一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置。其中，所述方法包括：获取虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；根据输出电压和输出电流计算得到虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及平均有功功率计算得到虚拟同步机的相角；根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及平均无功功率计算得到虚拟同步机的输出电压幅值；根据输出电压幅值、输出电压、电感电流以及输出电流进行电压电流双闭环控制，得到虚拟同步机的控制信号；根据相角和控制信号实现基于虚拟同步机的无频差控制。本发明专利技术能够解决现有的下垂控制中存在的频率偏移问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置
本专利技术涉及微网逆变器的控制领域，具体地，涉及一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置。
技术介绍
微网逆变器有并网和孤网两种工作模式。并网运行时，微网逆变器向主电网提供功率传输；孤网运行时，微网逆变器与其他分布式微源并联组网，为微网系统提供电压和频率支撑。下垂控制作为一种对等控制，无需互联通信线，能实现微网逆变器的并网、孤网操作，并且能够实现各逆变器间的功率分配，是微网逆变器的良好选择。但是，采用下垂控制的微网逆变器不具有传统同步发电机组的旋转惯性。因此，会给微网系统带来一定的动态冲击，并且当微网逆变器的输出功率偏离参考功率时，逆变器的输出频率也偏移给定参考频率。虚拟同步机控制技术可克服传统并网逆变器无惯性给电网带来的冲击，可提升电网接纳可再生能源的能力，在微电网中受到了广泛关注。采用虚拟同步机控制技术的微网逆变器叫做虚拟同步机(Virtualsynchronousgenerator，VSG)。由于虚拟同步机采用传统的有功频率下垂控制，在孤网模式下存在频率偏移。并且，当虚拟同步机的实际输出功率与给定参考功率相差越大，频率偏移越大。图1是现有的虚拟同步机采用有功频率下垂控制的示意图。如图1所示，其特点是通过在控制上模拟同步发电机的转子运动方程，使虚拟同步机获得类似同步发电机的频率惯性。根据图1可得虚拟同步机的有功频率控制方程为：[(ωref-ωg)/Dp+Pref-Pavg-Kd(ω-ωg)]/(2Hs)＝ω(1)式中，H表示虚拟惯性时间常数，ωref、ωg、ω分别表示参考角频率、公共母线角频率和虚拟同步机的输出角频率，Pref、Pavg分别表示有功功率参考值和经一阶滤波后的平均有功功率，Kd表示阻尼系数，Dp表示频率下垂系数，s表示拉普拉斯变换的复变量。当虚拟同步机工作在并网模式时，无需虚拟同步机进行调频，(ωref-ωg)/Dp＝0，调频控制器失效，阻尼模块保证虚拟同步机频率跟踪主电网频率。当虚拟同步机工作在孤网模式时，Kd(ω-ωg)＝0，阻尼模块失效，频率动态由调频控制器决定得到(ωref-ω)/Dp＝Pref-Pavg(2)由式(2)可知，孤网模式下，采用传统的有功频率下垂控制，会产生频率偏移。图2是现有的虚拟同步机采用有功频率下垂控制的曲线图。如图2所示，Δω、ωmin和Pmax分别表示相对于参考频率ωref的频率偏移、允许的最小输出角频率和与最小输出角频率对应的最大输出有功功率。由图2可知，当功率偏移越大，逆变器输出频率偏移也越大，并且频率偏移与下垂系数Dp有关。此外，由式(1)(2)可知，在并网和孤网两种不同的工况下，有功频率控制器是不同的，这不利于虚拟同步机实现无缝切换。虚拟同步机的输出频率偏移会对微网系统产生不利影响。一方面，将会导致微网系统微源间的频率交互，这将会影响微源的控制效果，同时也会对微网系统的电能质量产生影响，使系统产生更多的谐波。另一方面，将会对接入微网系统中的负载产生不利影响，严重情况可能导致负载不能正常工作。为此，人们做了各种研究。如题为“微网逆变器并联运行的改进下垂控制策略”(姚骏，杜红彪，周特，等.电网技术，2015年，第39卷，第4期，第932-938页)的文章。文章提出了一种改进的下垂控制方法，即在下垂方程中增加积分和微分环节来修改下垂曲线，但这增加了系统的控制难度，同时也无法消除频差；题为“高压微网运行模式切换控制策略”(张明锐，杜志超，王少波，等.电工技术学报，2014年，第38卷第2期，第153-162页)的文章。文章提出用角度下垂代替频率下垂，能消除频差，但多逆变器并联时，需要一个公共频率参考，因此，需额外增加通信模块；题为“一种模式自适应的微网调频控制方法”(杜燕，苏建徽，张榴晨，等.中国电机工程学报，2013年，第33卷，第19期，第67-75页)的文章。文章提出在有功功率环中引进频率阻尼项，开环补偿孤网时产生的频率偏移，但仍然无法完全消除频率偏移。综上所述，现有技术均未解决虚拟同步机下垂控制中存在的输出频率偏移问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置。其中，所述方法能够实现无频差控制，解决了现有的下垂控制中存在的输出频率偏移问题。另一方面，该方法适用于并网和孤网两种不同的工况，能够实现虚拟同步机的多模式控制。为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于虚拟同步机的无频差控制方法。所述方法包括：获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。可选地，所述获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流，包括：采集所述虚拟同步机在第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；根据所述相角将所述第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。可选地，所述根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率，包括：根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：其中，Pavg表示所述平均有功功率，uod、uoq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，iod、ioq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Qavg表示所述平均无功功率。可选地，所述根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角，包括：根据以下公式三和公式四计算得到所述虚拟同步机的相角：θ＝ω/s公式四其中，Pavg表示所述平均有功功率，Pref表示预设的有功功率参考值，ω0表示预设的空载时角频率参考值，Kω、Kp、Ki分别表示与所述虚拟同步机的稳定性能和动态性能相关的系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，θ表示所述虚拟同步机的相角。可选地，所述根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值，包括：根据以下公式五计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值：E＝Eset-KmQavg公式五其中，Qavg表示所述平均无功功率，Km表示无功电压下垂控制系数，Eset表示预设的空载时输出电压幅值参考值，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值。可选地，所述根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号，包括：根据以下公式六和公式七计算得到所述虚拟同步机的控制信号：ud＝[(E-uod)(Kp_v+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流，包括：采集所述虚拟同步机在三相静止坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；根据所述相角将所述三相静止坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在两相同步旋转坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率，包括：根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：其中，Pavg表示所述平均有功功率，uod、uoq分别表示所述虚拟同步机在两相同步旋转坐标系下的输出电压分量，iod、ioq分别表示所述虚拟同步机在两相同步旋转坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Qavg表示所述平均无功功率。4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角，包括：根据以下公式三和公式四计算得到所述虚拟同步机的相角：θ＝ω/s公式四其中，Pavg表示所述平均有功功率，Pref表示预设的有功功率参考值，ω0表示预设的空载时角频率参考值，Kω、Kp、Ki分别表示与所述虚拟同步机的稳定性能和动态性能相关的系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，θ表示所述虚拟同步机的相角。5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值，包括：根据以下公式五计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值：E＝Eset-KmQavg公式五其中，Qavg表示所述平均无功功率，Km表示无功电压下垂控制系数，Eset表示预设的空载时输出电压幅值参考值，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值。6.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号，包括：根据以下公式六和公式七计算得到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，阳建，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43