CN115085292A - 一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，包括：将逆变器的输出有功功率作为有功‑频率控制环节的输入量，模拟柴油机调速特性得到逆变器的输出频率；将逆变器的输出无功功率、输出电压幅值、输出电流的d、q轴分量作为无功‑电压控制环节的输入量，模拟发电机励磁特性得到逆变器d、q轴参考电压指令值，并将其作为电压电流双闭环的输入量，经过SVPWM调制得到PWM控制信号；利用虚拟同步发电机输出电压与公共点电压的矢量关系求取相位差和幅值差，经过PI环节得到频率和电压的修正量，并分别叠加至逆变器的输出频率和输出电压幅值参考值，实现并离网平滑切换；对控制参数进行匹配设计。本发明提高了系统可靠性。

Description

一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法

技术领域

本发明属于新能源电力变换技术领域，具体涉及一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法。

背景技术

在脱离大电网的独立微电网，如海岛及偏远山区供电系统中，通常由柴油发电机组作为主要的供电电源。为减少石油资源消耗，实现“碳达峰、碳中和”的节能减排目标，光伏、风能等分布式可再生能源在微电网中的应用得到了广泛关注和发展，分布式能源通过电力电子变换器接入微电网供电系统，与传统柴油发电机组进行联合供电。

基于电力电子变换器的分布式电源，一般采用恒功率(PQ)控制、恒压/恒频(Vf)控制、下垂控制、虚拟同步发电机控制四种控制方案。下垂控制通过模拟同步发电机组并网运行时的一次调频和一次调压特性，实现在无互联线的情况下有功功率和无功功率的均分；虚拟同步发电机控制在下垂控制的基础上增加了同步发电机机械运动和电磁特性的模拟。独立微电网中，逆变器采用虚拟同步发电机控制并以电压源的形式接入微电网，能够为系统提供惯性并按照设定的下垂特性参与功率的调节，避免了传统的Vf与PQ切换控制时控制复杂、发电机逆功率等问题，使得逆变器能够即插即用和自主协调运行，实现友好稳定的并网。但传统的虚拟同步发电机控制中未考虑柴油发电机调速系统和励磁系统的影响，在与柴油发电机并联运行突加、突卸负载的过程中，由于暂态特性的差异，基于传统虚拟同步发电机控制的逆变器和柴油发电机无法实现暂态功率均分，暂态过程中虚拟同步发电机承担了大部分的负荷，可能会导致逆变器过流保护，逆变器容量得不到充分的利用，经济性差。因此，有必要提出一种改进的虚拟同步发电机控制策略，解决逆变器与柴油发电机并联运行的独立微电网系统暂态功率不均分的问题，提高系统暂态运行性能。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，解决了传统虚拟同步发电机与柴油发电机并联供电系统中暂态功率分配不均导致逆变器功率超调严重的问题，有效提高了独立微电网的暂态运行特性，使逆变器容量得到了充分利用，提高了系统可靠性和经济性。

本发明采用的技术方案是：一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，用于逆变器与柴油发电机并联的供电系统，包括以下步骤：

在标幺值系统中，将逆变器的输出有功功率作为有功-频率控制环节的输入量，得到逆变器的输出频率；所述有功-频率控制环节用于模拟柴油发电机一次调频特性、柴油机调速特性以及同步发电机的机械运动；

将逆变器的输出无功功率、输出电压幅值、输出电流的d、q轴分量作为无功-电压控制环节的输入量，得到逆变器d、q轴参考电压指令值；所述无功-电压控制环节用于模拟同步发电机一次调压特性、励磁动态特性和输出阻抗特性；

将逆变器d、q轴参考电压指令值作为电压电流双闭环的输入量，经过SVPWM调制得到PWM控制信号，用于调节逆变器输出电压；

逆变器输出电压与公共点电压之间的相位差和幅值差经过PI环节得到频率和电压的修正量，并分别叠加至逆变器的输出频率和输出电压幅值参考值，实现逆变器输出电压对公共点电压的跟踪控制；

根据外部指令实现并离网平滑切换；

在有功-频率控制环节、无功-电压控制环节和并离网平滑切换的过程中对相应的控制参数进行匹配设计，使逆变器与并联运行的柴油发电机暂稳态功率均分。

上述技术方案中，所述有功-频率控制环节的过程包括：

将逆变器的输出有功功率通过有功-频率下垂得到频率参考值；

采用PI控制和柴油机调速环节等效一阶惯性环节模拟柴油机调速控制环节，使逆变器的输出频率跟踪频率参考值，得到虚拟同步发电机机械功率，作为虚拟同步发电机转子运动方程的输入；

通过虚拟同步发电机转子运动方程得到逆变器的输出频率，积分后得到逆变器输出电压的相位。

上述技术方案中，所述无功-电压控制环节的过程包括：

将逆变器输出无功功率通过无功-下垂调节得到逆变器的输出电压幅值参考值；

采用PI控制使逆变器输出滤波电容处电压幅值跟踪输出电压幅值参考值，并引入同步发电机励磁调节系统等效的一阶惯性环节得到定子励磁电动势；

将定子励磁电动势代入同步发电机三阶模型中的励磁绕组电磁暂态方程、定子电压平衡方程，使逆变器模拟发电机励磁特性和输出阻抗特性，得到逆变器d、q轴参考电压指令值。

上述技术方案中，根据外部指令实现并离网平滑切换的过程包括：

逆变器接收到并网指令后，使能预同步控制，经1s后判断输出电压和公共点电压的幅值、相位、频率是否满足合闸条件，满足条件后发出合闸指令，合闸完成后关闭预同步控制；并网运行过程中，接收到离网指令后，发送分闸指令断开并网断路器，完成离网操作。

上述技术方案中，有功-频率控制环节的控制参数的匹配设计过程包括：各控制环节均采用标幺值，有功-频率控制环节中有功-频率下垂系数、调速环节PI参数、调速环节等效一阶惯性时间常数、虚拟惯量时间常数、虚拟阻尼均与并联运行的柴油发电机保持一致。

上述技术方案中，无功-电压控制环节的控制参数的匹配设计过程包括：在标幺值系统中，无功-电压控制环节中无功-电压下垂系数、调压环节PI控制参数、d轴同步电抗、d轴暂态电抗、q轴暂态电动势、d轴开路暂态时间常数，定子绕组电阻，q轴同步电抗均与并联运行的柴油发电机相应的参数保持一致。

上述技术方案中，并离网平滑切换过程的控制参数的匹配设计过程包括：在并网预同步控制中采用PI环节实现无差控制；标幺值系统中，对PI输出进行限幅，限幅值按逆变器的额定输出电压幅值和频率的2％设置。

上述技术方案中，求取逆变器输出电压与公共点电压之间的幅值差ΔU和相位差Δθ_ctrl的过程包括：根据αβ静止坐标系系中逆变器输出电压与公共点电压的矢量关系求取公共点电压与逆变器输出电压间相位差的正弦值sinΔθ、余弦值cosΔθ；利用三角函数周期为2π的特点，构造能够近似描述逆变器与公共点电压之间相位差的变量，作为逆变器输出电压与公共点电压之间的相位差Δθ_ctrl：

其中，U_α为逆变器输出电压α轴分量，U_β为逆变器输出电压β轴分量；U_gα为公共点电压β轴分量，U_gβ为公共点电压β轴分量。

上述技术方案中，通过下式计算得到频率参考值ω_m：

ω_m＝ω₀+m(P_ref-P_e)

式中，P_ref为虚拟同步发电机的有功功率给定值，根据逆变器额定的有功功率给定的；P_e为逆变器输出有功功率，m为有功-频率下垂系数，ω₀为额定角速度.

上述技术方案中，所述同步发电机三阶模型中的励磁绕组电磁暂态方程、定子电压平衡方程如下：

式中各变量为虚拟同步发电机的虚拟参数，其中E_f为定子励磁电动势，X_d为d轴同步电抗，X'_d为d轴暂态电抗，E'_q为q轴暂态电动势，T_d'₀为d轴开路暂态时间常数，R_a为定子绕组电阻，X_q为q轴同步电抗，E_q为q轴空载电动势，U_dref为d轴电压参考值，U_qref为q轴电压参考值；I_od为逆变器输出电流在旋转坐标系下的d轴分量，I_oq为逆变器输出电流在旋转坐标系下的q轴分量。

本发明的有益效果是：提出了考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制策略，通过在传统虚拟同步发电机控制中引入柴油发电机调速和励磁模拟环节，使得虚拟同步发电机具有与柴油发电机一致的调速特性，有效解决了新能源接入逆变器与柴油发电机并联运行时暂态功率分配不均导致逆变器功率超调严重的问题，实现了逆变器与柴油发电机暂稳态功率均分，避免在突加负载过程中逆变器出现过流问题，使逆变器容量得到充分利用，提高了微电网的可靠性和经济性。本发明通过在传统虚拟同步发电机有功-频率控制中，增加了模拟柴油发电机调速环节，使得虚拟同步发电机具有与柴油发电机一致的调速特性。本发明通过引入简单而又能计及励磁系统动态的同步发电机三阶模型中的励磁绕组电磁暂态方程、定子电压平衡方程，使得逆变器能够模拟发电机励磁特性和输出阻抗特性，解决传统虚拟同步发电机控制的逆变器与柴油发电机暂态调压特性不一致的问题。本发明通过使有功-频率控制环节中各控制参数均与组网柴油发电机保持一致，以保证虚拟同步发电机与柴油发电机调速系统的一致性。本发明通过使无功-电压控制环节中各控制参数均与组网柴油发电机相应的参数保持一致，以保证逆变器与柴油发电机调压系统具有较好的一致性。本发明的并离网平滑切换控制方法中采用求取逆变器输出电压与公共点电压之间的幅值差和相位差的方法不仅不需要锁相环，而且能够消除通过锁相环求取相位差时相位差存在2π跳变的影响。本发明在并离网平滑切换控制中对PI输出进行限幅，防止预同步调节过程中输出电压幅值和频率出现较大偏差。

附图说明

图1是本发明的虚拟同步发电机控制策略原理图；

图2是实施例中独立微电网主电路拓扑图；

图3是传统的虚拟同步发电机控制框图；

图4是本发明虚拟同步发电机控制框图；

图5是实施例中柴油发电机调速、励磁控制框图；

图6a是基于电压矢量运算的预同步控制方法的αβ坐标系电压矢量图；

图6b是基于电压矢量运算的预同步控制方法的相位差示意图；

图7a是实施例中基于传统虚拟同步发电机控制的逆变器和柴油发电机在设定工况下输出有功功率变化曲线；

图7b是实施例中基于传统虚拟同步发电机控制的逆变器和柴油发电机在设定工况下输出无功功率变化曲线；

图8a为实施例中实施例中基于本发明的改进虚拟同步发电机控制的逆变器和柴油发电机在设定工况下输出有功功率变化曲线；

图8b为实施例中实施例中基于本发明的改进虚拟同步发电机控制的逆变器和柴油发电机在设定工况下输出无功功率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，用于逆变器与柴油发电机并联的供电系统，包括以下步骤：

采集逆变器输出滤波电容处电压、网侧电感电流，公共点电压；经坐标变换及计算，得到标幺值系统中控制实现所需的dq旋转坐标系中输出电压和输出电流的d、q轴分量，αβ静止坐标系中输出电压和公共点电压的α、β轴分量，输出电压幅值，输出有功功率，输出无功功率；

在标幺值系统中，将逆变器的输出有功功率作为有功-频率控制环节的输入量，得到逆变器的输出频率；所述有功-频率控制环节用于模拟柴油发电机一次调频特性、柴油机调速特性以及同步发电机的机械运动；

将逆变器的输出无功功率、输出电压幅值、输出电流的d、q轴分量作为无功-电压控制环节的输入量，得到逆变器d、q轴参考电压指令值；所述无功-电压控制环节用于模拟同步发电机一次调压特性、励磁动态特性和输出阻抗特性；

将逆变器d、q轴参考电压指令值作为电压电流双闭环的输入量，经过SVPWM调制得到PWM控制信号，用于调节逆变器输出电压；

逆变器输出电压与公共点电压之间的相位差和幅值差经过PI环节得到频率和电压的修正量，并分别叠加至逆变器的输出频率和输出电压幅值参考值，实现逆变器输出电压对公共点电压的跟踪控制；

根据外部指令实现并离网平滑切换；

在有功-频率控制环节、无功-电压控制环节和并离网平滑切换的过程中对相应的控制参数进行匹配设计，使逆变器与并联运行的柴油发电机暂稳态功率均分；

本发明还提供了一种用于逆变器与柴油发电机并联的供电系统的虚拟同步发电机控制系统包括：信息采集模块、有功-频率控制模块、无功-电压控制模块、PWM控制模块、跟踪控制模块、并网平滑切换模块和控制参数设计模块；其中，

信息采集模块用于采集逆变器输出滤波电容处电压、网侧电感电流，公共点电压；经坐标变换及计算，得到标幺值系统中控制实现所需的dq旋转坐标系中输出电压和输出电流的d、q轴分量，αβ静止坐标系中输出电压和公共点电压的α、β轴分量，输出电压幅值，输出有功功率，输出无功功率；

有功-频率控制模块用于将逆变器的输出有功功率作为有功-频率控制环节的输入量，得到逆变器的输出频率；所述有功-频率控制环节用于模拟柴油发电机一次调频特性、柴油机调速特性以及同步发电机的机械运动；

无功-电压控制模块用于将逆变器的输出无功功率、输出电压幅值、输出电流的d、q轴分量作为无功-电压控制环节的输入量，得到逆变器d、q轴参考电压指令值；所述无功-电压控制环节用于模拟同步发电机一次调压特性、励磁动态特性和输出阻抗特性；

PWM控制模块用于将逆变器d、q轴参考电压指令值作为电压电流双闭环的输入量，经过SVPWM调制得到PWM控制信号，用于调节逆变器输出电压；

并网平滑切换模块用于根据外部指令实现并离网平滑切换；

控制参数设计模块用于在有功-频率控制环节、无功-电压控制环节和并离网平滑切换的过程中对相应的控制参数进行匹配设计，使逆变器与并联运行的柴油发电机暂稳态功率均分。

本发明用于逆变器与柴油发电机并联的供电系统,比如图2所示的独立微电网系统，系统包括光伏阵列单元，通过所述DC/DC变换器与所述直流母线相连；储能单元，与所述直流母线相连；直流母线，通过所述DC/AC逆变器与所述交流母线相连；柴油发电机组，与所述交流母线相连；负荷单元，与所述交流母线相连；相关单元的具体参数为：

柴油发电机电气参数为：额定容量380kVA，功率因数0.8，额定线电压390V，额定频率50Hz，惯量时间常数H＝0.8s，阻尼系数D＝0.1，电枢电阻Ra＝0.051pu，d轴同步电抗X_d＝2.4pu，d轴暂态电抗X'_d＝0.1075pu，d轴次暂态电抗X"_d＝0.072pu，d轴开路暂态时间常数T'_d0＝0.4912s，d轴开路次暂态时间常数T"_d0＝0.001493s，q轴同步电抗X_q＝1.92pu，q轴次暂态电抗X"_q＝0.0868pu，q轴开路次暂态时间常数T"_d0＝0.02212s。

柴油发电机调速和励磁控制框图如图5所示，控制参数为：调速控制中P_ref＝0.8，有功下垂系数m＝0.0125，PI环节比例参数K_{p_GOV}＝10、PI环节积分参数K_{i_GOV}＝10，柴油机及调速机构的等效惯性环节惯性时间常数为T_d＝0.05s；励磁控制环节Q_ref＝0.6，无功-电压下垂系数n＝0.033，励磁控制比例参数K_{p_AVR}＝2，励磁控制积分参数K_{i_AVR}＝5，励磁系统惯性时间常数T_e＝0.05s。

逆变器主电路参数为：逆变器额定容量380kVA，逆变器额定输出线电压390V，逆变器额定输出相电流562.56A，逆变器桥臂侧滤波电感L₁＝200μH，逆变器网侧滤波电感L₂＝100μH，逆变器滤波电容C＝360μF。

逆变器采用图4所示考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制策略，本发明包括增加模拟柴油机调速特性的有功-频率控制环节、增加模拟发电机励磁特性的无功-电压控制环节、并离网平滑切换控制策略、控制参数匹配设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一，采集逆变器输出滤波电容处电压(U_a,U_b,U_c)、网侧电感电流(i_a2,i_b2,i_c2)，公共点电压(U_ga,U_gb,U_gc)；经坐标变换及计算，得到标幺值系统中控制实现所需的逆变器的dq旋转坐标系中输出电压、电流的d、q轴分量(U_d,U_q；I_od,I_oq)，αβ静止坐标系中输出电压与公共点电压的α、β轴分量(U_α,U_β；U_gα,U_gβ)，输出电压幅值V_m，输出有功功率P_e，输出无功功率Q_e。

步骤二.将逆变器输出有功功率P_e作为有功-频率控制环节的输入量，得到逆变器输出频率ω，所述有功-频率控制环节模拟了柴油发电机一次调频特性、柴油机调速特性以及同步发电机的机械运动。其中，有功-频率控制环节中，改进虚拟同步发电机控制中各控制环节均采用标幺值，有功-频率环中有功下垂系数m、调速环节PI参数、调速环节等效一阶惯性时间常数T_d、虚拟惯量时间常数H、虚拟阻尼D均与组网柴油发电机保持一致，以保证虚拟同步发电机与柴油发电机调速系统的一致性。

进一步地，所述虚拟同步发电机有功-频率控制环节，在传统虚拟同步发电机有功-频率控制中，增加了模拟柴油发电机调速环节，使得虚拟同步发电机具有与柴油发电机一致的调速特性，具体如下：

通过有功下垂得到频率参考值ω_m：

ω_m＝ω₀+m(P_ref-P_e)

较为优选的，P_ref＝0.8pu，为虚拟同步发电机的有功功率给定值，根据逆变器额定功率给定，为常数；P_e为逆变器的输出有功功率；m＝0.0125，为有功-频率下垂系数；ω₀＝1，为虚拟同步电机额定角速度。

之后采用PI控制和柴油机调速系统等效一阶惯性环节模拟柴油机调速控制环节，调速控制环节比例参数K_ωp＝10，积分参数K_ωi＝10，等效惯性环节时间常数T_d＝0.05s，与柴油发电机调速控制设置一致，得到虚拟同步发电机机械功率P_m，作为虚拟同步发电机转子运动方程的输入：

其中，H为虚拟惯量时间常数，D为虚拟阻尼系数，较为优选的，H和D与柴油发电机响应参数设置一致，即H＝0.8s，D＝0.1，ω为机械角速度，P_e为逆变器输出有功功率，P_e的计算公式如下：

P_e＝1.5(U_dI_od+U_qI_oq)

U_d、U_q分别为逆变器输出电压在旋转坐标系下的d、q轴分量；I_od、I_oq分别为逆变器输出电流在旋转坐标系下的d、q轴分量；

通过转子运动方程得到逆变器输出频率，对其积分即可得到输出电压的相位。

步骤三.将逆变器无功功率Q_e、输出电压幅值V_m、输出电流d、q轴分量(I_d,I_q)作为无功-电压控制环节的输入量，得到逆变器d、q轴参考电压指令值，所述无功-电压控制环节模拟了同步发电机一次调压特性、励磁动态特性和输出阻抗特性。其中，无功-电压控制环节中，在标幺值系统中，无功-电压环中无功下垂系数n、调压环节PI控制参数、X_d、X'_d、E'_q、T'_d0、R_a、X_q均需与组网柴油发电机相应的参数保持一致，以保证逆变器与柴油发电机调压系统的一致性。

进一步地，所述逆变器无功-电压控制环节如下：

通过无功下垂调节得到输出电压幅值参考值E_ref:

E_ref＝E₀+E_Q＝E₀+n(Q_ref-Q_e)

式中，E₀为虚拟同步发电机空载电势，为给定的额定电压；n为无功-电压下垂系数；Q_ref为虚拟同步发电机的无功功率给定值，根据逆变器额定的有功功率给定的；Q_e为逆变器当前输出的无功功率。

较为优选的，E₀＝1；n＝0.033；Q_ref＝0.6，Q_e为逆变器输出的平均无功功率，其计算方法为：

Q_e＝1.5(U_qI_od-U_dI_oq)

模拟同步发电机励磁控制，采用PI控制使输出电压幅值跟踪E_ref，并经过励磁环节等效的一阶惯性环节得到定子励磁电动势E_f。

较为优选的，PI环节比例参数K_Ep、积分参数K_Ei与励磁系统惯性时间常数与柴油发电机励磁控制中相应参数一致，即K_Ep＝2，K_Ei＝5，T_e＝0.05s；通过引入同步发电机三阶模型，使得虚拟同步发电机能够较精确模拟发电机励磁特性，解决暂态功率不均分问题。

将E_f定子励磁电动势代入同步发电机三阶模型中的励磁绕组电磁暂态方程、定子电压平衡方程，使逆变器模拟发电机励磁特性和输出阻抗特性，得到逆变器d、q轴参考电压指令值，具体如下式：

式中各变量为虚拟同步发电机算法得到的逆变器的虚拟参数，其中E_d为d轴空载电动势，X_d为d轴同步电抗，X'_d为d轴暂态电抗，E'_q为q轴暂态电动势，T'_d0为d轴开路暂态时间常数，R_a为定子绕组电阻，X_q为q轴同步电抗，U_dref、U_qref分别为d、q轴电压参考值。

较为优选的，R_a、X_d、X'_d、T'_d0、X_q均与柴油发电机电气参数一致，R_a＝0.051pu，X_d＝2.4pu，X'_d＝0.1075pu，T'_d0＝0.4912s，X_q＝1.92pu。

步骤四.将逆变器d、q轴参考电压指令值U_dref、U_qref作为电压电流双闭环的输入量，再经过SVPWM调制得到PWM控制信号，进而调节逆变器输出电压，维持微电网电压和频率稳定。

较为优选的，电压电流双闭环参数为：电压环比例系数K_Up为3、积分系数K_Ui为30、电流环比例系数K_Ip为1、K_Ii参数为10。

步骤五.并离网平滑切换控制策略，根据标幺值系统中逆变器αβ静止坐标系中输出电压与公共点电压的α、β轴分量(U_α,U_β；U_gα,U_gβ)，求取逆变器输出电压与公共点电压之间的相位差和幅值差，相位差和幅值差经过PI环节得到频率和电压的修正量，分别叠加至有功-频率控制环节输出频率ω和无功-电压控制环节电压幅值参考值E_ref，实现逆变器输出电压对公共点电压的跟踪控制，结合并离网平滑切换控制逻辑，实现并离网平滑切换控制。

其中，并离网平滑切换控制中PI参数及限幅值设计，在并网预同步控制中采用PI环节实现无差控制，以保证虚拟同步发电机输出电压与公共点电压的幅值和相位一致；为防止预同步调节过程中输出电压幅值和频率出现较大偏差，需对PI输出进行限幅，限幅值按电压幅值和额定频率的2％设置。

进一步地，所述并离网平滑切换控制方法具体包括：

1)根据αβ静止坐标系系中逆变器输出电压与公共点电压的关系求取公共点电压与输出电压间相位差的正弦值sinΔθ、余弦值cosΔθ并求得电压幅值差ΔU；利用三角函数周期为2π的特点，构造能够近似描述逆变器输出电压与公共点电压之间相位差的变量Δθ_ctrl，如图6所示，Δθ_PLL为通过锁相环得到的相位差，Δθ_ctrl能够较准确描述实际相位差且能够解决通过锁相环得到的相位差跳变的问题。

其中，U_α、U_β分别逆变器输出电压α、β轴分量；U_gα、U_gβ分别为两相静止坐标系下公共点电压α、β轴分量。

2)Δθ_ctrl和ΔU分别经PI环节以及限幅环节后得到频率和电压幅值的修正量，将修正量分别叠加至有功-频率控制环节输出频率ω和无功-电压控制环节电压幅值参考值E_ref。

较为优选的，相位预同步控制PI环节比例参数K_{p_θ}＝0.5，积分参数K_{i_θ}＝0.1，限幅环节上下限幅值分别为0.02和-0.02；幅值预同步控制PI环节比例参数K_{p_U}＝0.4，积分参数K_{i_U}＝0.1，限幅环节上下限幅值分别为0.02和-0.02。

3)并离网平滑切换逻辑，逆变器接收到并网指令后，使能预同步控制，经1s后判断输出电压和公共点电压处的幅值、相位、频率是否满足合闸条件，满足条件后发出合闸指令，断路器S1合闸完成后关闭预同步控制；并网运行过程中，接收到离网指令后，发送分闸指令断开断路器S1，完成离网操作。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法程序，所述考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法程序被处理器执行时实现如上述技术方案所述的考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法的步骤。

上述独立微电网系统按照以下工况运行：0-10s柴油发电机带304kW+j228kvar负载满载运行，9s时逆变器接收到并网指令，进行预同步，10s时闭合合闸开关，逆变器与柴油发电机组网运行，25s时突加304kW+j228kvar负载，35s时突卸304kW+j228kvar负载，45s时逆变器切除，图7a、图7b和图8a、图8b分别为全工况有功和无功变化波形，结果表明基于改进虚拟同步发电机控制的逆变器能够实现并离网平滑切换，且与柴油发电机组网运行时能够实现暂稳态功率均分，所提控制策略时正确且有效的。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：用于逆变器与柴油发电机并联的供电系统，包括以下步骤：

在标幺值系统中，将逆变器的输出有功功率作为有功-频率控制环节的输入量，得到逆变器的输出频率；所述有功-频率控制环节用于模拟柴油发电机一次调频特性、柴油机调速特性以及同步发电机的机械运动；

将逆变器的输出无功功率、输出电压幅值、输出电流的d、q轴分量作为无功-电压控制环节的输入量，得到逆变器d、q轴参考电压指令值；所述无功-电压控制环节用于模拟同步发电机一次调压特性、励磁动态特性和输出阻抗特性；

将逆变器d、q轴参考电压指令值作为电压电流双闭环的输入量，经过SVPWM调制得到PWM控制信号，用于调节逆变器输出电压；

逆变器输出电压与公共点电压之间的相位差和幅值差经过PI环节得到频率和电压的修正量，并分别叠加至逆变器的输出频率和输出电压幅值参考值，实现逆变器输出电压对公共点电压的跟踪控制；

根据外部指令实现并离网平滑切换；

在有功-频率控制环节、无功-电压控制环节和并离网平滑切换的过程中对相应的控制参数进行匹配设计，使逆变器与并联运行的柴油发电机暂稳态功率均分。

2.根据权利要求1所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：所述有功-频率控制环节的过程包括：

将逆变器的输出有功功率通过有功-频率下垂得到频率参考值；

采用PI控制和柴油机调速环节等效一阶惯性环节模拟柴油机调速控制环节，使逆变器的输出频率跟踪频率参考值，得到虚拟同步发电机机械功率，作为虚拟同步发电机转子运动方程的输入；

通过虚拟同步发电机转子运动方程得到逆变器的输出频率，积分后得到逆变器输出电压的相位。

3.根据权利要求1所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：所述无功-电压控制环节的过程包括：

将逆变器输出无功功率通过无功-下垂调节得到逆变器的输出电压幅值参考值；

采用PI控制使逆变器输出滤波电容处电压幅值跟踪输出电压幅值参考值，并引入同步发电机励磁调节系统等效的一阶惯性环节得到定子励磁电动势；

将定子励磁电动势代入同步发电机三阶模型中的励磁绕组电磁暂态方程、定子电压平衡方程，使逆变器模拟发电机励磁特性和输出阻抗特性，得到逆变器d、q轴参考电压指令值。

4.根据权利要求1所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：根据外部指令实现并离网平滑切换的过程包括：

逆变器接收到并网指令后，使能预同步控制，经1s后判断输出电压和公共点电压的幅值、相位、频率是否满足合闸条件，满足条件后发出合闸指令，合闸完成后关闭预同步控制；并网运行过程中，接收到离网指令后，发送分闸指令断开并网断路器，完成离网操作。

5.根据权利要求1所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：有功-频率控制环节的控制参数的匹配设计过程包括：各控制环节均采用标幺值，有功-频率控制环节中有功-频率下垂系数、调速环节PI参数、调速环节等效一阶惯性时间常数、虚拟惯量时间常数、虚拟阻尼均与并联运行的柴油发电机保持一致。

6.根据权利要求1所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：无功-电压控制环节的控制参数的匹配设计过程包括：在标幺值系统中，无功-电压控制环节中无功-电压下垂系数、调压环节PI控制参数、d轴同步电抗、d轴暂态电抗、q轴暂态电动势、d轴开路暂态时间常数，定子绕组电阻，q轴同步电抗均与并联运行的柴油发电机相应的参数保持一致。

7.根据权利要求1所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：并离网平滑切换过程的控制参数的匹配设计过程包括：在并网预同步控制中采用PI环节实现无差控制；标幺值系统中，对PI输出进行限幅，限幅值按逆变器的额定输出电压幅值和频率的2％设置。

8.根据权利要求1所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：求取逆变器输出电压与公共点电压之间的幅值差ΔU和相位差Δθ_ctrl的过程包括：根据αβ静止坐标系系中逆变器输出电压与公共点电压的矢量关系求取公共点电压与逆变器输出电压间相位差的正弦值sinΔθ、余弦值cosΔθ；利用三角函数周期为2π的特点，构造能够近似描述逆变器与公共点电压之间相位差的变量，作为逆变器输出电压与公共点电压之间的相位差Δθ_ctrl：

其中，U_α为逆变器输出电压α轴分量，U_β为逆变器输出电压β轴分量；U_gα为公共点电压β轴分量，U_gβ为公共点电压β轴分量。

9.根据权利要求2所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：

通过下式计算得到频率参考值ω_m：

ω_m＝ω₀+m(P_ref-P_e)

式中，P_ref为虚拟同步发电机的有功功率给定值，根据逆变器额定的有功功率给定的；P_e为逆变器输出有功功率，m为有功-频率下垂系数，ω₀为额定角速度。

10.根据权利要求3所述的一种考虑调速和励磁动态的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：

所述同步发电机三阶模型中的励磁绕组电磁暂态方程、定子电压平衡方程如下：

式中各变量为虚拟同步发电机的虚拟参数，其中E_f为定子励磁电动势，X_d为d轴同步电抗，X'_d为d轴暂态电抗，E'_q为q轴暂态电动势，T_d'₀为d轴开路暂态时间常数，R_a为定子绕组电阻，X_q为q轴同步电抗，E_q为q轴空载电动势，U_dref为d轴电压参考值，U_qref为q轴电压参考值；I_od为逆变器输出电流在旋转坐标系下的d轴分量，I_oq为逆变器输出电流在旋转坐标系下的q轴分量。

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