一种虚拟同步机的一体化系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种虚拟同步机系统，具体讲涉及一种虚拟同步机的一体化系统及其控制方法。

背景技术：

近年来，由于能源、环境、技术等因素，可再生能源领域得到广泛的关注和发展。随着可再生能源发电——尤其是光伏发电和风力发电装机容量的迅猛增长，越来越多的分布式电源并入大电网，它们在环境保护、能源结构调整、技术发展方面的巨大潜力日益明显。分布式发电具有多重优点：(1)环保低碳，可减少对化石能源的依赖；(2)可提高供电可靠性和供电质量；(3)节约成本；(4)可提高输电线路利用率。不过，高渗透率的分布式发电会对大电网产生冲击和影响，这为电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。

由于同步发电机能够实现调度运行、负荷功率分配、调频调压等多种功能，并且其自身具有自平衡能力、大感性输出阻抗、下垂特性、大转动惯量等特点。如果微网逆变器能够模拟同步发电机的运行特性，那么它就可以如同步发电机一般可靠地支撑大电网的正常运行，这就产生了虚拟同步发电机概念，但是目前主要停留在理论仿真研究，特别是将虚拟同步发电机拆分为同步逆变器和双向直流变换器的研究，最后再将两个设备硬件连接起来，即造成了设备利用率不高、设备连接干扰大、靠通讯联合控制干扰大等缺陷。

为此，迫切需要一种虚拟同步机的一体化系统及其控制方法，克服设备利用率低，设备连接干扰大等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种虚拟同步机的一体化系统及其控制方法。

本发明提供的技术方案是：一种虚拟同步机的一体化系统，所述系统包括：依次连接的储能装置、DC/DC环节和DC/AC环节；

所述储能装置和所述DC/DC环节间设置滤波电感和滤波电容，所述DC/DC环节和DC/AC环节间设置两个电容。

所述DC/DC环节包括：储能电感L2、IGBT构成的桥臂和电容C2；

所述桥臂包括上桥臂IGBT和下桥臂IGBT；

所述上桥臂IGBT的发射集和所述下桥臂IGBT的集电极与所述储能电感L2一端连接，所述上桥臂IGBT和下桥臂IGBT的另一端分别与所述电容C2的两端连接。

优选的，所述IGBT构成的桥臂工作模式采用半桥模式。

优选的，所述DC/AC环节采用三相四桥臂带中线结构，并在输出端设置LCL滤波器；

所述三相四桥臂带中线结构包括：桥臂包括两个串联的IGBT和电容并联设置，在两个IGBT之间引出中线连接LCL滤波器。

优选的，所述LCL滤波器包括:依次连接的滤波电感、滤波电容和滤波电感。

优选的，所述DC/AC环节的调制方式采用3DSVPWM技术。

一种虚拟同步机的一体化系统的控制方法包括：

(1)启动系统，控制DC/DC环节；

(2)启动DC/AC环节，引入虚拟同步算法；

(3)启动并网指令，完成并网。

优选的，所述步骤(1)的控制DC/DC环节包括：采用电压前馈的双闭环控制得到调制电压，调制电压与三角载波进行比较生成升压管的驱动脉冲，降压管的驱动脉冲与升压管的驱动脉冲取反，再由所述DC/DC环节的桥臂工作模式为半桥模式，实现母线电压稳压。

优选的，所述步骤(2)的所述虚拟同步算法包括：当网侧由于负载增大/减小而导致网压的频率下降/上升时，向网侧输出/吸收相应的有功功率，当网侧由于负载特性而导致网压的幅值下降/上升时，向网侧输出/吸收相应的无功功率；

所述DC/AC环节包括：采用3DSVPWM调制技术生成三相四桥臂8个IGBT的驱动脉冲。

优选的，所述步骤(3)的启动并网指令的条件包括：逆变器输出的基波电压幅值与网侧电压幅值一致，相位与网侧相比滞后/超前一个小角度，每个周期过后滞后/超前的角度均会累加，当滞后/超前角度累加到360°时，启动并网指令，完成并网。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下优异效果：

1、本发明包含虚拟同步机的DC/DC环节和DC/AC环节一体化系统及其控制方法，提高了空间利用率高，降低了成本，而且利于控制，一气呵成。

2、本发明在三相四桥臂的调制上摒弃了传统的SPWM调制方式，改用3DSVPWM调制方式，使得电压利用率更高，损耗更小。

3、本发明的DC/DC环节由两个IGBT构成的Boost-Buck桥臂的boost和buck复用一个模块，DC/AC环节的同步逆变和同步整流复用一个模块，结构简单，设备利用率高，成本低。

4、本发明DC/DC环节和DC/AC环节的开关器件采用IGBT，能实现能量的双向传递。

附图说明

图1为本发明的虚拟同步机的一体化系统示意图；

图2为本发明的基于电压前馈的DC/DC双闭环控制示意图；

图3为本发明的3DSVPWM开关状态矢量图；

图4为本发明的基于虚拟同步算法的DC/AC并网控制示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供一种虚拟同步机的一体化系统及其控制方法，如图1所示，以“升压-同步逆变”的能量传递方向为例，DC/DC环节的输出与DC/AC环节的输入相连，连接处的两个电容C3和C4构成直流支撑电容。储能装置和DC/DC环节之间设计了滤波电感L1和滤波电容C1，保证能量双向传递时的质量。

DC/DC环节包括储能电感L2、两个IGBT构成的Boost-Buck桥臂和尖峰吸收电容C2。双向DC/DC环节的主要元器件参数如下：储能电感L2为2.4mH/20A；两个IGBT器件G1和G2为600V/50A；尖峰吸收电容C2为0.47uf/1200V。

DC/DC环节是一个boost-buck变换器，由两个IGBT构成，采用半桥模式控制驱动脉冲，实现同一套PI调节主动切换调节boost和buck。微观上，在每个开关周期既有工作于boost模式阶段，也工作于buck模式阶段。宏观上，DC/DC环节工作于boost模式时能量流动方向为：DC/DC环节→DC/AC环节；当DC/DC环节工作于buck模式，能量的流动方向为：DC/AC环节→DC/DC环节，因此boost-buck变换器能够实现能量的双向流动。DC/DC环节采用电压前馈的双闭环稳压控制算法。

DC/AC环节是一个同步逆变-整流器，DC/AC环节采用三相四桥臂带中线结构，每个桥臂由两个IGBT构成，每个桥臂附带尖峰吸收电容，在DC/AC环节的输出端有LCL滤波器，输出滤波电容串联阻尼电阻的目的是为了防止谐振。DC/AC环节主要元器件参数如下：8个IGBT从Q1至Q8为600V/50A，尖峰吸收电容C5至C8为1200V/0.47uF，输出滤波电感为3mH/19A，阻尼电阻为0.5ohm,输出滤波电容为20uF/250V/1.3A。

DC/AC环节采用3DSVPWM技术提高了同步逆变-整流直流侧的电压利用率，减少了逆变-整流模块的工作使的损耗，减小了逆变方向输出电压和电流的畸变率。DC/AC环节的控制方式采用基于虚拟同步算法和3DSVPWM调制方式相结合。

DC/DC环节的IGBT构成的桥臂工作模式选择半桥模式，即算法控制的驱动脉冲为升压管(DC/DC环节下桥臂的IGBT)驱动脉冲，降压管(DC/DC环节上桥臂的IGBT)的驱动脉冲自动取反。

DC/DC环节采用同一套PI主动进行Boost和Buck的原理如下：由于蓄电池电压是浮动的，设蓄电池电压为U_C1，期望输出稳压为U_ref，U_ref大于U_C1，则算法控制升压管的导通占空比为(U_ref-U_c1)/U_ref，此时降压管为0电平关断，由升压斩波器原理，DC/DC输出电压U_dc为U_c1/(1-(U_ref-U_c1)/U_ref)＝U_ref；由于采用半桥模式，当升压阶段完成后，立即进入降压阶段，由于升压管的占空比为(U_ref-U_c1)/U_ref，所以在一个调制周期内升压管关闭时间为1-(U_ref-U_c1)/U_ref，升压管关闭时间即是降压管的导通占空比，由降压斩波器原理得到降压方向电压为

(1-(U_ref-U_c1)/U_ref)*U_ref＝U_c1,等于蓄电池的实时电压。

由上述分析可知，虽然蓄电池电压是变化的，但是采用半桥模式后，能够实现一个调制周期内同一套PI主动调节控制DC/DC环节的Boost和Buck两中斩波模式。

图2所示为DC/DC环节的控制框图，由于DC/DC环节的前端电压U_C1一般不稳定，以直流母线期望电压U_ref作为控制给定量，以储能电感L₂中的电流i_L2和尖峰吸收电容C2两端的电压U_C2分别作为内环和外环的反馈量，进行双闭环稳压控制，为了减小电压和电流突变，引入了带前馈系数k_q的电压前馈双闭环控制系统，带前馈系数k_q的电压前馈双闭环控制系统是常规双闭环控制系统的改善，目的是为了抑制控制启动瞬间反馈电压为0时电压环的PI调节器输出过大甚至饱和，加入反馈系数后，能够使电压外环迅速控制的同时电流内环PI调节器输出不会突变，当母线电压稳定后，满足U_ref-U_c2＝0，即前馈量自动消失，可以减小从启动到稳定过程母线电容由于电压急速上升的冲击。

U_C是输出占空比的调制电压。Boost和Buck过程发生在一个PWM周期里的两个阶段，由图分析可知：Boost(下桥臂)的占空比为D_boost＝1-(U_C1/U_ref)；Buck(上桥臂)的占空比为D_buck＝U_C1/U_ref,两个占空比之和为100％(即互补)。

DC/AC环节的调制方式为3DSVPWM技术，在上图1所示的DC/AC环节三相四桥臂共8个IGBT的同步逆变器中，每个IGBT有开通和关断，共有16种开关状态，其中有两个零矢量，即全开通和全关断两种情况。根据每组开关矢量在α-β-γ复平面上的三维坐标，可以将十六组开关矢量在三维空间坐标中描绘出来，如图3所示。其中P表示该桥臂上管导通下管关断，N表示该桥臂下管导通上管关断，PPPP和NNNN为零矢量。

由图3看出，除了二个零矢量外，其余十四个非零空间矢量构成了一个空间六棱柱。其核心控制思想是：根据负载情况确定合成空间矢量的运动轨迹V(V_α,V_β,V_γ)；对于任意时刻的合成空间矢量V，可以在十四个非零空间矢量中确定出与V相邻的三个开关矢量(d₁,d₂,d₃)来拟合，根据空间合成原理，可得到用来拟合的开关矢量的占空比(d₁,d₂,d₃)计算公式(1)和中线开关矢量的占空比d₀的计算公式(2)。

d₀＝1-d₁-d₂-d₃ (2)

图4所示为DC/AC环节虚拟控制算法框图。主要实现并网后虚拟同步机应对网压变化的主动自调节功能：当网侧由于负载增大(或减小)而导致网压的频率下降(或上升)时，由于下垂机制虚拟同步机运行于逆变(或整流)方向，向网侧输出(吸收)相应的有功功率P，当网侧由于负载特性而导致网压的幅值Vm下降(或上升)时，由于下垂机制虚拟同步机运行于逆变(或整流)方向，向网侧输出(或吸收)相应的无功功率Q。其中，为给定频率，一般取虚拟同步机设计的额定频率，为虚拟同步机实时频率，D_p为频率下垂系数，为频率积分系数，表征积分速度的常数，v_fb为网侧三相反馈电压，v_m为网侧电压幅值，v_r为给定电压幅值参考，一般取虚拟同步机设计的额定电压幅值，D_q为电压下垂系数，为磁链积分系数，表征磁链积分的速度，e为虚拟同步机的电动势，i为并网处电流，P_set和Q_set是虚拟同步机人为给定被动运行输出功率，与下垂机制主动输出功率相独立，可实现矢量叠加。图3中涉及的公式如下：

式(3)(4)(5)中，p为极对数，该处取1，M_fi_f为转子磁链，i₀为并网相电压幅值，为实时相位，为虚拟同步机实时频率，是三相对称矩阵表达式，

一种虚拟同步机的一体化系统的控制方法，所述控制方法包括：

I、启动系统，控制DC/DC环节：

系统启动后，首先控制DC/DC环节，给定直流母线电压期望值U_ref，采用电压前馈的双闭环控制得到调制电压U_c，调制电压与三角载波进行比较生成升压管的驱动脉冲，降压管的驱动脉冲与升压管的驱动脉冲取反，由上文“DC/DC环节采用同一套PI主动进行Boost和Buck的原理”可知DC/DC环节可以实现母线电压的稳压。

II、启动DC/AC环节，引入虚拟同步算法：

当直流母线电压稳定后，启动DC/AC环节，引入虚拟同步算法，此时处于预并网(未并网)阶段，DC/AC环节的调制方式采用3DSVPWM技术。由图4及公式(4)可知，虚拟同步发电机的电动势作为3DSVPWM的参考电压，启动DC/AC环节的启动瞬间转子磁链M_fi_f初始值赋予额定值，频率和相位θ初始值由网压赋予。进入3DSVPWM模块后，通过abc/αβγ坐标变换得到合成空间矢量V(V_α,V_β,V_γ)，经过3DSVPWM调制技术生成三相四桥臂8个IGBT的驱动脉冲，使同步逆变器输出跟随网侧电压变化的高频脉冲电压，得到的高频脉冲电压经过LCL滤波后，得到三相50Hz的基波电压。

III、启动并网指令，完成并网。

启动DC/AC初始时刻，逆变器输出的基波电压幅值与网侧电压幅值一致，相位与网侧相比滞后(或超前)一个小角度，每个周期过后滞后(或超前)的角度均会累加，当滞后(或超前)角度累加到360°时，启动并网指令，完成自动检测并网。

完成并网后，则虚拟同步发电机会跟随网压幅值或者频率的变化来自动调节虚拟同步发电机系统输出功率或吸收功率，和电网之间进行能量传递，原理如图4所示；整个控制流程在一个控制器中实现，控制方法紧凑严密，一气呵成，抗干扰性能强。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。