本发明涉及电力电子变流器控制，特别是一种风机并网逆变器虚拟同步发电机的控制方法。
背景技术：
人类社会可持续发展面临着能源安全、环境污染、气候变化等诸多挑战。化石能源大量、广泛的使用，在创造了工业文明的同时也造成环境污染，气候变暖，生态恶化，对人类的生存与发展构成了严重威胁，应对这些挑战的关键是加快能源变革，开发清洁能源，优化能源结构，提高能源效率，具体来讲就是要大力发展风能、太阳能、地热能、潮汐能等可再生能源。我国由于独特的地理优势，陆上可利用风力资源达2.53亿千瓦,海上可利用风力资源达7.5亿千瓦,合计共达10亿千瓦,其分布广泛,可利用风力资源相当丰富，2013年总装机容量一度跃居世界第一。我国风力发电事业潜力巨大,发展迅速,前景广阔。
随着分布式的风力发电机大量接入电网，由于其具有间歇性、随机性、不稳定性，会造成发电功率与负荷需求不匹配的问题，从而影响电力系统的安全运行和电能质量。分布式电源一般通过电力电子器件比如整流器、逆变器将电能并网或者输送到负荷，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，但是也有缺乏惯性和阻尼等缺点，从而为电力系统的稳定性带来了一系列的挑战。
在传统的电网运行过程中，由于同步发电机的转子固有的惯性，当电源侧和负载侧有功功率不平衡时，同步机转子转速变化从而补偿系统的功率缺额，以平缓电网频率波动。从这个角度看，同步发电机具有充足的旋转备用容量和转动惯量，能够在负荷变化时为配电网提供必要的电压和频率支撑，即“电网友好型”的电源单元。为了得到“电网友好型”的风电单元，可以模拟并网逆变器具有同步发电机的外特性，这样就可以方便分布式风机并网，而不至于降低电力系统稳定性。这种模拟同步发电机外特性的控制方法被称为虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术。该技术主要通过模拟同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，从而使得其外特性同步机别无二致，与此同时还可以将传统电网的运行控制策略移植到含大量分布式风机作为电源的电网中。
在传统电力系统中，为改善电力系统稳定性，通常采用对发电机组的励磁控制，可以有效地维持发电机端电压的调节精度在一个给定的范围内，传统同步机组的励磁调节一般应用自动电压调节器AVR(automatic voltage regulator)，其原理是利用发电机端电压偏差进行PID(proportion integral derivative regulating)调节。基于虚拟同步机控制策略的风机并网逆变器也大多采用PID调节手段，这种调节方式优点是保证了端电压的调节精度，也存在着降低电力系统静态与暂态稳定性的缺点。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，但是对模型的精确度要求较高，在面对系统参数或结构不确定等情况下，控制效果不好。
现有的并网型风力发电机组大多基于有功、无功与同步坐标轴系下d轴和q轴电流的解稱关系,实现对机组的有功、无功控制。这种功率控制方式使得风力机组对电网表现出反负荷的接口特性,使得风电场内风电机组集群只能做电流源汇集,对电力系统的机械惯量无贡献,使电力系统的电压和频率的稳定性降低。
技术实现要素：
为应对上述传统方法的不足，本发明提供一种风机并网逆变器虚拟同步发电机的控制方法，能够直接补偿虚拟同步机阻尼系数的控制策略，以通过风机并网逆变器改善电力系统暂态稳定性和动态品质。该控制器构造的李雅普诺夫函数采用了递归的设计方法，并充分利用了虚拟同步机本身的暂态能量函数。
本发明的技术解决方案如下：
一种风机并网逆变器虚拟同步发电机的控制方法，其特点在于，包括以下步骤：
1)获取逆变器输入输出端口的电压、电流、频率特征量，计算得到虚拟同步发电机输入及输出功率；
2)结合最大功率点跟踪建立背靠背风机并网系统的逆变器的虚拟同步发电机的转子运动方程，得到逆变器PWM调制波相角；
3)建立虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程；
4)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并定义其平衡点；
5)递归设计直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器；
6)结合虚拟同步机转子运动方程得到的虚拟功角δ、逆变器调制波电压幅值E得出逆变器调制信号，实现风机并网的虚拟同步发电机控制。
所述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机输出功率，包括：
1)获取虚拟同步机输出电压电流及电网频率：
通过电压电流互感器测量风机并网逆变器在三相abc坐标系下的输出侧电压Uabc及输出电流Iabc；通过锁相环模块测量电网频率ωg；
2)计算虚拟同步机输出功率：
利用前述所测输出电压Uabc、输出电流Iabc，按式(1)计算虚拟同步机在abc坐标系输出功率，或将电压电流转换到dq坐标系再进行计算：
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。
所述根据最大功率点跟踪(MPPT)建立背靠背风机并网系统的逆变器的虚拟同步发电机的转子运动方程，得到逆变器PWM调制波相角，包括：
1)根据当前风速和风机的转子转速计算获得的MPPT指令值,结合有功频率下垂控制器的下垂系数的调节信号,通过对下垂系数的改变,使得虚拟拖动转矩的指令值等于MPPT指令值,然后根据虚拟转轴的机械运动特性实现调速器功能：
对于有功-频率下垂控制环节，即
式中，Pset为虚拟同步控制下逆变器的参考有功输入或上层调度指令；Dp为下垂控制系数(由MPPT指令值决定)；ωref为预先设定角速度参考值；
2)建立虚拟同步机的转子运动特性方程为：
式中，δ[rad]为逆变器虚拟功角，表示无穷大母线电压与逆变器出口电压之间的夹角；Kd为阻尼系数；ωr[p.u.]为虚拟转子角速度与同步角速度的偏差；ωs＝2πf为同步角速度；Pset[p.u.]为虚拟同步控制下逆变器的参考功率指令或上层调度功率指令，对应于传统同步机的机械功率Pm；Pe[p.u.]为逆变器输出电磁功率；
3)基于上式(2)、(3)，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为：
式中，δ[rad]为逆变器虚拟功角，也即控制逆变器的PWM调制波信号相角。
所述虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程，包括：
1)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：
其中，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的给定励磁电压；uf为对应于励磁电压的调节量；Vq是逆变器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；是暂态电势，Vq与Vq′存在关系为：
Vq＝Vq′+(xvir-x′vir)Id (7)
其中，xvir表示虚拟定子电抗，可用虚拟阻抗方法进行模拟；x′vir表示虚拟暂态同步电抗，同样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表示为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和。
所述的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并定义其平衡点，包括：
1)根据虚拟同步机虚拟励磁绕组电磁动态方程，将(7)代入(8)，得到Vq与V′q之间有如下关系成立：
2)已知电动势、电压和电流的关系为：
将(10)代入(1)得到虚拟同步机送入无穷大系统的有功功率表达式为：
3)根据虚拟同步机转子运动方程(1)和虚拟励磁绕组电磁动态方程(2)，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：
其中，u＝Vset+uf；
5)根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统的平衡点是指满足f(x)≡0的点。定义系统(12)的状态变量为δ，ωr，Vq′，并且其平衡点用(δs,ωrs,Vq′s)表示，根据该定义，系统(12)的平衡点应满足如下条件：
当给定逆变器预设功率Pset和虚拟励磁电压Vset时，求解(13)非线性代数方程得到系统平衡点。
所述的直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计方案，具体包括：
1)考虑化简后的系统模型(12)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，Pe0＝a1V′qssinδ-a2sin2δ、M＝2H。
2)将ΔV′q看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节逆变器虚拟励磁使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 (15)
其中，kD为自定义变量且kD＞0，MkD理想补偿逆变器虚拟阻尼系数。由此可得：
定义构造李雅普诺夫函数为：
对上式求导得到：
选取控制律r为：
r＝-ωsωr-kee (19)
其中，ke为自定义变量且大于零，则满足
由此，得到直接改善虚拟同步机阻尼系数的励磁控制律u为：
所述的步骤6)是根据得到的控制风机并网逆变器的PWM调制波信号相角δ；再将控制律u(21)代入式(9)(10)，通过递归计算得逆变器出口电压参考值Vq，逆变器调制波电压幅值E可由(22)求出：
Vq＝Vdc·E (22)
从而得到逆变器调制波电压幅值E。即可得到PWM调制波信号E∠δ，作用于风机并网逆变器，实现风机并网的虚拟同步发电机控制。
本发明方法获得的调制波与载波作比较生成的脉冲信号用于控制风机并网的三相逆变器，实现风机并网的虚拟同步发电机控制。
附图说明
图1是本发明适用的风机并网单元的结构图。
图2是虚拟同步控制下逆变器对应传统同步机示意图。
图3是本发明控制方法流程图。
图4整体控制流程示意图。
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。
图1为适用于该方法的直驱风机并网单元的结构图。图中直驱风机输出的交流电先经三相整流器整流，再经三相逆变器逆变输出并经过滤波环节后传输到电网。控制逆变器内电力电子器件行为的信号为本发明的虚拟同步发电机控制方法得到的调制波信号E∠δ。
图2是本发明提出的控制方法流程图。本发明风机并网逆变器虚拟同步发电机的控制方法，包括以下步骤：
1)获取逆变器输入输出端口的电压、电流、频率特征量，计算得到虚拟同步发电机输入及输出功率；
2)结合最大功率点跟踪建立背靠背风机并网系统的逆变器的虚拟同步发电机的转子运动方程，得到逆变器PWM调制波相角；
3)建立虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程；
4)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并定义其平衡点；
5)递归设计直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器；
6)结合虚拟同步机转子运动方程得到的虚拟功角δ、逆变器调制波电压幅值E得出逆变器调制信号，实现风机并网的虚拟同步发电机控制。
所述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机输出功率，包括：
1)获取虚拟同步机输出电压电流及电网频率：
通过电压电流互感器测量风机并网逆变器在三相abc坐标系下的输出侧电压Uabc及输出电流Iabc；通过锁相环模块测量电网频率ωg；
(2)计算虚拟同步机输出功率：
利用前述所测输出电压Uabc、输出电流Iabc，按式(1)计算虚拟同步机在abc坐标系输出功率，或将电压电流转换到dq坐标系再进行计算：
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。
所述根据最大功率点跟踪(MPPT)建立背靠背风机并网系统的逆变器的虚拟同步发电机的转子运动方程，得到逆变器PWM调制波相角，包括：
1)根据当前风速和风机的转子转速计算获得的MPPT指令值,结合有功频率下垂控制器的下垂系数的调节信号,通过对下垂系数的改变,使得虚拟拖动转矩的指令值等于MPPT指令值,然后根据虚拟转轴的机械运动特性实现调速器功能：
对于有功-频率下垂控制环节，即
式中，Pset为虚拟同步控制下逆变器的参考有功输入或上层调度指令；Dp为下垂控制系数(由MPPT指令值决定)；ωref为预先设定角速度参考值；
2)建立虚拟同步机的转子运动特性方程为：
式中，δ[rad]为逆变器虚拟功角，表示无穷大母线电压与逆变器出口电压之间的夹角；Kd为阻尼系数；ωr[p.u.]为虚拟转子角速度与同步角速度的偏差；ωs＝2πf为同步角速度；Pset[p.u.]为虚拟同步控制下逆变器的参考功率指令或上层调度功率指令，对应于传统同步机的机械功率Pm；Pe[p.u.]为逆变器输出电磁功率；
3)基于上式(2)、(3)，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为：
式中，δ[rad]为逆变器虚拟功角，也即控制逆变器的PWM调制波信号相角。
所述虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程，包括：
1)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：
其中，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的给定励磁电压；uf为对应于励磁电压的调节量；Vq是逆变器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；是暂态电势，Vq与V′q存在关系为：
Vq＝V′q+(xvir-x′vir)Id (7)
其中，xvir表示虚拟定子电抗，可用虚拟阻抗方法进行模拟；xv′ir表示虚拟暂态同步电抗，同样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表示为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和。
所述的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并定义其平衡点，包括：
1)根据虚拟同步机虚拟励磁绕组电磁动态方程，将(7)代入(8)，得到Vq与Vq′之间有如下关系成立：
2)已知电动势、电压和电流的关系为：
将(10)代入(1)得到虚拟同步机送入无穷大系统的有功功率表达式为：
3)根据虚拟同步机转子运动方程(1)和虚拟励磁绕组电磁动态方程(2)，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：
其中，u＝Vset+uf；
4)根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统的平衡点是指满足f(x)≡0的点。定义系统(12)的状态变量为δ，ωr，Vq′，并且其平衡点用(δs,ωrs,V′qs)表示，根据该定义，系统(12)的平衡点应满足如下条件：
当给定逆变器预设功率Pset和虚拟励磁电压Vset时，求解(13)非线性代数方程得到系统平衡点。
所述的直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计方案，具体包括：
1)考虑化简后的系统模型(12)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，Pe0＝a1V′qssinδ-a2sin2δ、M＝2H。
2)将ΔV′q看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节逆变器虚拟励磁使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 (15)
其中，kD为自定义变量且kD＞0，MkD理想补偿逆变器虚拟阻尼系数。由此可得：
定义构造李雅普诺夫函数为：
对上式求导得到：
选取控制律r为：
r＝-ωsωr-kee (19)
其中，ke为自定义变量且大于零，则满足
由此，得到直接改善虚拟同步机阻尼系数的励磁控制律u为：
所述的步骤6)是根据得到的控制风机并网逆变器的PWM调制波信号相角δ；再将控制律u(21)代入式(9)(10)，通过递归计算得逆变器出口电压参考值Vq，逆变器调制波电压幅值E可由(22)求出：
Vq＝Vdc·E (22)
从而得到逆变器调制波电压幅值E。即可得到PWM调制波信号E∠δ，作用于风机并网逆变器，实现风机并网的虚拟同步发电机控制。
图3是本发明控制方法流程图，其步骤包括：
S10，测量逆变器输入输出端口的电压电流频率特征量，计算得到虚拟同步发电机输入及输出功率；图1为适用于该方法的风机并网系统结构图。图中风机输出的频率幅值变化的交流电通过三相整流器得到幅值恒定的直流电，类似地，该三相整流器也可以采用虚拟同步电动机的控制策略；接着再经DC/AC逆变器输出，通过LCL滤波环节后输送到电网。控制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，以实现风机并网的VSG控制。
S20，结合最大功率点跟踪建立背靠背风机并网系统的逆变器的虚拟同步发电机的转子运动方程，如图4的上半部分所示，其中MPPT控制算法是通过结合有功/频率下垂控制器的下垂系数的调节信号,通过对下垂系数的改变,使得虚拟拖动转矩的指令值等于MPPT指令值,然后根据虚拟转轴的机械运动特性实现调速器功能。再由虚拟同步发电机的转子运动方程得到逆变器PWM调制波相角；
S30建立虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程；
S40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并定义其平衡点：
具体地，该步骤包括：参照图2，结合步骤二、步骤三得到的转子运动方程、电磁动态方程，推导出虚拟同步发电机控制下的逆变器系统数学模型表达式。根据虚拟同步发电机控制下的逆变器系统数学模型表达式，定义具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统平衡点，并通过解非线性代数方程得到系统平衡点，用于虚拟励磁控制器的设计。
S50，结合步骤四所得模型及其平衡点，如图4所示，结合前面的有功频率控制模型得出的ωr、Pset、δ等参数，通过构造李雅普诺夫函数，递归设计直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器，即通过图4中递归计算得到用于控制风机并网逆变器的PWM调制波信号幅值。
S60，根据S50所设计的控制律，得到用于逆变器控制的调制波信号幅值E，如图4所示。结合S20得到的虚拟功角δ，即可生成调制波信号E∠δ。该信号与载波作比较，生成的脉冲信号用于控制风机逆变器开关管的导通和关断。