功环(p-f下垂)和无功环(Q-V下垂),再通过dq坐标系虚拟同步发电机方程，得到电压环给定电压直轴分量和交轴分量u_d*和u_q*，滤波电感电流i_Labc和三相逆变器输出电压u_mgabc输入abc/dq转换后输出的dq坐标系下滤波电感电流直轴分量和交轴分量i_Ldq和三相逆变器输出电压直轴分量和交轴分量u_dq；u_d*、u_q*、i_Ldq和u_dq送入电压电流双环控制得到指令电压u_abc，送入SPWM经过调制后输出开关驱动信号，对三相逆变器进行控制。

参见图2本发明整体控制结构示意图，一种基于二次调频调压和电压鉴相原理的虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，包括如下步骤：

1、电能质量检测装置检测公共连接点PCC断路器两侧电压和频率，判断微电网处于离网运行，并且微网中央控制器接收到并网指令，微网中央控制器执行并网预同步指令，对电能质量进行判断，这时若电网电能质量满足要求，发出使能信号(图1中S开关动作，图2中PCC断路器闭合)；若电网电能质量不满足要求，则返回“不可并网运行”提示；

2、下达并网预同步指令后，首先，将三相交流电网相电压u_g和微电网三相逆变器输出电压u_mg变换为dq坐标系下电压直轴分量u_gd、u_d和交轴分量u_gq、u_q，滤波电感电流i_Labc变换为dq坐标系下i_Ld、i_Lq,微电网输出三相电流i_mgabc变换为i_d、i_q，然后将三相交流电网电压直轴分量和频率值作为无功电压控制器给定值U_gref和功率外环频率给定值ω₀；此外，还需要进行相关值计算，包括：微电网输出有功功率P、无功功率Q以及输出电压瞬时幅值u_m；u_mgabc和i_mgabc输入功率计算得到瞬时有功P_e和瞬时无功功率值Q_e，然后再经过低通滤波器得到有功功率P和无功功率Q；其中，P_e、Q_e分别为：

低通滤波器采样时间为5×10^-6s，时间常数为1/100/π；输出电压瞬时值计算为：首先，将微电网三相电压u_mg变换为αβ坐标系下值u_α、u_β，则输出电压瞬时幅值

3、并网预同步环节：有功功率给定值P_ref和频率给定值ω₀经过改进型功率外环生成相位角θ,微电网电压给定值U_gref经过无功电压控制器生成无功电压控制器电压产生值U_ref。改进型功率外环包括：一次调频环节、转子运动方程、频率偏差反馈环节和预同步调节环节，其中，模拟同步发电机调速器的一次调频环节，虚拟调速器的表达式：

p_m＝p_ref+k_w(ω₀-ω)

式中：P_m为原动机输入机械功率；P_ref为给定有功；K_w为功频调差系数；ω₀、ω分别为虚拟同步机参考角频率和实际值。

虚拟调速器后引入同步发电机转子运动方程：

式中：J为虚拟同步发电机的转动惯量；P_e为输出电磁功率；δ为功角；D为阻尼系数。

在转子运动方程中引入频率偏差积分反馈环节，该积分环节和阻尼D并联共同组成PI控制器，达到频率的无误差跟踪的目的。离并网转换时，闭合开关S₁可实现微电网频率跟踪大电网频率。

改进的无功电压控制器是在无功电压下垂控制的基础上，通过闭合开关S₂引入电压前馈补偿环节，当微电网无功负荷突增，前馈控制环节起作用，交流母线电压降低时，通过PI1调节器反馈回路的增益增加，使得虚拟同步机输出电压增加，使母线电压恢复正常值，明显提高微电网电压的稳定性。

在闭合开关S₁和S₂后，微电网电压和频率恢复额定值后，，通过闭合开关S₃引入并网预同步环节，利用PI2调节器对预同步调节信号S进行调节，将调节后输出信号Δω_s叠加于VSG给定频率上。其中，预同步调节信号S为：

式中：u_lg为三相交流电网三相线电压向量，θ为改进型功率外环生成相位角。

4、基于3中无功电压控制器产生值(U_ref)经过虚拟同步发电机二阶数学模型、dq坐标系下电压环以及电流内环变换，得到正弦脉宽调制信号的直轴和交轴分量，然后，经过dq/abc反变换以及SPWM模块，生成触发脉冲信号；虚拟同步发电机二阶数学模型为：

式中：u_d*、u_q*分别为电压环参考电压直轴分量和交轴分量；U_ref为无功电压控制器产生值；L_s、R_s分别为虚拟同步发电机等效定子电感和电阻。微网逆变器等效输出阻抗多以感性为主，此案例选取R_s＝0。

5、设定断路器合闸阈值,当在预同步过程中，满足合闸条件时，发出合闸信号,PCC断路器合闸，电网稳定后，打开开关S₁、S₂、S₃，完成离并网切换。

合闸条件为：

式中：Δω、Δθ、ΔU分别为微电网和三相电网之间的频率偏差、相位差、电压差；A、B、C分别为频率偏差、相位差、电压差的判断阈值。此案例选取A＝15rad，B＝5°，C＝10V。

本发明首先，利用电能质量检测装置检测电网输出电压值和频率值；然后，将其作为微电网孤岛运行时的给定值，以频率偏差积分前馈实现频率二次调频，以电压偏差积分前馈实现二次调压；最后，计算微电网相电压与电网线电压相互垂直识别两者相位相同，实现无需锁相环的离并网无缝切换。本发明无需锁相环，只需切换策略，即可实现以较小的超调和较短的时间实现离并网无缝切换，进而提高电网稳定性。为以虚拟同步发电机控制的微电网安全可靠并网提供理论指导，利于虚拟同步发电机技术在新能源领域的推广。

Claims (4)

1.一种虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)直流电压经过三相逆变器转换为交流电输出，输出交流电通过串联滤波电感和并联滤波电容后接入交流电网，并网连接点PCC由断路器连接微网和三相交流网；电能质量检测装置检测公共连接点PCC断路器两侧电压和频率，判断微电网处于离网运行，并且微网中央控制器接收到并网指令，微网中央控制器执行并网预同步指令，对电能质量进行判断，这时若电能质量满足要求，发出使能信号，并网连接点PCC断路器闭合；若电网电能质量不满足要求，则返回“不可并网运行”提示；

2)下达并网预同步指令后，首先，将三相交流电网相电压u_g和微电网三相逆变器输出电压u_mg变换为dq坐标系下电压直轴分量u_gd、u_d和交轴分量u_gq、u_q，然后将三相交流电网电压直轴分量和频率值作为微电网无功电压控制器电压给定值U_gref和功率外环频率给定值ω₀；计算微电网输出有功功率P、无功功率Q以及输出电压瞬时幅值U_mg；

3)并网预同步环节：有功功率给定值P_ref和频率给定值ω₀经过改进型功率外环生成相位角θ,微电网电压给定值U_gref经过无功电压控制器生成无功电压控制器电压产生值U_ref；改进型功率外环中加入预同步调节信号S,利用PI调节器对预同步调节信号S进行调节，将调节后输出信号Δω_s叠加于虚拟同步发电机给定频率上；

4)基于步骤3)中无功电压控制器产生值U_ref经过虚拟同步发电机二阶数学模型、dq坐标系下电压环以及电流内环变换，得到正弦脉宽调制信号的直轴和交轴分量，然后，经过dq/abc反变换以及SPWM模块，生成触发脉冲信号；

5)设定连接点PCC断路器合闸阈值,当在预同步过程中，满足合闸条件时，发出合闸信号,PCC断路器合闸，并网稳定后，关断并网预同步环节中加入的预同步调节信号，完成离并网切换，

合闸条件为：

式中：Δω、Δθ、ΔU分别为微电网和三相电网之间的频率偏差、相位差、电压差；A、B、C分别为频率偏差、相位差、电压差的判断阈值。

2.根据权利要求1所述虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，其特征在于，所述步骤3)具体实现方法如下：

改进型功率外环包括：一次调频环节、转子运动方程、频率偏差反馈环节和预同步调节环节，其中，模拟同步发电机调速器的一次调频环节的表达式：

p_m＝p_ref+k_w(ω₀-ω)

式中：P_m为原动机输入机械功率；P_ref为给定有功；K_w为功频调差系数；ω₀、ω分别为虚拟同步机参考角频率和实际值；

一次调频环节后引入同步发电机转子运动方程：

式中：J为虚拟同步发电机的转动惯量；P_e为输出电磁功率；δ为功角；D为阻尼系数；

在转子运动方程中引入频率偏差积分反馈环节，该积分环节和阻尼D并联共同组成PI控制器，离并网转换时，通过闭合开关S₁实现频率偏差积分反馈环节的映入，达到频率的无误差跟踪的目的；

无功电压控制器是在无功电压下垂控制的基础上，离并网转换时，通过闭合开关S₂引入电压前馈补偿环节；

在闭合开关S₁和S₂后，微电网电压和频率恢复额定值后，通过闭合开关S₃引入并网预同步环节，利用PI2调节器对预同步调节信号S进行调节，将调节后输出信号Δω_s叠加于VSG给定频率上。

3.根据权利要求1或2所述虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，其特征在于，所述步骤3)中预同步调节信号S为：

式中：u_mga、u_mgb、u_mgc为微电网输出三相电压；u_ga、u_gb、u_gc为三相交流网三相相电压；u_lg为三相交流电网三相线电压向量，θ为改进型功率外环生成相位角。

4.根据权利要求1所述虚拟同步发电机离网切换到并网的方法，其特征在于，所述步骤2)中计算微电网输出有功功率P、无功功率Q以及输出电压瞬时幅值U_mg方法如下：

微电网输出三相电压值u_mgabc和三相电流值i_mgabc输入功率计算得到瞬时有功P_e和瞬时无功功率值Q_e，然后再经过低通滤波器得到有功功率P和无功功率Q；其中，P_e、Q_e分别为：

低通滤波器采样时间为5×10^-6s，时间常数为1/100/π；将微电网三相电压u_mg变换为αβ坐标系下值u_α、u_β，则输出电压瞬时幅值