一种虚拟同步发电机的控制方法及系统

本发明属于虚拟同步发电机的控制，尤其涉及一种虚拟同步发电机的控制方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、近年来，随着新能源分布式发电占电网装机总容量的比例不断提高，产生了一系列可能极大危害电网安全稳定运行的新问题，比如传统同步发电机并网容量的减少使得电网的惯性减小，为增加电网惯性，可以控制并网变换器使其作为虚拟同步发电机接入电网。

3、但是如今许多风光发电的场所都在偏远地区，这些地区的电网强度普遍不高，与大电网之间距离很长，容易发生电压跌落故障。由于虚拟同步发电机的输出电压具有惯性，一旦发生电压跌落故障，机端与网侧的电压差将会产生过电流，导致逆变器脱网甚至是被损坏的严重后果。除过电流以外，因为具有同步发电机的功角特性，虚拟同步发电机在电压跌落时可能会出现暂态失稳的现象，即虚拟同步发电机失去稳定的静态工作点。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种虚拟同步发电机的控制方法，发生电压跌落故障(下文简称为故障)后的低电压穿越期间可以抑制过电流并且防止暂态失稳。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、第一方面，公开了一种虚拟同步发电机的控制方法，包括：

4、低电压穿越期间控制步骤：①短时间内，通过将功率环的参考值由正常工作时的给定值变为输出功率以及输出电压的采样值来冻结功率环，防止功率环受到故障影响而暂态失稳。电压外环的参考值由功率环的输出电压相量参考值变为计算出的电压相量参考值，通过计算出的电压相量参考值控制虚拟同步发电机的功角不受故障影响。②当检测到输出电压达到稳态时，认为此时输出功率已经达到稳态值，采样当前时刻输出功率及电压作为之后低电压穿越剩余时间的参考值，从而使功率环重新工作。

5、故障被清除后虚拟同步发电机恢复至稳态工作状态期间的控制步骤：将功率环各参考值切换回正常工作时的参考值，使虚拟同步发电机自动平滑切换至正常工作状态。

6、作为进一步的技术方案，低电压穿越期间的控制步骤中，在计算电压相量参考值之前，需要进行电压跌落检测，具体为：

7、当由三相电网电压合成的等幅矢量大小跌落到小于电压阈值时，判断为发生电压跌落。

8、作为进一步的技术方案，通过最优化方法提前计算各个电压跌落以及线路阻抗下的最优并网电流参考值，将最优并网电流参考值储存在查找表中，当检测到电压发生跌落时，根据提前建立的查找表来得到相应的最优并网电流参考值。

9、作为进一步的技术方案，发生电压跌落时，基于采样得到的故障电压、虚拟同步发电机的额定容量、并网电流额定值、线路阻抗和虚拟阻抗以及上述的最优化并网电流值，通过计算得到低电压穿越期间的空载输出电压相量即虚拟同步发电机内电势相量参考值。

10、作为进一步的技术方案，虚拟同步发电机恢复至稳态工作状态期间为平滑切换步骤：将功率环的参考值切换为正常工作时的稳态值，其余控制结构保持不变，便可以实现从低电压穿越状态到正常工作状态的平滑切换。

11、第二方面，公开了一种虚拟同步发电机的控制系统，包括：

12、功率外环：由有功功率控制环路以及无功功率控制环路组成。其中，有功功率环路输出变量为内电势的相角，无功功率环路输出变量为内电势的幅值。

13、电压电流内环：实现了对于虚拟同步发电机并网点电压矢量的快速准确控制，并且在其中的电压闭环引入了虚拟阻抗。

14、低电压穿越期间控制模块：故障发生后，冻结功率环直至输出电压达到稳态值；当输出电压达到稳态值时，改变功率环参考值为当前时刻采样值并使功率环重新开始动作，直至故障被清除。故障被清除后，将功率环的参考值改变为正常工作时的参考值，以平滑切换至正常工作状态。

15、第三方面，公开了一种逆变器的控制电路，包括：

16、保护电路、驱动电路、调理电路、采样电路和控制器；

17、所述调理电路针对三相电压以及并网的三相电流进行调理后输出至采样电路，采样电路对输入的信号进行采样处理后输出至控制器；

18、所述控制器采用虚拟同步发电机的控制方法进行工作，输出对应的驱动指令至驱动电路，驱动电路输出pwm信号驱动逆变器桥臂中igbt管的开通与关断。

19、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

20、本发明技术方案在低电压穿越期间，通过短暂冻结功率环的方式实现了虚拟同步发电机在电压跌落期间暂态稳定，且在故障发生后以及恢复正常工作状态时可以实现平滑切换；通过对电路进行稳态建模，用最优化方法得到并网点电压参考值的方式来抑制过电流，同时提供无功支撑。

21、相较于其他在低电压穿越期间令虚拟同步发电机变为基于锁相环同步的跟网型变换器工作的平滑切换方案不同，本发明在短暂冻结功率环后，变换器可以在剩余的低电压穿越期间重新作虚拟同步发电机工作。

22、针对电压跌落时产生的过电流，本发明技术方案为故障期间引入虚拟阻抗以及计算电压外环的参考值来实现。应用本控制策略的虚拟同步发电机不仅可以在故障期间保持暂态稳定、抑制过电流、还可以在低电压穿越期间输出稳定的无功电流。以上优点既保证了虚拟同步发电机的安全稳定运行，又可以为电网提供电压支撑。

23、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，低电压穿越期间控制步骤中，在计算电压相量参考值之前，需要进行电压跌落检测，具体为：

3.如权利要求2所述的一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，发生电压跌落时，基于采样得到的故障电压、虚拟同步发电机的额定容量、并网电流额定值以及线路阻抗和虚拟阻抗，计算得到采取低电压穿越期间继续提供的空载输出电压相量即电压相量参考值。

4.如权利要求1所述的一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，低电压穿越期间，逆变器工作在跟网状态下，基于逆变器并网参考电流值控制逆变器输出的无功电流，所述逆变器并网参考电流值随电压跌落深度不同而变化。

5.如权利要求4所述的一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，所述逆变器并网参考电流值储存在查找表中，当检测到电压发生跌落时，根据提前建立的查找表来得到相应的并网电流参考值。

6.如权利要求4所述的一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，基于逆变器并网参考电流值求得并网点电压的参考值，进一步求得电压外环的参考电压。

7.如权利要求1所述的一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，虚拟同步发电机恢复至稳态工作状态期间为平滑切换步骤：

8.如权利要求7所述的一种虚拟同步发电机的控制方法，其特征是，所述平滑切换步骤中，切换前的模式下与切换后的模式下输出的有功功率是相等的，功率环在切换到稳态工作时，只记及大扰动即电压跌落及电压恢复下，功角δvir保持不变。

9.一种虚拟同步发电机的控制系统，其特征是，包括：

10.一种逆变器的控制电路，其特征是，包括：

技术总结
本发明提出了一种虚拟同步发电机的控制方法及系统，包括：低电压穿越期间控制步骤：在低电压穿越期间，电压外环的参考值由功率环的输出电压相量参考值变为计算出的电压相量参考值，以短暂冻结功率环，通过计算出的电压参考值控制虚拟同步发电机的功角在低电压穿越期间不变。当输出电压到达稳态值后，改变功率环参考值为当前时刻采样值并使功率环开始动作，直至故障被清除；故障被清除后虚拟同步发电机恢复至稳态工作状态期间的控制步骤：只需要将功率环的参考值变为正常工作时的参考值，就可以使虚拟同步发电机平滑切换至正常工作状态。

技术研发人员：张承慧,孙嘉栋,邢相洋
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5