适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法技术方案

一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，该方法是控制生成PWM脉冲所需的调制波，调制波与载波作比较生成PWM脉冲信号，用于控制三相桥DC/AC逆变器开关管的导通和关断，实现光伏并网的VSG控制。实验仿真表明，本发明专利技术方法在光伏并网中能对DC/AC逆变器施加有效控制，对于维持系统功率平衡、电压和频率稳定具有较好的效果。改善了光伏并网系统暂态稳定性和动态品质。

Virtual synchronous generator control method for photovoltaic grid connected system

A virtual synchronous generator (VSG) control method for photovoltaic grid-connected system is proposed, which controls the modulation wave needed to generate the PWM pulse and generates the PWM pulse signal by comparing the modulation wave with the carrier wave. The simulation results show that the proposed method can effectively control DC / AC inverter in photovoltaic grid connection, and has good effect on maintaining power balance, voltage and frequency stability of the system. The transient stability and dynamic quality of PV grid connected system are improved.

【技术实现步骤摘要】
适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法
本专利技术涉及分布式发电并网控制，特别是一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机(简称为VSG)控制方法。
技术介绍
能源是维系人类生存和社会发展的重要因素，在发挥不可或缺的积极作用的同时，也引发了能源短缺和化石能源污染等问题。为缓解这些问题，近年来针对太阳能、风能等可再生能源的利用形式逐渐得到各国重视而得到大力发展，其中太阳能光伏发电占了相当大的比重。截至2016年，全球累计的光伏发电装机容量已经超过300GW，而我国自2013年起已连续四年居于光伏装机总量首位——截至2017年上半年，我国并网光伏装机总量已达到101.82GW，其中分布式光伏发电17.43GW，占比17％，未来这一比例仍将持续增大。分布式发电具有诸多优点，如投资小、无污染、可靠性高以及发电方式灵活等，同时也存在不易调控、具有随机性和波动性等问题。分布式电源在并网过程中往往需要通过电力电子变换器(并网DC/AC逆变器)来输送电能，相比于运行成熟的传统发电设备(如同步发电机)，电力电子变换器具有响应迅速，控制灵活等优势，但是自身不具备同步发电机所固有的旋转惯性和阻尼分量，当系统中接入的分布式电源达到一定规模时，必将对电力系统的安全稳定运行造成威胁。在传统的发电模式下，同步发电机凭借其所固有的旋转惯性和阻尼特性，能够为电网提供必要的电压和频率支撑，表现出良好的接入特性。受此启发，有学者借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程提出虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，VSG)控制策略，使电力电子并网DC/AC逆变器能模拟出同步发电机的外特性，可以实现分布式电源的“友好型”接入，提高电力系统稳定性和优化电能质量，并能方便地将一些传统电网的运行控制策略移植到含分布式电源的电网中。在传统电力系统中，针对发电机组的励磁控制是提高电力系统稳定性的一大有效手段，可以将发电机端电压的调节精度维持在一个给定的范围内，一般采用基于发电机端电压偏差进行的比例积分微分调节，简称PID调节方式。受此启发，基于VSG控制的DC/AC逆变器也多采用PID调节手段，虽然能够保证端电压的调节精度，但是难以有效改善电力系统的稳定性和故障后系统的动态品质。在随后的励磁调节器设计方面，新的控制律利用微分几何方法，对非线性系统采用精确的反馈线性化方法，通过非线性反馈将非线性电力系统转化为线性系统，然后按照线性系统的设计理论进行励磁调节的设计。这种方法对模型的精确度要求较高，在系统结构或参数不确定等情况下，难以保证控制效果。针对分布式逆变电源，传统的控制策略是基于旋转坐标系解耦的电流型控制策略，在稳态并网条件下能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，但在系统故障等暂态情况下，采用此种控制算法时，DC/AC逆变器的动态特性较差。此外，传统的解耦控制一般将系统近似为线性来进行控制，而实际上分布式DC/AC逆变器的数学模型呈现非线性特质，这样的近似处理无疑会对控制效果造成影响。
技术实现思路
为应对上述传统方法的不足，本专利技术提供一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，该方法在光伏并网中能对DC/AC逆变器施加有效控制，对于维持系统功率平衡、电压和频率稳定具有较好的效果。改善了光伏并网系统暂态稳定性和动态品质。本专利技术的技术解决方案如下：一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，其特点在于，包括下列步骤：1)获取所述的虚拟同步发电机输出到电网端的电压、电流以及电网频率，根据所测电压、电流计算虚拟同步发电机的输出功率；2)根据虚拟同步电机机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角；3)建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点；4)基于上述数学模型和平衡点，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，获取调制波信号电压幅值；5)结合所述的调制波信号电压幅值和调制波信号相角构建调制波信号，生成PWM脉冲作用于系统中DC/AC逆变器以实现光伏并网的VSG控制。所述的获取所述虚拟同步发电机输出到电网端的电压电流以及电网频率，根据所测电压电流计算虚拟同步发电机输出功率，具体步骤包括：1)获取虚拟同步发电机输出电压、电流及电网频率：通过互感器采集虚拟同步发电机在三相abc坐标系下的输出侧的电压Uabc及输出电流Iabc；电网频率通过锁相环(PLL)模块测量电网侧公共母线角速度ωg；2)计算虚拟同步发电机输出功率：利用所测输出侧的电压Uabc及输出电流Iabc，按式(1)计算虚拟同步发电机输出功率：Pout＝UaIa+UbIb+UcIc(1)或先将电压电流转换到dq坐标系下再按式(2)求功率：式中，Ud、Uq，Id、Iq分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量。所述的根据虚拟同步发电机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角，具体包括下列步骤：1)模拟同步机，建立虚拟同步发电机的转子运动特性方程为：式中，H为虚拟惯性时间常数，与同步机转动惯量J相对应；Pin、Pout为DC/AC逆变器的输入功率和输出功率，类比传统同步机的机械功率和电磁功率；ω、ωg为DC/AC逆变器的虚拟转子角速度和电网侧公共母线角速度；Kd为阻尼系数；再考虑有功-频率下垂控制环节，即式中，Pset为虚拟同步控制下DC/AC逆变器的参考有功输入(可为上层调度指令)；Dp为下垂控制系数；ωref为角速度参考值(一般即为50Hz，标幺值为1)；2)基于上式(3)(4)，建立有功频率控制模型，得到DC/AC逆变器的虚拟转子角速度及调制波信号相角为：式中，为拉氏变换表示，即对输入量积分，得到δ[rad]为DC/AC逆变器的虚拟功角，也即DC/AC逆变器调制波信号相角。所述的建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点，具体包括：1)基于上述转子运动方程，采用标幺值表示，并做部分简化，可得：式中，ωr[p.u.]为虚拟转子角速度与电网侧同步角速度的偏差；ωs＝2πf0为基准角速度，f0＝50Hz；2)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：式中，K′d是励磁绕组的时间常数(s)；Vset[p.u.]为对应于系统稳态运行时给定励磁电压；uf为对应于励磁电压的调节量；Vq是所述的DC/AC逆变器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；是暂态电势；根据定义Vq与V′q存在关系为：Vq＝V′q+(xvir-x′vir)Id(9)式中，xvir表示虚拟定子电抗，x′vir表示虚拟暂态同步电抗，均可用虚拟阻抗方法模拟；Id为母线电流d轴分量，可表示为：其中，U为无限大系统的母线电压，可看作常数；x′d∑＝x′vir+xl为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和；3)根据虚拟同步发电机虚拟励磁绕组电磁动态方程，将式(9)代入(10)得到Vq与V′q之间有如下关系成立：4)根据虚拟同步发电机电磁功率方程，可得到虚拟同步发电机有功功率表达式：已知电动势、电压和电流的关系为将(12)代入(2)得到虚拟同步发电机输出到电网的有功功率表达式为：5)根据虚拟同步发电机转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，包括下列步骤：1)获取所述的虚拟同步发电机输出到电网端的电压、电流以及电网频率，根据所测电压、电流计算虚拟同步发电机的输出功率；2)根据虚拟同步电机机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角；3)建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点；4)基于上述数学模型和平衡点，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，获取调制波信号的电压幅值；5)结合所述的调制波信号电压幅值和调制波信号相角构建调制波信号，生成PWM脉冲作用于系统中DC/AC逆变器，以实现光伏并网虚拟同步发电机控制。

【技术特征摘要】
1.一种适用于光伏并网系统的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，包括下列步骤：1)获取所述的虚拟同步发电机输出到电网端的电压、电流以及电网频率，根据所测电压、电流计算虚拟同步发电机的输出功率；2)根据虚拟同步电机机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角；3)建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点；4)基于上述数学模型和平衡点，采用递归设计实现直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制，获取调制波信号的电压幅值；5)结合所述的调制波信号电压幅值和调制波信号相角构建调制波信号，生成PWM脉冲作用于系统中DC/AC逆变器，以实现光伏并网虚拟同步发电机控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的获取所述虚拟同步发电机输出到电网端的电压电流以及电网频率，根据所测电压电流计算虚拟同步发电机输出功率，包括：1)获取虚拟同步发电机输出电压、电流及电网频率：通过互感器采集虚拟同步发电机在三相abc坐标系下的输出侧的电压Uabc及输出电流Iabc；电网频率通过锁相环(PLL)模块测量电网侧公共母线角速度ωg；2)计算虚拟同步发电机输出功率：利用所述的电压Uabc及输出电流Iabc，按式(1)计算虚拟同步发电机输出功率：Pout＝UaIa+UbIb+UcIc(1)或先将电压电流转换到dq坐标系下再按式(2)求功率：式中，Ud、Uq，Id、Iq分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据虚拟同步发电机的转子运动特性方程，结合下垂控制，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角，具体包括下列步骤：1)建立虚拟同步发电机的转子运动特性方程为：式中，H为虚拟惯性时间常数，与同步机转动惯量J相对应；Pin、Pout为DC/AC逆变器的输入功率和输出功率，类比传统同步机的机械功率和电磁功率；ω、ωg为DC/AC逆变器的虚拟转子角速度和电网侧公共母线角速度；Kd为阻尼系数；再考虑有功-频率下垂控制环节，即式中，Pset为虚拟同步控制下DC/AC逆变器的参考有功输入或上层调度指令；Dp为下垂控制系数；ωref为角速度参考值，一般即为50Hz，标幺值为1；2)基于上式(3)、(4)，建立有功频率控制模型，得到DC/AC逆变器的虚拟转子角速度及调制波信号相角为：式中，为拉氏变换表示，即对输入量积分，得到δ[rad]为DC/AC逆变器的虚拟功角，也即DC/AC逆变器调制波信号相角。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立采用励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型，并定义该系统运行平衡点，具体包括：1)基于上述转子运动方程，采用标幺值表示，并做部分简化，可得：式中，ωr[p.u.]为虚拟转子角速度与电网侧同步角速度的偏差；ωs＝2πf0为基准角速度，f0＝50Hz；2)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：式中，Kd′是励磁绕组的时间常数(s)；Vset[p.u.]为对应于系统稳态运行时给定励磁电压；uf为对应于励磁电压的调节量；Vq是所述的DC/AC逆变器出口电压，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周波，李国杰，吴盼，汪可友，魏巍，孙昕炜，唐伦，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51