一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及发电系统技术领域，具体设及一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆 变器控制策略。
【背景技术】
[0002] 随着国民经济的快速增长，社会对能源的需求量越来越大。传统的火力发电造成 严重的环境污染、温室效应、资源枯竭等问题，大力推动新能源发电的并网工程已迫在眉 睫。此外，供电公司为了缓解用电高峰时段供电紧张的局面，有时不得不进行拉闽限电W调 节用电负荷，该对居民的正常生活带来了极大地不便。因此，发展家庭户用的中小功率新 能源发电并网技术，对于开发利用新能源、缓解供电压力、节省居民用电成本具有重要的意 义。
[0003] 当前户用并网逆变器控制大多采用电流闭环的控制策略，典型的电流闭环控制框 图如图1所示。该方法通过数字锁相技术获得电网电压相位的正弦值，与电流幅值的设定 值相乘后得到电流参考值，控制器控制逆变桥路产生电压状态，经过滤波器滤波后输出并 网电流，从而跟踪电网电压。目前，除了经典的PI控制，研究越来越多地采用了其他先进控 制算法，如重复控制、鲁椿控制、线性最优、反馈线性化等算法。
[0004] 电流闭环控制方法，实质上是把并网逆变器等效为电流源，并联到电网上输出功 率。而电流源本身不具备电压支撑能力和频率调节能力，无法协助电力系统对电网频率和 电压进行调节。另一方面，电流闭环控制方法在离网模式下不适用。传统PI控制难W保证 对电网相位的无差跟踪，且受谐波影响较大。其他先进控制方法算法复杂，实现难度大，实 时性难W保证。
[0005] 为了使并网逆变器能够模拟同步发电机的下垂特性，在国外文献中提出了下垂控 制的方法。该种控制方法需要对输出电压的幅值和频率进行采样，反馈到控制器进行响应， 从而对输出进行控制。当输出频率下降时，增大输出有功功率，从而补偿频率跌落；当输出 电压下降时，增加输出的无功功率，从而补偿电压跌落。下垂控制的基本原理如图2所示。
[0006] 下垂控制仅仅模拟了同步发电机的下垂特性，并不是真正意义上对同步发电机的 模拟。在该方法的数学模型中，没有为系统提供惯性和阻巧，因此应用于并网逆变器时，可 能会带来较大的暂态电流冲击。下垂系数的设计较为复杂，设计不当有可能导致并网逆变 器不稳定，对电网的安全稳定运行构成威胁。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变 器控制策略，能够具有调频、调压和调功的能力，并且还能够在电网出现故障时能迅速离 网。
[000引本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
[0009] 一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略，在并网逆变器中引入虚拟 同步发电机的数学模型，并在并网逆变器的控制环节中加入同步发电机的控制方法，利用 并网逆变器进行孤岛检测，当电网侧发生故障能够快速切换到离网运行状态。
[0010] 优选的，所述的虚拟同步发电机的控制方法为；W并网点A处的电压、频率和功率 为控制目标，测量和计算并网点处的电压、频率、电流和功率值，将其作为控制环节的输入， 经控制环节的调控获得虚拟同步发电机所需的机械功率、电磁功率和励磁电动势，将其输 入到虚拟同步发电机，并将虚拟同步发电机的输出送入到SVPWM发生器，进而实现了整个 系统的闭环控制。
[0011] 优选的，所述的虚拟同步发电机的输入和输出方法为：
[001引1)虚拟同步发电机励磁电动势；根据式
【主权项】
1. 一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略，其特征在于，在并网逆变器 中引入虚拟同步发电机的数学模型，并在并网逆变器的控制环节中加入同步发电机的控制 方法，利用并网逆变器进行孤岛检测，当电网侧发生故障时能够快速切换到离网运行状态。
2. 根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略，其特 征在于，所述的虚拟同步发电机的控制方法为：以并网点A处的电压、频率和功率为控制目 标，测量和计算并网点处的电压、频率、电流和功率值，将其作为控制环节的输入，经控制环 节的调控获得虚拟同步发电机所需的机械功率、电磁功率和励磁电动势，将其输入到虚拟 同步发电机，并将虚拟同步发电机的输出送入到SVPWM发生器，进而实现了整个系统的闭 环控制。
3. 根据权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略，其特 征在于，所述的虚拟同步发电机的输入和输出为： 1) 虚拟同步发电机励磁电动势：根据式
计算出角速度ω， 对其积分便得到电角度Θ，以A相励磁电动势为参考向量，令其初相位为零，则相位为〇n， 取正弦函数sin，再乘以励磁控制器的输出，即励磁电动势的幅值，得到A相励磁电动势向 量；同理，将电角度Θ分别滞后120°和240°，再取其正弦值，并乘以励磁电动势的幅值， 得到B相和C相励磁电动势向量； 2) 虚拟同步发电机定子压降：用虚拟同步发电机的电枢电阻和同步电抗，乘以输出电 流即电枢电流，得到虚拟同步发电机的定子压降； 3) 虚拟同步发电机端电压：根据式O =左-(&+./A；)/，用A、B、C相的励磁电动势，分 别减去定子压降得到虚拟同步发电机的三相端电压Ua、Ub和U。;将三相输出电压做abc-dq 相坐标变换，并与实际并网点的电压进行比较然后再调控，最后将其输出值输入到SVPWM 驱动电路中，完成整个闭环系统的控制。
4. 根据权利要求3所述的一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略，其特 征在于，所述的励磁电动势通过PI调节器对电压进行无差调节，得到电流的参考值，即通 过励磁电流的变化调整输出电压的变化，达到稳定电压的目的。
5. 根据权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略，其特 征在于，所述的频率通过功频控制器进行控制，系统负荷的波动会引起频率的变化，频率差 作用于控制器后，通过比例控制得到功率差，将其与给定功率相比较得到功率指令值，再用 其减去并网点处电网的功率，最后就得到输出调节功率。
6. 根据权利要求4或5所述的一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略， 其特征在于，在并网处设置电压保护控制器，当并网处公共耦合点的电压实时地反馈到电 压保护控制器时，反馈电压会与指令电压作比较得到电压差，如果电压差在允许的压差范 围内（±l〇V)，则电压保护控制器没有动作；反之，如果电压差超出允许范围，则电压保护 控制器断开并网开关，只向家庭负载供电；当电网解除故障正常工作时候，电压差则保持在 允许范围内，并网开关闭合，逆变器并网运行。
7. 根据权利要求6所述的一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略，其 特征在于，在并网处还设置频率保护控制器，系统把并网处公共耦合点的电压频率实时地 反馈到频率保护控制器，将反馈电压的频率与指令电压作比较得到频率差，如果频率差在 允许的频率差范围内（± IHz)，则频率保护控制器没有动作；反之，如果频率差超出允许范 围，则频率保护控制器断开并网开关，只向家庭负载供电；当电网解除故障正常工作时候， 频率差则保持在允许范围内，并网开关闭合，逆变器并网运行。
【专利摘要】本发明涉及发电系统技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的户用并网逆变器控制策略。在并网逆变器中引入虚拟同步发电机的数学模型，并在并网逆变器的控制环节中加入同步发电机的控制方法，利用并网逆变器进行孤岛检测，当电网侧发生故障能够快速切换到离网运行状态。本发明使户用中小发电功率的并网逆变器在输入输出特性上与同步发电机等效，使逆变器能够主动参与对电力系统电压和频率的协调控制。
【IPC分类】H02J3-38
【公开号】CN104767219
【申请号】CN201510141388
【发明人】盛万兴, 宋晓辉, 孟晓丽, 董伟杰, 宋斌, 张磊, 王孙安, 张世栋
【申请人】国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网山东省电力公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月27日