基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于分布式发电控制领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机技术的微电 网分布式电源控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，包含众多分布式电源的微电网正成为国内外研究的热点。微电网中的分 布式电源主要有风电、光伏、微型燃气轮机、柴油机等，其中大部分分布式电源均通过逆变 器接入微电网，配有储能装置的逆变器已成为微电网可靠运行的核心部件。作为一种新的 微网逆变器控制方案，虚拟同步发电机控制策略越来越受到学者的关注。
[0003] 但是，由于基于虚拟同步发电机控制策略的微网逆变器模拟了电力系统一次调频 调压以及同步发电机的转子惯性和阻尼特性，与同步发电机类似，在功率调度指令发生变 化或者直流侧分布式电源出力发生扰动时，并网或多机并联运行的逆变器输出频率和功率 也就会不可避免地引入振荡。但对于逆变器来说，其瞬态抗扰能力和过载能力远不如同步 发电机，振荡造成的冲击电流可能导致逆变器保护动作而停机，严重时甚至危及功率器件 的安全和微电网的稳定运行。
[0004] 针对上述问题，多个学者做了相关研究，如题为"微电网电源的虚拟惯性频率控制 策略"，杜威，姜齐荣，陈蛟瑞，电力系统自动化，2011年第35卷第23期26-31页的文章；该 文提出通过优化主电路和控制器的参数来抑制振荡，但是该方案主电路增加的线路阻抗将 增大输出电压降落，控制器参数的改变除增加阻尼外也减慢了动态响应。
[0005] 题为"PowerSystemStabilizationUsingVirtualSynchronousGenerator withAlternatingMomentofInertia'，，JaberA1ipoor,YushiMiura,Toshifumi, ((IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics〉〉， 2014. 3 (2) : 451-458 ("基于虚拟同步发电机交替变化惯量的电力系统稳定性研究"， 《IEEE期刊一电力电子技术中新兴和选定主题》，2014年第3卷第2期451-458页）和 "Distributedgenerationgridintegrationusingvirtualsynchronousgenerator withadaptivevirtualinertia'，，AlipoorJ,MiuraY,IseT，〈〈IEEEEnergyConversion CongressandExposition(ECCE)》，2013:4546 - 4552 ("基于虚拟同步发电机自适应虚 拟惯性的分布式发电并网研究"，2013年IEEE能量转换国际会议和博览会（ECCE)论文集 4546-4552页）的文章；分别提出了一种交替变化虚拟惯性和自适应虚拟惯性的虚拟同步 发电机控制策略，通过灵活改变同步发电机模型中的参数来抑制这种振荡，但由于虚拟惯 性的取值采用Bang-Bang控制，在稳态运行时虚拟惯性的频繁变化造成了功率的抖动，而 且当中负虚拟惯性时存在稳定性的问题。
[0006] 另外，虚拟同步发电机的具体实现离不开分布式电源、储能装置和逆变器。但现有 关于虚拟同步发电机的研究，都假定配置的储能单元容量足够大且控制策略仅针对逆变器 本身，还没有研究在考虑分布式电源和储能装置的基础上对微网逆变器的协调控制进行深 入研究。
[0007] 综上所述，现有的技术主要存在如下的不足：
[0008] 1、抑制逆变器输出功率和频率振荡时牺牲了逆变器的稳定性和固有的良好动态 性能；
[0009] 2、对于虚拟同步发电机的关键参数并未综合考虑协调控制；
[0010] 3、没有考虑储能装置功率和容量，在实际应用中存在一定的局限性。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟 惯性控制方法，该方法用于微网逆变器以达到模拟同步发电机的惯性并兼顾自身的动态性 能，抑制逆变器输出功率和频率的振荡以及储能装置功率和能量合理配置的目的。
[0012] 本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟 惯性控制方法，主要步骤如下：
[0013] 步骤1，采集一个开关周期内的电网电压ea、eb、e。，微网逆变器的输出电容电压 HpU。。，桥臂侧电感电流iu、L、紅。和输出电流i。3、U、i。。，经过同步旋转坐标变换得到 微网逆变器的输出电容电压的dq分量桥臂侧电感电流的dq分量iw、、和输出电 流的dq分量U、i。^
[0014] 步骤2,根据步骤1中得到的电网电压ea、eb、e。，经过锁相环得到电网角频率c〇g;
[0015] 步骤3,根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U&、和输出电流的dq分 量U、i。。，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q;
[0016] 所述的功率计算模块包括有功功率计算方程和无功功率计算方程；
[0019] 其中，t为一阶低通滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。
[0020] 步骤4,根据步骤3中得到的有功功率P、微网逆变器给定的有功功率指令Praf、微 网逆变器给定的角频率指令及最优虚拟惯性模块计算得到的最优虚拟惯性J和虚拟 阻尼D，经过有功-频率控制模块得到微网逆变器的角频率，对该角频率积分得到虚 拟同步机的矢量角0%
[0021] 所述的最优虚拟惯性控制模块包括角频率偏差A 的计算、微网逆变器输出角 频率变化率的计算、最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D的计算；所述的有功-频率控制模块 包括虚拟同步发电机调速器方程和虚拟同步发电机转子运动方程；
[0022] 所述角频率偏差A?m的计算公式为：A? m= ? mQ-?g。，
[0023] 其中，。为上一开关周期微网逆变器输出角频率；《 g。为上一开关周期电网角频 率；
[0024] 所述微网逆变器输出角频率变化率編^的计算公式为：=
[0025] 其中At为开关周期；
[0026] 所述最优虚拟惯性J的计算采用线性二次型最优控制策略，包括线性二次型性能 指标的确定和加权矩阵的确定；
[0027] 所述线性二次型性能指标I的表达式为：
[0028] 其中H和R为加权矩阵，取加权矩阵H=l，R=m2;
[0029] 所述虚拟阻尼D的计算公式为：
[0030] 其中，U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输 出阻抗；
[0031] 所述虚拟同步发电机调速器方程为：
[0032] 其中，m为有功-频率下垂系数，P"为机械功率；
[0033] 所述虚拟同步发电机转子运动方程为
[0034] 步骤5,根据步骤3中得到的无功功率Q和微网逆变器给定的无功功率指令Q"f、 微网逆变器给定的电压指令U"f，经过无功-电压控制模块得到虚拟同步机的端电压If;
[0035] 所述的无功-电压控制模块包括虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程，
[0036]所述虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程为：lf=Uraf+n(Qraf_Q)，
[0037] 其中，n为无功-电压下垂系数。
[0038] 步骤6,根据步骤5中得到的端电压If和步骤1中得到的输出电容电压的dq分量 Id，通过电压控制器得到电容电流指令信号ft、逯，再根据电容电流指令信号輪f 和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量iw、和输出电流的dq分量i。,、i。。，通过电流控 制器得到控制信号ud、uq;
[0039] 所述的电压控制器为：
[0042] 其中，Kup为电压控制器的比例控制系数，KU1为电压控制器的积分控制系数，s为 拉普拉斯算子。
[0043] 所述的电流控制器为：
[0046] 其中，K1P为电流控制器的比例控制系数，s为拉普拉斯算子。
[0047] 步骤7,根据步骤6中的控制信号ud、uq和步骤4中得到的矢量角0 %经过同步旋 转坐标反变换得到调制波信号ua、ub、u。，再根据空间矢量脉宽调制算法，生成PWM控制信号 驱动逆变桥开关管Sk(k= 1，2, . . .，6)。
[0048] 优选的，所述的锁相环为基于双同步坐标系的解耦软件锁相环。
[0049] 相对于现有技术，本发明的有益效果是：采用本发明后，基于虚拟同步发电机技术 的微网逆变器，在既能充分体现传统同步发电机惯性优势，又能兼顾逆变器稳定性和固有 的动态性能的基础上，具有了如下优点：
[0050] 1、实现了虚拟同步发电机技术中关键参数下垂系数、虚拟惯性和虚拟阻尼3个控 制自由度的有机结合；
[0051] 2、解决了因虚拟惯性的引入而造成的微网逆变器输出功率和频率的振荡问题；
[0052] 3、考虑了储能装置功率和能量的优化配置，有效提高了微电网运行的稳定性和经 济性。
【附图说明】
[0053] 图1为本发明实施例中微网逆变器主电路拓扑及其控制结构图。
[0054] 图2为本发明实施例中最优虚拟惯性取值曲线族图。
[0055]图3为本发明实施例中有功-频率控制结构图。
[0056] 图4为本发明实施例中无功-电压控制结构图。
[0057]图5为本发明实施例中瞬时过流保护实验结果图。
[0058] 图6为本发明实施例中采用恒定虚拟惯性时实验结果图。
[0059] 图7为本发明实施例中采用自适应虚拟惯性时实验结果图。
[0060] 图8为本发明实施例中采用最优虚拟惯性时实验结果图。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图来说明本发明的原理和【具体实施方式】。
[0062] 如图1所示，微网逆变器的额定容量为100kW，直流母线电压Ud。为600V，输出交 流线电压有效值为380V/50HZ，滤波电感L为0. 24mH，滤波电容C为90yF，T为lOOkVA， 270/400V的Dyll型隔离变压器，STS同步接触器。
[0063] 步骤1，数据采集和变换。
[0064] 米集一个开关周期内的电网电压ea、eb、e。，微网逆变器的输出电容电压11。3、u、 u。。，桥臂侧电感电流iu、U、L和输出电流i。3、U、i。。，经过同步旋转坐标变换得到微网逆 变器的输出电容电压的dq分量u。,、!^，桥臂侧电感电流的dq分量iw、和输出电流的dq 为里i〇d、
[0065] 步骤2,根据步骤1中得到的电网电压ea、eb、e。，经过锁相环得到电网角频率c〇g。 其中锁相环为基于双同步坐标系的解耦软件锁相环。
[0066] 根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量U&、U%和输出电流的dq分量i")、 i。。，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q;
[0067] 所述的功率计算模块包括有功功率计算方程和无功功率计算方程；
[0070] 其中，t为一阶低通滤波器时间常数，本例取1.5e3s，s为拉普拉斯算子。
[0071] 步骤4,根据步骤3中得到的有功功率P、微网逆变器