基于虚拟同步机的变频器控制方法技术

一种基于虚拟同步机的变频器控制方法。本发明专利技术首先对线电压Vabc和线电流iabc进行采样，然后计算输出有功功率Pe以及负荷无功功率增量Qe，并根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行功频控制和无功/电压控制，获得调制控制信号，至最后根据该调制控制信号进行空间矢量脉宽调制，产生并输出相应的SVPWM调制信号，以该SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态，使得所述变频器具有同步电机的运行特性。本发明专利技术的方法能够使得电力电子式用电设备参与电网一次调频，将整流型负载采用同步虚拟电机技术参与电网一次调频，使其随着电网电压和频率的改变，模拟同步电机的外特性，随之改变功率，达到从用电侧出发使得用电设备响应电网功频守恒，稳定系统的频率、电压的目的。

Inverter Control Method Based on Virtual Synchronizer

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步机的变频器控制方法
本专利技术涉及电力电子式用电设备参与电网一次调频的技术，具体而言涉及一种基于虚拟同步机的变频器控制方法。
技术介绍
变频器能够用于驱动感应电机，一台变频器可以较好地控制一台感应电机带动负载运行。但仅仅采用变频器还不能满足带状性负载保持恒定的张力且系统同步协调运行的实际要求。感应电机的速度与转子磁链的相互耦合，构成一个复杂的多变量非线性的耦合系统。不管是采用恒压频比控制变频器还是采用矢量控制变频器都很难使变频器所在电力电子系统网络稳定运行。相关技术中虽然存在利用SVPWM作为变频驱动的一种驱动算法。但是，现有的SVPWM波的载波会导致SVPWM波产生高次谐波，引起变频器的噪声，无法控制逆变器根据电动机特性输出频率和电压。现有技术仅能够应用于所带负荷对功率稳定性要求不高的场景，实际应用中受限较大且对电网造成的扰动较多，威胁电力系统的稳定性。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于虚拟同步机的变频器控制方法，本专利技术利用VSM的基本思想，把同步电机的转子运动方程和定子电气方程构成的暂态模型引入到控制器中，使变频器具有同步电机的运行特性，进而提高电力系统的稳定性。本专利技术具体采用如下技术方案。首先，为实现上述目的，提出一种基于虚拟同步机的变频器控制方法，其用于控制所述变频器内的开关元件的通断，步骤包括：第一步，分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，获得系统的额定工作频率fN、系统额定输出有功功率PN和额定电压有效值VN。第二步，按照的公式，根据所述线电流iabc计算并输出所述输出有功功率Pe，其中，表示电角速度，PT表示机械功率，ωN表示同步电角速度，θ表示电角度。第三步，计算并输出负荷无功功率增量Qe。第四步，根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行功频控制，计算并输出并调节所述电角度θ。第五步，根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行无功/电压控制，计算并输出调制控制信号。第六步，根据所述无功/电压控制所输出的调制控制信号进行空间矢量脉宽调制，产生并输出相应的SVPWM调制信号，以该SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态，使得所述变频器具有同步电机的运行特性。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第四步具体包括如下步骤：步骤401，根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得系统输出频率的测量值fT、系统输出有功功率的测量值PT。步骤402，按照输入输出关系PT＝Kf(fN-fT)+PN，计算并获得频率调差系数Kf。步骤403，根据所述频率调差系数Kf进行机械方程的计算以输出并调节所述电角度θ。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第五步具体包括如下步骤：步骤501，根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得实际负载电压的有效值|V|、额定电压有效值VN。步骤502，获取电压调节系数KV以计算电压调节量EV＝KV(VN-|V|)。步骤503，计算并输出励磁控制电压E＝EV+EQ，其中，无功电压调节量EQ＝-KQQe，其中，Qe为负荷无功功率增量，KQ为无功电压调节系数。步骤504，根据所述励磁控制电压E＝EV+EQ进行电气方程的计算以输出调制控制信号。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第三步中，负荷无功功率增量Qe由电容组件Cpq和滤波器对所述线电流iabc滤波以后计算获得。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第四步中还包括有通过锁相环对上述电容组件Cpq进行控制的步骤：所述锁相环首先接收所述线电压Vabc，对其进行锁相，而后输出稳定的频率f，同时，所述锁相环还输出控制信号以调节所述电容组件Cpq。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述步骤403中所进行的机械方程的计算包括以下步骤：将系统输出有功功率的测量值PT与所述输出有功功率Pe相减后，得到功率差ΔP；对所述功率差ΔP除以ω即得到VSM的转矩差；将所述VSM的转矩差除以转动惯量J后，进行积分得到角速度的变化量；将所述角速度的变化量与角速度期望值2πfN相加获得实际的角速度；对所述实际的角速度求积分，以输出并调节所述电角度θ。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述第五步中计算获得的调制控制信号输出有多组，各组所述调制控制信号分别用于进行空间矢量脉宽调制，分别产生并输出对应的SVPWM调制信号，所述各SVPWM调制信号分别控制不同的开关元件进行通断状态的切换，使所述变频器具有同步电机的运行特性。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制方法中，所述变频器的输出频率为f2＝f2N*f1/f1N，其等效功频系数为其中，f1表示变频器输入频率，f1N表示变频器输入额定频率，f2N表示变频器输出额定频率。有益效果本专利技术首先对线电压Vabc和线电流iabc进行采样，然后计算输出有功功率Pe以及负荷无功功率增量Qe，并根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行功频控制和无功/电压控制，获得调制控制信号，至最后根据该调制控制信号进行空间矢量脉宽调制，产生并输出相应的SVPWM调制信号，以该SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态，使得所述变频器具有同步电机的运行特性。本专利技术的方法能够使得电力电子式用电设备参与电网一次调频，将整流型负载采用同步虚拟电机技术参与电网一次调频，使其随着电网电压和频率的改变，模拟同步电机的外特性，随之改变功率，达到从用电侧出发使得用电设备响应电网功频守恒，稳定系统的频率、电压的目的。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本专利技术的实施例一起，用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是本专利技术的采用双向可控晶闸管整流结构的变频器的拓扑结构示意图；图2是本专利技术所利用的同步发电机的功频静态特性曲线示意图；图3是本专利技术所利用的同步发电机的无功-电压静特性示意图；图4是本专利技术基于虚拟同步机的变频器控制系统在逆变侧的控制原理框图；图5是本专利技术基于VSM的变频器所输出的功率曲线；图6是本专利技术基于VSM的变频器所输出的电压曲线；图7是本专利技术基于VSM的变频器所输出的电流曲线；图8是本专利技术基于VSM的变频器所对应的机械功率曲线；图9是本专利技术基于VSM的变频器所对应的输出频率曲线；图10是本专利技术基于VSM的变频器所对应的内电势曲线；图11是本专利技术基于VSM的变频器在不同转动惯量下的输出频率曲线；图12是本专利技术基于VSM的变频器在不同转动惯量下的机械功率曲线；图13是本专利技术所应用的系统对应的频率变化曲线；图14是本专利技术基于VSM的变频器的输出功率曲线。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟同步机的变频器控制方法，用于控制所述变频器内的开关元件的通断，其特征在于，步骤包括：第一步，分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，获得系统的额定工作频率fN、系统额定输出有功功率PN和额定电压有效值VN；第二步，按照

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步机的变频器控制方法，用于控制所述变频器内的开关元件的通断，其特征在于，步骤包括：第一步，分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，获得系统的额定工作频率fN、系统额定输出有功功率PN和额定电压有效值VN；第二步，按照的公式，根据所述线电流iabc计算并输出所述输出有功功率Pe，其中，表示电角速度，PT表示机械功率，ωN表示同步电角速度，θ表示电角度；第三步，计算并输出负荷无功功率增量Qe；第四步，根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行功频控制，计算并输出并调节所述电角度θ；第五步，根据所述线电压Vabc和线电流iabc进行无功/电压控制，计算并输出调制控制信号；第六步，根据所述无功/电压控制所输出的调制控制信号进行空间矢量脉宽调制，产生并输出相应的SVPWM调制信号，以该SVPWM调制信号控制所述各开关元件的通断状态，使得所述变频器具有同步电机的运行特性。2.如权利要求1所述的基于虚拟同步机的变频器控制方法，其特征在于，所述第四步具体包括如下步骤：步骤401，根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得系统输出频率的测量值fT、系统输出有功功率的测量值PT；步骤402，按照输入输出关系PT＝Kf(fN-fT)+PN，计算并获得频率调差系数Kf；步骤403，根据所述频率调差系数Kf进行机械方程的计算以输出并调节所述电角度θ。3.如权利要求1所述的基于虚拟同步机的变频器控制方法，其特征在于，所述第五步具体包括如下步骤：步骤501，根据所述线电压Vabc和线电流iabc计算获得实际负载电压的有效值|V|、额定电压有效值VN；步骤502，获取电压调节系数KV以计算电压调节量EV＝KV(VN-|V|)；步骤503，计算并输出励磁控制电压E＝EV+EQ，其中，无功电压调节量EQ＝-KQQ...

【专利技术属性】
技术研发人员：董伟杰，刘科研，盛万兴，孟晓丽，贾东梨，胡丽娟，何开元，刁赢龙，叶学顺，吕琛，唐建岗，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国家电网有限公司，国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：北京,11