一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法与流程
本发明属于电力系统控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法。
背景技术
随着分布式能源在电网中的渗透率越来越高，逆变器作为分布式能源和电网的接口被广泛使用。但由于逆变器是由电力电子设备组成，对电网调度或扰动的响应速度较快，无法与电网中的传统发电机保持同步，极易造成电网波动和安全控制的误动作。为解决这一问题，虚拟同步发电机vsg(virtualsynchronousgenerator)技术被提出，大量研究表明其能使逆变器模拟同步发电机运行。vsg策略主要包括下垂控制和惯性模拟这两部分。其中下垂控制建立了vsg端口电压和无功功率，端口频率和有功功率的关系，模拟了同步发电机的稳态特征，使得逆变器具有同步发电机的外特性。惯性模拟则在控制器中建立了同步机的二阶模型，通过模拟同步机的转子方程为逆变器提供惯性，提高了系统的暂态稳定性。
另一方面，由于分布式能源类型多样，分布广泛，电网层级结构复杂，在这种情况下，必须考虑到分布式能源的独立运行，才能充分发挥其灵活的并-脱网能力，保证在主网架发生故障或扰动时的电能质量。而vsg在单个分布式发电系统的层级结构中，其功率消耗大部分由外部负载决定，下垂控制中的频率和有功功率的关联性较小。即：vsg无法通过调整输出频率来改变输出有功功率。而在vsg策略中，惯性模拟只和频率-有功功率的调节有关。于是在这种情况下，vsg的功率调整将不具有可调惯性。此外，由于vsg的频率控制只模拟了同步发电机的一次调频，故在外部负载变化后，其频率无法回到额定值，存在频率静差。因此，vsg虽然在并网下拥有良好的控制效果，但对于分布式发电系统独立运行时却并不能发挥其作用。
本发明受vsg控制策略的影响和启迪，针对前述逆变器控制方法所反映的薄弱问题，提出了一种新的具备虚拟惯性的逆变器控制方法。该方法舍弃下垂控制，直接反馈频率偏差到转速控制器，并设计了一种带惯性的励磁控制器。能够提高分布式能源的虚拟惯性。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法，直接反馈频率偏差和电压差到转速控制器和励磁控制器，实现了对频率调节的二次补偿以及逆变器输出电压的快速跟踪，提高了微电网抗干扰和过载能力，改善了频率的动态性能。
为实现上述发明目的，本发明一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、采集逆变器输出电压幅值和电压频率
(1.1)、采集逆变器输出电压vo，并通过幅值检测方法计算输出电压的幅值vmag；
(1.2)、根据逆变器输出电压vo，利用锁相环pll跟踪逆变器输出电压，从而采集到逆变器输出电压频率fo；
(2)、转速控制
将逆变器输出电压频率fo和频率给定值fn做差，得到频率差值δf；再将频率差值δf反馈给转速控制器，通过转速控制器输出控制逆变器的控制角频率ω；
(3)、励磁控制
将逆变器输出电压幅值vomag和电压幅值设定值vn做差，得到电压差值δv，再将电压差值δv反馈给励磁控制器，通过励磁控制器输出逆变器的控制电压幅值vmag；
(4)、利用电压跟踪环输出控制参考电压的标幺值
(4.1)、将逆变器的控制角频率ω和控制电压幅值vmag合成逆变器的控制参考电压vref；
(4.2)、将逆变器的控制参考电压vref输入至电压跟踪环，电压跟踪环分别对vref和vo进行park变换，得到各自的dq分量；
(4.3)、将vref和vo的dq分量的差值通过电压跟踪环中pi控制器的快速跟踪，最后将pi控制器快速跟踪后的输出信号与预设电压值相除，得到控制参考电压的标幺值vpu-ref；
(5)、利用pwm调制器完成整个闭环控制
将控制参考电压的标幺值vpu-ref作为调制波，输入至二阶pwm调制器，通过pwm调制器对控制参考电压的标幺值vpu-ref的控制，从而输出控制信号反馈给逆变桥，完成分布式发电系统的虚拟惯性闭环控制。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明是一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法，抛弃了传统虚拟同步发电技术中的下垂控制，而改为引入惯性和积分环节，根据反馈的逆变器输出电气量，模拟发电机二阶模型来调节输出；这样可以有效提高分布式能源的惯性，从而提高微电网的旋转容量，解决新能源与传统发电设备的无法保持同步的问题，提高系统的暂态稳定性。
同时，本发明一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法还具有以下有益效果：
(1)、通过在励磁控制器中加入惯性环节，可以大大提高分布式能源在弱电网甚至是孤网中的惯性，提高了逆变器控制的鲁棒性。
(2)、由于存在积分环节，使得逆变器输出电气量与额定值的差值会不断反馈调节，从而可以解决传统vsg频率调节有差的问题，使得逆变器输出频率的稳定性大大提高；
(3)、使用电压的直接控制以及电压跟踪环，而不是经过下垂控制可以实现系统电压对电网电压的快速跟踪，提高并网稳定性。
附图说明
图1是本发明一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法原理图；
图2是并网逆变器的拓扑结构图；
图3是根据表1所示实例进行仿真的有功功率结果图；
图4是根据表1所示实例进行仿真的无功功率结果图；
图5是根据表1所示实例进行仿真的频率结果图；
图6是根据表1所示实例进行仿真的端口电压结果图；
图7是根据表1所示实例进行仿真不同惯性系数下功率结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种分布式发电系统的虚拟惯性控制方法，包括以下步骤：
s1、采集逆变器输出电压幅值和电压频率
s1.1、采集逆变器输出电压vo，并通过幅值检测方法计算输出电压的幅值vomag；
s1.2、根据逆变器输出电压vo，利用锁相环pll跟踪逆变器输出电压，从而采集到逆变器输出电压频率fo；
s2、转速控制
因为传统vsg方法中的下垂控制是根据发电机外特性进行控制的，于是，首先可结合实施例说明下垂控制的不足之处。发电机或逆变器并网的简化模型如图2所示。其有功功率和频率的下垂特性可以通过计算输出功率来分析：
其中，
考虑到逆变器的滤波电路，其外部等效线路阻抗较小，故功率计算可以简化为式(2)。
其中：
δ＝∫(ωo-ωg)dt
其中，ωo为逆变器输出角频率，ωg为电网角频率。由于功角较小，有sinδ≈δ，则并网逆变器的有功功率输出可以通过改变逆变器输出频率来调节。但如图1所示的分布式能源独立运行时，有
可以看出这种情况下逆变器无法通过调整输出频率来调整输出有功功率。
以上分析了发电机输出功率的功角特性在不同应用场景中的适用情况，而在传统vsg中对有功功率和频率的控制则是通过转速控制器中建立同步发电机模型，可以对同步发电机频率调节进行有效的模拟。同时，因为不希望引入过多的暂态过程，故在控制器中建立同步机的二阶模型即可。
其中，pm、pe分别为发电机输入机械功率以及电磁功率；
利用功角特性决定的下垂控制，可以通过vsg输出频率来调整有功功率，即pm的值。但在上节分析中，逆变器的功角特性被电路参数固定，输出功率的调节是由外部负载决定的，故对功率和逆变器输出的角频率建立式(4)的关系是达不到控制效果的，反会造成频率调节是有静差的。在本实施例中，将反馈的机械和电磁功率的差改为反馈输出频率和频率额定值的差可以消除频率调节的静差。其转速控制器由重构的虚拟同步发电机转子方程组成，其表达式为：
其中，ω为逆变器的控制角频率，ωn为逆变器设定角频率，f为逆变器输出电压频率，fn为频率给定值，jp为转子惯性系数，d为下垂阻尼系数。
这样，通过将逆变器输出电压频率fo和频率给定值fn做差，得到频率差值δf；再将频率差值δf反馈给转速控制器，通过转速控制器输出控制逆变器的控制角频率ω，实现了转速控制；
s3、励磁控制
无功功率和电压下垂特性，根据公式(2)，并网逆变器的无功功率计算为：
可以看出并网逆变器的无功功率输出可以通过改变逆变器输出电压幅值来调节。但分布式能源独立运行时，有
则可知逆变器无功调节无法通过调节端口电压来实现。
在励磁控制器中加入一阶惯性和积分环节，可以得到逆变器的虚拟惯性方程为：
其中，vmag为逆变器的控制电压幅值，vn为电压幅值设定值，vomag为逆变器输出电压幅值，jq为虚拟惯性系数。
上式表明，逆变器外部负载变化时所引起的电压扰动能通过惯性环节缓慢调节，从而——根据式(3)和式(7)可知——有功功率、无功功率调节具有了惯性。而虚拟惯性方程中所包含的积分环节则保证了逆变器电压的无差调节。
因此，通过将逆变器输出电压幅值vomag和电压幅值设定值vn做差，得到电压差值δv，再将电压差值δv反馈给励磁控制器，通过励磁控制器输出逆变器的控制电压幅值vmag，实现了励磁控制；
s4、利用电压跟踪环输出控制参考电压的标幺值
s4.1、将逆变器的控制角频率ω和控制电压幅值vmag合成逆变器的控制参考电压vref；
s4.2、将逆变器的控制参考电压vref输入至电压跟踪环，电压跟踪环分别对vref和uo进行park变换，得到各自的dq分量；
s4.3、将vfer和uo的dq分量的差值通过电压跟踪环中pi控制器的快速跟踪，最后将pi控制器快速跟踪后的输出信号与预设电压值相除，得到控制参考电压的标幺值vpu-ref；
其中，pi控制器的传递函数为：
其中，kpc、kic为pi控制器的比例增益系数和积分增益系数；vdo、vqo分别为逆变器输出电压uo的dq轴分量；vdc、vqc分别为逆变器控制参考电压vref的dq轴分量；
s5、利用pwm调制器完成整个闭环控制
将控制参考电压的标幺值vpu-ref作为调制波，输入至二阶pwm调制器，通过pwm调制器对控制参考电压的标幺值vpu-ref的控制，从而输出控制信号反馈给逆变桥，保证了逆变器的虚拟惯性能够平滑连续的调节，进一步保障了逆变器输出电压频率的稳定性。
实例
在本实例中，给了图2所示仿真系统，具体参数如表1所示，逆变器输出通过lc滤波后给负载供电，pll电路检测滤波后的电压得到逆变器输出电压幅值和频率。反馈电压和电流计算得到逆变器输出有功和无功功率。其中频率和其设定值被反馈进转速控制器得到电压角频率参考值，电压幅值和其设定值被反馈进励磁控制器得到逆变器电压参考值。将转速控制器和励磁控制器的输出合成逆变器电压的参考信号，经过pwm调制控制逆变桥的通断。
表1是本实施例中系统仿真模型参数表；
表1
基于上述表1所示的实施例，在进行系统仿真时，负载变化时的有功功率变化如图3所示，其具体过程包括：
(1)、在t1-t2阶段，逆变器带阻性负载从0kw增加到6kw，逆变器有功功率变换平缓稳定。
(2)、在t2-t3阶段，由于只有感性负载从增加，逆变器输出有功功率在经过短暂波动后依然保持在6kw恒定。
(3)、在t3-t4阶段，逆变器阻性负载从6kw增加到8kw，其输出有功功率也相应地增加了，可以从图3中清楚地看出，其有功功率的调整对比传统虚拟同步发电技术具有明显的惯性。
(4)、在t4-t5阶段，逆变器有功功率设定值从8kw增加到10kw，由于外部负载只能消耗8kw有功功率，故逆变器输出8kw恒定不变。
(5)、在t5-t6阶段，逆变器无功功率设定值从6kw增加到8kw，由于外部负载不变，故逆变器输出有功功率不变。
基于上述表1所示的实施例，在进行系统仿真时，负载变化时的无功功率变化如图4所示，其具体过程包括：
(1)、在t1-t2阶段，逆变器带阻性负载从0kw增加到6kw，逆变器输出无功功率维持在0kvar不变。
(2)、在t2-t3阶段，感性负载从0kvar增加到6kvar，逆变器输出无功功率在经过短暂波动后上升到6kvar。
(3)、在t3-t4阶段，逆变器阻性负载从6kw增加到8kw，无功功率经过短暂跌落后保存在6kvar不变。
(4)、在t4-t5阶段，逆变器有功功率设定值从8kw增加到10kw，由于外部负载不变，故逆变器输出无功功率6kvar恒定不变。
(6)、在t5-t6阶段，逆变器无功功率设定值从6kw增加到8kw，由于外部负载只消耗6kw无功功率，故逆变器输出无功功率不变。
基于上述表1所示的实施例，在进行系统仿真时，负载变化时的频率变化如图5所示，可以看出在外部负载发生变化时，频率控制效果很好，基本维持在设定值不变。
基于上述表1所示的实施例，在进行系统仿真时，负载变化时逆变器输出的电压值的dq分量变化如图6所示。
(1)、在t1-t2阶段，逆变器带阻性负载从0kw增加到6kw，逆变器输出电压缓慢增加到额定值311v。
(2)、在t2-t3阶段，感性负载从0kvar增加到6kvar，逆变器输出电压因为感性负载增加而有一个小的跌落，随后恢复到额定值。
(3)、在t3-t4阶段，逆变器阻性负载从6kw增加到8kw，逆变器输出电压因为阻性负载增加而有一个小的跌落，随后恢复到额定值。
(4)、在t4-t6阶段，逆变器有功功率设定值改变，由于外部负载不变，故逆变器输出电压恒定不变。
基于上述表1所示的实例，在进行系统仿真时，在不同惯性系数下，有功功率和无功功率的仿真结果如图7所示。
图中上部分是逆变器输出有功功率在不同惯性系数下的响应曲线，图中下部分为无功功率在不同惯性系数下的响应曲线。在考量有功功率时保持无功功率惯性系数不变，在考量无功功率时保持有功功率系数不变。
在t2-t3阶段，阻性和感性负载同时增加，其功率变化在不同惯性系数下具有不同的调节时间，且惯性系数越大，调节时间越长，即分布式发电系统采用本发明所提出的方法具备了可调的惯性。且可以看出有功、无功功率的惯性在一定程度下是独立可调的。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
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