一种基于虚拟同步发电机的微网逆变器控制方法与流程

本发明属于分布式发电的微网变流器控制领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的微网逆变器控制方法。

背景技术：

分布式发电是解决新能源发电并网和提高用户用电质量的有效手段，但随着电网中分布式电源渗透率的不断提高，其负面影响日益凸显。微网能充分发挥分布式电源的优势、提高用户的供电可靠性，具有广阔的发展前景，受到世界各国的关注和重视。

在常规的电力系统中，系统频率、电压的动态特性与发电机转动惯量及系统调频调压控制有关。而在基于电力电子逆变器并网的分布式发电系统中，若借助配备的储能环节，并采用适当的并网逆变器控制算法，使基于并网逆变器的分布式电源从外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性，从而改善分布式系统的稳定性，这就是虚拟同步发电机技术。

虚拟同步发电机技术的主要目的是为了加大系统的惯量，进而改善电网频率的稳定性。该技术不仅能实现离网运行时的逆变电源控制及功率分配，还能使逆变电源具有旋转惯性和阻尼分量，在并网模式下，利用其模拟出的发电机下垂特性，支撑微网的正常运行。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于虚拟同步发电机的微网逆变器控制方法。该策略不仅能实现离网运行时的逆变电源控制及功率分配，还能使逆变电源具有旋转惯性和阻尼分量，在并网模式下，利用其模拟出的发电机下垂特性，可具有为整机提供惯性的能力和阻尼，来支撑微网的正常运行。

本发明构造了微网逆变器的上层控制，设计了功频调节器，微网逆变器用此种方法可以模拟实际同步发电机特性，实现稳定并网，具有良好的稳态、动态调节性能及输出特性。

本发明提出的微网逆变器中，主电路采用三相电压型逆变器，Li为滤波电感，Ci为滤波电容，Lk为虚拟同步发电机与大电网的连接电感，虚拟同步发电机控制系统采集并网点的I-V数据，经过控制部分得到虚拟同步发电机的机械功率和励磁电压指令值分别为PT、EO，再将通过控制算法模型得到的并网电压指令值U*作为逆变器的SPWM调制波，逆变电压经LC滤波电路滤波后，使得并网电压Uabc与端电压相似。

在dq坐标系下建立虚拟同步发电机的本体模型，其绕组的磁链方程表示如下：

其中，L为电感，M_ij为互感，p为算子，p＝d/dt，ω为同步角速度。U_i(i＝d，q，e，D，Q)分别为定子d、q绕组、阻尼绕组和转子d、q绕组的电压，ψ_i(i＝d，q，e，D，Q)分别为定子d、q绕组、阻尼绕组和转子d、q绕组的磁链；i_i(i＝d，q，e，D，Q)分别为定子d、q绕组、阻尼绕组和转子d、q绕组的电流，R_i(i＝d，q，e，D，Q)为定子d、q绕组、阻尼绕组和转子d、q绕组的电阻。

其绕组的磁链方程等式可表示如下

式中i_f为同步电机的转子电流，其等式为

转子机械方程如下

其中的J为转子所有转动部分的主要转动惯量，T_e为电磁转矩，T_m为机械转矩，T_e为电磁转矩，D_p为阻尼系数。基于虚拟同步发电机的逆变电源控制策略中引入了频率反馈环节，使得逆变电源能够跟踪电网频率，同时采用并网电压闭环控制以保证并网电压的稳定，可以无偏差地实现频率和电压的稳定。

设f为系统实际频率，f_N为系统额定频率，P_N为虚拟同步发电机在额定频率下的初始输出有功功率，P_T为虚拟同步发电机实际输出功率，定义发电机的频率调差系数R，则有，

其标幺值可表示为，

频率调差系数可以定量表示同步发电系统负载突变时相应的频率变化，决定了机组之间的有功功率分配。因同步发电机的原理可知，其转子频率在短时内突变概率低，且具备一定惯性，通过转子运动方程，将虚拟惯性控制引入到微网逆变电源的控制算法中，从而模拟出同步发电机的转子运动特性，可得微网逆变电源的有功频率控制方程为

其中，H为虚拟惯性时间常数，ω、ω_grid分别为逆变电源及公共母线的角频率，P_mec、P_out分别为逆变电源的输入和输出功率，K_d为阻尼系数；为相位角。

当工作在并网模式时，ω_ref与ω_grid相等，调频控制器不起作用，阻尼控制模块K_d(ω-ω_grid)保证分布式逆变电源频率与主电网频率一致。

由于所提控制算法可工作在并网，对其建立小信号模型，逆变电源的输出电压为公共母线电压为U∠0，即以公共母线电压为参考点，R₁+jX₁为线路阻抗。在并网模式下，逆变器的输出视在功率可以表示为，

在有功和无功功率在传输过程中，得到的其小信号模型如下，

当ω_grid＝ω_ref时，可得新型虚拟同步发电机VSG控制策略的小信号模型，

令可得基于VSG的微网逆变电源的小信号模型，其可表示为，

该发明提出的基于虚拟同步发电机的微网逆变器控制方法，通过逆变电源与虚拟同步发电机算法的结合，使其具有和同步发电机相似的电压幅值频率调节特性；实现离网运行时的逆变电源控制及功率分配，还能使逆变电源具有旋转惯性和阻尼分量利用其模拟出的发电机下垂特性，可具有为整机提供惯性的能力和阻尼，支撑微网的正常运行。

附图说明

图1虚拟同步发电机原理图

图2微网逆变器并网的典型控制结构

图3功频控制器

图4有功-频率控制框图

图5逆变电源并网工作模式等效电路

图6并网模式下H和K_d变化时的特征根轨迹

图7并网模式下D_q变化时的特征根轨迹

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做详细说明。

如图1所示，主电路采用三相电压型逆变器，Li为滤波电感，Ci为滤波电容，Lk为虚拟同步发电机与大电网的连接电感，虚拟同步发电机控制系统采集并网点的I-V数据，经过控制部分得到虚拟同步发电机的机械功率和励磁电压指令值分别为PT、EO，再将通过控制算法模型得到的并网电压指令值U*作为逆变器的SPWM调制波，逆变电压经LC滤波电路滤波后，使得并网电压Uabc与端电压相似。

如图2所示，基于虚拟同步发电机的逆变电源控制策略中引入了频率反馈环节，使得逆变电源能够跟踪电网频率，同时采用并网电压闭环控制以保证并网电压的稳定，可以无偏差地实现频率和电压的稳定。

如图3所示，在虚拟同步发电机功频控制器设计中，f为系统实际频率，f_N为系统额定频率，P_N为虚拟同步发电机在额定频率下的初始输出有功功率，P_T为虚拟同步发电机实际输出功率。

如图4所示，在有功-频率控制框图中，ω、ω_grid分别为逆变电源及公共母线的角频率，P_mec、P_out分别为逆变电源的输入和输出功率，K_d为阻尼系数；为相位角。当工作在并网模式时，ω_ref与ω_grid相等，调频控制器不起作用，阻尼控制模块K_d(ω-ω_grid)保证分布式逆变电源频率与主电网频率一致。

如图5所示，控制算法可工作在并网，对其建立小信号模型，由于所提控制算法可工作在并网，对其建立小信号模型，逆变电源的输出电压为公共母线电压为U∠0，即以公共母线电压为参考点，R₁+jX₁为线路阻抗。在并网模式下，逆变器的输出视在功率可以表示为，

在有功和无功功率在传输过程中，得到的其小信号模型如下，

如图6所示，在H＝1、3、5的条件下，K_d从1变化到1 000的根轨迹族。可看出，系统共有4个特征根，其中s₃、s₄为变化极小的实根，对系统的稳定性影响很小。当K_d较小时，s₁、s₂位于复平面的右侧，系统不稳定；随着K_d的增加，s₁、s₂移动到复平面的左侧，系统有较好的动态特性，此时处于欠阻尼状态，会有一定超调。随着H的增加，特征根s₁、s₂的分离点向虚轴移动，系统的响应速度变慢，其对应衰减分量的阻尼不断减小。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。