CN111864790A - 一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了技术方案一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，包括：步骤1：基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；步骤2：基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；步骤3：当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。本发明提供的技术方案调节相角实现了使得系统更为稳定。

Description

一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及新能源发电领域控制技术，具体涉及一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法及系统。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，逆变器越来越朝着大容量的方向发展。特别是在新能源应用领域，例如风力发电，光伏发电和蓄能电站等，其中逆变器的容量可以高达数MW。然而受制于功率开关器件通流能力，在大功率应用场合特别是在低压大电流领域，单逆变器技术方案难以满足功率输出的要求，只能采用多个逆变器并联的技术方案以提高逆变器的输出功率。针对并联的虚拟同步机的控制策略的研究变得热门，虚拟同步机的一次调频环节使得频率可以“自同步”，然而对于相位的考虑往往比较少。相位不相等引起的系统不稳定的问题。

发明内容

本发明提供一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法及系统。

本发明提供的技术方案是：

一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，包括：

步骤1：基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；

步骤2：基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；

步骤3：当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。

优选的，所述基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角，包括：

将计算的所述输出相角与采集的逆变器的相角值进行作差，得到的值作为偏差角。

优选的，所述当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1，包括：

当所述偏差角大于标准相角值时，使能送入RS触发器的S输入端，否则不使能送入S输入端；

当所述偏差角大于0°的时候使能，送入RS触发器的R输入端，否则，不使能送入RS触发器的R输入端。

优选的，所述转子运动方程如下式所示：

式中：T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；P_m为输入到转子轴的机械功率；P_e为机械功率扣除掉铜耗；ω为转子角频率；J为转动惯量；

其中，(ω₀-ω)K_ω+P₀-P＝0

式中：ω₀为参考角频率；ω为测量角频率；K_ω为下垂系数；P₀为参考有功功率；P为有功功率。

优选的，所述转子角频率差Δω按下式计算：

Δω＝ω-ω₀

式中：ω为转子角频率；ω₀为额定角频率。

优选的，所述转子角频率ω按下式计算：

式中：ω为转子角频率；θ为电角度。

一种虚拟同步并网逆变器相角补偿系统，包括：

第一计算模块，用于基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；

第二计算模块，用于基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；

判断模块，当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。

优选的，所述第一计算模块，还包括：转子运动方程；所述转子运动方程如下式所示：

式中：T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；P_m为输入到转子轴的机械功率；P_e为机械功率扣除掉铜耗；ω为转子角频率；J为转动惯量；

其中，(ω₀-ω)K_ω+P₀-P＝0

式中：ω₀为参考角频率；ω为测量角频率；K_ω为下垂系数；P₀为参考有功功率；P为有功功率。

优选的，所述第一计算模块还包括：

转子角频率差Δω按下式计算：

Δω＝ω-ω₀

式中：ω为转子角频率；ω₀为额定角频率；

所述转子角频率ω按下式计算：

式中：ω为转子角频率；θ为电角度。

优选的，所述判断模块，还包括：

当所述偏差角大于标准相角值时，使能送入RS触发器的S输入端，否则不使能送入S输入端；

当所述偏差角大于0°的时候使能，送入RS触发器的R输入端，否则，不使能送入RS触发器的R输入端。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了技术方案一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，包括：步骤1：基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；步骤2：基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；步骤3：当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。本发明提供的技术方案调节相角实现了使得系统更为稳定。

2、本发明提供了技术方案采用使得在大容量应用场合采用低功率等级的开关器件成为可能，降低了生产成本；同时，采用并联技术便于进行模块化设计以缩短生产周期，并拓宽了功率模块的使用范围。

附图说明

图1为本发明的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法的流程示意图；

图2为本发明的并联的多虚拟同步机主电路拓扑结构示意图；

图3为本发明的改进的虚拟同步机控制框示意图；

图4为本发明的并联虚拟同步机相位修正方法的流程示意图；

图5为本发明的调制策略流程示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法如图1所示，包括：

S1：基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；

S2：基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；

S3：当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。

S1：基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；

本发明的调制策略可以分为以下几个步骤实施，如图5所示：

(1)首先根据一次调频曲线，转子运动方程建立虚拟同步机的有功环模型，一次调频曲线遵循以下公式：

(ω₀-ω)K_ω+P₀-P＝0

式中，ω₀、P₀分别为参考角频率和参考有功功率，ω、P为测量角频率和有功功率，K_ω为下垂系数。

而转子运动方程可以表达为：

Δω＝ω-ω₀

式中，J是转动惯量，其单位是kg.m²，P_m代表输入到转子轴的机械功率，P_e代表机械功率扣除掉铜耗、铁耗经电磁感应后转化为定子的电磁功率，T_m、T_e分别为机械转矩和电磁转矩，ω为转子角频率，ω₀为额定角频率，θ为电角度。

S2：基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；

(2)确定了虚拟同步机有功环模型，就可以确定了虚拟同步机输出相角。同时我们用PLL监测每个虚拟同步机的输出相角。

S3：当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。

(3)对步骤(2)测量的虚拟同步机相角进行做差，得到相角差，当相角差未达到20°的时候，持续步骤(2)的监测，当相角差达到20°的时候，我们将相角差送入PI调节器，将调节量附加在虚拟同步机相角输出环节，也就是经过转子运动方程输出的相角。持续调节此相角差，直到相角差小于0°，当相角差小于0°之后，PI调节器不再将相角差调节量送入有功环最后输出的相角。

以上的逻辑可以通过RS触发器实现，如图4所示：

当相角差大于0°的时候使能，送入RS触发器的R输入端，若相角差小于等于于0°时，不使能，同样送入RS触发器的R输入端。当相角差大于20°的时候使能送入RS触发器的S输入端，当相角差小于等于20°的时候，不使能，同样送入RS触发器的S输入端。这样就可以实现上述逻辑。

(4)持续以上过程，持续监测相角差，调节相角，将调节过的相角送入SVPWM调制中，实现对两电平逆变器的控制。最后实现高电能质量输出功率，满足用户的用电需求，更加符合电气和电子工程师协会标准，完成大容量并联虚拟同步机的平稳运行。

实施例2：

本发明是为了解决虚拟同步机控制的逆变器由于相位不相等引起的不稳定的问题，传统的虚拟同步机由于模仿了同步电机的一次调频，调压特性，所以在出现故障的时候，每个由虚拟同步机控制的逆变器都能恢复到正常的频率和电压，但是相位的控制往往很少考虑。

图2为并联虚拟同步机的主电路拓扑，两电平的逆变器，滤波电容，滤波电感，线路阻抗，负载，以及电网组成，逆变器采用两电平逆变器，如图2所示。系统由单独的虚拟同步机控制的子系统并联至母线电压处形成，后面接入电网。

虚拟同步机控制策略由有功调频，无功调压，虚拟励磁和虚拟转动惯性环节构成，具体控制框图如图3，其中有功调频与虚拟转动惯量环节一起构成了有功环，模拟同步机的一次调频和转子运动状态。虚拟励磁和无功调压一起形成了无功环。有功环输出相角，无功环输出电压，两者合成调制信号波。其中一次调频参照方程如下：

(ω₀-ω)K_ω+P₀-P＝0

而模拟同步机的转子运动状态则参考了同步机的转子运动方程：

Δω＝ω-ω₀

一次调频提供了转子运动方程的有功输入，而转子运动方程提供了最终的虚拟同步机输出相角。当发生故障的时候，并联的虚拟同步机可以通过有功环的一次调频特性，使得发生故障以后的逆变器按照参考频率“自同步”，调整自身的输出频率，同时，无功环中的励磁环节和一次调压环节可以使得逆变器按照参考电压调节输出电压。但是虚拟同步机的输出并没有考虑相角，当并联的系统两逆变器输出相角不同时，也会造成并联系统的不稳定，本发明参考电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，IEEE)标准如下表：

表1.电气和电子工程师协会并联逆变器同步标准

本发明针对容量较小的分布式电源，也就是总容量为0-500KVA的分布式电源，按照IEEE标准，当相角差为20°的时候，并联的系统就不再稳定了，因此本发明的目的就是让并联的逆变器相角差控制在20°以内。

由于并联的逆变器每个逆变器为一个单独的小系统，对应的需要的虚拟同步机控制算法的虚拟转动惯量和阻尼系数并不一致，由转子运动方程我们可以知道，由于转动惯量和阻尼系数的不一致，每个独立系统输出的相角也是不一样的。如果系统出现故障，VSG根据自身的属性可以使得偏离的频率和电压回到正常的额定值。但是相位是频率的积分，不同的故障会导致并联逆变器相位的偏差。为了保证给负载提供高质量的电能，我们必须也对相位的偏差进行调整。

我们将转子运动方程输出的功角添加一个补偿量。该补偿量由偏差角经一个PI调节器得出，当偏差角小于20°的时候，我们不进行修正。当补偿量超过20°的时候，把偏差量送入PI调节器，最终参与虚拟同步机转子运动方程输出的功角的调节，直到将偏差角调节至0°的时候，停止修正，并持续监测相角差，相角差达到20°的时候，触发调节，持续以上过程。

实施例3：

一种虚拟同步并网逆变器相角补偿系统，包括：

第一计算模块，用于基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；

第二计算模块，用于基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；

判断模块，当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。

所述第一计算模块，还包括：转子运动方程；所述转子运动方程如下式所示：

式中：T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；P_m为输入到转子轴的机械功率；P_e为机械功率扣除掉铜耗；ω为转子角频率；J为转动惯量；

其中，(ω₀-ω)K_ω+P₀-P＝0

式中：ω₀为参考角频率；ω为测量角频率；K_ω为下垂系数；P₀为参考有功功率；P为有功功率；

所述第一计算模块还包括：

转子角频率差Δω按下式计算：

Δω＝ω-ω₀

式中：ω为转子角频率；ω₀为额定角频率；

所述转子角频率ω按下式计算：

式中：ω为转子角频率；θ为电角度。

所述判断模块，还包括：

当所述偏差角大于标准相角值时，使能送入RS触发器的S输入端，否则不使能送入S输入端；

当所述偏差角大于0°的时候使能，送入RS触发器的R输入端，否则，不使能送入RS触发器的R输入端。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，其特征在于，包括：

步骤1：基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；

步骤2：基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；

步骤3：当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。

2.如权利要求1所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，其特征在于，所述基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角，包括：

将计算的所述输出相角与采集的逆变器的相角值进行作差，得到的值作为偏差角。

3.如权利要求2所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，其特征在于，所述当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1，包括：

当所述偏差角大于标准相角值时，使能送入RS触发器的S输入端，否则不使能送入S输入端；

当所述偏差角大于0°的时候使能，送入RS触发器的R输入端，否则，不使能送入RS触发器的R输入端。

4.如权利要求1所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，其特征在于，所述转子运动方程如下式所示：

式中：T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；P_m为输入到转子轴的机械功率；P_e为机械功率扣除掉铜耗；ω为转子角频率；J为转动惯量；

其中，(ω₀-ω)K_ω+P₀-P＝0

式中：ω₀为参考角频率；ω为测量角频率；K_ω为下垂系数；P₀为参考有功功率；P为有功功率。

5.如权利要求4所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，其特征在于，所述转子角频率差Δω按下式计算：

Δω＝ω-ω₀

式中：ω为转子角频率；ω₀为额定角频率。

6.如权利要求5所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿方法，其特征在于，所述转子角频率ω按下式计算：

式中：ω为转子角频率；θ为电角度。

7.一种虚拟同步并网逆变器相角补偿系统，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于基于电压电流信息和转子运动方程，按照给定的功率指令值，计算输出相角；

第二计算模块，用于基于计算的所述输出相角和采集的逆变器的相角信息计算偏差角；

判断模块，当所述偏差角小于标准相角值时，重复步骤1，否则将所述偏差角送入PI调节器进行调节，然后执行步骤1。

8.如权利要求7所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿系统，其特征在于，所述第一计算模块，还包括：转子运动方程；所述转子运动方程如下式所示：

式中：T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；P_m为输入到转子轴的机械功率；P_e为机械功率扣除掉铜耗；ω为转子角频率；J为转动惯量；

其中，(ω₀-ω)K_ω+P₀-P＝0

式中：ω₀为参考角频率；ω为测量角频率；K_ω为下垂系数；P₀为参考有功功率；P为有功功率。

9.如权利要求7所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿系统，其特征在于，所述第一计算模块还包括：

转子角频率差Δω按下式计算：

Δω＝ω-ω₀

式中：ω为转子角频率；ω₀为额定角频率；

所述转子角频率ω按下式计算：

式中：ω为转子角频率；θ为电角度。

10.如权利要求7所述的一种虚拟同步并网逆变器相角补偿系统，其特征在于，所述判断模块，还包括：

当所述偏差角大于标准相角值时，使能送入RS触发器的S输入端，否则不使能送入S输入端；

当所述偏差角大于0°的时候使能，送入RS触发器的R输入端，否则，不使能送入RS触发器的R输入端。

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