基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法技术

本发明专利技术公开了分布式发电控制领域中的一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法。该方法对微网逆变器采用虚拟同步发电机的控制策略，将虚拟同步发电机中的下垂系数m、虚拟惯性J和虚拟阻尼D三个控制自由度有机结合起来，实现虚拟同步发电机关键参数的优化配置。该方法既能够充分体现传统同步发电机的惯性优势，又能兼顾逆变器的稳定性和固有的动态性能；同时能够在考虑储能装置功率和容量配置的基础上解决因虚拟惯性引入而带来的输出功率和频率振荡问题，有效提高了微电网运行的稳定性和经济性。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法
本专利技术属于分布式发电控制领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机技术的微电网分布式电源控制方法。
技术介绍
近年来，包含众多分布式电源的微电网正成为国内外研究的热点。微电网中的分布式电源主要有风电、光伏、微型燃气轮机、柴油机等，其中大部分分布式电源均通过逆变器接入微电网，配有储能装置的逆变器已成为微电网可靠运行的核心部件。作为一种新的微网逆变器控制方案，虚拟同步发电机控制策略越来越受到学者的关注。但是，由于基于虚拟同步发电机控制策略的微网逆变器模拟了电力系统一次调频调压以及同步发电机的转子惯性和阻尼特性，与同步发电机类似，在功率调度指令发生变化或者直流侧分布式电源出力发生扰动时，并网或多机并联运行的逆变器输出频率和功率也就会不可避免地引入振荡。但对于逆变器来说，其瞬态抗扰能力和过载能力远不如同步发电机，振荡造成的冲击电流可能导致逆变器保护动作而停机，严重时甚至危及功率器件的安全和微电网的稳定运行。针对上述问题，多个学者做了相关研究，如题为“微电网电源的虚拟惯性频率控制策略”，杜威，姜齐荣，陈蛟瑞，电力系统自动化，2011年第35卷第23期26-31页的文章；该文提出通过优化主电路和控制器的参数来抑制振荡，但是该方案主电路增加的线路阻抗将增大输出电压降落，控制器参数的改变除增加阻尼外也减慢了动态响应。题为“PowerSystemStabilizationUsingVirtualSynchronousGeneratorwithAlternatingMomentofInertia”，JaberAlipoor,YushiMiura,Toshifumi，《IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics》，2014.3(2):451-458(“基于虚拟同步发电机交替变化惯量的电力系统稳定性研究”，《IEEE期刊—电力电子技术中新兴和选定主题》，2014年第3卷第2期451-458页)和“Distributedgenerationgridintegrationusingvirtualsynchronousgeneratorwithadaptivevirtualinertia”，AlipoorJ,MiuraY,IseT，《IEEEEnergyConversionCongressandExposition(ECCE)》,2013:4546–4552(“基于虚拟同步发电机自适应虚拟惯性的分布式发电并网研究”，2013年IEEE能量转换国际会议和博览会(ECCE)论文集4546-4552页)的文章；分别提出了一种交替变化虚拟惯性和自适应虚拟惯性的虚拟同步发电机控制策略，通过灵活改变同步发电机模型中的参数来抑制这种振荡，但由于虚拟惯性的取值采用Bang-Bang控制，在稳态运行时虚拟惯性的频繁变化造成了功率的抖动，而且当中负虚拟惯性时存在稳定性的问题。另外，虚拟同步发电机的具体实现离不开分布式电源、储能装置和逆变器。但现有关于虚拟同步发电机的研究，都假定配置的储能单元容量足够大且控制策略仅针对逆变器本身，还没有研究在考虑分布式电源和储能装置的基础上对微网逆变器的协调控制进行深入研究。综上所述，现有的技术主要存在如下的不足：1、抑制逆变器输出功率和频率振荡时牺牲了逆变器的稳定性和固有的良好动态性能；2、对于虚拟同步发电机的关键参数并未综合考虑协调控制；3、没有考虑储能装置功率和容量，在实际应用中存在一定的局限性。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，该方法用于微网逆变器以达到模拟同步发电机的惯性并兼顾自身的动态性能，抑制逆变器输出功率和频率的振荡以及储能装置功率和能量合理配置的目的。本专利技术的目的是这样实现的。本专利技术提供了一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，主要步骤如下：步骤1，采集一个开关周期内的电网电压ea、eb、ec，微网逆变器的输出电容电压uoa、uob、uoc，桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc和输出电流ioa、iob、ioc，经过同步旋转坐标变换得到微网逆变器的输出电容电压的dq分量uod、uoq，桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq和输出电流的dq分量iod、ioq；步骤2，根据步骤1中得到的电网电压ea、eb、ec，经过锁相环得到电网角频率ωg；步骤3，根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量uod、uoq和输出电流的dq分量iod、ioq，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；所述的功率计算模块包括有功功率计算方程和无功功率计算方程；所述有功功率计算方程：所述无功功率计算方程：其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、微网逆变器给定的有功功率指令Pref、微网逆变器给定的角频率指令ωref及最优虚拟惯性模块计算得到的最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D，经过有功-频率控制模块得到微网逆变器的角频率ωm，对该角频率ωm积分得到虚拟同步机的矢量角θ*；所述的最优虚拟惯性控制模块包括角频率偏差Δωm的计算、微网逆变器输出角频率变化率的计算、最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D的计算；所述的有功-频率控制模块包括虚拟同步发电机调速器方程和虚拟同步发电机转子运动方程；所述角频率偏差Δωm的计算公式为：Δωm＝ωm0-ωg0，其中，ωm0为上一开关周期微网逆变器输出角频率；ωg0为上一开关周期电网角频率；所述微网逆变器输出角频率变化率的计算公式为：其中Δt为开关周期；所述最优虚拟惯性J的计算采用线性二次型最优控制策略，包括线性二次型性能指标的确定和加权矩阵的确定；所述线性二次型性能指标I的表达式为：其中H和R为加权矩阵，取加权矩阵H＝1，R＝m2；所述虚拟阻尼D的计算公式为：其中，U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗；所述虚拟同步发电机调速器方程为：其中，m为有功-频率下垂系数，Pm为机械功率；所述虚拟同步发电机转子运动方程为：步骤5，根据步骤3中得到的无功功率Q和微网逆变器给定的无功功率指令Qref、微网逆变器给定的电压指令Uref，经过无功-电压控制模块得到虚拟同步机的端电压U*；所述的无功-电压控制模块包括虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程，所述虚拟同步发电机无功-电压下垂控制方程为：U*＝Uref+n(Qref-Q)，其中，n为无功-电压下垂系数。步骤6，根据步骤5中得到的端电压U*和步骤1中得到的输出电容电压的dq分量uod、uoq，通过电压控制器得到电容电流指令信号再根据电容电流指令信号和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq和输出电流的dq分量iod、ioq，通过电流控制器得到控制信号ud、uq；所述的电压控制器为：其中，Kup为电压控制器的比例控制系数，Kui为电压控制器的积分控制系数，s为拉普拉斯算子。所述的电流控制器为：其中，Kip为电流控制器的比例控制系数，s为拉普拉斯算子。步骤7，根据步骤6中的控制信号ud、uq和步骤4中得到的矢量角θ*，经过同步旋转坐标反变换得到调制波信号ua、ub、uc，再根据空间矢量脉宽调制算法，生成PWM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最优虚拟惯性控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，采集一个开关周期内的电网电压ea、eb、ec，微网逆变器的输出电容电压uoa、uob、uoc，桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc和输出电流ioa、iob、ioc，经过同步旋转坐标变换得到微网逆变器的输出电容电压的dq分量uod、uoq，桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq和输出电流的dq分量iod、ioq；步骤2，根据步骤1中得到的电网电压ea、eb、ec，经过锁相环得到电网角频率ωg；步骤3，根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量uod、uoq和输出电流的dq分量iod、ioq，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、微网逆变器给定的有功功率指令Pref、微网逆变器给定的角频率指令ωref及最优虚拟惯性模块计算得到的最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D，经过有功‑频率控制模块得到微网逆变器角频率ωm，对该角频率ωm积分得到虚拟同步机的矢量角θ*：步骤5，根据步骤3中得到的无功功率Q和微网逆变器给定的无功功率指令Qref、微网逆变器给定的电压指令Uref，经过无功‑电压控制模块得到虚拟同步机的端电压U*；步骤6，根据步骤5中得到的端电压U*和步骤1中得到的输出电容电压的dq分量uod、uoq，通过电压控制器得到电容电流指令信号再根据电容电流指令信号和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq和输出电流的dq分量iod、ioq，通过电流控制器得到控制信号ud、uq；步骤7，根据步骤6中的控制信号ud、uq和步骤4中得到的矢量角θ*，经过同步旋转坐标反变换得到调制波信号ua、ub、uc，再根据空间矢量脉宽调制算法，生成PWM控制信号驱动逆变桥开关管Sk(k＝1，2，...，6)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步发电机的最优虚拟惯性控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，采集一个开关周期内的电网电压ea、eb、ec，微网逆变器的输出电容电压uoa、uob、uoc，桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc和输出电流ioa、iob、ioc，经过同步旋转坐标变换得到微网逆变器的输出电容电压的dq分量uod、uoq，桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq和输出电流的dq分量iod、ioq；步骤2，根据步骤1中得到的电网电压ea、eb、ec，经过锁相环得到电网角频率ωg；步骤3，根据步骤1中得到的输出电容电压的dq分量uod、uoq和输出电流的dq分量iod、ioq，经过功率计算模块得到有功功率P和无功功率Q；步骤4，根据步骤3中得到的有功功率P、微网逆变器给定的有功功率指令Pref、微网逆变器给定的角频率指令ωref及最优虚拟惯性模块计算得到的最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D，经过有功-频率控制模块得到微网逆变器角频率ωm，对该角频率ωm积分得到虚拟同步机的矢量角θ*；所述最优虚拟惯性模块包括角频率偏差Δωm的计算、微网逆变器输出角频率变化率的计算、最优虚拟惯性J和虚拟阻尼D的计算；所述的有功-频率控制模块包括虚拟同步发电机调速器方程和虚拟同步发电机转子运动方程；1)所述角频率偏差Δωm的计算公式为：Δωm＝ωm0-ωg0，其中，ωm0为上一开关周期微网逆变器输出角频率；ωg0为上一开关周期电网角频率；2)所述微网逆变器输出角频率变化率的计算公式为：其中Δt为开关周期；3)所述最优虚拟惯性J的计算采用线性二次型最优控制策略，线性二次型最优控制策略包括线性二次型性能指标I的确定和加权矩阵的确定；线性二次型性能指标I的表达式为：其中，ΔP为有功功率的变化量，H和R为加权矩阵；设加权矩阵H＝1，R＝m2，并令线性二次型性能指标I取极小值，对应的最优虚拟惯性其中的U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗；4)所述的虚拟阻尼D的计算公式为：其中，U为逆变器输出相电压有效值，E为电网相电压有效值，X为逆变器的等效输出阻抗；5)所述虚拟同步发电机调速器方程为：其中，m为有功-频率下垂系数，Pm为机械功率；6)所述虚拟同步发电机转子运动方程为：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，毛福斌，刘芳，徐海珍，石荣亮，胡超，李文超，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34