一种基于虚拟同步发电机的并网控制方法及系统与流程

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机的并网控制方法及系统，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机技术的微网控制及离/并网切换控制方法及系统，属于分布式发电微网技术领域。

背景技术：

大力发展以风力、光伏为主的可再生新能源，改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式以及构建环境友好型电力系统等方面均具有重要意义。作为新能源与大电网的接口，常规并网逆变器具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和阻尼等不足，尤其是采用电流控制型的并网变流器，与同步发电机在外特性上具有显著差别，难以在独立运行时，为微电网提供频率和电压的支撑。随着分布式电源渗透率的不断增加，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，这对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。再者，并网逆变器控制策略各异，加之分布式电源输出功率具有波动性、不确定性等特点，很难实现其即插即用与自主协调运行。

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)是近年来提出的一种适合新能源广泛接入的并网控制策略，通过控制环节可使并网逆变器模拟同步发电机的惯性、一次调频特性和一次调压特性。与传统逆变器相比，同步发电机的一个重要特点是具有较大的感性输出阻抗，能够有效抑制负荷扰动引起的电流变化量，并有利于多台同步发电机并联运行时功率的均分。但是同步电抗压降的计算涉及到电流微分量，很容易将电流中的不平衡分量、直流分量和谐波分量放大并引入到定子端电压中，经调制后会进一步加剧滤波电感电流的谐波含量，甚至使系统失稳，同时也限制了同步电抗的选取范围。因此，模拟同步发电机的同步阻抗及优化输出阻抗是的VSG关键技术之一。

微电网与大电网并网运行时，其内部的电压和频率的稳定主要由大电网支撑，当检测到微电网内部或者大电网出现故障时微电网转到孤岛运行，微电网的电压与频率的稳定变为微电网内部的分布式电源支撑。常规并网逆变器通常在并网运行时用P/Q控制，而孤岛运行时用V/F控制，但该方法难以实现不同运行模式间的平滑切换。因此，有人提出基于下垂特性及虚拟同步发电机的控制器，并考虑在非理想条件下并网预同步过程，但缺少具体的控制实现以及并网过程的冲击电流抑制。对于基于锁相环的预同步方法，实现了预同步的功能，但当电网电压不对称和畸变时，频率会波动，传统锁相环无法精确地检测电压同步信号。上述均没有考虑到带载后离/并网对VSG频率和电压的影响。根据微电网的不同运行模式对微电网的控制要求,可知传统逆变器的控制方式难以满足微电网灵活、稳定运行的要求。如何对微网中逆变器进行有效的控制,实现微电网不同运行模式的稳定运行以及柔性切换,是微电网能否可靠运行的关键。这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供提供了一种基于虚拟同步发电机的并网控制方法及系统，采用基于降阶谐振器(ROR)与三阶广义积分器(TOGI)级联的同步阻抗实现方法抑制输出电流中的不平衡分量、直流分量和谐波分量，改善输出电压波形，减小其畸变率；以及采用一种基于降阶谐振锁相环的准同期并列算法，避免了电网电压及逆变器输出电压不对称和谐波对检测精度的影响，同时兼顾了其动态响应速度，使输出电压的频率、幅值和相位快速无静差地跟踪上电网电压，并考虑了并列合闸动作时间延时，达到减小对并网逆变器的伤害及并网冲击电流目的，从而实现离/并网的柔性切换。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的并网控制方法，所述方法包括：

S1、采用瞬时功率计算方法根据采集得到的逆变器输出的电压和电流瞬时值，计算得到有功功率和无功功率；

S2、采用VSG控制算法对所述有功功率和无功功率进行计算得到输出电压的参考信号；

S3、所述输出电压的参考信号与同步阻抗模块输出的压降信号进行比较计算得到参考输入信号，所述电压信号是由所述同步阻抗模块根据逆变器输出电流计算得到；

S4、准比例谐振控制器根据所述参考输入信号、逆变器输出的电压和电感电流计算得到输出电压信号，并将该电压信号作为PWM调制器的参考电压信号；

S5、所述PWM调制器根据所述PWM调制器的参考电压信号得到逆变器调制信号，并将其输出给逆变器。

进一步，所述S3中所述同步阻抗模块具体为基于三阶广义积分器的同步阻抗模块。

进一步，所述S3中所述同步阻抗模块具体为基于降阶谐振器和三阶广义积分器级联的同步阻抗模块。

进一步，所述准比例谐振控制器通过设置谐振频率点的来确定虚拟同步发电机的并网控制系统稳定运行时频率波动的带宽。

进一步，所述方法还包括：

采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对压差进行检测和控制以及对频差进行检测和控制。

进一步，所述降阶谐振器锁相环具体包括Clack变换矩阵、正负序降阶谐振调节器以及PLL锁相环。

进一步，采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对压差进行检测具体包括：

将通过降阶谐振器锁相环测得的电网电压和逆变器输出的电压进行比较，并判断电压差值的绝对值是否小于电压允许误差，若不满足，通过预同步调节器增加或者减小无功功率变化值来调压直到电压差值小于电压允许误差；

采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对频差进行检测具体包括：

将通过降阶谐振器锁相环测得的电网频率和逆变器输出的频率进行比较，并判断频率差值的绝对值是否小于频率允许误差，若不满足，通过预同步调节器增加或者减小有功功率变化值来调压直到频率差值小于频率允许误差。

进一步，所述方法还包括：

在逆变器并网时，采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对并列合闸进行控制。

进一步，所述方法还包括：

所述在逆变器并网时，采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对并列合闸进行控制具体包括：

在逆变器并网时，若逆变器输出电压相位滞后于电网电压相位，则预同步调节器输出为一个正值，导致预同步调节器的输出升高，该两电压之间的相位差减小，直到相位差为零；

在所述相位差为零之前提前一个预设导向角发出合闸命令，将逆变器并入电网系统。

另一方面，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的并网控制系统，所述系统包括：

三相全桥逆变器、滤波器、瞬时功率计算模块、VSG控制模块、虚拟阻抗模块、比较器、准比例谐振控制器以及PWM调制器；

所述瞬时功率计算模块的输出端与所述VSG控制模块的输入端电连接，所述VSG控制模块的输出端以及所述虚拟阻抗模块的输出端均与所述比较器的输入端电连接，所述比较器的输出端与所述准比例谐振控制器的输入端电连接，所述准比例谐振控制器的输出端与所述PWM调制器的输入端电连接，所述PWM调制器的输出信号与所述三相全桥逆变器电连接，所述逆变器与所述滤波器电连接；

所述瞬时功率计算模块，用于采用瞬时功率计算方法根据采集得到的逆变输出的电压和电流瞬时值，计算得到有功功率和无功功率；

所述VSG控制模块，用于采用VSG控制算法对所述有功功率和无功功率进行计算得到逆变器输出电压的参考信号；

所述同步阻抗模块，用于根据逆变器输出电流计算得到压降信号；

所述比较器，用于将所述逆变器输出电压的参考信号与同步阻抗模块输出的压降信号进行比较计算得到参考输入信号；

所述准比例谐振控制器，用于根据所述参考输入信号、逆变器输出的电压和电感电流计算得到输出电压信号，并将该电压信号作为PWM调制器的参考电压信号；

所述PWM调制器，用于根据所述PWM调制器的参考电压信号得到逆变器调制信号，并将其输出给逆变器。

本发明的有益效果：本发明提供的一种基于虚拟同步发电机的并网控制方法及系统，采用基于降阶谐振器(ROR)与三阶广义积分器(TOGI)级联的同步阻抗方法提高系统的稳定性，抑制负荷扰动形成的电流偏差和实现功率的均分，利用准比例谐振控制器抑制输出电压的不平衡与谐波分量；将基于降阶谐振器锁相环(ROR-PLL)的准同步并列算法与虚拟同步机控制算法结合，避免了电网电压及逆变器输出电压不对称和谐波对检测精度的影响，通过准同步并列算法将虚拟同步逆变器输出电压的频率、幅值和相位快速无静差地跟踪上电网电压，从而来实现离/并网的柔性切换，提高系统供电可靠性并改善电能质量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的并网逆变器控制框图；

图3为本发明的虚拟同步发电机算法控制框图；

图4为本发明的基于ROR-TOGI级联的同步阻抗控制框图；

图5为本发明的基于ROR的锁相环控制框图；

图6为本发明的基于ROR-PLL的准同期并列算法控制框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、一种基于虚拟同步发电机的并网控制方法。下面结合图1至图6对本实施例提供的方法进行详细说明。

参见图1至图6，S1、采用瞬时功率计算方法根据采集得到的逆变器输出的电压和电流瞬时值，计算得到有功功率和无功功率。

S2、采用VSG控制算法对所述有功功率和无功功率进行计算得到逆变器输出电压的参考信号。

具体的，如图3所示，虚拟同步机控制算法借鉴了同步发电机的二阶经典方程及调速器和励磁控制器，因此设计了VSG控制算法，其数学方程如公式(1)至公式(3)所示：

其中，T_set、T_e为给定转矩和电磁转矩；P_set、Q_set为有功和无功功率给定；D_p、D_q为有功-频率和无功-电压下垂系数；θ为电角度；Δω为电角速度差，Δω＝ω_n-ω；ω_n、ω为额定电角速度和实际电角速度；Δu为输出电压差，Δu＝u_n-u_o；u_n、u_o为额定电压有效值和输出电压有效值；J为转动惯量；K为惯性系数；其中，同步逆变器输出的瞬时电磁功率P_e和Q_e可以由公式(4)得到：

其中，u_α、i_α、u_β、i_β分别为逆变器输出的电压电流u_ok、i_ok经过abc-dq0变换得到的。

S3、所述逆变器输出电压的参考信号与同步阻抗模块输出的电压信号进行比较计算得到参考输入信号，所述电压信号是由所述同步阻抗模块根据逆变器输出电流计算得到。

具体的，所述同步阻抗模块具体为基于三阶广义积分器的同步阻抗模块，更优化的，所述同步阻抗模块具体为基于降阶谐振器(ROR)和三阶广义积分器(TOGI)级联的同步阻抗模块。

如图4所示，所述基于基于降阶谐振器和三阶广义积分器(ROR-TOGI)级联的同步阻抗实现方法是基于三阶广义积分器的正交信号发生器(TOGI-OSG)能够抑制输入信号中的直流分量对系统的影响，产生与系统输入基波分量同频同幅的两相正交信号得到的。

TOGI的闭环传递函数为公式(5)所示：

其中，v(t)、ω_s分别为输入信号和输入频率值，输出信号有3个，分别为v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)，k为闭环系统增益。

假设TOGI的输入信号为含有直流分量A₀、幅值为A的交流信号，其表达式如公式(6)所示：

v(t)＝A₀+Asin(ωt) (6)

由此可得，TOGI稳态输出分别为公式(7)所示：

由此可见，v₁(t)不含直流分量且与输入信号的交流分量同频同幅；v₂(t)含直流分量且与输入信号同幅，相位滞后90°；v₃(t)仅含直流分量。

为了消除输入信号中的直流分量，产生正交的交流输出信号，可重构v_d(t)＝v₁(t)，v_q(t)＝v₃(t)-v₂(t)，其中，k的取值决定了TOGI正交信号发生器的动态响应速度与谐波抑制能力：k越大，其动态响应越快，对应的谐波抑制能力越弱；k越小，其动态响应越慢，对应的谐波抑制能力越强。

为避免不平衡分量的影响，同时兼顾较好的动态响应性能和谐波抑制能力，可以在TOGI前级联降阶广义积分器(reduced order generalized integrator，ROGI)可将相同频率的正、负序分量分离，ROR调节器的传递函数如公式(8)所示：

由上式可知，ROR调节器具有频率和极性选择性，可以直接进行正、负序分离，完成特定频率正负序分量的无静差跟踪，最终得到输入信号的正、负序和谐波分量。

基于ROR-TOGI级联的虚拟阻抗，通过TOGI的d输出信号v_d是与输入信号的基波成分同幅同频的信号，其q输出信号v_q是与v_d同幅，相位滞后其90度的信号，假设两项输出的表达式为公式(9)：

v_d(t)＝Asin(ωt)

v_q(t)＝-Acos(ωt) (9)

式中，A和ω分别为输入信号的幅值和频率。

考虑到v_d表达式，其虚拟电感值为：

由式可得，其虚拟电感值可通过v_q乘以ω以及电感值L_v来实现，即：

Z_v＝-ωL_vv_q(t) (11)

同样的，如果需要的虚拟阻抗为电阻，也非常容易实现，通过TOGI的d输出信号v_d乘以一个电阻值即可，表达式如下：

Z_v＝R_vv_d(t) (12)

从而可以得出，复虚拟阻抗的计算公式如下式：

Z_v＝R_vv_d(t)-ωL_vv_q(t) (13)

上式中，Rv为虚拟电阻，Lv为虚拟电感；

S4、准比例谐振控制器根据所述参考输入信号、逆变器输出的电压和电感电流计算得到输出电压信号，并将该电压信号作为PWM调制器的参考电压信号。

具体的，所述准比例谐振控制器通过设置谐振频率点的来确定虚拟同步发电机的并网控制系统稳定运行时频率波动的带宽。

采用准比例谐振控制器来抑制同步逆变器输出电压的不平衡与谐波分量，准PR控制器能在谐振频率点的高增益，即在电网频率偏移时也能有效抑制谐波。准比例谐振(PR)控制器的传递函数如公式(14)所示：

其中，K_p为比例系数；K_r为谐振系数；ω_o为谐振频率；其中ω_c与谐振频率的带宽有关，ω_c＝π·Δf；Δf为电网频率的允许波动范围。

S5、所述PWM调制器根据所述PWM调制器的参考电压信号得到逆变器调制信号，并将其输出给逆变器。

更优的，采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对压差进行检测和控制以及对频差进行检测和控制。所述降阶谐振器锁相环具体包括Clack变换矩阵、正负序降阶谐振调节器以及PLL锁相环。

如图5所示，基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法，借鉴同步发电机准同期并列装置的工作原理，设计了同步逆变器的自动准同期装置，包括三个环节：压差检测与控制、频差检测与控制、相角差检测与控制和并列合闸控制，其控制原理如公式(15)所示：

上式中：Δu_syn、Δω_syn、Δθ_syn分别为叠加在u_o、ω_o和θ_o上的幅值、频率和相角同步信号；k_mp、k_mi为比例和积分系数(m＝u、ω、θ)。

由于虚拟同步发电机技术具有同步发电机的下垂特性，因此其输出频率和电压的幅值随着负载有功和无功的变化而变化。

如图6所示，基于降阶谐振调节器的锁相环主要由Clack变换矩阵、正负序ROR调节器和PLL锁相环三部分组成。首先将三相相电压由三相abc静止坐标系变换到两相αβ静止坐标系下，接着将U_α、U_β作为给定指令，与ROR调节器的输出值做差，并将误差量作为ROR调节器的输入，构成闭环反馈，最终由ROR调节器完成无静差跟踪，输出正、负序电压分量。其中，ROR调节器的ω_o由传统的两相同步旋转坐标系下锁相环SRF-PLL得到，实现自适应检测。

通过ROR-PLL测得的电网电压u_g信息，将其与同步逆变器输出电压u_o信息进行比较，判断压差、频差的绝对值是否小于允许误差，压差允许误差ε_u＝5％u_g，频差允许范围为ε_ω＝0.3％ω_g；若不满足，通过预同步调节器增加(减小)ΔQ、ΔP来继续进行调压和调频直至满足允许误差为止。

具体的，采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对压差进行检测包括：将通过降阶谐振器锁相环ROR-PLL测得的电网电压u_g和逆变器输出的电压u_o进行比较，并判断电压差值的绝对值是否小于电压允许误差，压差允许误差ε_u＝5％u_g；若压差信号不满足，通过预同步调节器增加或者减小无功功率变化值ΔQ来调压直到电压差值小于电压允许误差为止。

采用基于降阶谐振器锁相环的准同期并列控制算法对频差进行检测具体包括：将通过降阶谐振器锁相环ROR-PLL测得的电网频率ω_g和逆变器输出的频率ω_o进行比较，并判断频率差值绝对值是否小于频率允许误差，频差允许范围为ε_ω＝0.3％ω_g；若不满足，通过预同步调节器增加或者减小有功功率变化值ΔP来调压直到频率差值小于频率允许误差。

在逆变器并网时，真正对逆变器产生伤害的是相角差，而压差与频差的影响较小，因此应严格控制相角差。若逆变器输出电压的相位滞后与电网电压，则预同步调节器输出为正值，从而导致预同步调节器的输出增大，两电压间的相位差减小，最终相位差被调节至零。考虑到合闸回路控制器和断路器合闸的固有动作时间，在两电压相量重合之前应提前一个角度发出合闸命令，这样才能确保在相角差最小时将逆变器并入系统，通常我们将此提前的角度称为导前角。

具体的，在逆变器并网时，若逆变器输出电压相位滞后于电网电压相位，则预同步调节器输出为一个正值，导致预同步调节器的输出升高，该两电压之间的相位差减小，直到相位差为零；在所述相位差为零之前提前一个预设导向角发出合闸命令，将逆变器并入电网系统，其中，导前角的计算公式为公式(16)：

式中，ω_d为角频率差；t_dq为导前时间。

实施例2、一种基于虚拟同步发电机的并网控制系统。下面结合图2至图6对本实施例提供的系统进行详细说明。

参见图2至图6，一种基于虚拟同步发电机的并网控制系统，所述系统包括：三相全桥逆变器、滤波器、瞬时功率计算模块、VSG控制模块、同步阻抗模块、比较器、准比例谐振控制器以及PWM调制器。

所述瞬时功率计算模块的输出端与所述VSG控制模块的输入端电连接，所述VSG控制模块的输出端以及所述虚拟阻抗模块的输出端均与所述比较器的输入端电连接，所述比较器的输出端与所述准比例谐振控制器的输入端电连接，所述准比例谐振控制器的输出端与所述PWM调制器的输入端电连接，所述PWM调制器的输出信号与所述三相全桥逆变器电连接，所述逆变器与所述滤波器电连接；

所述瞬时功率计算模块，用于采用瞬时功率计算方法根据采集得到的逆变器输出的电压和电流瞬时值，计算得到有功功率和无功功率。

所述VSG控制模块，用于采用VSG控制算法对所述有功功率和无功功率进行计算得到逆变器输出电压的参考信号。

所述虚拟阻抗模块，用于根据逆变器输出电流计算得到电压信号。

所述比较器，用于将所述逆变器输出电压的参考信号与同步阻抗模块输出的电压信号进行比较计算得到参考输入信号。

所述准比例谐振控制器，用于根据所述参考输入信号、逆变器输出的电压和电感电流计算得到输出电压信号，并将该电压信号作为PWM调制器的参考电压信号。

所述PWM调制器，用于根据所述PWM调制器的参考电压信号得到逆变器调制信号，并将其输出给逆变器。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：基于虚拟同步发电机技术的并网逆变器控制算法具有同步发电机的一些特征，采用基于降阶谐振器(ROR)与三阶广义积分器(TOGI)级联的同步阻抗方法提高系统的稳定性，抑制负荷扰动形成的电流偏差和实现功率的均分，利用准比例谐振控制器抑制输出电压的不平衡与谐波分量；将基于降阶谐振器锁相环(ROR-PLL)与准同步并列算法结合，避免了电网电压及逆变器输出电压不对称和谐波对检测精度的影响，通过准同步并列算法将虚拟同步逆变器输出电压的频率、幅值和相位快速无静差地跟踪上电网电压，从而来实现离/并网的柔性切换，提高系统供电可靠性并改善电能质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。