基于虚拟同步机的变频器控制系统技术方案

一种基于虚拟同步机的变频器控制系统。本发明专利技术通过虚拟同步电机转换模块、功频控制器、无功/电压控制器、调制信号输出模块之间的配合，而根据线电压Vabc、线电流iabc以及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生成相应的SVPWM调制信号控制变频器内开关元件的通断。由此，本发明专利技术能够通过对SVPWM调制信号的调节使得变频器具有同步电机的运行特性，进而提高其所用于的电力系统的整体的稳定性，抑制电流谐波调节系统的无功功率。

Inverter Control System 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系统
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系统。
技术介绍
电力电子设备可以依据需要，实现有功、无功、电能质量等多方面的控制，其控制策略灵活方便。针对电力系统的一次调频，可以分别从发电侧和用电侧两个方面考虑。变频器在日常生产和生活中占有大量比重，但是其不会像纯电动机一样参与电力系统的一次调频，长此以往会对电网的稳定性产生一定影响。若借鉴传统电力系统运行经验，使并网逆变器具有类似同步发电机的运行特性，则可实现分布式电源的友好接入并提高电力系统稳定性。此外，传统同步发电机的相关控制策略与理论分析方法也可有效地引入其中。然而，现有虚拟同步电动机(VirtualSynchronousMotor，VSM)技术均是从发电侧考虑，使得电力电子类发电设备模拟同步发电机的特性，以起到对电网稳定的作用。现有技术中还不能实现对逆变器侧的控制，无法控制逆变器根据电动机特性输出频率和电压。其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系统，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系统，所述变频器内包括有开关元件。所述开关元件的通断由控制系统进行控制，所述控制系统包括：输入端，用于分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，所述输入端还能够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。虚拟同步电机转换模块，用于按照的公式，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；所述虚拟同步电机转换模块还用于计算并输出负荷无功功率增量Qe。功频控制器，其用于：首先根据所述线电压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；而后按照输入输出关系PT＝Kf(fN-fT)+PN，计算并获得频率调差系数Kf；最后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。无功/电压控制器，其用于：首先根据所述线电压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；而后获取电压调节系数KV以计算电压调节量EV＝KV(VN-|V|)；随后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；最后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。调制信号输出模块，其连接所述无功/电压控制器的输出端，用于根据所述无功/电压控制器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系统中，上述虚拟同步电机转换模块包括电容组件Cpq和滤波器，用于对所述线电流iabc滤波以供计算所述输出有功功率Pe或输出负荷无功功率增量Qe。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制系统中，所述功频控制器中包括有锁相环，所述锁相环的输入端接收所述线电压Vabc，对其进行锁相，并输出稳定的频率f，所述锁相环还输出控制信号至所述虚拟同步电机转换模块以调节其中的所述电容组件Cpq。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制系统中，所述功频控制器中所进行的机械方程的计算包括：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系统中，所述角速度期望值为2πfN。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制系统中，所述开关元件为双向可控晶闸管，其包括有多个，所述各双向可控晶闸管之间连接以构成整流电路结构。可选的，上述的基于虚拟同步机的变频器控制系统中，所述调制信号输出模块包括有多组，其分别与不同的各双向可控晶闸管连接，以根据所述无功/电压控制器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调制信号分别控制所述各双向可控晶闸管进行通断状态的切换，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系统中，所述功频控制器还连接有变频器，所述变频器输出频率为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；所述功频控制器还用于：将所述锁相环的输出频率f与所述变频器输出频率为f2相减之后乘以所述频率调差系数Kf以获得中间量Pf，由所述系统额定输出有功功率PN减去所述中间量Pf获得系统输出有功功率的测量值PT，从而以所述系统输出有功功率的测量值PT进行所述机械方程的计算。有益效果本专利技术通过虚拟同步电机转换模块、功频控制器、无功/电压控制器、调制信号输出模块之间的配合，而根据线电压Vabc、线电流iabc以及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生成相应的SVPWM调制信号控制变频器内开关元件的通断。由此，本专利技术能够通过对SVPWM调制信号的调节使得变频器具有同步电机的运行特性，进而提高其所用于的电力系统的整体的稳定性，抑制电流谐波调节系统的无功功率。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系统，所述变频器内包括有开关元件，其特征在于，所述开关元件的通断由控制系统进行控制，所述控制系统包括：输入端，用于分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，所述输入端还能够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；虚拟同步电机转换模块，用于按照

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步机的变频器控制系统，所述变频器内包括有开关元件，其特征在于，所述开关元件的通断由控制系统进行控制，所述控制系统包括：输入端，用于分别采样并接收：线电压Vabc和线电流iabc，所述输入端还能够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；虚拟同步电机转换模块，用于按照的公式，根据所述线电流iabc计算输出有功功率Pe并输出，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；所述虚拟同步电机转换模块还用于计算并输出负荷无功功率增量Qe；功频控制器，其用于：首先根据所述线电压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；而后按照输入输出关系PT＝Kf(fN-fT)+PN，计算并获得频率调差系数Kf；最后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；无功/电压控制器，其用于：首先根据所述线电压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；而后获取电压调节系数KV以计算电压调节量EV＝KV(VN-|V|)；随后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；最后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；调制信号输出模块，其连接所述无功/电压控制器的输出端，用于根据所述无功/电压控制器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系统，其特征在于，所述虚拟同步电机转换模块包括电容组件Cpq和滤波器，用于对所述线电流iabc滤波以供计算所述输出有功功率Pe或输出负荷无功功率增量Qe。3.如权利要求1所述的基于虚拟同步机的变频器控制系统，其特征在于，所述功...

【专利技术属性】
技术研发人员：董伟杰，刘科研，盛万兴，孟晓丽，胡丽娟，何开元，贾东梨，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，国网浙江省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11