基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号e

Two frequency modulation control circuit of inverter based on virtual synchronous generator

The invention discloses a control circuit two frequency inverter based on virtual synchronous generator, including inverter, LC filter and power measurement module, including voltage loop and VSG controller, input and output power measurement module of the VSG controller is connected with the output end of the voltage loop, the VSG controller is connected with the input terminal the output end of the voltage loop, is connected with the inverter; the VSG controller comprises a power frequency controller and excitation controller, the power frequency controller for rotor motion equation simulation of synchronous generator, the excitation controller for reactive power and voltage droop control, amplitude information and phase information can be synthesized power frequency controller generates a command voltage command voltage excitation controller the generated input voltage e

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路
本专利技术涉及微电网中分布式电源的逆变器二次频率控制，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路。
技术介绍
当前，为了在逆变器中引入同步发电机的“同步”机制，学者提出一种新型的控制方案，该方案通过模拟同步发电机的转子运动方程，使逆变器具备了阻尼功率振荡的能力，从而帮助改善系统的稳定性，虚拟同步发电机控制策略(VSG,VirtualSynchronousGenerator)，但是目前研究中该方案大多仅能实现同步发电机一次调频的功能，即VSG可实时调整自身出力为电网提供频率支撑，然而一次调频是有差调节，不能保证微网在孤岛运行时的电能质量，这就需要微网中有能实现二次调频的分布式电源。目前用于微网的二次调频控制方法主要分为三类：一是集中式的二次调频控制算法，即通过通信手段实时计算微网内功率缺额并按一定规则分配给微网内各台逆变器；第二种是基于一致性的半分布式方案，即通过相邻分布式电源的通信，实现电压和频率的二次控制；第三是分散式控制方法，利用下垂控制策略以及本地分布式电源的信息实现控制，可实现DG的即插即用，系统可靠性高，扩展性好，系统运行更加灵活。传统的分散式控制方法需要一台容量较大的逆变器运行在恒压频(VF)模式下，为微网提供电压和频率支撑。集中式和半分布式方案都需要通信线互联，可靠性较低，同时较低的通信带宽也会导致系统响应存在延迟；分散式控制方案中的VF方案本质上控制的是三相交流电的电压和频率，并没有对电压的相位进行控制，这就导致在负载突变等暂态过程中，电机类负载的转速受到冲击会变慢，但是电机的供电频率也就是同步角速度仍保持不变，这样电机类负载就会产生瞬时失步，从而引起转矩和转速振荡，由于缺少对电压相位的控制，此暂态过程会持续较长时间，这也是恒压频控制响应较慢且控制精度不高的主要原因；同时，为了满足负荷功率变化的需求，采用VF控制的逆变器只能是微网中包含大容量储能装置的间歇性微源或大容量非间歇性微源。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号em。进一步，所述电压环包括准PR控制器和有源阻尼内环，所述准PR控制器的输入端与VSG控制器的输出端连接，准PR控制器的输出端与有源阻尼内环连接，有源阻尼内环的输出端与逆变器连接。进一步，所述功频控制器用于模拟同步发电机，其模型为：式中，J是同步电机的转动惯量，Tm、Te、Td分别是机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，Pm、Pe分别代表输入机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω为机械角速度，ωref为VSG控制器提供的角频率给定，ωN为额定角频率。进一步，所述励磁控制器，包括空载电压和无功功率控制部分，见式(3)：Em＝kq∫(Qref+ku(Uref-Upcc)-Qe)+E0(3)其中，kq为无功调节系数，Qref为无功功率指令值，ku为电压下垂系数，Uref为电压参考，Upcc为公共耦合点电压反馈，Qe为逆变器输出无功功率测量值，E0为VSG控制器的空载电势。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：原有的恒压频技术为了满足负荷功率变化的需求，参与二次调频的逆变器只能是微网中包含大容量储能装置的间歇性微源或大容量非间歇性微源，且在控制过程中缺少惯性支撑，可能与微网中电机类负载出现失步并导致震荡。本专利技术使VSG控制策略在孤岛模式下可自动跟踪负荷波动并改变自身的出力，为微网提供频率支撑。同时，通过改变控制参数，还可实现多台逆变器对微网缺额功率的按容量分配，达到微网内多台逆变器同时参与调频的目的，有利于总调频容量以及微电网容量的扩展。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1是基于虚拟同步发电机算法的逆变器控制框图；图2是一次调频和二次调频；图3是VSG的控制实现；图4是离网模式下逆变器等效电路；图5是VSG的小信号等效模型；图6是系统随ki增大时的根轨迹图；图7是定子角频率开环传递函数的Bode图；图8是相位预同步控制框图；图9是VF控制下的输出波形图，(a)逆变器输出功率波形，(b)孤岛模式下的微网频率，(c)公共耦合点处的电压电流波形；图10是微网仿真平台；图11是VSG二次调频控制下的输出波形图；(a)各逆变器输出有功功率波形，(b)微网系统频率波形，(c)各逆变器输出无功功率波形；图12是预同步仿真波形；(a)输出有功功率，(b)微电网频率，(c)网侧电压电流波形。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。图1所示为采用VSG控制策略的主电路结构，直流侧为带有储能的分布式电源。一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号em。主电路采用三相电压型逆变器，Udc为直流源电压；Rg，Lg为VSG到公共耦合点PCC的线路阻抗；RL,L,C分别为LC滤波器的电感内阻、滤波电感和滤波电容；uo，io分别为滤波电容电压和逆变器输出电流；ic为滤波电容电流，em为电压指令信号；Pm、Qref分别代表输入机械功率和无功给定；Pe、Qe分别代表逆变器输出有功和无功功率。功率外环通过控制逆变器瞬时有功和无功功率，得到指令电压作为电压环的输入信号。为保证输出精度，电压环采用跟踪性能突出的准PR控制器，同时为抑制LC滤波器在轻载或空载时由于输入侧扰动而产生的较大震荡，在电压环中引入基于电容电流反馈的有源阻尼内环，以实现抑制谐振的效果。图3为功频控制器和励磁控制器的结构框图。S1为二次调频使能开关，S2～S4为预同步控制使能开关。功频控制器主要模拟了同步发电机的转子运动方程，本专利技术对其数学模型的建立旨在使分布式电源具有同步发电机的基本特性，因此采用同步发电机的二阶模型，如式(1)所示：式中，Tm，Te，Td分别是机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，J是同步电机的转动惯量，其单位是kg·m2；D为阻尼系数，代表阻尼绕组的作用；当极对数p＝1时，同步发电机的机械角速度ω即为电气角频率，经过一次积分变换可得到参考电压的相位信息。ωg为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，其特征在于：还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号e

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，包括逆变器、LC滤波器和功率测量模块，其特征在于：还包括电压环和VSG控制器，所述VSG控制器的输入端与功率测量模块的输出端连接，VSG控制器的输出端与电压环的输入端连接，电压环的输出端与逆变器连接；所述VSG控制器包括功频控制器和励磁控制器，所述功频控制器用于模拟同步发电机的转子运动方程，所述励磁控制器用于无功电压下垂控制，励磁控制器生成的指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成即可得到电压环的输入指令信号em。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，其特征在于：所述电压环包括准PR控制器和有源阻尼内环，所述准PR控制器的输入端与VSG控制器的输出端连接，准PR控制器的输出端与有源阻尼内环连接，有源阻尼内环的输出端与逆变器连接。3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路，其特征在于：所述功频控制器用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：周林，李斌，郭珂，刘强，余希瑞，郑晨，刘晋宏，解宝，张前进，李海啸，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50