本发明涉及分布式发电并网控制，特别是一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机(简称为vsg)控制方法。
背景技术：
能源是维系人类生存和社会发展的重要因素，在发挥不可或缺的积极作用的同时，也引发了能源短缺和化石能源污染等问题。为缓解这些问题，近年来针对太阳能、风能等可再生能源的利用形式逐渐得到各国重视而得到大力发展，其中太阳能光伏发电占了相当大的比重。截至2016年，全球累计的光伏发电装机容量已经超过300gw，而我国自2013年起已连续四年居于光伏装机总量首位——截至2017年上半年，我国并网光伏装机总量已达到101.82gw，其中分布式光伏发电17.43gw，占比17％，未来这一比例仍将持续增大。
分布式发电具有诸多优点，如投资小、无污染、可靠性高以及发电方式灵活等，同时也存在不易调控、具有随机性和波动性等问题。分布式电源在并网过程中往往需要通过电力电子变换器(并网dc/ac逆变器)来输送电能，相比于运行成熟的传统发电设备(如同步发电机)，电力电子变换器具有响应迅速，控制灵活等优势，但是自身不具备同步发电机所固有的旋转惯性和阻尼分量，当系统中接入的分布式电源达到一定规模时，必将对电力系统的安全稳定运行造成威胁。在传统的发电模式下，同步发电机凭借其所固有的旋转惯性和阻尼特性，能够为电网提供必要的电压和频率支撑，表现出良好的接入特性。受此启发，有学者借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程提出虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，vsg)控制策略，使电力电子并网dc/ac逆变器能模拟出同步发电机的外特性，可以实现分布式电源的“友好型”接入，提高电力系统稳定性和优化电能质量，并能方便地将一些传统电网的运行控制策略移植到含分布式电源的电网中。
在传统电力系统中，针对发电机组的励磁控制是提高电力系统稳定性的一大有效手段，可以将发电机端电压的调节精度维持在一个给定的范围内，一般采用基于发电机端电压偏差进行的比例积分微分调节，简称pid调节方式。受此启发，基于vsg控制的dc/ac逆变器也多采用pid调节手段，虽然能够保证端电压的调节精度，但是难以有效改善电力系统的稳定性和故障后系统的动态品质。在随后的励磁调节器设计方面，新的控制律利用微分几何方法，对非线性系统采用精确的反馈线性化方法，通过非线性反馈将非线性电力系统转化为线性系统，然后按照线性系统的设计理论进行励磁调节的设计。这种方法对模型的精确度要求较高，在系统结构或参数不确定等情况下，难以保证控制效果。
针对分布式逆变电源，传统的控制策略是基于旋转坐标系解耦的电流型控制策略，在稳态并网条件下能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，但在系统故障等暂态情况下，采用此种控制算法时，dc/ac逆变器的动态特性较差。此外，传统的解耦控制一般将系统近似为线性来进行控制，而实际上分布式dc/ac逆变器的数学模型呈现非线性特质，这样的近似处理无疑会对控制效果造成影响。
技术实现要素：
为应对上述传统方法的不足，本发明提供一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，该方法在光伏并网中能对dc/ac逆变器施加有效控制，对于维持系统功率平衡、电压和频率稳定具有较好的效果。改善了光伏并网系统暂态稳定性和动态品质。
本发明的技术解决方案如下：
一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，其特点在于，包括下列步骤：
1)获取所述的虚拟同步发电机输出到电网端的电压、电流以及电网频率，根据所测电压、电流计算虚拟同步发电机的输出功率；
2)根据虚拟同步电机机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角；
3)建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点；
4)基于上述数学模型和平衡点，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，获取调制波信号电压幅值；
5)结合所述的调制波信号电压幅值和调制波信号相角构建调制波信号，生成pwm脉冲作用于系统中dc/ac逆变器以实现光伏并网的vsg控制。
所述的获取所述虚拟同步发电机输出到电网端的电压电流以及电网频率，根据所测电压电流计算虚拟同步发电机输出功率，具体步骤包括：
1)获取虚拟同步发电机输出电压、电流及电网频率：
通过互感器采集虚拟同步发电机在三相abc坐标系下的输出侧的电压uabc及输出电流iabc；电网频率通过锁相环(pll)模块测量电网侧公共母线角速度ωg；
2)计算虚拟同步发电机输出功率：
利用所测输出侧的电压uabc及输出电流iabc，按式(1)计算虚拟同步发电机输出功率：
pout＝uaia+ubib+ucic(1)
或先将电压电流转换到dq坐标系下再按式(2)求功率：
式中，ud、uq，id、iq分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量。
所述的根据虚拟同步发电机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角，具体包括下列步骤：
1)模拟同步机，建立虚拟同步发电机的转子运动特性方程为：
式中，h为虚拟惯性时间常数，与同步机转动惯量j相对应；pin、pout为dc/ac逆变器的输入功率和输出功率，类比传统同步机的机械功率和电磁功率；ω、ωg为dc/ac逆变器的虚拟转子角速度和电网侧公共母线角速度；kd为阻尼系数；
再考虑有功-频率下垂控制环节，即
式中，pset为虚拟同步控制下dc/ac逆变器的参考有功输入(可为上层调度指令)；dp为下垂控制系数；ωref为角速度参考值(一般即为50hz，标幺值为1)；
2)基于上式(3)(4)，建立有功频率控制模型，得到dc/ac逆变器的虚拟转子角速度及调制波信号相角为：
式中，
所述的建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点，具体包括：
1)基于上述转子运动方程，采用标幺值表示，并做部分简化，可得：
式中，ωr[p.u.]为虚拟转子角速度与电网侧同步角速度的偏差；ωs＝2πf0为基准角速度，f0＝50hz；
2)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：
式中，k′d是励磁绕组的时间常数(s)；vset[p.u.]为对应于系统稳态运行时给定励磁电压；uf为对应于励磁电压的调节量；vq是所述的dc/ac逆变器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；
根据定义vq与v′q存在关系为：
vq＝v′q+(xvir-x′vir)id(9)
式中，xvir表示虚拟定子电抗，x′vir表示虚拟暂态同步电抗，均可用虚拟阻抗方法模拟；id为母线电流d轴分量，可表示为：
其中，u为无限大系统的母线电压，可看作常数；x′d∑＝x′vir+xl为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和；
3)根据虚拟同步发电机虚拟励磁绕组电磁动态方程，将式(9)代入(10)得到vq与v′q之间有如下关系成立：
4)根据虚拟同步发电机电磁功率方程，可得到虚拟同步发电机有功功率表达式：
已知电动势、电压和电流的关系为
将(12)代入(2)得到虚拟同步发电机输出到电网的有功功率表达式为：
5)根据虚拟同步发电机转子运动方程(7)和虚拟励磁绕组电磁动态方程(8)，最终建立具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型为：
6)定义系统运行平衡点，将上述模型简写为：
其中，
根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统
当给定dc/ac逆变器预设功率pset和虚拟励磁电压vset时，可通过求解(16)非线性代数方程得到系统运行平衡点。
所述的基于上述数学模型和平衡点，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，获取调制波信号电压幅值，具体包括：
1)考虑化简后的系统模型(15)中的子系统(δ，ωr)，并将暂态电势v′q表示为v′q＝v′qs+δv′q，则定义δv′q＝v′q-v′qs，子系统(δ，ωr)可写为：
其中，pout0＝a1v′qssinδ-a2sin2δ，记m＝2h；
2)将δv′q看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节dc/ac逆变器虚拟励磁使q轴暂态电势的变化δv′q满足a1δv′qsinδ＝m·kdωr，由于存在调节误差，定义调节误差为：
e＝m·kdωr-a1δv′qsinδ(18)
其中，kd为自定义变量且kd＞0，mkd为理想补偿dc/ac逆变器虚拟阻尼系数，由此可得：
定义
对上式求导得到：
选取控制律r为：
r＝-ωsωr-kee(22)
其中，ke为自定义变量且大于零，则
由此，可得到直接改善虚拟同步发电机阻尼系数的励磁控制律u为：
3)已知dc/ac逆变器pwm调制波电压幅值e与dc/ac逆变器出口电压幅值vq存在下列关系：
vq＝vdc·e(25)
其中，vdc为直流侧电压估计值。
将上述控制律(24)代入式(8)、(9)，通过递归计算可得dc/ac逆变器出口电压参考值vq，再由式(25)即得dc/ac逆变器调制波信号电压幅值e。
所述的结合上述所得调制波信号相角δ、调制波信号电压幅值e构建调制波信号，再生成pwm脉冲信号作用于所述的dc/ac逆变器，以实现光伏并网的vsg控制，这里pwm三相调制波信号的表达式为：
考虑将上述幅值e和相角δ输入到三相程控电压源以获得上述三相调制波信号，再作用于pwm发生器产生dc/ac逆变器控制脉冲。
本发明发技术效果：
经实验仿真测试，本发明生成的三相调制波信号稳定且精度较高，进一步产生的pwm控制脉冲能有效控制dc/ac逆变器，保证了光伏并网的vsg控制效果。改善了光伏并网系统暂态稳定性和动态品质。
附图说明
图1是适用于本发明方法的光伏并网系统结构图；
图2是本发明适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法流程图；
图3是虚拟同步控制下dc/ac逆变器对应传统同步机示意图；
图4是本发明控制方法示意图
图5实验仿真频率控制效果图
图6实验仿真有功控制效果图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，图1为适用于本发明方法的光伏并网系统结构图。图中光伏电池板输出的直流电先经dc/dc变换器调压，再经dc/ac逆变器输出，通过lc滤波环节后输送到电网。控制dc/ac逆变器内电力电子器件导通和关断的pwm脉冲由本发明控制方法得到的调制波信号e∠δ产生，以实现光伏并网的vsg控制。
图2是本发明适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法流程图，本发明适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，包括下列步骤：
1)获取所述的虚拟同步发电机输出到电网端的电压、电流以及电网频率，根据所测电压、电流计算虚拟同步发电机的输出功率；
2)根据虚拟同步电机机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角；
3)建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点；
4)基于上述数学模型和平衡点，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，获取调制波信号电压幅值；
5)结合所述的调制波信号电压幅值和调制波信号相角构建调制波信号，生成pwm脉冲作用于系统中dc/ac逆变器以实现光伏并网的vsg控制。
所述的获取所述虚拟同步发电机输出到电网端的电压电流以及电网频率，根据所测电压电流计算虚拟同步发电机输出功率，具体步骤包括：
1)获取虚拟同步发电机输出电压、电流及电网频率：
通过互感器采集虚拟同步发电机在三相abc坐标系下的输出侧的电压uabc及输出电流iabc；电网频率通过锁相环(pll)模块测量电网侧公共母线角速度ωg；
2)计算虚拟同步发电机输出功率：
利用所测输出侧的电压uabc及输出电流iabc，按式(1)计算虚拟同步发电机输出功率：
pout＝uaia+ubib+ucic(1)
或先将电压电流转换到dq坐标系下再按式(2)求功率：
式中，ud、uq，id、iq分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量。
所述的根据虚拟同步发电机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角，具体包括下列步骤：
1)模拟同步机，建立虚拟同步发电机的转子运动特性方程为：
式中，h为虚拟惯性时间常数，与同步机转动惯量j相对应；pin、pout为dc/ac逆变器的输入功率和输出功率，类比传统同步机的机械功率和电磁功率；ω、ωg为dc/ac逆变器的虚拟转子角速度和电网侧公共母线角速度；kd为阻尼系数；
再考虑有功-频率下垂控制环节，即
式中，pset为虚拟同步控制下dc/ac逆变器的参考有功输入(可为上层调度指令)；dp为下垂控制系数；ωref为角速度参考值(一般即为50hz，标幺值为1)；
2)基于上式(3)(4)，建立有功频率控制模型，得到dc/ac逆变器的虚拟转子角速度及调制波信号相角为：
式中，
所述的建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点，具体包括：
1)基于上述转子运动方程，采用标幺值表示，并做部分简化，可得：
式中，ωr[p.u.]为虚拟转子角速度与电网侧同步角速度的偏差；ωs＝2πf0为基准角速度，f0＝50hz；
2)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：
式中，k′d是励磁绕组的时间常数(s)；vset[p.u.]为对应于系统稳态运行时给定励磁电压；uf为对应于励磁电压的调节量；vq是所述的dc/ac逆变器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；
根据定义vq与v′q存在关系为：
vq＝v′q+(xvir-x′vir)id(9)
式中，xvir表示虚拟定子电抗，x′vir表示虚拟暂态同步电抗，均可用虚拟阻抗方法模拟；id为母线电流d轴分量，可表示为：
其中，u为无限大系统的母线电压，可看作常数；x′d∑＝x′vir+xl为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和；
3)根据虚拟同步发电机虚拟励磁绕组电磁动态方程，将式(9)代入(10)得到vq与v′q之间有如下关系成立：
4)根据虚拟同步发电机电磁功率方程，可得到虚拟同步发电机有功功率表达式：
已知电动势、电压和电流的关系为
将(12)代入(2)得到虚拟同步发电机输出到电网的有功功率表达式为：
5)根据虚拟同步发电机转子运动方程(7)和虚拟励磁绕组电磁动态方程(8)，最终建立具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型为：
6)定义系统运行平衡点，将上述模型简写为：
其中，
根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统
当给定dc/ac逆变器预设功率pset和虚拟励磁电压vset时，通过求解(16)非线性代数方程得到系统运行平衡点。
基于上述数学模型和平衡点，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，获取调制波信号电压幅值，具体包括：
1)考虑化简后的系统模型(15)中的子系统(δ，ωr)，并将暂态电势v′q表示为v′q＝v′qs+δv′q，则定义δv′q＝v′q-v′qs，子系统(δ，ωr)可写为：
其中，pout0＝a1v′qssinδ-a2sin2δ，记m＝2h；
2)将δv′q看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节dc/ac逆变器虚拟励磁使q轴暂态电势的变化δv′q满足a1δv′qsinδ＝m·kdωr，由于存在调节误差，定义调节误差为：
e＝m·kdωr-a1δv′qsinδ(18)
其中，kd为自定义变量且kd＞0，mkd为理想补偿dc/ac逆变器虚拟阻尼系数，由此可得：
定义
对上式求导得到：
选取控制律r为：
r＝-ωsωr-kee(22)
其中，ke为自定义变量且大于零，则
由此，可得到直接改善虚拟同步发电机阻尼系数的励磁控制律u为：
3)已知dc/ac逆变器pwm调制波电压幅值e与dc/ac逆变器出口电压幅值vq存在下列关系：
vq＝vdc·e(25)
其中，vdc为直流侧电压估计值，将上述控制律(24)代入式(8)、(9)，通过递归计算可得dc/ac逆变器出口电压参考值vq，再由式(25)即得dc/ac逆变器调制波信号电压幅值e。
所述的结合上述所得调制波信号相角δ、调制波信号电压幅值e构建调制波信号，再生成pwm脉冲信号作用于所述的dc/ac逆变器，以实现光伏并网的vsg控制，这里pwm三相调制波信号的表达式为：
考虑将上述幅值e和相角δ输入到三相程控电压源以获得上述三相调制波信号，再作用于pwm发生器产生dc/ac逆变器控制脉冲。
简略地说，本发明方法分为两大部分，分别求取调制波信号的相角和幅值，第一步获取dc/ac逆变器输出电压、电流以及电网频率并计算虚拟同步发电机输出功率，在此基础上第二步建立有功频率控制模型，推导虚拟转子角速度计算公式，进而求得调制波信号相角；第三步建立结合励磁控制的vsg系统数学模型，定义并求取系统运行平衡点，在此基础上第四步采用递归设计实现虚拟励磁控制，进而获取调制波信号电压幅值；最后一步结合所得幅值e和相角δ构建调制波信号e∠δ，生成pwm脉冲作用于光伏并网dc/ac逆变器。
具体地，步骤二中，建立有功频率控制模型，除了依照虚拟同步发电机的转子运动特性方程外，还考虑加入有功频率下垂控制环节，可以使分布式逆变电源具备一定的调频能力，从而在系统负荷变化的情况下可以给系统提供一定的频率支持，以提高系统的稳定性能；
步骤三中，参照图3，采用与同步发电机参数对应的方式，建立虚拟同步发电机控制下的dc/ac逆变器转子运动方程，励磁绕组电磁动态方程以及虚拟同步发电机电磁动态方程，最终得到虚拟同步发电机控制下的dc/ac逆变器系统数学模型表达式；
步骤四中，通过构造李雅普诺夫函数，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，充分利用了虚拟同步发电机本身的暂态能量函数；最后一步，构建的调制波与载波作比较生成pwm脉冲信号，用于控制三相桥dc/ac逆变器开关管的导通和关断，实现光伏并网的vsg控制。
图4为本发明控制方法示意图，其中上半部分对应图2中的第一步、第二步，pll锁相环模块获取电网频率ωg，pset、pout作为参数输入，经过由下垂控制环节和转子运动特性方程组合而成的有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度ω及调制波信号相角δ。而下半部分对应虚拟励磁控制模型，基于虚拟励磁控制器得到的控制律u，再通过一系列递归计算可得到用于dc/ac逆变器控制的调制波信号幅值e。最后结合上下两部分所得到的相角δ和幅值e，构建调制波信号，输入到pwm发生器中生成pwm脉冲。上下两部分相互沟通联系，构成一个整体控制策略，也即本发明的控制方法。
图5、图6为硬件在环(hil)实验仿真结果。其中，图5所示为dc/ac逆变器虚拟转子角速度ω(p.u.)，可见在初始化完成后，其一直稳定在标幺值1附近。当有功需求变动时，将自身波动限制在0.5％以内，间接反映了本控制方法对系统频率的良好控制。图6所示，上下分别为虚拟同步控制下dc/ac逆变器的有功输入参考值pset(p.u.)和有功输出pout(p.u.)。由图可见，当有功需求(即参考值)变动时，dc/ac逆变器实际有功输出也能快速反应跟进，反映了较好的功率跟随效果。通过实验仿真，说明本发明提出的虚拟同步控制方法在光伏并网中能对dc/ac逆变器施加有效控制，对于维持系统功率平衡、电压和频率稳定具有较好的效果。