一种虚拟同步发电机的虚拟惯量生成方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及到一种虚拟同步发电机的虚拟惯量生成方法。

背景技术

在分布式电源接入电网或微电网的过程中，并网逆变器作为接口是必不可少的部分，因此其在电网安全稳定性方面的地位和作用就非常重要。相对于传统的同步发电机，基于电力电子逆变器接口的分布式电源的响应速度非常的快，且自身没有同步发电机所固有的旋转惯性，当电力系统中接入这样的分布式电源过多时，必定会威胁到电力系统的安全稳定运行。

虚拟同步发电机是基于电力电子逆变器接口的分布式电源中的一种常见装置，是大规模清洁能源的接入过程中必不可少的部分，因而，如何生成虚拟同步发电机的虚拟惯量，支持系统稳定，引起了国内外学者的广泛关注。现有技术中，公开号为cn107394814a的中国专利文献公开了一种最优储能配置下的虚拟惯量匹配方法，包括以下步骤：确定储能装置最大功率工作点的限制规则；根据临界阻尼模型得到储能容量及其最大功率工作点；计算最优储能容量及最优储能配置下的转动惯量和阻尼系数。上述专利文献中的技术方案虽然配置了虚拟同步发电机的虚拟惯量，但是设置了额外的增加储能单元，该储能单元的设置不仅增加了电力系统的硬件成本，还增加了电力系统的结构复杂性。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于解决现有技术中的通过增加额外的储能单元配置虚拟同步发电机的虚拟惯量的方法，配置成本较高，配置后的电力系统的结构较复杂的问题。

为此，本发明提供了一种虚拟同步发电机的虚拟惯量生成方法，包括如下步骤：

采集虚拟同步发电机的直流侧和交流侧的相关参数；

采集虚拟同步发电机的实际频率；

根据相关参数和实际频率得到频率控制器的控制参数；

根据相关参数和频率控制器的控制参数控制虚拟同步发电机的运行，生成虚拟同步发电机的虚拟惯量。

可选地，相关参数包括虚拟同步发电机的直流侧电容电压vdc、交流侧输出电压vga，vgb，vgc和交流侧电感电流i1a，i1b，i1c。

可选地，频率控制器的控制参数为：

kf,pu(s)＝(δvdc,max/vdc)/(δfmax/f^*)

其中，vdc是指直流侧电容电压，δvdc,max是指直流侧电容电压的最大允许偏差，f^*是指虚拟同步发电机的给定频率，δfmax是指实际频率的最大允许偏差。

可选地，虚拟同步发电机的虚拟惯量为：

hvirtual＝hcapgcl,v(s)kf,pu(s)，

其中，hcap为直流侧电容的等效转动惯量，gcl,v(s)为电压闭环传递函数，其中，cdc为直流侧电容的电容量，vdc为直流侧电容电压，s为视在功率。

可选地，虚拟同步发电机的逆变器为两电平逆变器，根据相关参数和频率控制器的控制参数控制虚拟同步发电机的运行，生成虚拟同步发电机的虚拟惯量，包括如下步骤：

通过同步旋转坐标变换得到交流侧输出电压vga，vgb，vgcdq的分量vgd，vgq，交流侧电感电流i1a，i1b，i1cdq的分量i1d，i1q；

根据实际频率f、给定频率f^*和频率控制器的控制参数kf,pu(s)得到直流侧电压给定值

将与vdc相减，并经过电压环pi控制器后，得到交流侧电感电流的d轴电流分量i1d的给定值

将i1d相减，并经过i1d电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的q轴分量vgq相加，与耦合项ωli1q相减，得到控制电压矢量的d轴分量

将i1q相减，并经过i1q电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的d轴分量vgd相加，与耦合项ωli1d相减，得到控制电压矢量的q轴分量

根据控制电压矢量的dq分量生成虚拟同步发电机中逆变器逆变桥开关管的pwm控制信号。

可选地，虚拟同步发电机的逆变器为三电平逆变器，根据相关参数和频率控制器的控制参数控制虚拟同步发电机的运行，生成虚拟同步发电机的虚拟惯量，包括如下步骤：

通过同步旋转坐标变换得到交流侧输出电压vga，vgb，vgcdq的分量vgd，vgq，以及交流侧电感电流i1a，i1b，i1cdq的分量i1d，i1q；

根据实际频率f、给定频率f^*和频率控制器的控制参数kf,pu(s)得到直流侧电压给定值

将与vdc相减，并经过电压环pi控制器后，得到交流侧电感电流的d轴电流分量i1d的给定值vdc为第一电容电压vdc1和第二电容电压vdc2之和；

将i1d相减，并经过i1d电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的q轴分量vgq相加，与耦合项ωli1q相减，得到控制电压矢量的d轴分量

将i1q相减，并经过i1q电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的d轴分量vgd相加，与耦合项ωli1d相减，得到控制电压矢量的q轴分量

根据控制电压矢量的dq分量交流侧电感电流i1a，i1b，i1c以及直流侧电容电压差δvdc，生成虚拟同步发电机中逆变器逆变桥开关管的pwm控制信号；δvdc为第一电容电压vdc1和第二电容电压vdc2之差。

可选地，

可选地，同步旋转坐标变换的旋转角度为虚拟同步发电机的矢量角θ。

本发明实施例提供的技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的虚拟同步发电机的虚拟惯量生成方法，包括如下步骤：采集虚拟同步发电机的直流侧和交流侧的相关参数；采集虚拟同步发电机的实际频率；根据相关参数和实际频率得到频率控制器的控制参数；根据相关参数和频率控制器的控制参数控制虚拟同步发电机的运行，生成虚拟同步发电机的虚拟惯量。通过采集虚拟同步发电机的频率，并根据虚拟同步发电机的频率以及其他相关参数生成频率控制器的控制参数，再根据频率控制器的控制参数以及虚拟同步发电机的相关参数控制虚拟同步发电机的运行，能够全面模拟传统电力发电机，使虚拟同步发电机具有虚拟惯量，即能够在未增加额外的储能单元的情形下，防止使用虚拟同步发电机的电网的频率事件的发生，提高电网频率稳定性，从而，降低了电力系统的硬件成本，同时还能够降低电力系统的结构复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1提供的一种虚拟同步发电机的虚拟惯量生成方法的方法流程图；

图2为虚拟同步发电机的逆变器为两电平逆变器的电路拓扑图；

图3为虚拟同步发电机的逆变器为三电平逆变器的电路拓扑图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例提供了一种虚拟同步发电机的虚拟惯量生成方法，如图1所示。需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。该流程包括如下步骤：

步骤s100，采集虚拟同步发电机的直流侧和交流侧的相关参数。在具体实施例中，如图2和图3所示，同步发电机的直流侧的相关参数为直流侧电容电压vdc，交流侧的相关参数为交流侧输出电压vga，vgb，vgc和交流侧电感电流i1a，i1b，i1c，此外，交流侧的相关参数，交流侧输出电压vga，vgb，vgc还可以通过采集交流侧输出电流iga，igb，igc，并根据交流侧电容电压vca，vcb，vcc运算得到，交流侧电感电流i1a，i1b，i1c还可以通过采集交流侧电感两端电压v1a，v1b，v1c后运算得到，具体采集的数据类型可以根据具体应用场景进行确定。

步骤s200，采集虚拟同步发电机的实际频率。在本实施中，通过锁相环技术采集虚拟同步发电机的实际频率。

步骤s300，根据相关参数和实际频率得到频率控制器的控制参数。在本实施例中，kf,pu(s)＝(δvdc,max/vdc)/(δfmax/f^*)，其中，vdc是指直流侧电容电压，δvdc,max是指直流侧电容电压的最大允许偏差，是指虚拟同步发电机的给定频率，δfmax是指实际频率相对给定频率的最大允许偏差。具体地，δfmax＝|f-f^*|max，其中，f为虚拟同步发电机的实际频率。

步骤s400，根据相关参数和频率控制器的控制参数控制虚拟同步发电机的运行，生成虚拟同步发电机的虚拟惯量。在本实施例中，hvirtual＝hcapgcl,v(s)kf,pu(s)，其中，hcap为直流侧电容的等效转动惯量，gcl,v(s)为电压闭环传递函数，其中，cdc为直流侧电容的电容量，vdc为直流侧电容电压，s为是在功率。

在具体实施例中，直流侧电容的等效转动惯量hcap为参照电机的转动惯量得到，具体地，已知电机的能量为电容的能量为因此，可以参照电机的转动惯量得到直流侧电容的等效转动惯量

在具体实施例中，电压闭环传递函数gcl,v(s)为：

因为电压环动态过程远远快于频率环，所以gcl,v(s)可以等效1，所以，即虚拟同步发电机的虚拟惯量与直流侧电容的电容量，直流侧电容电压，以及直流侧电容电压的最大允许偏差以及实际频率相对给定频率的最大允许偏差有关。

本实施例提供的虚拟同步发电机的虚拟惯量生成方法，通过采集虚拟同步发电机的频率，并根据虚拟同步发电机的频率以及其他相关参数生成频率控制器的控制参数，再根据频率控制器的控制参数以及虚拟同步发电机的相关参数控制虚拟同步发电机的运行，能够全面模拟电力发电机，使虚拟同步发电机具有虚拟惯量，因而，能够解决现有技术中的通过增加额外的储能单元的方法配置虚拟同步发电机的虚拟惯量，配置成本较高，配置后的电力系统的结构较复杂的问题，能够在未增加额外的储能单元的情形下，产生虚拟惯量，防止使用虚拟同步发电机的电网的频率事件的发生，提高了电网频率稳定性。

在可选的实施例中，虚拟同步发电机的逆变器为两电平逆变器，如图2所示，步骤s400包括如下步骤：

步骤s401，通过同步旋转坐标变换得到交流侧输出电压vga，vgb，vgcdq的分量vgd，vgq，交流侧电感电流i1a，i1b，i1cdq的分量i1d，i1q。在本实施例中，同步旋转坐标变换的旋转角度为虚拟同步发电机的矢量角θ，具体地，该矢量角θ为通过锁相环技术采集得到。

步骤s402，根据实际频率f、给定频率f*和频率控制器的控制参数kf,pu(s)得到直流侧电压给定值在本实施例中，具体地，运算f^*-f通过一个加法器完成。

步骤s403，将与vdc相减，并经过电压环pi控制器后，得到交流侧电感电流的d轴电流分量i1d的给定值在本实施例中，其中，是指电压环pi控制器的控制控制参数，具体地，运算通过一个加法器完成。

步骤s404，将i1d相减，并经过i1d电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的q轴分量vgq相加，与耦合项ωli1q相减，得到控制电压矢量的d轴分量在本实施例中，其中，是指i1d电流环pi控制器的控制控制参数，具体地，运算通过一个加法器完成，运算通过另一个加法器完成，该加法器的三个变量分别为：经过i1d电流环pi控制器后的输出量vgq以及耦合项ωli1q。

步骤s405，将i1q相减，并经过i1q电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的d轴分量vgd相加，与耦合项ωli1d相减，得到控制电压矢量的q轴分量在本实施例中，为交流侧电感电流的q轴电流分量i1q的给定值，其中，是指i1q电流环pi控制器的控制控制参数，具体地，运算通过一个加法器完成，运算通过另一个加法器完成，该加法器的三个变量分别为：经过i1q电流环pi控制器后的输出量vgd以及耦合项ωli1d。

步骤s406，根据控制电压矢量的dq分量生成虚拟同步发电机中逆变器逆变桥开关管的pwm控制信号。在本实施例中，生成pwm控制信号的可以为spwm调制，也可以为svpwm调制，在具体实施例中，通过调制模块(pwm或者svpwm)先将经过同步旋转坐标变换得到三相控制电压信号va，vb，vc，同步旋转坐标变换的旋转角度为虚拟同步发电机的矢量角θ，再根据三相控制电压信号va，vb，vc生成虚拟同步发电机中逆变器逆变桥开关管的pwm控制信号。在具体实施例中，spwm控制信号的生成公式为：

其中，sa1和sa2分别是a相上下两开关管，sb1和sb2分别是b相上下两开关管，sc1和sc2分别是c相上下两开关管，vcarrier(t)∈[-11]表示载波瞬时值，脚注pu表示标幺值。

在可选的实施例中，虚拟同步发电机的逆变器为三电平逆变器，如图3所示，步骤s400包括如下步骤：

步骤s410，通过同步旋转坐标变换得到交流侧输出电压vga，vgb，vgcdq的分量vgd，vgq，以及交流侧电感电流i1a，i1b，i1cdq的分量i1d，i1q。在本实施例中，同步旋转坐标变换的旋转角度为虚拟同步发电机的矢量角θ，具体地，该矢量角θ为通过锁相环技术采集得到。

步骤s420，根据实际频率f、给定频率f^*和频率控制器的控制参数kf,pu(s)得到直流侧电压给定值在本实施例中，具体地，运算f^*-f通过一个加法器完成。

步骤s430，将与vdc相减，并经过电压环pi控制器后，得到交流侧电感电流的d轴电流分量i1d的给定值在本实施例中，vdc为第一电容电压vdc1和第二电容电压vdc2之和，其中，是指电压环pi控制器的控制控制参数，具体地，运算vdc1+vdc2通过一个加法器完成，运算通过另一个加法器完成。

步骤s440，将i1d相减，并经过i1d电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的q轴分量vgq相加，与耦合项ωli1q相减，得到控制电压矢量的d轴分量在本实施例中，其中，是指i1d电流环pi控制器的控制控制参数，具体地，运算通过一个加法器完成，运算通过另一个加法器完成，该加法器的三个变量分别为：经过i1d电流环pi控制器后的输出量vgq以及耦合项ωli1q。

步骤s450，将i1q相减，并经过i1q电流环pi控制器后，与交流侧输出电压的d轴分量vgd相加，与耦合项ωli1d相减，得到控制电压矢量的q轴分量在本实施例中，为交流侧电感电流的q轴电流分量i1q的给定值，其中，是指i1q电流环pi控制器的控制控制参数，具体地，运算通过一个加法器完成，运算通过另一个加法器完成，该加法器的三个变量分别为：经过i1q电流环pi控制器后的输出量vgd以及耦合项ωli1d。

步骤s460，根据控制电压矢量的dq分量交流侧电感电流i1a，i1b，i1c以及直流侧电容电压差δvdc，生成虚拟同步发电机中逆变器逆变桥开关管的pwm控制信号。在本实施例中，δvdc为第一电容电压vdc1和第二电容电压vdc2之差。在本实施例中，生成pwm控制信号的可以为spwm调制，也可以为svpwm调制，在具体实施例中，通过调制模块(pwm或者svpwm)先将经过同步旋转坐标变换得到三相控制电压信号va，vb，vc，同步旋转坐标变换的旋转角度为虚拟同步发电机的矢量角θ，再根据三相控制电压信号va，vb，vc，交流侧电感电流i1a，i1b，i1c以及直流侧电容电压差δvdc生成虚拟同步发电机中逆变器逆变桥开关管的pwm控制信号，具体地，δvdc＝vdc1-vdc2，并且该运算通过一加法器完成。由于生成pwm控制信号的生成不仅是根据相控制电压信号va，vb，vc，还根据交流侧电感电流i1a，i1b，i1c以及直流侧电容电压差δvdc，因而，可以通过该pwm控制信号平衡第一电容电压vdc1和第二电容电压vdc2，减小第一电容电压vdc1和第二电容电压vdc2之间的差值以及交流侧电感电流i1a，i1b，i1c之间的差值。在具体实施例中，spwm控制信号的生成公式为：

其中，sa1、sa2、sa3和sa4分别表示三电平逆变器a相从上到下四个开关管。载波采用对称电平位移三角波，vcarrier,top(t)∈[01/2]，vcarrier,bom(t)∈[-1/20]。此外，三电平逆变器的b相和c相的控制信号生成公式可以根据a相的生成公式相应得到，在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。