基于虚拟同步机的变频器控制方法与流程

本发明涉及电力电子式用电设备参与电网一次调频的技术，具体而言涉及一种基于虚拟同步机的变频器控制方法。

背景技术：

变频器能够用于驱动感应电机，一台变频器可以较好地控制一台感应电机带动负载运行。但仅仅采用变频器还不能满足带状性负载保持恒定的张力且系统同步协调运行的实际要求。感应电机的速度与转子磁链的相互耦合，构成一个复杂的多变量非线性的耦合系统。不管是采用恒压频比控制变频器还是采用矢量控制变频器都很难使变频器所在电力电子系统网络稳定运行。

相关技术中虽然存在利用SVPWM作为变频驱动的一种驱动算法。但是，现有的SVPWM波的载波会导致SVPWM波产生高次谐波，引起变频器的噪声，无法控制逆变器根据电动机特性输出频率和电压。现有技术仅能够应用于所带负荷对功率稳定性要求不高的场景，实际应用中受限较大且对电网造成的扰动较多，威胁电力系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于虚拟同步机的变频器控制方法，本发明利用VSM的基本思想，把同步电机的转子运动方程和定子电气方程构成的暂态模型引入到控制器中，使变频器具有同步电机的运行特性，进而提高电力系统的稳定性。本发明具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种基于虚拟同步机的变频器控制方法，其用于控制所述变频器内的开关元件的通断，步骤包括：第一步，分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，获得系统的额定工作频率fN、系统额定输出有功功率PN和额定电压有效值VN。第二步，按照的公式，根据所述线电流iabc计算并输出所述输出有功功率Pe，其中，表示电角速度，PT表示机械功率，ωN表示同步电角速度，θ表示电角度。第三步，计算并输出负荷无功功率增量Qe。第四步，根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行功频控制，计算并输出并调节所述电角度θ。第五步，根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行无功/电压控制，计算并输出调制控制信号。第六步，根据所述无功/电压控制所输出的调制控制信号进行空间矢量脉宽调制，产生并输出相应的SVPWM调制信号，以该SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态，使得所述变频器具有同步电机的运行特性。

可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第四步具体包括如下步骤：步骤401，根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得系统输出频率的测量值fT、系统输出有功功率的测量值PT。步骤402，按照输入输出关系PT＝Kf(fN-fT)+PN，计算并获得频率调差系数Kf。步骤403，根据所述频率调差系数Kf进行机械方程的计算以输出并调节所述电角度θ。

可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第五步具体包括如下步骤：步骤501，根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得实际负载电压的有效值|V|、额定电压有效值VN。步骤502，获取电压调节系数KV以计算电压调节量EV＝KV(VN-|V|)。步骤503，计算并输出励磁控制电压E＝EV+EQ，其中，无功电压调节量EQ＝-KQQe，其中，Qe为负荷无功功率增量，KQ为无功电压调节系数。步骤504，根据所述励磁控制电压E＝EV+EQ进行电气方程的计算以输出调制控制信号。

可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第三步中，负荷无功功率增量Qe由电容组件Cpq和滤波器对所述线电流iabc滤波以后计算获得。

可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第四步中还包括有通过锁相环对上述电容组件Cpq进行控制的步骤：所述锁相环首先接收所述线电压Vabc，对其进行锁相，而后输出稳定的频率f，同时，所述锁相环还输出控制信号以调节所述电容组件Cpq。

可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述步骤403中所进行的机械方程的计算包括以下步骤：将系统输出有功功率的测量值PT与所述输出有功功率Pe相减后，得到功率差ΔP；对所述功率差ΔP除以ω即得到VSM的转矩差；将所述VSM的转矩差除以转动惯量J后，进行积分得到角速度的变化量；将所述角速度的变化量与角速度期望值2πfN相加获得实际的角速度；对所述实际的角速度求积分，以输出并调节所述电角度θ。

可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第五步中计算获得的调制控制信号输出有多组，各组所述调制控制信号分别用于进行空间矢量脉宽调制，分别产生并输出对应的SVPWM调制信号，所述各SVPWM调制信号分别控制不同的开关元件进行通断状态的切换，使所述变频器具有同步电机的运行特性。

可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述变频器的输出频率为f2＝f2N*f1/f1N，其等效功频系数为其中，f1表示变频器输入频率，f1N表示变频器输入额定频率，f2N表示变频器输出额定频率。

有益效果

本发明首先对线电压Vabc和线电流iabc进行采样，然后计算输出有功功率Pe以及负荷无功功率增量Qe，并根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行功频控制和无功/电压控制，获得调制控制信号，至最后根据该调制控制信号进行空间矢量脉宽调制，产生并输出相应的SVPWM调制信号，以该SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态，使得所述变频器具有同步电机的运行特性。本发明的方法能够使得电力电子式用电设备参与电网一次调频，将整流型负载采用同步虚拟电机技术参与电网一次调频，使其随着电网电压和频率的改变，模拟同步电机的外特性，随之改变功率，达到从用电侧出发使得用电设备响应电网功频守恒，稳定系统的频率、电压的目的。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的采用双向可控晶闸管整流结构的变频器的拓扑结构示意图；

图2是本发明所利用的同步发电机的功频静态特性曲线示意图；

图3是本发明所利用的同步发电机的无功-电压静特性示意图；

图4是本发明基于虚拟同步机的变频器控制系统在逆变侧的控制原理框图；

图5是本发明基于VSM的变频器所输出的功率曲线；

图6是本发明基于VSM的变频器所输出的电压曲线；

图7是本发明基于VSM的变频器所输出的电流曲线；

图8是本发明基于VSM的变频器所对应的机械功率曲线；

图9是本发明基于VSM的变频器所对应的输出频率曲线；

图10是本发明基于VSM的变频器所对应的内电势曲线；

图11是本发明基于VSM的变频器在不同转动惯量下的输出频率曲线；

图12是本发明基于VSM的变频器在不同转动惯量下的机械功率曲线；

图13是本发明所应用的系统对应的频率变化曲线；

图14是本发明基于VSM的变频器的输出功率曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

电力系统的一次调频是维护电网稳定运行的有效手段，变频器在日常生产和生活中占有大量比重，为了使其能够有效参与电力系统的一次调频过程，本发明提出一种基于虚拟同步电动机(VirtualSynchronousMotor，VSM)技术的变频器控制策略。针对逆变部分，采用虚拟同步电动机控制策略，分别设计了功频控制器和无功/电压控制器，能够随所带负荷的有功和无功变化，使变频器改变输出频率和内部励磁电压，同时能够随系统频率变化调整自身功率输出。

图1为根据本发明的一种采用双向可控晶闸管整流结构的变频器。该基于VSM技术的变频器的拓扑结构，采用双向可控晶闸管作为主要器件，结合逆变部分采用虚拟同步电机控制理论不但能够有效参与电网一次调频，同时能够控制向电网输出的无功，还能有效抑制向电网输送的谐波。

图1下部用于输出SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态的控制系统，其是基于虚拟同步电机数学模型进行设计的：

VSM基本思想是把同步电机的转子运动方程和定子电气方程构成的暂态模型引入到控制器中，使变频器具有同步电机的运行特性。本文选取其经典的二阶机电暂态模型进行研究。

同步电机的二阶模型包括了定子电气方程和转子运动方程，具体可表示为：

式中：表示定子内电动势；表示定子端电压；表示定子电流；Ra表示定子电阻；Xs表示同步电抗；J表示转动惯量；Ω表示机械角速度；MT表示机械转矩；Me表示电磁转矩。

电角度与机械角度的关系为ω＝pΩ，取极对数p＝1，把同步旋转轴作为参考轴，可对公式(2)变形，得到以电角度表示的转子运动方程：

式中：ω表示电角速度；ωN表示同步电角速度；PT表示机械功率；Pe表示电磁功率；θ表示电角度。

转子运动方程表征了转矩不平衡时同步发电机的转速特征，决定了同步发电机的功率输出特性。为了便于在程序中对这一方程加以实现，可将方程(3)进一步变为：

系统输出有功功率的测量值即为机械功率PT，将所述机械功率PT与VSM反馈的输出有功功率Pe相减后，得到功率差ΔP，再将功率差ΔP除以ω即得到VSM的转矩差。这一差值除以转动惯量J后，经过积分得到角速度的变化量，与角速度期望值相加就是实际的角速度。最后，再经过一个积分器，便可以得到电角度θ作为输出。

具体而言，上述的控制系统包括：

输入端，用于分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，所述输入端还能够获得系统的额定工作频率fN、系统额定输出有功功率PN和额定电压有效值VN；

虚拟同步电机转换模块，用于按照的公式，根据所述线电流iabc计算并输出所述输出有功功率Pe，其中，表示电角速度，PT表示机械功率，ωN表示同步电角速度，θ表示电角度；所述虚拟同步电机转换模块还用于计算并输出负荷无功功率增量Qe；

功频控制器，其用：首先根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得系统输出频率的测量值fT、系统输出有功功率的测量值PT；而后按照输入输出关系PT＝Kf(fN-fT)+PN，计算并获得频率调差系数Kf；最后根据所述频率调差系数Kf进行机械方程的计算以输出并调节所述电角度θ；

无功/电压控制器，其用于：首先根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得实际负载电压的有效值|V|、额定电压有效值VN；而后获取电压调节系数KV以计算电压调节量EV＝KV(VN-|V|)；随后计算并输出励磁控制电压E＝EV+EQ，其中，无功电压调节量EQ＝-KQQe，其中，Qe为负荷无功功率增量，KQ为无功电压调节系数；最后根据所述励磁控制电压E＝EV+EQ进行电气方程的计算以输出调制控制信号；

调制信号输出模块，其连接所述无功/电压控制器的输出端，用于根据所述无功/电压控制器所输出的调制控制信号进行空间矢量脉宽调制，产生并输出相应的SVPWM调制信号，以该SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态，使得所述变频器具有同步电机的运行特性。

其中的功频控制器用于通过维持电网中有功功率平衡维持着电力系统频率的稳定。正常情况下，电网中所有发电机组输出的有功功率，与电网中所有电力负荷消耗的有功功率时刻相等。在有功平衡下，电网频率维持在其额定工作点。当系统中出现扰动因素，使有功平衡受到破坏，电网频率将发生偏离。电力系统的这种频率调节特性可由功频静态特性曲线来表示，如图2所示。进而，根据图2所示的同步电机工作原理，可以设计出虚拟同步电机的功频控制器，其输入输出关系可表示为：

PT＝Kf(fN-fT)+PN (7)

式中：fN表示系统的额定工作频率；fT表示系统输出频率的测量值；Kf表示频率调差系数；PN表示系统额定输出有功功率。

上述的无功/电压控制器用于根据同步电机的无功-电压静特性曲线实现。由于同步电机内部阻抗的影响，输出无功功率增加的情况下，其出口电压会相应增大，不同工况点处，同步电机的无功-电压静特性曲线，如图3所示。同步电机励磁电流直接决定了定子内电动势以及无功功率，因此同步电机的出口电压与内电势和无功功率均有关系。无功/电压控制器用于励磁控制，其输出电压可由两部分组成：

E＝EV+EQ (8)

其中，电压调节量：EV＝KV(VN-|V|) (9)；

无功电压调节量：EQ＝-KQQe (10)

其中：VN为额定电压有效值，|V|为实际负载电压的有效值，KV为电压调节系数，实践中也可以用PI控制代替，Qe为负荷无功功率增量，KQ为无功电压调节系数。

依据以上原理，可以得到逆变器侧控制原理框图。如图4所示，原理框图中为了使得变频器等比例响应系统侧频率变化，令变频器逆变侧输出频率为f2＝f2N*f1/f1N。其等效功频系数为其中，f1表示变频器输入频率，f1N表示变频器输入额定频率，f2N表示变频器输出额定频率。

由此，在一种具体的实现方式下，变频器具有以下参数：

系统参数：线电压Vabc＝380V，额定频率50Hz；

变频器参数：输出额定功率16kW；整流侧电抗：1mH；逆变侧输出阻抗为：L＝1mH，R＝0.08Ω；额定频率45Hz；额定电压250V；

IGBT开关频率均为5kHz；直流侧电压700V；

直流侧电压PI调节参数：Kp＝5；Ki＝0.1；Kv＝1.5；Kf＝10000；KQ＝0.01；Kd＝9000。

设定额定有功负荷为16kW，在0.4S时，将有功负荷增加2kW，在0.8S时，将有功负荷减小3kW。额定无功负荷为5kVar，1.2S时，将无功负荷增加2kVar，1.6S时，将无功负荷减小3kVar。如图5所示为变频器输出的功率变化曲线，图6所示为变频器输出三相交流电压曲线，图7所示为三相电流曲线。可见，增加无功负荷和有功负荷均会造成电流有效值增加，而输出电压则会保持不变。

逆变器输出频率f、机械功率PT、内电动势E均与有功负荷有关，其变化规律与虚拟同步电机的特性相同。其中：机械功率基本可以跟踪有功负荷变化，如图8所示；有功增加2kW，频率下降约0.2Hz，有功减少3kW，频率增加约0.3Hz，基本符合Kf＝10000的比例，如图9所示；内电动势E的大小除了随有功功率变化，还会随无功功率变化，由于无功电流亦会造成输出阻抗压降，使得内电势随其相应增加，如图10所示。

虚拟同步电动机的惯性系数J的不同对其运行状态有明显影响，对于上述负荷的变化过程，分别设定J＝0.5988、J＝0.303、J＝0.1515的情况下，输出频率f、机械功率PT随J的增大变化缓慢。如图11和图12所示。

如果外界突然有大容量负荷加入电网，会造成电网有功不足，电网一次调频作用显现，整个系统的频率会随之下降，下降幅度由系统的一次调频系数决定，作用虚拟同步电机，应该响应此变化，输出频率相应下降，输出有功功率伴随输出频率的下降做等比例下调，下降幅度由自身的功频系数决定，反之如果外界有大量负荷退出，电网一次调频作用会使电网频率上升，虚拟同步电机输出频率和功率应当做等比例上升。如图13和图14所示，在时刻1S时，系统频率由50Hz下降为49.82Hz，逆变器输出频率随之由45Hz下调为44.83Hz，虚拟同步电机输出功率下调1.4kW。时刻3S时，系统频率由50Hz上升为50.18Hz，虚拟同步电机输出频率随之由45Hz上升为45.16Hz，虚拟同步电机输出功率上调1.4kW。大致符合Kf＝10000的比例关系。

由此，本发明能够：

(1)本专利提出了在变频器的整流侧采用双极性晶体管的拓扑结构和虚拟同步电动机控制策略，新策略能够模拟同步电机特性，不对系统产生无功，并且可以对系统输出所需要的无功功率，同时电流谐波也得到了有效抑制。

(2)本专利提出了在变频器逆变器侧采用虚拟电动机控制策略，新策略能够控制逆变器输出频率和电压依据同步电动机的特性进行调整，使变频器有效参与系统的一次调频特性。

(3)本专利提出的新策略能够使变频器响应电网频率变化，随着电网频率变化，等比例降低或者升高自身功率输出，可有效提高电力系统稳定性。

(4)本专利具有良好的通用性，其方法可以扩展到其他电力电子类设备。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。