一种基于无源理论的虚拟同步发电机控制策略的制作方法

本发明提出了一种基于无源理论的虚拟同步发电机控制策略，更具体来说，它是应用于分布式发电系统逆变器的一种控制策略。

背景技术

随着传统一次能源的供应紧张及由此带来的环境污染问题，使得人们把注意力转向可再生能源，伴随而来的是分布式发电的广泛应用，但是，随着分布式发电在电力系统中的渗透，其在并网的过程中也对系统造成了有害的影响，所以在微电网中，需要人们研究出一种有效的控制策略，将分布式发电在不同运行模式下对系统的危害降到最低。

逆变器作为分布式电源与微电网之间的枢纽，具有响应速度快等特点，但是也造成了微电网缺乏阻尼和惯性的缺点，因此，必须配置合理的控制策略；同步发电机输出阻抗大、转动惯量大的特点有利于维护系统的稳定性，所以在这里提出了一种能够使逆变器具有同步发电机特性的控制方法，即虚拟同步发电机控制技术；随着越来越多的电力电子非线性负载接入微网中，逆变器输出电压的质量以及面对扰动时系统的动态性能将会受到影响，传统的电压电流环控制在设计过程中，存在许多非线性元件线性化的过程，这样不可避免的会有过多的近似和忽略，直接导致了系统的抗干扰能力较差；在非线性控制中，无源控制本质是对能量的控制，并且已经在pwm整流器上得到了很好的应用，因此，将无源理论运用到虚拟同步发电机控制技术中有一定的研究意义。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于无源理论的虚拟同步发电机控制策略。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于无源理论的虚拟同步发电机控制策略，包括逆变器模块、功率计算模块、虚拟同步发电机控制模块、无源控制模块和spwm控制模块。

所述的逆变器模块采用电压型pwm逆变器，由直流电源供电，经lc滤波器输出后可以直接接负载或者经线路阻抗并网。

所述的功率计算模块采用瞬时功率计算。

所述的虚拟同步发电机控制模块包括虚拟调速器控制模块、虚拟励磁控制模块和虚拟同步发电机本体模型控制模块，所述的虚拟调速器控制模块为虚拟同步发电机本体模型控制模块提供输入的机械功率pm，所述的虚拟励磁控制模块为虚拟同步发电机本体模型控制模块提供励磁电动势e，所述的虚拟同步发电机本体模型控制模块由同步发电机的定子电气方程和转子机械方程搭建而成。

所述的无源控制模块由无源控制算法构成，所述的虚拟同步发电机控制模块的输出作为所述无源模块的输入，所述的无源控制的输出与spwm控制模块相连。

所述的spwm控制模块产生脉冲信号来控制逆变器的开关。

本发明的优点如下：

（1）使逆变器模拟同步发电机的运行特性，从而提高微电网运行的稳定性，将同步电机对电网的天然优势应用到对逆变器控制中。

（2）本发明提出的无源理论和虚拟同步发电机控制策略结合的逆变器控制算法，对于电力电子非线性负载和负载不平衡的情况来说，所述的控制策略表现出了对扰动很好的控制性，提高了系统的动态性能，使系统有较强的鲁棒性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为本发明所述的控制策略的结构图；

图2为所述的虚拟调速器控制模块的结构图；

图3为所述的虚拟励磁控制模块的结构图；

图4为所述的虚拟同步发电机本体模型控制模块的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的图1、2、3和4对本发明实施例中的技术方案进行信息描述。

本发明在电压型pwm逆变器的结构和工作原理基础上，将虚拟同步发电机控制策略引入到逆变器的控制中（这里以孤岛运行为例）。

图1为本发明所述的虚拟同步发电机控制策略的结构图，图中，和c为滤波电感和滤波电容，和为逆变器输出电压和电流，为滤波电感电流，为纯阻性负载，该系统包括逆变器模块、功率计算模块、虚拟同步发电机控制模块、无源控制模块和spwm控制模块。

所述的功率计算模块采用dq坐标系下的有功和无功作为虚拟同步发电机控制模块的输出量，该有功、无功的表达式如下：

（1）。

所述的虚拟同步发电机控制模块包括虚拟调速器控制模块、虚拟励磁控制模块和虚拟同步发电机本体模型控制模块，下面结合图2、3和4来说明虚拟同步发电机控制模块。

图2为所述的虚拟调速器控制模块的控制结构图，图中，和分别为频率的参考值和实际值，其中由虚拟同步发电机本体模型控制模块输出的获得，和分别为有功的参考值和机械功率，为频率调节系数，虚拟调速器控制模块模拟了同步发电机的一次调频特性，频率和有功功率有下垂特性，其表达式如下：

（2）

可以根据上式中频率的变化来实现对有功功率的调整。

虚拟励磁控制模块的控制结构图如图3所示，图中，和为无功功率的参考值和实际值，和为给定的电压参考值和逆变器输出的电压幅值，为电压调节系数，为励磁电动势，在同步发电机中，通过调整励磁电流来保证端电压的稳定，励磁电动势的大小和无功功率有下垂特性，其关系式如下：

（3）

可以根据上式中电压的变化来实现对无功功率的调整。

图4为所述的虚拟同步发电机本体模型模块的控制结构图，图中，是转动惯量，是阻尼系数，为角频率的给定值，和分别为电枢绕组和同步电抗，该结构图由转子机械方程和定子电气方程搭建，表达式如下：

(4)。

所述的无源控制模块采用等量变换的方式将逆变器模型通过park变换得到dq坐标系下的数学模型，然后转化成如下欧拉-拉格朗日方程：

（5）

其中，为正定对角阵，为反对称矩阵，为对称正定阵，反映了系统的耗散特性，为状态变量，系统与外部能量交换用表示。

首先，通过无源性的判断证明逆变器模型的无源性，然后通过阻尼注入的方法得到系统有效的无源控制律，最后将控制律带入逆变器的dq数学模型得到逆变器的控制框图。

无源控制模块的输出作为spwm控制模块的输入控制逆变器的开关。

所述的spwm控制模块产生脉冲信号来控制逆变器的开关。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何熟悉该技术领域的人在本发明的启示下都可以得出各种形式的修改和替换，不论进行任何修改和替换，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。