一种虚拟同步发电机的离并网平滑切换控制方法与流程

本发明具体涉及一种基于虚拟同步发电机技术的微电网分布式电源的控制方法，属于新能源发电中的控制技术领域。

背景技术：

随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能等清洁能源受到了越来越多的关注。在大力发展分布式能源的同时，分布式能源在并网时的问题也引起了专家学者的关注。一般的分布式能源利用的主要是通过逆变器接入电网，相比于传统的同步发电机，并网逆变器相应速度快，缺少转动惯量和阻尼作用，不便于的电网调节。再者，并网逆变器的控制方式各不相同，加之分布式能源输出功率不稳定性的影响，难以实现多台并网逆变器的协调工作。

在此背景下，国内外学者提出了，通过改进并网逆变器的控制方式，使得逆变器具有同步发电机特性。基于该思想，有学者提出，使用同步发电机的机械方程和电磁方程来设计并网逆变器的控制，使得并网逆变器在原理上和外特性上与同步发电机类似，该类控制策略称为虚拟同步发电机(vsg)技术。基于虚拟同步发电机控制策略的并网逆变器特别适用于储能装置与电网之间的连接，但同样也存在离并网给电网带来的冲击问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种虚拟同步发电机的离并网平滑切换控制方法，该方法用于微网逆变器以达到模拟同步发电机的惯性，并抑制逆变器输出频率和有功功率震荡。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种虚拟同步发电机的离并网平滑切换控制方法，其特征在于，包括如下其主要步骤如下：

步骤1，采集一个开关周期内的电网电压ega、egb、egc，微网逆变器输出的电容电压uoa、uob、uoc，桥臂侧电感电流ila、ilb、ilc和输出侧电流ioa、iob、ioc，经坐标变化得到同步旋转坐标系下的电网电压ugd、ugq，电网相位角θg，电容电压uod、uoq，电感电流ild、ilq和输出侧电流iod、ioq；

步骤2，根据步骤1中得到的旋转坐标系下的电容电压，输出侧电流经过功率计算模块得到有功功率p和无功功率q；

步骤3，在离网信号下，根据步骤2中得到的有功功率p、微网逆变器中给定的有功功率参考值pref及转动惯量，经过调速器可以得到微网逆变器角频率ω^*，对该角频率ω^*做积分，得到虚拟同步发电机的矢量角θ^*；若是并网信号，则根据步骤2中得到的有功功率p、微网逆变器中给定的有功功率参考值pref、补偿量pc及转动惯量，经过调速器可以得到微网逆变器角频率ω^*，对该角频率ω^*做积分，得到虚拟同步发电机的矢量角θ^*,θ^*与θg做pi调节，保证二者一致并得到功率补偿量pc；

步骤4，在离网信号下，根据步骤2中得到的无功功率q、微网逆变器给定的无功功率参考值qref和参考电压uref，经过励磁器得到虚拟同步发电机的端电压u^*；若是并网信号，则根据步骤2中得到的无功功率q、微网逆变器给定的无功功率参考值qref、无功功率补偿量qc和参考电压uref，经过励磁器得到虚拟同步发电机的端电压u^*,u^*与电压ugd做pi调节，保证二者一致，并得到功率补偿量qc；

步骤5，根据步骤4中得到的端电压u^*和步骤1中得到的旋转坐标系下的电容电压uod、uoq，通过电压控制器得到电感电流参考信号，再根据电感电流参考信号和步骤1中得到的电感电流ild、ilq，以及输出电容电压uod、uoq，将它们通过电流控制器得到控制信号ud、uq；

步骤6，根据步骤5得到的控制信号ud、uq和步骤3中得到的矢量角θ^*，经同步旋转坐标系的反变换到调制波信号ua、ub、uc，再经过spwm模块，生成逆变器电力电子元件的通断控制信号m；

步骤7，根据步骤3得到的θ^*与θg作差和步骤4得到的u^*与电压ugd作差，当两者满足并网条件，则控制断路器闭合，使之与电网相并。

相对于现有技术，本发明的有益效果为本发明技术既能充分体现传统同步发电机的惯性优势，又能兼顾逆变器的运行稳定性，解决了逆变器平滑并网的问题。

附图说明

图1为微网逆变器主电路拓扑及其控制结构图；

图2为调速器控制结构图；

图3为励磁器控制结构图；

图4为并网控制器结构图；

图5为离并网切换时输出功率变化图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的原理和具体实施方式。

图1为微网逆变器主电路拓扑及其控制结构图，通过对逆变器进行控制，可以避免逆变器离并网切换时逆变器输出电压电流的震荡，最大程度的保护系统的稳定运行。

本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，采集一个开关周期内的电网电压ega、egb、egc，微网逆变器输出的电容电压uoa、uob、uoc，桥臂侧电感电流ila、ilb、ilc和输出侧电流ioa、iob、ioc，经坐标变化得到同步旋转坐标系下的电网电压ugd、ugq，电网相位角θg，电容电压uod、uoq，电感电流ild、ilq和输出侧电流iod、ioq；

步骤2，根据步骤1中得到的旋转坐标系下的电容电压，输出侧电流经过功率计算模块得到有功功率p和无功功率q；

步骤3，在离网信号下，根据步骤2中得到的有功功率p、微网逆变器中给定的有功功率参考值pref及转动惯量，经过调速器可以得到微网逆变器角频率ω^*，对该角频率ω^*做积分，得到虚拟同步发电机的矢量角θ^*；若是并网信号，则根据步骤2中得到的有功功率p、微网逆变器中给定的有功功率参考值pref、补偿量pc及转动惯量，经过调速器可以得到微网逆变器角频率ω^*，对该角频率ω^*做积分，得到虚拟同步发电机的矢量角θ^*,θ^*与θg做pi调节，保证二者一致并得到功率补偿量pc；

步骤4，在离网信号下，根据步骤2中得到的无功功率q、微网逆变器给定的无功功率参考值qref和参考电压uref，经过励磁器得到虚拟同步发电机的端电压u^*；若是并网信号，则根据步骤2中得到的无功功率q、微网逆变器给定的无功功率参考值qref、无功功率补偿量qc和参考电压uref，经过励磁器得到虚拟同步发电机的端电压u^*,u^*与电压ugd做pi调节，保证二者一致，并得到功率补偿量qc；

步骤5，根据步骤4中得到的端电压u^*和步骤1中得到的旋转坐标系下的电容电压uod、uoq，通过电压控制器得到电感电流参考信号，再根据电感电流参考信号和步骤1中得到的电感电流ild、ilq，以及输出电容电压uod、uoq，将它们通过电流控制器得到控制信号ud、uq；

步骤6，根据步骤5得到的控制信号ud、uq和步骤3中得到的矢量角θ^*，经同步旋转坐标系的反变换到调制波信号ua、ub、uc，再经过spwm模块，生成逆变器电力电子元件的通断控制信号m；

步骤7，根据步骤3得到的θ^*与θg作差和步骤4得到的u^*与电压ugd作差，当两者满足并网条件，则控制断路器闭合，使之与电网相并。

本实施根据上述控制方法，进行仿真实验，具体过程为：在matlab/simulink仿真软件搭建了单台vsg的仿真算例。初始运行在离网状态，输出功率10kw，在0.05s给并网信号，约0.025s后达到并网条件，实现并网，此时输出功率20kw，在0.35s给离网信号，重新进入离网状态。

由图5可知，逆变器初始运行于离网状态时，输出稳定的有功功率，输出电压电流稳定，当逆变器运行于同步状态时，会有一定的功率冲击，但是冲击不大，并且能够较快进入稳定的并网运行状态，此时输出功率20kw，当控制逆变器重新进入离网状态时，逆变器会迅速进入离并网运行状态，输出10kw功率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。