一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法，在VSG功能模块切入时，将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值，电网电压经过锁相环得到的电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制。本发明专利技术在保留常规变流器电流控制精确、灵活、频率稳定等特点的基础上，使变流器具备类似同步发电机的电压源输出特性。变流器的VSG功能可实现无缝地投入、切出，切换简单，尤其适用于具备VSG功能的变流器多功能在线切换和电网故障穿越控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法
本专利技术属于电气工程
，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法。
技术介绍
以光伏、风电为代表的间歇式能源装机容量占系统总装机容量比重越来越大。但间歇式能源出力的大幅、频繁的随机波动性对系统有功平衡造成冲击，影响系统调频特性，且不同于常规发电厂的旋转电机，通过电力电子设备接入电网的间歇式能源为非旋转的静止元件，不具备常规机组的转动惯量，其大规模接入电网将使系统等效转动惯量降低，削弱系统应对功率波动的能力，影响系统的频率暂态稳定水平。针对该问题，可在风电、光伏电站增加大容量集中式储能平抑其出力波动，而储能结合VSG技术更是近年来的一个研究热点。VSG技术将同步发电机本体及其控制器数学模型引入储能变流器的控制算法，使电站具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，有效抑制并网点频率振荡，增强并网点电压强度。作者为朱信捷的硕士学位论文《基于PCS智能微电网系统关键技术研究与应用》的第四章中公开了一种PCS基于虚拟同步发电机的控制方法，其控制原理框图如图1所示，包括电压电流采样模块、功率计算模块、VSG算法模块、电压电流控制模块、SVPWM发生模块和驱动模块。电压电流采样模块将采集的到值经过VSG算法模块，再进行电压和电流双环控制。常规VSG技术一般为自同步控制，通过调整内电势幅值和功角调节有功、无功输出，输出电流的频率和相位与VSG本体模型转子一致。恒电流控制功能是储能变流器的基本功能，当需要VSG功能和恒电流控制功能在线切换时，往往需要进行一系列的处理完成电流内环指令和参考相位的平滑切换，控制复杂。另外，在电网故障穿越时，采用自同步控制的VSG技术将存在频率失稳、定子短路电流过大等问题，现有解决措施主要有两种技术路线：一种是对VSG本体模型进行处理，如增大虚拟阻抗、动态调整内电势幅值等限制定子电流；另一种是切换到恒电流控制。两种路线均能有效解决短路电路过大的问题，但不能解决故障期间的频率稳定问题和动态无功支撑电流精度问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法，用以解决现有技术中变流器控制复杂的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：本专利技术提供了一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，包括如下方法方案：方法方案一，包括如下步骤：在VSG功能模块切入时，将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值，电网电压经过锁相环得到的电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制；其中，VSG功能模块包括VSG模型，所述VSG模型的输入包括由Q-U控制得到VSG功能模块的內电势幅值，由P-f控制得到VSG功能模块的机械转矩，以及电网电压，输出为三相定子电流。方法方案二，在方法方案一的基础上，所述将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值包括：将VSG功能模块输出的三相定子电流变换到dq坐标系下，得到的值分别作为变流器电流内环的d轴电流指令值和变流器电流内环的q轴电流指令值：其中，idref为变流器电流内环的d轴电流指令值，iqref为变流器电流内环的q轴电流指令值；ia、ib、ic为三相定子电流；θg为电网电压相角，由锁相环根据电网电压计算得到。方法方案三，在方法方案一的基础上，所述VSG模型为：其中，ω为VSG的角速度，ω0为额定角速度，H为VSG惯性时间常数，Tm、Te分别为VSG机械转矩、电磁转矩，Kd为阻尼系数，R、L分别为VSG定子电阻和电感，eabc、uabc、iabc分别为VSG三相内电势、机端电压、定子电流，θ为VSG转子相角，Pe为电磁功率。方法方案四，在方法方案一的基础上，所述P-f控制的模型为：Tm＝[Pref-kf(f-f0)PN]/ω其中，Tm为VSG的机械转矩，f为机端电压频率，f0为机端电压额定频率，PN为VSG额定功率，Pref为有功功率指令值。方法方案五，在方法方案一的基础上，所述Q-U控制的模型为：E＝E0+kq(Qref-Qe)-ku(UN-U)其中，E为VSG的內电势幅值，E0为空载内电势，kd为无功调节系数，Qref为无功功率指令值，Qe为VSG无功功率，ku为调压系数，UN为额定机端电压，U为机端电压。方法方案六，在方法方案一的基础上，在VSG功能模块切出时，变流器电流内环的指令值由除VSG功能模块以外对应的功能模块给定。方法方案七，在方法方案六的基础上，恒电流功能时，变流器电流内环的指令值为上位机下发的电流指令值；恒电压功能时，变流器电流内环的指令值为电压环的输出；恒功率功能时，变流器电流内环的指令值为功率环的输出。方法方案八，在方法方案二的基础上，当变流器进行电网故障穿越时，将变流器电流内环的指令值进行切换：变流器电流内环的q轴电流指令值切换为动态无功支撑计算值；变流器电流内环的d轴电流指令值切换为故障前的电流值。方法方案九，在方法方案八的基础上，当电网故障清除后，变流器电流内环的q轴电流指令值和变流器电流内环的d轴电流指令值逐步增大至故障前的电流值，直至VSG功能模块稳定。本专利技术还提供了一种基于虚拟同步发电机的变流器，用于实现方法方案一～方法方案九任一项所述的基于虚拟同步发电机的变流器控制方法。本专利技术的有益效果：本专利技术的基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法，将VSG控制和常规变流器电网电压定向矢量控制相结合，在电网正常运行情况下，将VSG控制器输出的三相定子电流做相应变换后，得到的值作为变流器电流内环的指令值，并将电网电压经过锁相环得到的电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制。本专利技术在保留常规变流器电流控制精确、灵活、频率稳定等特点的基础上，使变流器具备类似同步发电机的电压源输出特性，实现了VSG功能和恒电流控制功能的在线切换。而且，变流器的VSG功能无缝地投入、切出，切换简单，尤其适用于具备VSG功能的变流器多功能在线切换和电网故障穿越控制。附图说明图1是现有技术中的PCS基于虚拟同步发电机的控制框图；图2是本专利技术的基于虚拟同步发电机的变流器的控制框图；图3是虚拟同步发电机的模型；图4是故障穿越的电网工况图；图5是采用本专利技术的控制方法的仿真结果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本专利技术作进一步的详细说明。如图2所示为本专利技术的基于虚拟同步发电机的变流器的控制框图。在电网正常运行情况下，将VSG控制器输出的三相定子电流变换到dq坐标系下，得到的值分别作为变流器电流内环的d轴电流指令值和变流器电流内环的q轴电流指令值，而且，将电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制。图2中的锁相环PLL、变流器电流内环控制和PWM控制均属于变流器的常规控制，这里不再展开描述。VSG的模型如图3所示，具体描述为：其中，ω为VSG的角速度，ω0为额定角速度，H为VSG惯性时间常数，Tm、Te分别为VSG机械转矩、电磁转矩，Kd为阻尼系数，R、L分别为VSG定子电阻和电感，eabc、uabc、iabc分别为VSG三相内电势、机端电压、定子电流，θ为VSG本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：在VSG功能模块切入时，将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值，电网电压经过锁相环得到的电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制；其中，VSG功能模块包括VSG模型，所述VSG模型的输入包括由Q‑U控制得到VSG功能模块的內电势幅值，由P‑f控制得到VSG功能模块的机械转矩，以及电网电压，输出为三相定子电流。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：在VSG功能模块切入时，将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值，电网电压经过锁相环得到的电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制；其中，VSG功能模块包括VSG模型，所述VSG模型的输入包括由Q-U控制得到VSG功能模块的內电势幅值，由P-f控制得到VSG功能模块的机械转矩，以及电网电压，输出为三相定子电流。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，其特征在于，所述将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值包括：将VSG功能模块输出的三相定子电流变换到dq坐标系下，得到的值分别作为变流器电流内环的d轴电流指令值和变流器电流内环的q轴电流指令值：其中，idref为变流器电流内环的d轴电流指令值，iqref为变流器电流内环的q轴电流指令值；ia、ib、ic为三相定子电流；θg为电网电压相角，由锁相环根据电网电压计算得到。3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，其特征在于，所述VSG模型为：其中，ω为VSG的角速度，ω0为额定角速度，H为VSG惯性时间常数，Tm、Te分别为VSG机械转矩、电磁转矩，Kd为阻尼系数，R、L分别为VSG定子电阻和电感，eabc、uabc、iabc分别为VSG三相内电势、机端电压、定子电流，θ为VSG转子相角，Pe为电磁功率。4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，其特征在于，所述P-f控制的模型为：Tm＝[Pref-kf(f-f0)P...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖飞，王林，王卓然，孙辰军，黄辉，龚培娇，耿志清，
申请(专利权)人：许继集团有限公司，西安许继电力电子技术有限公司，许继电气股份有限公司，国网河北省电力有限公司，中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41