无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法技术

本发明专利技术涉及一种储能系统与电网接口的并网逆变器控制方法，特别是一种无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法，其要点在于，在并网前采集电网三相电压和虚拟同步机输出三相电压，根据3/2坐标变换式，获得在αβ坐标系下相位差的正弦值和电压幅值差ΔU，然后送入PI控制器，在控制稳定时输入稳态误差为0，即sinΔθ与ΔU为0，此时虚拟同步机输出电压具有与电网电压一致的电压幅值与相位，闭合并网开关，完成虚拟同步机的并网切换。本发明专利技术的优点在于：能够有效避免相位差符号跳变对PI控制器控制过程的影响，省去了锁相环的设计，简化了预同步控制过程，提高了控制精度和控制速度。

Pre synchronization control method of virtual synchronous machine without PLL

【技术实现步骤摘要】
无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法
本专利技术涉及一种储能系统与电网接口的并网逆变器控制方法，特别是一种无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法。
技术介绍
分布式储能系统主要通过并网逆变器接入电网，随着储能系统总容量的不断增长，大量的并网逆变器对电网的稳定运行造成影响，传统逆变器的控制方式主要有恒功率控制(PQ控制)、恒压恒频控制(VF控制)、下垂控制(droop控制)等方式。其中，下垂控制首次模拟了同步发电机的一些外特性，使得并网逆变器能够参与到电力系统的一次调频、一次调压过程。在此条件下，虚拟同步机能够模拟同步发电机的转动惯量和下垂特性，根据电网电压的频率与幅值的变化调整自身输出的有功功率和无功功率，具有对电网提供电压和频率支撑的优势。在实际运用中，若并网瞬间，虚拟同步机输出电压与电网电压具有不同的幅值与相位，将产生很大的功率冲击，因此在并网前需要进行预同步控制。传统预同步控制方式是通过锁相环获得虚拟同步机输出电压与电网电压的相位差Δθ与电压幅值差ΔU，然后经相位预同步控制与电压幅值预同步控制实现并网前虚拟同步机具有与电网一致的电压幅值U与相位θ，从而避免并网瞬间的功率冲击。然而由于电压相位为0-2π范围变化的量，当某一电压相位达到2π时将阶跃至0，因此传统锁相环获得的相位差Δθ的值存在不断跳变的过程，若将该相位差送入PI环节，则会对PI控制器的控制精度与时长造成影响，导致控制精度不足，控制时间较长等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种提高控制精度、提升控制速度的无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法。本专利技术所述目的是通过以下途径来实现的：无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法，其要点在于，包括如下步骤：1)虚拟同步机在并网前带本地有功负载运行，并采集电网三相电压upA、upB、upC以及虚拟同步机输出三相电压uoA、uoB、uoC，设三相电压对称，则：upA+upB+upC＝0uoA+uoB+uoC＝02)根据3/2坐标变换式，获得在αβ坐标系下虚拟同步机输出电压的αβ轴分量与电网电压的αβ轴分量的表达式为：虚拟同步机输出电压的α轴分量uoα：uoα＝Uomcosθo虚拟同步机输出电压的β轴分量uoβ：uoβ＝Uomsinθo电网电压的α轴分量upα：upα＝Upmcosθp电网电压的β轴分量upβ：upβ＝Upmsinθp式中Upm为电网电压幅值，Uom为虚拟同步机输出电压幅值，θ0为虚拟同步机输出电压的相位，θp为电网电压的相位；进一步可得：Upm＝upα2+upβ2Uom＝uoα2+uoβ2ΔU＝Upm-Uom3)提供PI控制器，将上述相位差的正弦值sinΔθ和电压幅值差ΔU送入PI控制器，并且将PI控制器的输出误差信号叠加至功频控制器的频率给定值与励磁控制器的电压给定值上进行闭环控制，在控制稳定时输入稳态误差为0，即sinΔθ与ΔU为0，此时虚拟同步机输出电压具有与电网电压一致的电压幅值与相位，闭合并网开关，完成虚拟同步机的并网切换。本专利技术是基于如下分析：传统锁相环获得的相位差Δθ的值存在不断跳变的过程，但是当Δθ很小时有sinΔθ≈Δθ，且sin(Δθ±2kπ)＝sinΔθ，其中k＝0,1,2,3...，所以sinΔθ不存在跳变过程，始终为一条连续的曲线，且在过零点附近与Δθ大小相近，可近似为斜坡信号。因此本专利技术采用sinΔθ代替相位差Δθ送入PI环节进行相位预同步控制，可以避免相位差符号跳变对PI控制器控制过程的影响，且相位差的正弦值sinΔθ与电压幅值差ΔU是通过在αβ坐标系下直接算出，省去了锁相环的设计，简化了预同步控制过程，提高了控制精度和控制速度。附图说明图1为本专利技术所述的虚拟同步机的主电路拓扑结构示意图。图2为本专利技术所述的虚拟同步机的功频控制器结构示意图。图3为本专利技术所述的虚拟同步机的励磁控制器结构示意图。图4为本专利技术所述相位差Δθ的波形图。图5为本专利技术所述相位差Δθ的正弦值sinΔθ的波形图。图6为预同步过程虚拟同步机输出A相电压与电网A相电压的matlab仿真波形。图7为相位差的正弦值sinΔθ在预同步过程中的matlab仿真波形。下面结合实施例对本专利技术做进一步描述。具体实施方式最佳实施例：参照附图1，本专利技术以12KW并网虚拟同步机为对象进行描述。下面参照附图对本专利技术的实施方式予以详细说明，如图1所示，虚拟同步机并网前带本地有功负载运行，其输出电压频率由图2所示的功频控制器决定，其具体方程为：Pref-Pm＝-Kp(ωref-ω)式中Pref为有功功率指令，Pm为虚拟机械功率，ωref为电压角频率指令，Kp为有功下垂系数，ω为虚拟同步机输出电压频率，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼系数，ωN为额定角频率。输出电压幅值由图3所示的励磁控制器决定，其具体控制方程为：Em为三相调制波幅值，Qref为无功功率指令，Qe为实际输出无功功率，Kq为无功下垂系数，UN为额定输出电压幅值，Uom为虚拟同步机输出电压幅值，Mf为虚拟互感值，用以模拟同步电机定子绕组与转子绕组的互感值。在上述基础上，无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法，包括如下步骤：1)虚拟同步机在并网前带本地有功负载运行，并采集电网三相电压upA、upB、upC以及虚拟同步机输出三相电压uoA、uoB、uoC，设三相电压对称，则：upA+upB+upC＝0uoA+uoB+uoC＝02)根据3/2坐标变换式：获得在αβ坐标系下虚拟同步机输出电压的αβ轴分量与电网电压的αβ轴分量的表达式分别为：uoα＝Uomcosθo；uoβ＝Uomsinθoupα＝Upmcosθp；upβ＝Upmsinθp式中Upm为电网电压幅值，Uom为虚拟同步机输出电压幅值，θ0为虚拟同步机输出电压的相位，θp为电网电压的相位；进一步可得：Upm＝upα2+upβ2；Uom＝uoα2+uoβ2由此：ΔU＝Upm-Uom3)提供PI控制器，将上述相位差的正弦值sinΔθ和电压幅值差ΔU送入PI控制器，并且将PI控制器的输出误差信号叠加至功频控制器的频率给定值与励磁控制器的电压给定值上进行闭环控制，在控制稳定时输入稳态误差为0，即sinΔθ与ΔU为0，此时虚拟同步机输出电压具有与电网电压一致的电压幅值与相位，闭合并网开关，完成虚拟同步机的并网切换。由于传统锁相环获得的相位差Δθ的值存在不断跳变的过程，如附图4所示，而当Δθ很小时有sinΔθ≈Δθ，sinΔθ不存在跳变过程，始终为一条连续的曲线，如附图5所示，因此采用αβ坐标系下获得的sinΔθ代替相位差Δθ送入PI环节进行相位预同步控制，可避免由于相位差Δθ符号跳变过程对预同步控制过程的影响，省去了锁相环的设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)虚拟同步机在并网前带本地有功负载运行，并采集电网三相电压u

【技术特征摘要】
1.无锁相环的虚拟同步机预同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)虚拟同步机在并网前带本地有功负载运行，并采集电网三相电压upA、upB、upC以及虚拟同步机输出三相电压uoA、uoB、uoC，设三相电压对称，则：
upA+upB+upC＝0
uoA+uoB+uoC＝0
2)根据3/2坐标变换式，获得在αβ坐标系下虚拟同步机输出电压的αβ轴分量与电网电压的αβ轴分量的表达式为：
虚拟同步机输出电压的α轴分量uoα：uoα＝Uomcosθo
虚拟同步机输出电压的β轴分量uoβ：uoβ＝Uomsinθo
电网电压的α轴分量upα：upα＝Upmcosθp
电网电压的β轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旭海，陈佳桥，王怀远，陈恺，周源，谢建华，王金友，叶春，温步瀛，
申请(专利权)人：中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建省闽投配售电有限责任公司，
类型：发明
国别省市：福建;35