CN114069697B - 一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法 - Google Patents

一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法。针对传统电压电流双闭环控制微电网并网运行时，负荷发生扰动将会使逆变器输出电压和频率超出额定值的范围，同时电网侧输出电流也会发生畸变的问题，增加一个功率外环进行控制。同时对传统的功率下垂控制进行改进，将同步发电机转子运动方程和无功励磁引入有功‑频率下垂控制和无功‑电压下垂控制，即在功率环中模仿同步机的大惯性，经过电压虚拟阻抗外环控制和电流PR内环控制环之后，得到三相电压信号调制值。在空间电压矢量脉宽调制作用下，给三相全桥逆变器提供特定的触发脉冲，达到调整输出电压频率和幅值的目的，即保持输出电压及频率在合理的范围内，稳定电网侧输出电流质量。

Description

一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法
技术领域
本发明涉及虚拟同步机及其控制领域，特别是一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法。
背景技术
近年来，由于能源危机和环境保护问题的日益严重，可再生能源的分布式发电系统得到快速发展。当逆变器输出的电压和电网电压的相位、幅值、频率保持同步时，则可以将逆变器接入大电网中，为负载输出相应的有功功率和无功功率。但是当源源不断的分布式发电系统接入电网中，传统的同步发电机在电力系统的比重会随之下降，电力系统的备用容量和转动惯量也会越来越小。分布式发电系统往往采用逆变器逆变的方式得到三相交流电，如果采用常规的控制手段，则失去了传统电网调频、调压以及固有的大惯性的特点。当负载出现大波动或者某些环节出现扰动的时候，电网可能就会崩溃，客户得不到稳定、安全、高质量的电力供应，将会对社会产生巨大的负面影响。
目前，工业上为了充分利用可再生能源，分布式电源往往采用最大功率跟踪控制。然而，这种控制策略也存在诸多问题。其中最大的缺点就是它并不参与电网的调压和调频环节，当它在电力系统中渗透率不断增加，分布式发电会对电网的运行产生不可忽略的影响。
因此，在分布式发电系统并网的过程中，为了保证输出稳定的电压和频率，维持一个良好的电能质量，在运行过程中不得不考虑就是控制问题。针对这些问题，本发明采用基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法，对电容电压、电感电流和输出的功率建立模型，在功率控制环节引入同步发电机的转子运动模型，模拟出同步发电机优良的大惯性，以保证微电网在并网运行时，对电网的冲击大大减小。并且，当用电设备增加或者减小时，也能保证输出高质量的电压，保证频率稳定在合理范围内，且能够实现较快的动态响应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法，有利于稳定微电网的频率和电压，在一定程度上减小电网电流畸变的概率，提高稳定运行能力，同时也避免电压电流双闭环控制中PI参数整定，减小控制难度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：采用一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法，对电容侧三相电压和滤波电感侧电流分别建立功率、电压、电流三环控制，首先在两相静止坐标系中进行功率计算，求解出实时功率，通过基于虚拟同步机原理设计的有功和无功功率环，得到相位参考值θ和电压参考值E；把这两个参考值送入三相正弦波发生器，得到电压电流闭环控制中所需要的三相电压参考值，在电压环的控制转化到频域，求解出电流参考值，送入PR控制的电流内环中，最终输出三相电压调制值，代入SVPWM调制，求解出开关矢量，使其作用在三相全桥逆变器中的IGBT管。最终输出和电网频率、幅值、相位完全一致的电压，减小电网承受负载的压力。
具体的本发明一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法，包括如下步骤：
步骤S1、采样负载端的输出电压Uabc和输出电流Iabc，并通过Clarke变换求得alpha和beta坐标系下的电压电流值Uα、Uβ、Iα和Iβ；
步骤S2、在两相静止坐标系中进行功率计算，令实部为有功功率P，虚部为无功功率Q；
步骤S3、将上述步骤S2得到的有功功率P和无功功率Q通过功率环，采用改进的下垂控制，即引入同步发电机的转子运动方程和无功励磁方程，经过功率环的控制后得到相位参考值和电压参考值；其中转子运动方程为简化后的无功-电压控制计算式为：/>并将角速度ω积分即可得到相位θ，即∫ωdt＝θ；其中J为转子的转动惯量，Ω为等效机械转速，Pm为输入的机械功率，Pe为电磁功率，Dp为阻尼系数，Δω为输出角频率和额定角频率的转速差，Qref为无功参考值，Q为步骤S2中得到的实时无功功率，/>为频域积分器，K为励磁积分增益，EN＝311v，E为电压参考值；
步骤S4、将上述步骤S3得到的θ和E经过三相正弦波发生器输出三相参考电压Uabc-ref；
步骤S5、对步骤S4中的Uabc-ref进行闭环控制，将Uabc-ref与负载端电压Uabc做差，然后得到电感两端的电压差，经过电感方程得到参考电流Iabc-ref，将参考电流与电感实际采样得到的三相电流Iabc做差，通过PR控制环节得到最终的三相电压调制值Vmod；
步骤S6、对步骤S5中的Vmod进行SVPWM调制，得到最优的开关状态，将此开关状态直接作用于逆变器的IGBT管，得到满足要求的三相电压，至此控制过程结束。
在本发明一实施例中，所述步骤S2具体实现如下：
将两相静止坐标系下的电压电流相乘，得到逆变器的输出有功功率P＝UαIα+UβIβ以及输出的无功功率Q＝UβIα-UαIβ，将计算得到的结果经过一个惯性环节，使输出接近稳态值。
在本发明一实施例中，所述步骤S3具体实现如下：
对无功-电压下垂进行改进，把下垂控制中反馈环节Dq删除，降低控制难度，只引入无功电压励磁控制，具体控制方程即
在本发明一实施例中，该方法电压电流双闭环控制中直接在三相坐标系下进行控制，电流内环采用PR控制，省去解耦的过程，还相应地使得系统响应速度加快，能够快速达到稳定，同时也避免PI控制带来的参数整定的问题。
在本发明一实施例中，该方法采用虚拟同步机原理控制逆变器，使得逆变器的惯性变大，当负载突变的时候，电压和频率等指标也能保持在合理的范围，具有很强的鲁棒性。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用在alpha和beta坐标系下的实时功率计算，将三相强耦合的正弦量变换到两相弱耦合的alpha和beta量，计算得到的功率更加接近真实值。
2、本发明采用无Dq反馈环节的无功-电压励磁控制，也能稳定输出电压，可以使得结构更加简洁。
3、本发明采用频域下的电压电流闭环控制，并且在电流内环采用PR控制，避免了复杂的PI参数整定过程，提升了动态响应速度。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的有功-转速控制框图。
图3为本发明的无功-电压控制框图。
图4为本发明的电压响应波形。
图5为本发明的电流响应波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法，只有对输出电压和输出电流进行稳定控制，才能达到并网的要求，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1、采样负载端的输出电压Uabc和输出电流Iabc，并通过Clarke变换求得alpha和beta坐标系下的电压电流值Uα、Uβ、Iα和Iβ；
步骤S2、在两相静止坐标系中进行功率计算，将得到的电压电流矢量按照式(1)计算：
通过计算，可以得到：
P＝Uα·Iα+Uβ·Iβ (2)
Q＝Uβ·Iα-Uα·Iβ (3)
其中实部为实时有功功率P，虚部为实时无功功率Q；
步骤S3、将上述步骤S2得到的有功功率P和无功功率Q通过功率环，采用改进的下垂控制，即引入同步发电机的转子运动方程和无功励磁方程，经过功率环节的控制后得到相位参考值θ和电压参考值E。其中按照图2的控制原理，可以看出，有功环节引入了转子运动方程
将得到的角速度转速差Δω加上额定角速度ωn并将其积分即可得到相位θ，即θ＝∫Δω+ωndt，其中J为转子的转动惯量，Ω为等效机械转速，Pm为输入的机械功率，Pe为电磁功率，Dp为阻尼系数，Δω为输出角频率和额定角频率的转速差；而从图3可以看出，无功-电压励磁环节进行简化，此时的无功-电压控制计算式为：
其中Qref为无功参考值，Q为计算得到的无功功率，为励磁积分的增益，/>为频域下的积分器，EN＝311v，E为输出的参考电压值；
步骤S4、将上述步骤S3得到的θ和E经过三相正弦波发生器输出三相参考电压Uabc-ref；
步骤S5、对步骤S4中所述Uabc-ref进行闭环控制，将Uabc-ref与负载端电压Uabc做差，然后得到电感两端的电压差，经过电感方程得到参考的电流Iabc-ref，将所述参考电流与电感实际采样得到的三相电流Iabc做差，通过PR控制环节得到最终的三相电压调制值Vmod；
步骤S6、对步骤S5中所述Vmod进行SVPWM调制，得到最优的开关状态，将此开关状态直接作用于逆变器的IGBT管，得到满足要求的三相电压，至此控制过程结束。
在本发明中，如图2和图3所示，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S3_1、在图2所示的有功-频率控制原理中，将初始设定的有功功率参考值Pref和步骤S2得到的有功功率P进行一个差值比较，除以等效的逆变器输出角频率ω得到转矩T，再引入有功-频率下垂反馈控制Dp，通过转矩公式求解转速Δω，再加上电网的额定频率fref，最后将转速ω积分可以得到参考相位值θ；
步骤S3_2、在图3所示的无功-电压控制原理中，取消了下垂反馈控制Dq，简化了控制模型，将初始设定的无功参考值Qref与步骤S2得到的无功功率Q相减，通过励磁积分增益得到补偿励磁电压量，最后叠加在额定电网电压EN上，得到电压的参考值，此时的无功-电压控制计算式如上式(5)所示。
图4为本发明的电压响应波形。图5为本发明的电流响应波形。
综上所述，本发明中有功-频率的模型引入了同步机的调速装置，主要模拟的是同步机的一次调频，而无功-电压模型则引入了同步机的励磁装置，主要模拟的是同步机的一次调压，使逆变器也呈现出同步发电机稳定的外特性，优化了逆变器惯性小的弊端，有利于调整微电网频率和电压，保证电压及频率和电网保持一致，从而提高其稳定运行能力。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、采样负载端的输出电压Uabc和输出电流Iabc，并通过Clarke变换求得alpha和beta坐标系下的电压电流值Uα、Uβ、Iα和Iβ；
步骤S2、在两相静止坐标系中进行功率计算，令实部为有功功率P，虚部为无功功率Q；
步骤S3、将上述步骤S2得到的有功功率P和无功功率Q通过功率环，采用改进的下垂控制，即引入同步发电机的转子运动方程和无功励磁方程，经过功率环的控制后得到相位参考值和电压参考值；其中转子运动方程为简化后的无功-电压控制计算式为：/>并将角速度ω积分即可得到相位θ，即∫ωdt＝θ；其中J为转子的转动惯量，Ω为等效机械转速，Pm为输入的机械功率，Pe为电磁功率，Dp为阻尼系数，Δω为输出角频率和额定角频率的转速差，Qref为无功参考值，Q为步骤S2中得到的实时无功功率，/>为频域积分器，K为励磁积分增益，EN＝311v，E为电压参考值；
步骤S4、将上述步骤S3得到的θ和E经过三相正弦波发生器输出三相参考电压Uabc-ref；
步骤S5、对步骤S4中的Uabc-ref进行闭环控制，将Uabc-ref与负载端电压Uabc做差，然后得到电感两端的电压差，经过电感方程得到参考电流Iabc-ref，将参考电流与电感实际采样得到的三相电流Iabc做差，通过PR控制环节得到最终的三相电压调制值Vmod；
步骤S6、对步骤S5中的Vmod进行SVPWM调制，得到最优的开关状态，将此开关状态直接作用于逆变器的IGBT管，得到满足要求的三相电压，至此控制过程结束；
所述步骤S2具体实现如下：
将两相静止坐标系下的电压电流相乘，得到逆变器的输出有功功率P＝UαIα+UβIβ以及输出的无功功率Q＝UβIα-UαIβ，将计算得到的结果经过一个惯性环节，使输出接近稳态值；
所述步骤S3具体实现如下：
对无功-电压下垂进行改进，把下垂控制中反馈环节Dq删除，降低控制难度，只引入无功电压励磁控制，具体控制方程即
该方法电压电流双闭环控制中直接在三相坐标系下进行控制，电流内环采用PR控制，省去解耦的过程，还相应地使得系统响应速度加快，能够快速达到稳定，同时也避免PI控制带来的参数整定的问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机原理控制逆变器并网的方法，其特征在于，该方法采用虚拟同步机原理控制逆变器，使得逆变器的惯性变大，当负载突变的时候，电压和频率指标也能保持在合理的范围，具有很强的鲁棒性。
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