略相结合。光伏并网逆变器分别有并网电流控制和输 出电压控制两种控制方式，VSG算法既可以得到相应的电压参考信号，也可以得到电流参考 信号。
[0045] 本发明借鉴同步发电机在电力系统中运行的诸多优点和调频调压方法，采用同步 发电机二阶经典模型，将同步发电机算法加入到逆变器控制环节中，发明出虚拟同步发电 机及其功频控制器和励磁控制器，比较真实的模拟同步发电机的运行特性，使分布式光伏 发电具备同步发电机的特性。
[0046] 同步发电机二阶模型主要包括转子运动方程和定子方程，如式（1)所示，当忽略 凸极效应影响，并令极对数P= 1，则电角度等于机械角度。
[0047]
[0048] 式中，J为转动惯量，kg.m2,D为阻尼系数，体现阻尼绕组的作用；
[0049] Pn为机械功率，Pe为电磁功率，
[0050] ω为转子角频率，Θ为电角度，
[0051] Ε为定子内电动势，V为端电压，
[0052] &为电阻，Xt为同步电抗，
[0053] I为定子电流；
[0054] 根据式（1)所示方程可得如图3所示虚拟同步发电机控制框图，该图表示了针对 三相系统的VSG算法模型，由于未计及原动机及励磁系统，称其为VSG本体算法。该算法可 以得到多个信号，包括：三相定子内电动势ea、eb、e。，三相定子电流ia、ib、i。，输出有功功率 PVS(；，输出无功功率QVS(；及转子角速度ω。
[0055] 本发明借鉴传统同步发电机控制结构，建立基于虚拟同步发电机的光伏逆变电 源，并以功频控制器和励磁控制器分别代替调速器和励磁系统，如图2所示。通过电流互感 器和电压互感器分别对LC滤波器中电流、电压进行检测，并将这些信号分别反馈给功频控 制器和励磁控制器，实现对虚拟同步发电机的输入机械功率和励磁电动势的指令值进行实 时调整，再经过虚拟同步发电机算法调整逆变装置输出，进而实现系统功率输出的平衡，维 持系统电压和频率稳定。
[0056] (1)、虚拟同步发电机功频控制器
[0057] 借鉴同步发电机的频率调整的方法，将功频特性调整方法应用于基于同步发电机 的光伏逆变控制过程中，控制算法如图4所示：
[0058] 其中为频率指令值，f为频率反馈值，PN为有功功率额定值，Ki为积分系数，P" 为功频控制器输出功率，Praf为功率给定值。P"相当于同步机原动机输出机械功率，PN值由 微网中央控制器给定。由负荷波动引起的频率波动变化量Af作用于功频控制器后，得到 原动机的有功功率出力指令值Praf (此时Praf=Pn)，进而实现有功功率平衡，这相当于电力 系统的一次调频。由于一次调频只针对波动周期短、变化幅度小的负荷波动，为了适应周期 较长，范围较大的负荷波动，需要进一步调节虚拟同步发电机的输出有功功率。因此，可使 频率偏差△f经积分调节器实现对频率的无差调节，即可将频率维持在指令值，实现虚 拟同步发电机的二次调频。
[0059] (2)、虚拟同步发电机的励磁控制器
[0060] 本发明的同步发电机励磁控制器如图5所示，当QN =Q时，虚拟同步发电机运行在 额定无功的状态时，ITraf=Uraf系统的输出电压为额定电压。当无功负载突变时，AQ#〇， 励磁控制系统根据电压偏差ΛU对励磁电流进行调节，改变励磁电压值的大小。通过该励 磁控制器可对虚拟同步发电机本体的励磁电压进行控制，使机端电压随着无功功率输出的 增加而增大，使之具有下垂特性。由于该控制器中采用比例积分调节，所以能够实现励磁电 压的无差控制。
[0061] 虚拟同步发电机（VSG)算法在光伏发电系统中的实现的最直接办法是将其与逆 变器控制策略相结合。光伏并网逆变器分别有并网电流控制和输出电压控制两种控制方 式，VSG算法既可以得到相应的电压参考信号，也可以得到电流参考信号。本发明选择输出 电压控制型光伏逆变器，采用LC型滤波器，VSG算法输出电压参考信号作为逆变器电压控 制环的给定参考信号。采用VSG算法的电压控制方式并网逆变器及整体控制框图如图3 :
[0062] 针对光伏发电系统，虚拟惯性的作用主要体现为在暂态过程中对其功率输出特性 的影响，因此，可以通过采用特殊的功率控制实现虚拟惯性的作用，有功功率的调节需要结 合储能装置，而逆变器本身具有调节无功功率的功能，且常用的并网逆变器控制策略均可 以实现无功功率按给定输出，给定电流参考信号计算时的瞬时无功功率即可精确调节其输 出无功功率，本发明基于对VSG算法特性的分析，发明出一种基于VSG算法的功率控制策 略，如图6所示：
[0063] 当逆变器采用电压电流双闭环控制策略时，其输出有功功率随前级提供至直流母 线的功率进行动态调整，则只需要令光伏阵列与储能装置输出功率之和与VSG算法实时有 功功率PVS(；相等，则光伏系统整体将具有虚拟惯性作用下的有功功率输出特性。
[0064] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略，其特征在于，包括：光伏发电系统、 储能装置和逆变装置； 光伏发电系统电源输出端分别连接储能装置储能端和逆变装置逆变端，所述逆变装置 输出端连接电网，所述逆变装置通过虚拟同步发电机方法进行功率控制，通过虚拟同步发 电机方法调节逆变装置输出功率达到稳定状态。2. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，还包 括： 同步发电机二阶模型主要包括转子运动方程和定子方程，如式（1)所示，当忽略凸极 效应影响，并令极对数P= 1，则电角度等于机械角度；式中，J为转动惯量，kg.m2,D为阻尼系数，体现阻尼绕组的作用； Pn为机械功率，P 电磁功率， ω为转子角频率，Θ为电角度， Ε为定子内电动势，V为端电压， &为电阻，Xt为同步电抗， I为定子电流； 该算法得到多个信号，包括：三相定子内电动势ea、eb、e。，三相定子电流ia、ib、i。，输出 有功功率PVS(；，输出无功功率QVS(；及转子角速度ω。3. 根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，还包 括： 通过所述虚拟同步发电机方法从逆变装置获取参考功率，通过逆变控制方法进行参考 功率计算，发送到虚拟同步发电机方法与储能装置的能量管理控制方法进行比对，实时调 整储能装置的输出功率。4. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，还包 括： 通过电流互感器和电压互感器分别对LC滤波器中电流、电压进行检测，并将这些信号 分别反馈给功频控制器和励磁控制器，实现对虚拟同步发电机的输入机械功率和励磁电动 势的指令值进行实时调整，再经过虚拟同步发电机算法调整逆变装置输出，进而实现系统 功率输出的平衡，维持系统电压和频率稳定。5. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，包括： 将功频特性调整方法应用于基于虚拟同步发电机的光伏逆变控制过程中， 其中为频率指令值，f为频率反馈值，ΡΝ为有功功率额定值，Ki为积分系数，Ρ"为功 频控制器输出功率，PTOf为功率给定值；相当于同步机原动机输出机械功率，？4直由微网 中央控制器给定；由负荷波动引起的频率波动变化量Af作用于功频控制器后，得到原动 机的有功功率出力指令值P"f，此时Praf=Pm，进而实现有功功率平衡，这相当于电力系统的 一次调频，由于一次调频只针对波动周期短、变化幅度小的负荷波动，为了适应周期较长， 范围较大的负荷波动，需要进一步调节虚拟同步发电机的输出有功功率；因此，可使频率偏 差Af经积分调节器实现对频率的无差调节，即可将频率维持在指令值fraf，实现虚拟同步 发电机的二次调频。6.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电的光伏电源控制策略，其特征在于，包括： 形成同步发电机励磁控制器，当QN=Q时，虚拟同步发电机运行在额定无功的状态时，U'raf=Uraf系统的输出电压为额定电压；当无功负载突变时，AQ辛〇,励磁控制系统根 据电压偏差ΛU对励磁电流进行调节，改变励磁电压值的大小；通过该励磁控制器对虚拟 同步发电机本体的励磁电压进行控制，使机端电压随着无功功率输出的增加而增大，使之 具有下垂特性；由于该励磁控制器中采用比例积分调节，所以能够实现励磁电压的无差控 制； 光伏并网逆变器分别有并网电流控制和输出电压控制两种控制方式，VSG算法得到相 应的电压参考信号和电流参考信号；选择输出电压控制型光伏逆变器，采用LC型滤波器， VSG算法输出电压参考信号作为逆变器电压控制环的给定参考信号。
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的光伏电源控制策略，其包括：光伏发电系统、储能装置和逆变装置；光伏发电系统电源输出端分别连接储能装置储能端和逆变装置逆变端，所述逆变装置输出端连接电网，所述逆变装置通过虚拟同步发电机方法进行功率控制，通过虚拟同步发电机方法调节逆变装置输出功率达到稳定状态。根据负荷的波动，调节自身输出功率，能够维持光伏系统的频率与电压稳定，有效提高光伏电站并网发电性能。
【IPC分类】H02J3/38, H02S40/32
【公开号】CN105305491
【申请号】CN201510736984
【发明人】杨立滨, 杨军, 杨子康, 熊兰, 吴雄, 李正曦, 李春来, 张节潭, 孟可风, 梁英
【申请人】国家电网公司, 国网青海省电力公司, 国网青海省电力公司电力科学研究院, 重庆大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月3日