本發(fā)明屬于儲能逆變器控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于二階廣義虛擬慣性的虛擬同步發(fā)電機控制方法。

背景技術(shù)：

隨著的光伏、風(fēng)電等分布式電源在電力系統(tǒng)中的滲透率不斷提高，電網(wǎng)電壓頻率和幅值波動劇烈，穩(wěn)定性受到嚴重威脅。因此，虛擬同步發(fā)電機(virtualsynchronousgenerator，vsg)成為研究熱點。虛擬同步發(fā)電機采用分布式電源配備儲能單元，并通過逆變器控制算法模擬同步電機特性，以增大系統(tǒng)慣性，從而增強系統(tǒng)的頻率支撐能力。

現(xiàn)有的基于一階虛擬慣性的vsg雖然能夠抑制頻率的波動，但由于電力電子器件的過載能力弱，當(dāng)虛擬慣量值設(shè)計較大時，有功功率指令或負載突變可能導(dǎo)致vsg在動態(tài)過程中輸出的有功功率產(chǎn)生較大超調(diào)或低頻振蕩，從而使得儲能單元受到較大的功率沖擊，并導(dǎo)致vsg過流保護。雖然增大阻尼系數(shù)可抑制有功功率超調(diào)或低頻振蕩，但同時也增大了vsg并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)功率偏差和組網(wǎng)穩(wěn)態(tài)功率均分精度。

現(xiàn)已有多篇文獻對上述問題進行了研究，例如：

題為“powersystemstabilizationusingvirtualsynchronousgeneratorwithalternatingmomentofinertia”，alipoorj，etal，《ieeejournalofemergingandselectedtopicsinpowerelectronics》，2015，3(2)：451-458(“使用交變慣量的虛擬同步發(fā)電機實現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定”，《ieee學(xué)報——電力電子期刊》，2015年第3卷第2期451-458頁)文章中虛擬同步發(fā)電機的慣量采用bang-bang控制得到，根據(jù)系統(tǒng)頻率的偏移量及變化速率動態(tài)改變慣量為最大值或最小值，該方法減小了動態(tài)過程的功率超調(diào)，且在阻尼系數(shù)為0時仍能保證較好的動態(tài)特性，但該方法的不足為：頻率偏移量閾值選擇不當(dāng)可導(dǎo)致動態(tài)過程中虛擬慣量值抖動，從而造成vsg輸出頻率和功率的波動，且該算法對系統(tǒng)頻率的檢測精度和跟蹤速度要求較高。

題為“self-tuningvirtualsynchronousmachine：acontrolstrategyforenergystoragesystemstosupportdynamicfrequencycontrol”，torreslma，《ieeetransactionsonenergyconversion》，2014，29(4)：833-840(“自適應(yīng)虛擬同步發(fā)電機：支撐動態(tài)頻率的儲能系統(tǒng)控制方法”，《ieee學(xué)報——能源變換期刊》，2014年第29卷第4期833-840頁)文章中實時在線計算最優(yōu)的虛擬慣量和阻尼系數(shù)值，以解決頻率波動和功率振蕩問題，但該方法存在以下不足：

1)需要對電網(wǎng)頻率及頻率變化率進行實時監(jiān)測，降低了算法的可靠性；

2)優(yōu)化算法計算量較大。

題為“基于微分補償環(huán)節(jié)虛擬慣性的虛擬同步電機控制方法”，徐海珍，張興等，《電力系統(tǒng)自動化》，2017，41(3)：96-102.文章中在常規(guī)vsg控制方法的前向通道加入微分補償環(huán)節(jié)，形成一階超前滯后環(huán)節(jié)的虛擬慣性，在保證穩(wěn)態(tài)功率控制精度的同時，減小了動態(tài)功率超調(diào)。該方法存的不足之處在于：vsg在響應(yīng)初始階段的慣性較小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有基于一階虛擬慣性的vsg在孤島、并網(wǎng)和組網(wǎng)模式運行時其輸出有功穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性調(diào)節(jié)存在矛盾的問題，提供一種基于二階廣義虛擬慣性的虛擬同步發(fā)電機控制方法，在確保功率穩(wěn)態(tài)控制性能和減小動態(tài)功率超調(diào)的同時，克服了基于微分補償?shù)囊浑A虛擬慣性策略在響應(yīng)初始階段慣性不足的缺點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：基于二階廣義虛擬慣性的虛擬同步發(fā)電機控制方法，主要步驟如下：

步驟1、采樣虛擬同步發(fā)電機三相輸出電壓uoa,uob,uoc和三相電感電流ilfa,ilfb,ilfc，并分別經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標變換得到輸出電壓dq軸分量uod,uoq和電感電流dq軸分量ild,ilq，其中d軸為有功軸，q軸為無功軸；

步驟2、根據(jù)步驟1中得到的輸出電壓dq軸分量uod,uoq和電感電流dq軸分量ild,ilq，并經(jīng)一階低通濾波器進行濾波得到輸出平均有功功率pout；

輸出平均有功功率pout計算公式為：

其中tm為一階低通濾波器的時間常數(shù)，s為拉普拉斯算子；

步驟3、根據(jù)步驟1中得到的輸出電壓角頻率ωout，經(jīng)虛擬調(diào)速器比例調(diào)節(jié)，得到調(diào)速器輸出量pω；

調(diào)速器輸出量pω計算公式為：

pω＝kω(ω0-ωout)

其中kω為虛擬調(diào)速器的比例調(diào)節(jié)系數(shù)，ω0為虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率，ωout為虛擬同步發(fā)電機的輸出電壓角頻率；

步驟4、根據(jù)虛擬同步發(fā)電機給定的有功功率指令pref和步驟2得到的輸出平均有功功率pout，將其差值串聯(lián)一階超前滯后補償環(huán)節(jié)后，加上步驟3中得到的調(diào)速器輸出量pω，得到虛擬同步發(fā)電機輸出角頻率的微分量

虛擬同步發(fā)電機輸出角頻率的微分量計算公式為：

其中，c(s)為一階超前滯后補償環(huán)節(jié)，c(s)的表達式為：

kd1為超前滯后補償環(huán)節(jié)的微分系數(shù)，td1為超前滯后補償環(huán)節(jié)的積分系數(shù)；

步驟5、將步驟4中得到的虛擬同步發(fā)電機輸出角頻率的微分量經(jīng)虛擬慣性環(huán)節(jié)積分，并加上額定角頻率ω0作為虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率ω；

虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率ω的計算公式為：

其中jω為虛擬慣量；

步驟6、對步驟5中得到的虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率ω進行積分，得到虛擬同步發(fā)電機的輸出相角δ；

虛擬同步發(fā)電機輸出相角δ的計算公式為：

步驟7、將虛擬同步發(fā)電機的d軸和q軸電壓調(diào)制波幅值ud、uq和步驟6中得到的輸出相角δ經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標反變換得到橋臂電壓的三相調(diào)制波uma,umb,umc，經(jīng)調(diào)制后作為igbt電路的驅(qū)動信號。

優(yōu)選地，步驟3所述輸出電壓角頻率ωout的計算公式為：

其中ω0為虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率，kpll和kill分別為鎖相環(huán)pi調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié)系數(shù)和積分調(diào)節(jié)系數(shù)，s為拉普拉斯算子。

本發(fā)明公開的一種基于二階廣義虛擬慣性的虛擬同步發(fā)電機控制方法，與現(xiàn)有的虛擬同步發(fā)電機一階虛擬慣性控制方法相比，其有益效果體現(xiàn)在：

1、基于二階廣義虛擬慣性的虛擬同步發(fā)電機控制方法在維持穩(wěn)態(tài)有功功控制精度及穩(wěn)態(tài)有功均分特性的同時，增大了系統(tǒng)的阻尼比，加快了動態(tài)響應(yīng)速度，抑制了功率超調(diào)和儲能單元的功率沖擊；

2、基于二階廣義虛擬慣性的虛擬同步發(fā)電機控制方法在響應(yīng)初始階段的慣性比基于微分補償環(huán)節(jié)虛擬慣性的虛擬同步電機控制方法大。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例虛擬同步發(fā)電機主電路及控制結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明實施例二階廣義虛擬慣性控制框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實施例進行具體的描述。

圖1為本發(fā)明實施例中虛擬同步發(fā)電機的主電路及控制結(jié)構(gòu)圖，直流源由分布式電源和儲能電池供電，直流源的兩個輸出端分別與三相橋臂的兩個輸入端連接，三相橋臂的三個輸出端與lc濾波器的三相輸入對應(yīng)連接，lc濾波器的三相輸出與dyn11型變壓器的三角型側(cè)輸入對應(yīng)連接，變壓器星形側(cè)連接到靜態(tài)開關(guān)sts的輸入側(cè)，靜態(tài)開關(guān)sts的輸出側(cè)與公共連接點連接。lf為lc濾波器的濾波電感，cf為lc濾波器的濾波電容。ilfa,ilfb,ilfc為虛擬同步發(fā)電機的三相電感電流，uoa,uob,uoc為虛擬同步發(fā)電機的三相輸出電壓。

圖2為本發(fā)明實施例的二階廣義虛擬慣性控制結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明控制方法的步驟如下：

步驟1、采樣虛擬同步發(fā)電機三相輸出電壓uoa,uob,uoc和三相電感電流ilfa,ilfb,ilfc，并分別經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標變換得到輸出電壓dq軸分量uod,uoq和電感電流dq軸分量ild,ilq，其中d軸為有功軸，q軸為無功軸。

步驟2、根據(jù)步驟1中得到的輸出電壓dq軸分量uod,uoq和電感電流dq軸分量ild,ilq，并經(jīng)一階低通濾波器進行濾波得到輸出平均有功功率pout。輸出平均有功功率pout計算公式為：

其中tm為一階低通濾波器的時間常數(shù)，s為拉普拉斯算子。本實施例中tm＝1.6e-3s。

步驟3：根據(jù)步驟1中得到的輸出電壓角頻率ωout，經(jīng)虛擬調(diào)速器比例調(diào)節(jié)，得到調(diào)速器輸出量pω。虛擬同步發(fā)電機的調(diào)速器輸出量pω計算公式為：

pω＝kω(ω0-ωout)

其中kω為虛擬調(diào)速器的比例調(diào)節(jié)系數(shù)，ω0為虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率，ωout為虛擬同步發(fā)電機的輸出電壓角頻率。本實施例中kω＝31830，ω0＝314.16。

所述輸出電壓角頻率ωout的計算公式為：

其中ω0為虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率，kpll和kill分別為鎖相環(huán)pi調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié)系數(shù)和積分調(diào)節(jié)系數(shù)，s為拉普拉斯算子。本實施例中kpll＝80，kill＝0.1。

步驟4：根據(jù)虛擬同步發(fā)電機的有功功率指令pref和步驟2得到的輸出平均有功功率pout，將其差值串聯(lián)一階超前滯后補償環(huán)節(jié)后，加上步驟3中得到的調(diào)速器輸出量pω，得到虛擬同步發(fā)電機輸出角頻率的微分量虛擬同步發(fā)電機輸出角頻率的微分量計算公式為：

其中，c(s)為一階超前滯后補償環(huán)節(jié)，c(s)的表達式為：

kd1為超前滯后補償環(huán)節(jié)的微分系數(shù)，；td1為超前滯后補償環(huán)節(jié)的積分系數(shù)。本實施例中kd1＝0.04，td1＝0.02。

步驟5：將步驟4中得到的虛擬同步發(fā)電機輸出角頻率的微分量經(jīng)虛擬慣性環(huán)節(jié)積分，并加上額定角頻率ω0作為虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率ω。虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率ω的計算公式為：

其中jω為虛擬慣量，本實施例中jω＝8。

步驟6：對步驟5中得到的虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率ω進行積分，得到虛擬同步發(fā)電機的輸出相角δ。虛擬同步發(fā)電機輸出相角δ的計算公式為：

步驟7：將虛擬同步發(fā)電機的d軸和q軸電壓調(diào)制波幅值ud、uq和步驟6中得到的輸出相角δ經(jīng)單同步旋轉(zhuǎn)坐標反變換得到橋臂電壓的三相調(diào)制波uma,umb,umc，經(jīng)調(diào)制后作為igbt電路的驅(qū)動信號。

本發(fā)明適用于采用虛擬同步發(fā)電機算法的分布式電源逆變器。