一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法
【专利摘要】本发明提供一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，包括以下步骤：建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程；通过虚拟同步发电机有功调节进行微源的有功控制；通过虚拟同步发电机无功调节进行微源的无功控制；实现微网不同运行模式之间的无缝切换。本发明提供一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，具有与同步发电机相类似的有功和无功调节能力，且能模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，能克服传统并网逆变器无惯性给电网带来的冲击，可有效提升电网接纳可再生能源的能力。
【专利说明】—种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电气工程领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法。
【背景技术】
[0002]随着全球范围内的能源危机和气候问题日益突出，可同时集成多种清洁能源的分布式发电技术和微电网技术得到了越来越多的关注[1-3]。然而，分布式发电系统和微电网内含有大量的并网逆变器，给配电网和微电网的安全稳定运行带来了巨大的挑战[4-5]。尤其是常规并网逆变器响应速度快、几乎没有转动惯量、难以参与电网调节，无法为含分布式电源的主动配电网提供必要的电压和频率支撑[6-7]，更无法为稳定性相对较差的微电网提供必要的阻尼作用[8-9]。
[0003]借鉴传统电力系统的运行经验，若使得并网逆变器具有同步发电机的外特性，必然能提高含并网逆变器的分布式发电系统和微电网的运行性能，并能方便地将一些传统电网的运行控制策略移植到微电网中[10-11]。基于该思想，有学者提出:在并网逆变器的功率外环中引入类似于同步发电机的电压和频率调差特性，并给出了一些并网逆变器的下垂控制策略。文献[12-17]提出了并网逆变器在离网运行模式下的下垂控制策略，在并网逆变器的有功和无功功率指令中引入了微电网电压和频率的偏差反馈，使得并网逆变器在离网运行模式下能根据微电网的频率和电压偏差以及自身的额定容量分享网内的负荷功率。文献[18-19]给出了并网逆变器在联网模式下的下垂控制策略，使得并网逆变器能根据微电网或配电网的电压频率异常事件做出响应，在故障时能有效地为电网提供必要的有功和无功支撑。然而，基于下垂控制的一些方法只是针对同步发电机下垂外特性来做适当的近似，还不足以模拟同步发电机的真实运行特性。文献Zhong QC，Weiss G.Synchronverters:1nverters That Mimic Synchronous Generators[J].1EEETransactions on Industrial Electronics, 2011，58 (4): 1259-1267.借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使得并网逆变器在机理上和外特性上均能与同步发电机相媲美，该类控制策略称为“虚拟同步发电机”技术，其特别适用于储能装置与配电网之间的连接，有望在未来主动配电网和微电网中发挥重要作用。要使虚拟同步发电机能适应微电网应用，还需进一步的研究虚拟同步发电机有功、无功功率的跟踪控制，以及并网、离网两种运行模式之间的无缝切换策略等[23-27]。
[0004]参考文献
[0005][I]Lasseter R H.Microgrids and distributed generation[J].Journal ofEnergy Engineering, 2007, 133(3):144-149.[0006][2]王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化，2010，34(2):10-14.[0007][3] Lidula N W A, Rajapakse A D.Microgrids research: A review ofexperimental microgrids and test systems [J].Renewable and Sustainable EnergyReviews, 2011，15(1):186-202.[0008][4]Enslin J H R，Heskes P J M.Harmonic interaction between a largenumber of distributed power inverters and the distribution network[J].1EEETransactions on Power Electronics,2004, 19 (6):1586-1593.[0009][5]He J，Li Y Wj Bosnjak D，et al.1nvestigation and active dampingof multiple resonances in a parallel-1nverter-based microgrid[J].1EEETransactions on Power Electronics，2013，28(I):234-246.[0010][6]尤毅，刘东，于文鹏，等.主动配电网技术及其进展[J].电力系统自动化，2012，36(18):10-16.[0011][7]Borges C L T，Martins V F.Multistage expansion planning foractive distribution networks under demand and Distributed Generationuncertainties[J].Electrical Power and Energy Systems.2012, 36:107-116.[0012][8]张建华，苏玲，刘若溪，等.逆变型分布式电源微网并网小信号稳定性分析[J].电力系统自动化，2011，35(6):76-80.[0013][9] Li Y, Vilathgamuwa D Mj Loh P C.Design, analysis, and real-time testingof a controller for multibus microgrid system[J].1EEE Transactions on Power Electronics, 2004，19 (5): 1195-1203.[0014][10] T.Vu Van, K.Visscherj J.Diaz, V.Karapanosj et al.Virtual synchronousgenerator:an element of future grids[C].[0015][11]张兴，朱德斌，徐海珍.分布式发电中的虚拟同步发电机技术[J].电源学报，2012，3:1-6.[0016][12]郜登科，姜建国，张宇华.使用电压-相角下垂控制的微电网控制策略设计[J].电力系统自动化，2012，36(5):29-34.[0017][13]Guerrero J M，de Vicuna L G，Matas J，et al.A wireless controller toenhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generationsystems[J].1EEE Transactions on Power Electronics，2004，19 (5):1205-1213.[0018][14] I 1-Yop Cj Wenxin Lj Cartes D A，et al.Control methods ofinverter-1nterfaced distributed generators in a microgrid system[J].1EEETransactions on Industry Applications，2010，46(3):1078-1088.[0019][15]姚玮，陈敏，陈晶晶，等.一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法[J].电工技术学报，2008 (I):84-89.[0020][16]Mohamed Y, El-Saadany E F.Adaptive decentralized droop controllerto preserve power sharing stability of paralleled inverters in distributedgeneration microgrids[J].1EEE Transactions on Power Electronics，2008，23 (6):2806-2816.[0021][17]杨向真，苏建徽，丁明，等.微电网孤岛运行时的频率控制策略[J].电网技术，2010，34(1):164-168.[0022][18]吴云亚，阚加荣，谢少军.有功调频-无功调压的间接电流型并网逆变器控制方案[J].电力系统自动化，2011，35 (I I):93-97.[0023][19]杜威，姜齐荣，陈蚊瑞.微电网电源的虚拟惯性频率控制策略[J].电力系统自动化，2011，35(23):26-31.[0024][20]Yong Chen, Hesse R, Turschner D, Beck, H-P.1mproving the grid powerquality using virtual synchronous machines[C].Power Engineering, Energy andElectrical Drives (POffERENG), 2011International Conference on, ll-13May2011:1-6.[0025][21]Tom Loix.Participation of inverter-connected distributed energyresources in grid voltage control [D].Leuven:Katholieke Universiteit, 2011.[0026][22]Zhong Q C, Weiss G.Synchronverters:1nverters That Mimic SynchronousGenerators[J].1EEE Transactions on Industrial Electronics, 2011，58 (4):1259-1267
[0027][23]盛建科，曾嵘，年珩，等.新能源分布式发电系统并网与离网运行的柔性切换技术[J].大功率变流技术，2012(2):30-34.[0028][24]王晓寰，张纯江.分布式发电系统无缝切换控制策略[J].电工技术学报，2012，27(2):217-222.[0029][25]Rohit Tirumala, Ned Mohan.Seamless transfer of gird-connected PWMinverters between utility-1nteractivea and stand-alone modes[C].1EEE AppliedPower Electronics Conference, Anaheim, USA, 2002:1081-1086.[0030][26]Shen G Q, Xu D H.Voltage phase regulated seamless transfer controlstrategy for utility-1nterconnected fuel cell inverters with an LCL-filter[C].1EEE37th Power Electronics Specialists Conference, 2006:831-836.[0031][27]Lei Q, Yang S T, Peng F Z.Mult1-loop control algorithms for seamlesstransition of gridconnected Inverter[C].IEEE Applied Power Electronics Conference, Anaheim, USA, 2010:844-848.
【发明内容】
[0032]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，具有与同步发电机相类似的有功和无功调节能力，且能模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，为克服传统并网逆变器无惯性给电网带来的冲击，可有效提升电网接纳可再生能源的能力。
[0033]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0034]本发明提供一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，所述方法包括以下步骤:
[0035]步骤1:建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程；
[0036]步骤2:通过虚拟同步发电机有功调节进行微源的有功控制；
[0037]步骤3:通过虚拟同步发电机无功调节进行微源的无功控制；
[0038]步骤4:实现微网不同运行模式之间的无缝切换。
[0039]所述步骤I中，由牛顿第二定律，虚拟同步发电机的机械方程表示为:
[0040] H — = Tm — Te — Td = Tm — Te — — ω0)(I)[0041]其中，H为虚拟同步发电机的惯性时间常数，单位为s ；ω为虚拟同步发电机的角速度，Qci为微网同步角速度，单位为rad/s ;ΤΠ、?；和Td分别为虚拟同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，单位均为N.m ;D为阻尼系数，单位为N.m.s/rad ;其中，虚拟同步发电机电磁转矩Te表不为:
[0042]Te=Pe/ ω = (eaia+ebib+ecic) / ω (2)
[0043]其中，Pe为虚拟同步发电机输出的电磁功率，ea、eb和e。分别为虚拟同步发电机的A、B和C相的机端电势，ia、ib和i。分别为虚拟同步发电机的A、B和C相的机端电流；
[0044]虚拟同步发电机的电磁方程可以表示为:
[0045]L — ^abc — uabc — ^abc(3)
[0046]其中，L为虚拟同步发电机的同步电感，R为虚拟同步发电机的同步电阻，eabc, Uabc和iab。分别为虚拟同步发电机的机端电势、电压和电流。
[0047]所述步骤2中，通过对虚拟同步发电机机械转矩Tm的调节即可实现微源的有功控制；τπ由机械转矩指令Ttl和机械频率偏差反馈指令Λ T两部分组成，其中Ttl表示为:
[0048]T0=Pref/ ω ⑷
[0049]其中，Pref为并网逆变器的有功指令； [0050]频率响应的调节通过虚拟的自动频率调节器实现，这里取自动频率调节器为比例环节，即机械功率偏差反馈指令ΛT表示为:
[0051]Δ T=-kf (f~f0) (5)
[0052]其中，f为虚拟同步发电机机端电压的频率，fO为微网基准频率，kf为调频系数。
[0053]所述步骤3中，通过调节虚拟同步发电机电势Ep来调节虚拟同步发电机的机端电压和无功功率，即可实现微源的无功控制；EP表示为:
[0054]Ep=E0+ Δ Eq+ Δ Eu (6)
[0055]其中，Etl为虚拟同步发电机的空载电势，AEdP AEq分别为虚拟同步发电机机端电压调节量和无功功率调节量；其中表示为:
[0056]Δ EQ=kq (Qref-Q) (7)
[0057]其中，k,为无功调节系数，Qref为并网逆变器的无功指令，Q为并网逆变器机端输出的瞬时无功功率值，表示为:
[0058]Q = [(Ita — Ub) Lc + (Iti) — uc)ia + (uc — ua)th]/V3(8)
[0059]ua、Ub和U。分别为虚拟同步发电机的A、B和C相的机端电压；
[0060]Δ Eu等效为虚拟同步发电机的自动电压调节器，将自动电压调节器简化为比例环节，那么Λ Eu表示为:
[0061]AEu=Iiv(Uref-U) (9)
[0062]其中，kv为电压调节系数，Uref和U分别为并网逆变器机端电压有效值的指令值和真实值；
[0063]进而，得到虚拟同步发电机电势电压向量E，表示为:
[0064]
【权利要求】
1.一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤1:建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程； 步骤2:通过虚拟同步发电机有功调节进行微源的有功控制； 步骤3:通过虚拟同步发电机无功调节进行微源的无功控制； 步骤4:实现微网不同运行模式之间的无缝切换。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，其特征在于:所述步骤I中，由牛顿第二定律，虚拟同步发电机的机械方程表示为:
3.根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，其特征在于:所述步骤2中，通过对虚拟同步发电机机械转矩Tm的调节即可实现微源的有功控制；Tm由机械转矩指令Ttl和机械频率偏差反馈指令Λ T两部分组成，其中Ttl表示为:
T0=Pref/ω (4) 其中，Pref为并网逆变器的有功指令； 频率响应的调节通过虚拟的自动频率调节器实现，这里取自动频率调节器为比例环节，即机械功率偏差反馈指令ΛT表示为:
ΔT=-kf(f-fO) (5) 其中，f为虚拟同步发电机机端电压的频率，f0为微网基准频率，kf为调频系数。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，其特征在于:所述步骤3中，通过调节虚拟同步发电机电势Ep来调节虚拟同步发电机的机端电压和无功功率，即可实现微源的无功控制；EP表示为:
Ep=E0+ Δ Eq+ Δ Eu (6) 其中，Etl为虚拟同步发电机的空载电势，AEU和AEq分别为虚拟同步发电机机端电压调节量和无功功率调节量；其中AEq表示为:
AEQ=kq (Qref-Q) (7) 其中，k,为无功调节系数，QMf为并网逆变器的无功指令，Q为并网逆变器机端输出的瞬时无功功率值，表示为:
5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，其特征在于:所述步骤4中，根据微网具有离网和并网两种不同的运行模式，实现微网并/离网、离/并网运行模式间的无缝切换。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，其特征在于:微网微网从并网运行模式向离网运行模式的无缝切换过程如下: 将并网逆变器等效为独立的电压源，计划孤岛或非计划孤岛时，当微网切除后，虚拟同步发电机仍然保持并网时的初始状态，实现微网从并网运行模式向离网运行模式的无缝切换； 微网从并网运行模式向离网运行模式的无缝切换的过程中，通过对微网内负荷功率需求和离网前的指令功率之间的偏差，以及机端电压调节和频率响应调节，不断修正并网逆变器的有功指令和无功指令，达到新的虚拟同步发电机电势和功角δ平衡点，以满足微网内有功功率和无功功率的供需平衡。
7.根据权利要求5所述的基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法，其特征在于:微网微网从离网运行模式向并网运行模式的无缝切换过程如下: 在矢量图模型中，设微电网和虚拟同步发电机对应的相位分别Oci和ω ;微电网和虚拟同步发电机的电压分别为U1和I2;微电网电压矢量U1以角速度Qci旋转，虚拟同步发电机的电压矢量U2以角速度ω旋转，若能调节U2的旋转速度，使得U2和U1重合，即可实现微电网与虚拟同步发电机之间电压的同步，进而实现微网从离网运行模式向并网运行模式的无缝切换； 若将dq坐标系的q轴定位U1的反方向上，通过控制U2的d轴分量为O且q轴分量为设定值-Uset实现U2对U1的同步追踪；在计算过程中，采用从abc坐标系到dq坐标系的Park变换，有
【文档编号】H02J3/40GK103972928SQ201410157692
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】吕志鹏, 盛万兴, 刘海涛, 钟庆昌 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院