基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明专利属于虚拟同步电机控制领域，具体设及一种基于虚拟阻抗电压型变流 器虚拟同步电机控制方法。
【背景技术】：
[0002] 分布式新能源发电单元大部分接入配电网，与负荷靠近。随着分布式新能源接入 比例提高，配电网由传统的垂直结构向网状结构发展。网状结构的配电网最典型特点是，发 电单元不再是传统的少数大容量，而是多数小容量。另外大部分分布发电单元都是通过电 力电子变流器并网，因此其并网特性受到变流器的控制方法决定。通常分布式新能源并网 时，变流器采用电流源控制模式，即注入电网的有功和无功通过控制变流器的交流电流实 现。与传统旋转同步发电机相比，并网变流器有功无功响应速度快、输出阻抗小、无转动惯 量的特点。该些使得配电网面临一些新问题：一是配电网对整个电网系统的可靠性、稳定性 和安全性影响加大，尤其有标准规定分布式电源在电网故障时必须自动退出，进一步加重 了系统暂态过程的功率不平衡；二是新能源的间歇性特点给高阻抗的配电网带来了严重的 电压波动问题，S是配电网潮流由简单的单向变为复杂的双向，影响了配电网的电压控制、 继电保护、网损W及电能质量。为了充分发挥分布式能源的优势，渐弱分布式电源对配电网 和传输网的影响，让电网消纳更多地分布式能源，分布式电源必须参与配电网和传输网的 调频和调压过程，分布式电源潜在辅助服务必须被充分挖掘，分布式电源必须向电网提供 必要的辅助服务。
[0003] 针对新能源电源并网的缺点，有学者提出了虚拟同步电机的控制思想，即通过控 制算法，使新能源电源具有与传统旋转电源相同的并网特性，主动参与电力系统调频调压 的过程，为电网提供辅助服务。虚拟同步电机概念最早由J.Driesen学者提出，荷兰能源 研究中屯、巧nergyresearchCentreofNetherlands)、荷兰代尔夫特科技大学等单位在 2007年成立VSYNC计划，研究虚拟同步电机技术，通过增加分布式发电单元的虚拟惯量，达 到稳定电网频率的目的。此后，国内外学者做了大量研究工作，国内有中国电力科学研究院 的盛万兴学者、合肥工业大学张兴和苏建徽学者，国外有德国劳克斯塔尔工业大学Ralf学 者、英国谢菲尔德大学的钟庆昌学者、美国化ssamAlatrash学者等。
[0004] 根据众多学者的共识，并网变流器模拟同步电机特性是未来并网变流器控制的趋 势。同时模拟同步电机的电磁和机械特性是最普遍的做法，具体实现方案即可由纯算法实 现又可由硬件实现。其中电磁特性均采用阻抗模拟的方式，且都是基于模拟定子绕组，包括 电压型和电流型方案，但各个方案都有其固有的缺点；所有电压型阻抗模拟方式，由于计算 出的电压指令都是通过PWM调制直接控制桥壁电压，传统变流器的电流环控制模式都被牺 牲了，交流电流不直接受控，该会导致交流电流出现波动、过流甚至冲击，尤其在并网点电 网电压幅值或者相位发生突变的时候，严重影响变流器的正常运行；而电流型阻抗模拟方 式，由于完全复制模拟了同步机的阻抗特性，在阻抗模拟环节已存在明显的滞后，为了保证 总体控制的延迟性在一定范围内，就要使电流控制环的响应速度要求非常高。但已有的电 流环控制策略都无法达到如此高的要求，导致控制方法延迟性较大，电流调节不够及时，控 制效果较差。
【发明内容】
：
[0005] 本发明针对虚拟同步电机技术的缺陷，提供了一种基于虚拟阻抗电压型变流器虚 拟同步电机控制方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征在于，包括W下步 骤：
[000引 1)模拟同步机的转子运动方程，根据电压型变流器的输出有功功率指令Puf与实 际输出有功功率P。的差值P。"，W及用比例环节代表的虚拟阻巧计算得到虚拟同步电机的 频率标么值利用同步电机的频率标么值十算出坐标变换所需的相位0;
[0009] 2)模拟同步电抗部分，利用步骤1)中得到的坐标变换所需的相位0，将变流器输 出电压指令及实际输出电压分别变换到dq坐标系，在dq坐标系下设计虚拟阻抗矩阵，用虚 拟阻抗矩阵对变流器输出电压指令及实际输出电压进行运算，得到变流器dq轴输出电流 指令Cd和C;
[0010] 扣设计电流内环，利用步骤1)中得到的坐标变换所需的相位e，将变流器输出电 流变换到dq坐标系，用于在dq坐标系下与变流器dq轴输出电流指令作差，其差值经过PI 控制器，计算得到变流器dq轴调制信号，进而得到输出变流器开关网络的开关控制信号， 从而用于驱动开关网络。
[0011] 本发明进一步的改进在于，步骤1)中，电压变流器的输出有功功率指令Paf与实 际输出有功功率P。作差，其差值经过发电机组的基准容量Pb。%标么，标么后的结果除W2 倍的同步电机惯性时间常数H并对结果积分，得到同步电机的频率标么值具体公式如 下：
[001 引
【主权项】
1. 基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 模拟同步机的转子运动方程，根据电压型变流器的输出有功功率指令PMf与实际输 出有功功率匕的差值P_，以及用比例环节代表的虚拟阻尼计算得到虚拟同步电机的频率 标幺值利用同步电机的频率标么值十算出坐标变换所需的相位0 ; 2) 模拟同步电抗部分，利用步骤1)中得到的坐标变换所需的相位0，将变流器输出电 压指令及实际输出电压分别变换到dq坐标系，在dq坐标系下设计虚拟阻抗矩阵，用虚拟阻 抗矩阵对变流器输出电压指令及实际输出电压进行运算，得到变流器dq轴输出电流指令 Cd和（。; 3) 设计电流内环，利用步骤1)中得到的坐标变换所需的相位0，将变流器输出电流变 换到dq坐标系，用于在dq坐标系下与变流器dq轴输出电流指令作差，其差值经过PI控制 器，计算得到变流器dq轴调制信号，进而得到输出变流器开关网络的开关控制信号，从而 用于驱动开关网络。
2. 根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征 在于，步骤1)中，电压变流器的输出有功功率指令Pref与实际输出有功功率Pe作差，其差值 经过发电机组的基准容量Pbase标么，标幺后的结果除以2倍的同步电机惯性时间常数H并 对结果积分，得到同步电机的频率标幺值具体公式如下：
式中：s为积分算子； 频率标么值再乘以频率基准值《K并对结果积分，得到设计变流器电压电流双闭环 控制环所需的相位0，具体公式如下：
再以模拟实际同步电机转子旋转过程中的阻尼效应为目标，设计比例环节代表的虚拟 阻尼作为反馈环节，频率标么值与基准频率标么值1作差后，与此环节相乘得到阻尼功 率，将阻尼功率与变流器的功率差值匕"实时作差，用于校正功率差值Pm，进而校正此环节 的输出相位，得到坐标变换所需的相位0。
3. 根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征 在于，步骤2)中，利用步骤1)中所得相位0，对输出电压指令和实际输出三相电压进行dq变换，分别得到变流器dq轴的虚拟励磁电动势Ed、Eq和变流器dq轴实际输出电压Vd、Vq，分 别将Ed与V祚差得到d轴电压误差VdE#V5作差得到q轴电压误差VqOT;d轴电压 误差和q轴电压误差V经过用来模拟同步电抗的虚拟阻抗环节后，得到dq轴输出 电流指令和C_q ;其中虚拟阻抗环节只模拟三相对称电感的工频特性，将电感电流的微 分项舍去，且舍去电阻分量，得到虚拟阻抗的方程：
其中，iy、％d分别为d轴电流电压，Uq、Uu分别为q轴电流电压，wA同步角频率，L为电感值。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法，其特征 在于，步骤3)中，利用步骤1)中所得相位，将实际输出电流进行dq变换，得到dq轴实际输 出电流UPiq，将dq轴输出电流指令Cd和（_q分别与dq轴实际输出电流UPid乍 差，其差值经过PI控制器的运算后得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM或者SVM调制器，得到输出变流器开关网络的开关控制信号，从而用于驱动开关网络。
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法，通过模拟同步电机的电气和机械两个主要部分，其中电气部分包括新型的虚拟阻抗模拟算法、传统的变流器电流内环以及调制策略，机械部分包括功率计算模块、转子机械方程和虚拟阻尼模块，实现了控制电压型变流器输出电压电流具有同步电机的特性。本发明基于虚拟阻抗电压型变流器虚拟同步电机控制方法，它无需引入变流器输出电流的微分项即可实现绕组电抗模拟，克服了额外低通滤波器对阻抗模拟的影响，且不牺牲并网变流器的电流内环控制，使得交流电流受控，有抵御电流波动、过流甚至冲击的能力，也不需要快速的电流内环内控制，并可以同时模拟凸极电机和隐极电机。
【IPC分类】H02P21-14
【公开号】CN104716886
【申请号】CN201510150147
【发明人】王跃, 牛瑞根, 李明烜, 刘永慧, 王浩, 雷万钧, 姚为正, 张海龙
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月31日