一种虚拟同步发电机参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种虚拟同步发电机参数设计方法。该发明专利技术首先计算虚拟同步发电机数字控制的延时时间，根据控制环开环传递函数及广义奈氏稳定判据得出基于稳定裕度的LC谐振频率稳定域，并采用基于加权几何平均值的方法计算出谐振频率大小；对于外环参数采用了基于下垂系数与阻尼系数独立控制的方法来独立设计两者参数，并结合电力电子变换控制灵活，动态响应快及同步发电机自下垂，惯量大等优势，提出了一种准同步发电机外环参数设计方法。该发明专利技术省略了繁琐的反复试凑步骤，计算方法简单直观。

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟同步发电机参数设计方法
本专利技术涉及一种虚拟同步发电机参数设计方法，尤其是一种基于准同步发电机特性的参数设计方法。
技术介绍
在虚拟同步发电机控制中，虚拟同步发电机(VirtualSynchronousGenerator-VSG)技术以其并离网通用的电压源控制方式，显示出优良的控制性能。基于VSG的虚拟同步发电机几个关键的控制目标为：(1)并网运行时可以向电网提供虚拟惯量、虚拟阻尼、虚拟阻抗以及下垂特性以支撑电网频率和电压变化，维持大电网稳定性，并保持虚拟同步发电机之间的均流特性；(2)离网运行时，需要向负载提供较高的电能质量。另外VSG需要运行在并网和孤岛两种模式下，当发生模式转换时，VSG应具有无缝切换能力。电力电子变换器具有控制灵活，响应速度快等优点，然而惯性较小；而同步发电机具有自下垂，惯量大和过载能力强等优点，但响应速度较慢，延时较大。为使得电力电子变换器在保持自身优点的基础上，具有同步发电机的特性，不仅需要进一步改善虚拟同步发电机的控制性能，也要进一步优化虚拟同步发电机参数设计方法。针对虚拟同步发电机参数设计问题，国内外的专家学者们提出了一些方法，主要有：题为“ASelf-AdaptiveInertiaandDampingCombinationControlofVSGtoSupportFrequencyStability”,D.Li,Q.Zhu,S.Lin,andX.Y.Bian,《IEEETransactionsonEnergyConversion》2017.32(1),397-398(“一种提高频率稳定性的VSG自适应虚拟阻尼和惯量联合控制”，《IEEE能源变换专辑》，2017年第32卷第1期397～398页)的文章。该文提出了一种自适应虚拟阻尼和惯量交错控制方法，可以提高频率稳定性。然而虚拟阻尼不但影响系统动态过程的频率稳定性，还影响稳态时有功功率和频率之间的下垂特性，两者之间控制不独立,参数无法独立调节。题为“虚拟同步发电机及其在微电网中的应用”，《中国电机工程学报》，2014年第16期2591～2603页的文章。该文提出了一种基于同步发电机组特性的VSG参数设计方法，定量分析了系统模型参数摄动对并网功率跟踪的影响，并详细分析了惯性和阻尼参数的整定方法，但需要对参数进行调整试凑得到最终优化结果。题为“Modeling,analysis,anddesignofafrequency-droop-basedvirtualsynchronousgeneratorformicrogridapplications”,Y.Du,J.M.Guerrero,L.Chang,J.Su,andM.Mao,《IEEEEcceAsiaDownunder》，2017:643-649(“微电网应用中基于频率下垂的虚拟同步发电机的建模、分析和设计”，2017年IEEE能量转换亚洲会议和博览会论文集643～649页)的文章。该文提出了一种采用根轨迹设计VSG闭环参数的方法，但要得到最终优化结果需对参数进行反复调整试凑。题为“Small-SignalModelingandParametersDesignforVirtualSynchronousGenerators”,H.Wu,X.Ruan,D.Yang,X.Chen,W.Zhao,Z.Lv,etal.,《IEEETransactionsonIndustrialElectronics》2016.63(7),4292-4303(“虚拟同步发电机的小信号模型及参数设计”，《IEEE工业电子技术专辑》，2016年第63卷第7期4292～4303页)的文章。该文提出了一种有功和无功功率外环参数解耦的设计方法，提出的方法可快速准确地得到设计参数而无需反复试凑，但是模拟同步发电机的虚拟转动惯量较大且牺牲了虚拟同步发电机的动态响应。总之，现有虚拟同步发电机参数设计方法下垂系数与阻尼系数不能独立设计与调节，很难同时兼顾功率均流特性与阻尼特性，且模拟同步发电机参数的参数设计方法不利于发挥电力电子变换器控制灵活快速的优点，同时对于虚拟同步发电机的交流侧滤波器参数在数字控制延时下的特性鲜有论述，设计方法复杂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对前述问题，提供一种虚拟同步发电机参数设计方法。为解决本专利技术的技术问题，所采用的技术方案为：一种虚拟同步发电机参数设计方法，主要步骤如下：步骤1，先计算虚拟同步发电机数字控制系统的采样，调制，加载过程中产生的总延时时间td，然后求出虚拟同步发电机LC滤波器的桥臂侧电感L1；总延时时间td的计算式为：td＝λTs桥臂侧电感L1的计算式为：其中，λ为延时时间系数，Ts为虚拟同步发电机电流采样时间，Udc为虚拟同步发电机直流侧电压，ksw为光伏逆变器PWM调制电流纹波系数，为桥臂侧电感电流纹波的最大值，Tsw为虚拟同步发电机开关管的开关周期；步骤2，给出虚拟同步发电机电流控制环的开环传递函数G(s)的表达式；开环传递函数G(s)的表达式为：其中，Gc为电流环控制方程，Kpwm为调制系数，e为自然指数，s为拉普拉斯算子，G1为桥臂输出电压到电流控制变量的传递函数；步骤3，根据步骤2中给出的电流控制环开环传递函数G(s)得到其相位的表达式；其中,为电流环控制方程Gc的相位角，ω为角频率，为G1的相位角；步骤4，根据步骤1中得到的延时时间td，系统相位稳定裕度φm，以及步骤3中电流控制环开环传递函数G(s)的相位给出基于稳定裕度的谐振频率稳定域范围；其中，k为自然数，π为圆周率,f1为桥臂侧电感L1、滤波电容C的谐振频率；fs为虚拟同步发电机采样频率；步骤5，给定期望的控制环控制带宽fb，并与步骤4中的谐振频率稳定域范围进行比较，取与控制带宽fb最近的一个谐振频率稳定域范围对应的自然数k设为并网逆变器谐振频率稳定域选择系数kr，谐振频率稳定域范围与控制带宽fb的差值最小时视为最近，若利用加权几何平均值计算方法求得谐振频率f1的取值：其中，k1为电压双环控制带宽的权重系数，k2为开关频率的权重系数，开方次数K＝k1+k2，若利用加权几何平均值计算方法求得谐振频率f1的取值：其中，步骤6，根据步骤5中得到的谐振频率f1，以及步骤1中得到桥臂侧电感L1联立方程组求得滤波电容C：步骤7，给出虚拟同步发电机功率控制环的控制表达式：θ＝∫ωdtU*＝U0+n(Q0-Q)其中，ω0为给定虚拟同步发电机有功功率指令P0时的额定角频率，m为功角控制下垂系数，P为虚拟同步发电机平均有功功率，J为模拟同步发电机的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子，D1为虚拟同步发电机频率对应的阻尼系数，D2为电网频率对应的阻尼系数，ω为虚拟同步发电机的角频率，对ω积分得到虚拟同步发电机的矢量角θ，U0为给定虚拟同步发电机无功功率指令Q0时的额定输出电容电压，n为无功-电压下垂系数，Q为虚拟同步发电机平均无功功率，U*为虚拟同步发电机端电压，ωg为虚拟同步发电机并网点角频率；步骤8,根据虚拟同步发电机的额定有功功率PN和额定无功功率QN，以及变换器允许的频率波动范围△ω和电压波动范围△U计算可得虚拟同步发电机功率下垂系数为：步骤9，根据步骤7计算有功功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟同步发电机参数设计方法，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，先计算虚拟同步发电机数字控制系统的采样、调制、加载过程中产生的总延时时间td，然后求出虚拟同步发电机LC滤波器的桥臂侧电感L1；总延时时间td的计算式为：td＝λTs桥臂侧电感L1的计算式为：

【技术特征摘要】
1.一种虚拟同步发电机参数设计方法，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，先计算虚拟同步发电机数字控制系统的采样、调制、加载过程中产生的总延时时间td，然后求出虚拟同步发电机LC滤波器的桥臂侧电感L1；总延时时间td的计算式为：td＝λTs桥臂侧电感L1的计算式为：其中，λ为延时时间系数，Ts为虚拟同步发电机电流采样时间，Udc为虚拟同步发电机直流侧电压，ksw为光伏逆变器PWM调制电流纹波系数，为桥臂侧电感电流纹波的最大值，Tsw为虚拟同步发电机开关管的开关周期；步骤2，给出虚拟同步发电机电流控制环的开环传递函数G(s)的表达式；开环传递函数G(s)的表达式为：其中，Gc为电流环控制方程，Kpwm为调制系数，e为自然指数，s为拉普拉斯算子，G1为桥臂输出电压到电流控制变量的传递函数；步骤3，根据步骤2中给出的电流控制环开环传递函数G(s)得到其相位的表达式；其中,为电流环控制方程Gc的相位角，ω为角频率，为G1的相位角；步骤4，根据步骤1中得到的延时时间td，系统相位稳定裕度φm，以及步骤3中电流控制环开环传递函数G(s)的相位给出基于稳定裕度的谐振频率稳定域范围；其中，k为自然数，π为圆周率,f1为桥臂侧电感L1、滤波电容C的谐振频率；fs为虚拟同步发电机采样频率；步骤5，给定期望的控制环控制带宽fb，并与步骤4中的谐振频率稳定域范围进行比较，取与控制带宽fb最近的一个谐振频率稳定域范围对应的自然数k设为并网逆变器谐振频率稳定域选择系数kr，谐振频率稳定域范围与控制带宽fb的差值最小时视为最近，若利用加权几何平均值计算方法求得谐振频率f1的取值：其中，k1为电压双环控制带宽的权重系数，k2为开关频率的权重系数，开方次数K＝k1+k2，若利用加权几何平均值计算方法求得谐振频率f1的取值：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芳，王梦，王付胜，杨淑英，张杰，张兴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34