本發(fā)明屬于分布式發(fā)電的微網(wǎng)變流器控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器控制方法。

背景技術(shù)：

分布式發(fā)電是解決新能源發(fā)電并網(wǎng)和提高用戶用電質(zhì)量的有效手段，但隨著電網(wǎng)中分布式電源滲透率的不斷提高，其負(fù)面影響日益凸顯。微網(wǎng)能充分發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢、提高用戶的供電可靠性，具有廣闊的發(fā)展前景，受到世界各國的關(guān)注和重視。

在常規(guī)的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)頻率、電壓的動態(tài)特性與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量及系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓控制有關(guān)。而在基于電力電子逆變器并網(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，若借助配備的儲能環(huán)節(jié)，并采用適當(dāng)?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器控制算法，使基于并網(wǎng)逆變器的分布式電源從外特性上模擬或部分模擬出同步發(fā)電機(jī)的頻率及電壓控制特性，從而改善分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這就是虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的主要目的是為了加大系統(tǒng)的慣量，進(jìn)而改善電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。該技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的逆變電源控制及功率分配，還能使逆變電源具有旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量，在并網(wǎng)模式下，利用其模擬出的發(fā)電機(jī)下垂特性，支撐微網(wǎng)的正常運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器控制方法。該策略不僅能實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的逆變電源控制及功率分配，還能使逆變電源具有旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量，在并網(wǎng)模式下，利用其模擬出的發(fā)電機(jī)下垂特性，可具有為整機(jī)提供慣性的能力和阻尼，來支撐微網(wǎng)的正常運(yùn)行。

本發(fā)明構(gòu)造了微網(wǎng)逆變器的上層控制，設(shè)計(jì)了功頻調(diào)節(jié)器，微網(wǎng)逆變器用此種方法可以模擬實(shí)際同步發(fā)電機(jī)特性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并網(wǎng)，具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)調(diào)節(jié)性能及輸出特性。

本發(fā)明提出的微網(wǎng)逆變器中，主電路采用三相電壓型逆變器，Li為濾波電感，Ci為濾波電容，Lk為虛擬同步發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)的連接電感，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采集并網(wǎng)點(diǎn)的I-V數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制部分得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和勵磁電壓指令值分別為PT、EO，再將通過控制算法模型得到的并網(wǎng)電壓指令值U*作為逆變器的SPWM調(diào)制波，逆變電壓經(jīng)LC濾波電路濾波后，使得并網(wǎng)電壓Uabc與端電壓相似。

在dq坐標(biāo)系下建立虛擬同步發(fā)電機(jī)的本體模型，其繞組的磁鏈方程表示如下：

其中，L為電感，M_ij為互感，p為算子，p＝d/dt，ω為同步角速度。U_i(i＝d，q，e，D，Q)分別為定子d、q繞組、阻尼繞組和轉(zhuǎn)子d、q繞組的電壓，ψ_i(i＝d，q，e，D，Q)分別為定子d、q繞組、阻尼繞組和轉(zhuǎn)子d、q繞組的磁鏈；i_i(i＝d，q，e，D，Q)分別為定子d、q繞組、阻尼繞組和轉(zhuǎn)子d、q繞組的電流，R_i(i＝d，q，e，D，Q)為定子d、q繞組、阻尼繞組和轉(zhuǎn)子d、q繞組的電阻。

其繞組的磁鏈方程等式可表示如下

式中i_f為同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，其等式為

轉(zhuǎn)子機(jī)械方程如下

其中的J為轉(zhuǎn)子所有轉(zhuǎn)動部分的主要轉(zhuǎn)動慣量，T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，T_m為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，D_p為阻尼系數(shù)?；谔摂M同步發(fā)電機(jī)的逆變電源控制策略中引入了頻率反饋環(huán)節(jié)，使得逆變電源能夠跟蹤電網(wǎng)頻率，同時(shí)采用并網(wǎng)電壓閉環(huán)控制以保證并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，可以無偏差地實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的穩(wěn)定。

設(shè)f為系統(tǒng)實(shí)際頻率，f_N為系統(tǒng)額定頻率，P_N為虛擬同步發(fā)電機(jī)在額定頻率下的初始輸出有功功率，P_T為虛擬同步發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率，定義發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)差系數(shù)R，則有，

其標(biāo)幺值可表示為，

頻率調(diào)差系數(shù)可以定量表示同步發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)相應(yīng)的頻率變化，決定了機(jī)組之間的有功功率分配。因同步發(fā)電機(jī)的原理可知，其轉(zhuǎn)子頻率在短時(shí)內(nèi)突變概率低，且具備一定慣性，通過轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，將虛擬慣性控制引入到微網(wǎng)逆變電源的控制算法中，從而模擬出同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動特性，可得微網(wǎng)逆變電源的有功頻率控制方程為

其中，H為虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，ω、ω_grid分別為逆變電源及公共母線的角頻率，P_mec、P_out分別為逆變電源的輸入和輸出功率，K_d為阻尼系數(shù)；為相位角。

當(dāng)工作在并網(wǎng)模式時(shí)，ω_ref與ω_grid相等，調(diào)頻控制器不起作用，阻尼控制模塊K_d(ω-ω_grid)保證分布式逆變電源頻率與主電網(wǎng)頻率一致。

由于所提控制算法可工作在并網(wǎng)，對其建立小信號模型，逆變電源的輸出電壓為公共母線電壓為U∠0，即以公共母線電壓為參考點(diǎn)，R₁+jX₁為線路阻抗。在并網(wǎng)模式下，逆變器的輸出視在功率可以表示為，

在有功和無功功率在傳輸過程中，得到的其小信號模型如下，

當(dāng)ω_grid＝ω_ref時(shí)，可得新型虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG控制策略的小信號模型，

令可得基于VSG的微網(wǎng)逆變電源的小信號模型，其可表示為，

該發(fā)明提出的基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)逆變器控制方法，通過逆變電源與虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的結(jié)合，使其具有和同步發(fā)電機(jī)相似的電壓幅值頻率調(diào)節(jié)特性；實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的逆變電源控制及功率分配，還能使逆變電源具有旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量利用其模擬出的發(fā)電機(jī)下垂特性，可具有為整機(jī)提供慣性的能力和阻尼，支撐微網(wǎng)的正常運(yùn)行。

附圖說明

圖1虛擬同步發(fā)電機(jī)原理圖

圖2微網(wǎng)逆變器并網(wǎng)的典型控制結(jié)構(gòu)

圖3功頻控制器

圖4有功-頻率控制框圖

圖5逆變電源并網(wǎng)工作模式等效電路

圖6并網(wǎng)模式下H和K_d變化時(shí)的特征根軌跡

圖7并網(wǎng)模式下D_q變化時(shí)的特征根軌跡

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施做詳細(xì)說明。

如圖1所示，主電路采用三相電壓型逆變器，Li為濾波電感，Ci為濾波電容，Lk為虛擬同步發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)的連接電感，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采集并網(wǎng)點(diǎn)的I-V數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制部分得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和勵磁電壓指令值分別為PT、EO，再將通過控制算法模型得到的并網(wǎng)電壓指令值U*作為逆變器的SPWM調(diào)制波，逆變電壓經(jīng)LC濾波電路濾波后，使得并網(wǎng)電壓Uabc與端電壓相似。

如圖2所示，基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的逆變電源控制策略中引入了頻率反饋環(huán)節(jié)，使得逆變電源能夠跟蹤電網(wǎng)頻率，同時(shí)采用并網(wǎng)電壓閉環(huán)控制以保證并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，可以無偏差地實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的穩(wěn)定。

如圖3所示，在虛擬同步發(fā)電機(jī)功頻控制器設(shè)計(jì)中，f為系統(tǒng)實(shí)際頻率，f_N為系統(tǒng)額定頻率，P_N為虛擬同步發(fā)電機(jī)在額定頻率下的初始輸出有功功率，P_T為虛擬同步發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率。

如圖4所示，在有功-頻率控制框圖中，ω、ω_grid分別為逆變電源及公共母線的角頻率，P_mec、P_out分別為逆變電源的輸入和輸出功率，K_d為阻尼系數(shù)；為相位角。當(dāng)工作在并網(wǎng)模式時(shí)，ω_ref與ω_grid相等，調(diào)頻控制器不起作用，阻尼控制模塊K_d(ω-ω_grid)保證分布式逆變電源頻率與主電網(wǎng)頻率一致。

如圖5所示，控制算法可工作在并網(wǎng)，對其建立小信號模型，由于所提控制算法可工作在并網(wǎng)，對其建立小信號模型，逆變電源的輸出電壓為公共母線電壓為U∠0，即以公共母線電壓為參考點(diǎn)，R₁+jX₁為線路阻抗。在并網(wǎng)模式下，逆變器的輸出視在功率可以表示為，

在有功和無功功率在傳輸過程中，得到的其小信號模型如下，

如圖6所示，在H＝1、3、5的條件下，K_d從1變化到1 000的根軌跡族?？煽闯?，系統(tǒng)共有4個(gè)特征根，其中s₃、s₄為變化極小的實(shí)根，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很小。當(dāng)K_d較小時(shí)，s₁、s₂位于復(fù)平面的右側(cè)，系統(tǒng)不穩(wěn)定；隨著K_d的增加，s₁、s₂移動到復(fù)平面的左側(cè)，系統(tǒng)有較好的動態(tài)特性，此時(shí)處于欠阻尼狀態(tài)，會有一定超調(diào)。隨著H的增加，特征根s₁、s₂的分離點(diǎn)向虛軸移動，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，其對應(yīng)衰減分量的阻尼不斷減小。

以上對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，凡依本發(fā)明范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本專利涵蓋范圍之內(nèi)。