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%
[0072] 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。
[0073] ⑴角频率偏差A?m的计算公式为：A? m= ? m0-?g0
[0074] 其中，。为上一开关周期逆变器输出角频率，为已知数值；《 g。为上一开关周期 电网角频率，为已知数值。
[0075] (2)微网所述逆变器输出角频率变化率的计算公式为
[0076] 其中At为一个开关周期，本例取2e4s。
[0077] (3)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。
[0078] 线性二次型性能指标I的表达式为
[0079] 线性二次型性能指标包括两部分能量：一部分是称作过程代价，用它 Jn 来限制动态调节过程中角频率的误差，以保证系统响应具有适当的快速性，另一部分是 ，：称作控制代价，用它来限制控制输出功率的幅值及平滑性，以保证系统稳定 运行，另外，当考虑到直流侧的储能，它对限制整个控制过程中总能量输出也能起到重要的 作用，从而保证系统具有适当的节能性和经济性。
[0080] 线性二次型性能指标中加权矩阵H和R的确定：取加权矩阵H= 1，R=m2。
[0081] 令I取极小值，得到
为Riccati 方程
丨勺正数解，a= -D/J，b= -1/J，此时对应的最优虚拟惯性
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。
[0082] 本发明实施例中，当角频率偏差A?nG(-〇. 2JT，0.2Jr)rad/s，且角频率变化率 ^时，微网逆变器最优虚拟惯性J的取值可参见图2;当角频 率偏差和变化率不在上述范围时，虚拟惯性J取定值2/ 31。
[0083] (4)虚拟阻尼D的计算公式为
[0084] 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。
[0085] (5)虚拟同步发电机调速器方程为：
[0086] 其中，m为有功-频率下垂系数，P"为机械功率。有功-频率下垂系数m的取值原 则为有功功率变化100%时，频率变化额定频率的1 %以内，即0. 5Hz，本例取5e6Hz/W。
[0087] (6)虚拟同步发电机转子运动方程为為;| =|^
[0088] 本实施例的有功-频率控制结构可参见图3。
[0089] 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。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，其表达式为：
[0090] U*=Uref+n(Qref_Q)，
[0091] 其中，n为无功-电压下垂系数，取值原则为无功功率变化100%时，电压变化额定 电压的2%以内，即7. 6V，本例取7. 6e5V/Var。
[0092] 本实施例的无功-电压控制结构可参见图4。
[0093] 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 Uc]d、Uciq，通过电压控制器得到电容电流指令信号?，再根据电容电流指令信号、，总^和 步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量iw、iu和输出电流的dq分量im、i^，通过电流控制 器得到控制信号ud、uq;其中，电压控制器为
[0096] 其中的Kup为比例控制系数，KU1为积分控制系数，s为拉普拉斯算子，本例中Kup = 0? 03,Kui= 200〇
[0097] 电流控制器为
[0100] 其中的K1P为比例控制系数，s为拉普拉斯算子，本例中K1P= 0. 5。
[0101] 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（SVPWM)算法，生成PWM 控制信号驱动逆变桥开关管Sk(k= 1，2, . . .，6)。
[0102] 为了对比分析，图5为对J和D选择的一种极端情况，由图5-a可以看出，突加功 率给定50kW之后，输出电流增加并且超调，超过瞬时电流保护值，逆变器因保护而停机，相 应的输出功率波形如图5-b所示。
[0103] 图6-图8分别给出了在不同控制策略下，微网逆变器开机从OkW阶跃到50kW时 并网电流和输出功率的实验波形图。
[0104] 采用恒定虚拟惯性控制策略时，功率给定突加50kW阶跃，并网电流缓慢增加，Is 后才达到稳态值，如图6-a所示；虽然避免了功率超调，但是调节时间过长，对应的功率波 形如图6-b所示，可以看出Is左右功率才达到给定值。
[0105] 如图7所示，采用自适应虚拟惯性控制策略，功率给定突加50kW阶跃时，并网电流 和输出功率出现严重超调和振荡，实验波形分别如图7-a和图7-b所示，2s左右才达到稳态 值，由于采用Bang-Bang控制，虚拟惯性频繁突变，造成持续振荡。
[0106] 如图8所示，采用最优虚拟惯性控制策略时，功率给定突加50kW阶跃，并网电流和 功率略有超调并迅速达到稳态运行点，实验波形分别如图8-a和图8-b所示，动态响应响应 速度快，调节时间短，在保证动态性能指标的前提下也解决了功率和频率振荡的问题。
[0107] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此。 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1，采集一个开关周期内的电网电压e。、卸、e。，微网逆变器的输出电容电压11。。、11。,、 U。。，桥臂侧电感电流i^、i…ik和输出电流i。。、i"b、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"d、u。。，桥臂侧电感电流的dq分量iu、ih和输出电流的dq 分量icKi、i。。； 步骤2,根据步骤1中得到的电网电压e。、6b、e。，经过锁相环得到电网角频率COg; 步骤3,根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量UDd、u。。和输出电流的dq分量iDd、i。。，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q; 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Pfw、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角频率《m，对该角频率积分得到虚拟同步 机的矢量角0% 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Qw、微网 逆变器给定的电压指令Ufw，经过无功-电压控制模块得到虚拟同步机的端电压If; 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U。,、 U。。，通过电压控制器得到电容电流指令信号、爲，再根据电容电流指令信号觀、鐵和 步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量i,d、和输出电流的dq分量i"d、i。。，通过电流控制 器得到控制信号Ud、Uq; 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U。、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化=1，2，...，6)。2. 根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是 步骤2中所述的锁相环为基于双同步坐标系的解禪软件锁相环。3. 根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是 步骤3中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：其中，X为一阶低通滤波器时间常数，S为拉普拉斯算子。4. 根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是 步骤4中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&為:,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； 所述角频率偏差A 的计算公式为：A?m= ?me-?g。， 其中，《m。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； 所述微网逆变器输出角频率变化率:密％J的计算公式为：竭-^， 其中At为开关周期； 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； 所述线性二次型性能指标I的表达式为其中H和R为加权矩阵，取加权矩阵H=l，R=m2; 所述虚拟阻尼D的计算公式为其中，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； 所述虚拟同步发电机调速器方程为其中，m为有功-频率下垂系数，Pm为机械功率； 所述虚拟同步发电机转子运动方程为：5. 根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是 步骤5中所述的无功-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， 所述虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程为：护=Uw+n(Qw-Q)， 其中，n为无功-电压下垂系数。6. 根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是 步骤6中所述的电压控制器为：其中，Kup为电压控制器的比例控制系数，K。为电压控制器的积分控制系数，S为拉普 拉斯算子。7. 根据权利要求书1所述的基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征是 步骤6中所述的电流控制器为：其中，K。为电流控制器的比例控制系数，S为拉普拉斯算子。
【专利摘要】本发明公开了分布式发电控制领域中的一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法。该方法对微网逆变器采用虚拟同步发电机的控制策略，将虚拟同步发电机中的下垂系数m、虚拟惯性J和虚拟阻尼D三个控制自由度有机结合起来，实现虚拟同步发电机关键参数的优化配置。该方法既能够充分体现传统同步发电机的惯性优势，又能兼顾逆变器的稳定性和固有的动态性能；同时能够在考虑储能装置功率和容量配置的基础上解决因虚拟惯性引入而带来的输出功率和频率振荡问题，有效提高了微电网运行的稳定性和经济性。
【IPC分类】H02P103/20, H02J3/24, H02J3/38, H02P9/10
【公开号】CN105006834
【申请号】CN201510315421
【发明人】张兴, 毛福斌, 刘芳, 徐海珍, 石荣亮, 胡超, 李文超
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月10日