CN104638679A - 一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于虚拟同步发电机的自适应调节频率的控制方法，首先建立虚拟同步发电机数学模型，其主电路为三相全桥逆变电路，虚拟同步发电机控制器则实现了对同步发电机数学模型的模拟。其次，建立虚拟同步发电机的频率控制***，将量测到的虚拟同步发电机输出频率与给定频率送入频率控制器中，通过频率控制器调节机械功率，从而改变虚拟同步发电机的输出功率，使得***有功功率平衡及维持频率在正常范围内。最后，根据对***功频曲线的分析，调整频率控制***的结构，使调频系数随负荷变化进行调整，以实现频率控制的自适应调节。本发明提出的控制方法，可以快速响应负荷变化，实现***频率的无差调节。

Description

一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法

技术领域

本发明涉及电机频率控制方法领域，具体是一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法。

背景技术

随着电力需求及高能源效率需求的日益增长，新能源分布式发电并入大电网成为今后电网发展的主要趋势。然而，分布式发电输出大多为直流或功频交流电，需要通过不同形式的电力电子逆变器接入配电网。由于这些逆变器不具备同步发电机的大转动惯量及调频调压特性，给电网稳定性带来了极大的负面影响。因此，研究分布式电源逆变器的控制方法势在必行。

传统逆变器在微网不同运行模式下采用不同的控制方法，且不具备同步发电机的大转动惯量及调频调压特性，总体来说传统逆变器的控制方法不能满足将微网接入大电网的要求。本发明所涉及的虚拟同步发电机借鉴了同步发电机的数学模型与调速器控制策略，使电力电子逆变器具有了大转动惯量、频率-有功下垂特性及同步运行特性，使其可以作为各种新能源发电接入配电网的统一接口。然而，当虚拟同步发电机采用调速器调频时，工作机制与电力***一次调频过程基本相同，为有差调节；另外，当采用分散式二次调频时，调频***中PI调节器的参数选取困难，且***负荷变化较大时可能产生严重的超调问题。

综上所述，现有的虚拟同步发电机的频率控制方法均存在一定不足，无法满足微网负荷变化时频率调节的要求，有必要提出一种新的适用于微网***的虚拟同步发电机频率控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法，以快速实现频率的无差调节，提高发电***运行的稳定性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、建立虚拟同步发电机数学模型：

(1-1)、虚拟同步发电机主电路设计为三相全桥逆变电路，用直流侧电压V_DC模拟同步发电机的原动机部分，用逆变器输出端A、B、C相的电压e_a、e_b、e_c模拟同步发电机的感应电动势，用虚拟同步发电机端电压u_a、u_b、u_c模拟同步发电机定子输出端电压，将测量得出虚拟同步发电机的端电压、电流送入虚拟同步发电机控制器，根据其数学模型计算出逆变器的控制信号，然后将该信号转换为驱动逆变器的PWM信号，以控制逆变器中各个IGBT的导通与关断，从而改变虚拟同步发电机的输出电压和频率；

(1-2)、模拟同步发电机定子电压方程及转子运动方程，得出虚拟同步发电机控制器数学模型，为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{.}{U}=\stackrel{.}{E}-\stackrel{.}{I}(r_a+{\mathrm{jx}}_d)\\ \frac{P_m}{\mathrm{\ω}}-\frac{P_e}{\mathrm{\ω}}-D\·\mathrm{\Δ\ω}=J\frac{\mathrm{d\Δ\ω}}{\mathrm{dt}}\\ \mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.;$

式中，P_m和P_e分别为VSG的机械功率和电磁功率；△ω＝ω-ω_n为电角速度差，J和D分别代表转动惯量和阻尼系数，为励磁电动势，和分别表示定子侧电压和电流，r_a为电枢电阻，x_d为同步电抗；

(2)建立虚拟同步发电机的频率控制***：由步骤(1-2)可知虚拟同步发电机的数学模型已包含转子运动方程及定子电压方程，虚拟同步发电机控制器的输入输出与同步发电机相同，所以可以通过模拟同步发电机调速器的控制原理建立虚拟同步发电机的频率控制器；

其控制过程为：负荷功率变化时，虚拟同步发电机输出的频率会发生变化，将量测到的虚拟同步发电机输出频率与给定频率送入频率控制器中，通过频率控制器调节机械功率，从而改变虚拟同步发电机的输出功率，使得***有功功率平衡及维持频率在正常范围内；

频率控制器将虚拟同步发电机输出频率f与给定频率f_ref的偏差送入比例系数为k_w的比例调节器中，将其输出与给定有功相加作为调节后的机械功率P_m，控制方程为：

(f_ref-f)k_ω+P_ref＝P_m；

由上式可以看出，当负荷功率与参考功率不等时，频率差一直存在，即使改变调频系数，也只能改变世界频率与参考频率差值的大小，而不能使其差为零；

(3)、实现频率控制的自适应调节：根据对***功频曲线的分析，调整频率控制***的结构，使调频系数随负荷变化进行调整；

初始状态时，***稳定在运行点A，当负荷增加时***频率下降，经步骤(2)中的调节后稳定在运行点B，为有差调节。功频曲线1的斜率方程在步骤(2)中写为：

$\frac{1}{k_{\mathrm{\ω}}}=\frac{f_0-f_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}-0};$

采用自适应调节的频率控制就是在调节过程中保持输出有功等于负荷有功，从而维持实际频率实时跟踪参考频率，采用自适应调节的斜率方程表示为：

$\frac{1}{k_{\mathrm{\ω}}^{\′}}=\frac{f_0-f_{\mathrm{ref}}}{P_m-0};$

得出自适应调节的斜率与初始斜率的关系为：

$k_{\mathrm{\ω}}^{\′}=\frac{p_e}{P_m}{k}_{\mathrm{\ω}};$

因此，将采用自适应调节的频率控制方程表示为：

(f₀-f)k'_ω＝P_m；

采用自适应调节后，当负荷增大时，虚拟同步发电机输出功率开始增加，调频系数开始增大，功频曲线1向曲线2移动，***将在输出功率与负荷功率相等时稳定在运行点C，并保证***频率维持在参考频率。

本发明提出的自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法，其优点是：

本发明提出了同时考虑同步发电机及逆变器控制策略的思路，具备同步发电机大转动惯量及调频调压特性，还具备逆变器平滑无差控制的特性，解决现有方法在参数选取困难、调节效果较差等方面的不足。通过对***功频曲线的分析，调整频率控制***的结构，使调频系数随负荷变化进行调整，可以保持输出有功等于负荷有功，并维持实际频率实时跟踪参考频率，达到了快速响应负荷变化对频率进行无差调节的要求。

综上所述，本发明提出的用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法，可以实现***频率快速平滑的无差调节，而且能够维持***安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明提出的虚拟同步发电机的原理示意图。

图2为本发明提出的虚拟同步发电机控制器具体结构示意图。

图3为本发明提出的虚拟同步发电机的频率控制框图。

图4为本发明提出的自适应调节的功频曲线。

图5为本发明提出的自适应调节控制框图。

具体实施方式

本发明提出的水电和储能平抑风光功率波动的控制方法，包括如下步骤：

(1)、建立虚拟同步发电机数学模型。本发明所涉及的虚拟同步发电机原理示意图如附图1所示。

(1-1)、虚拟同步发电机主电路设计为三相全桥逆变电路。用直流侧电压V_DC模拟同步发电机的原动机部分；用逆变器输出端A、B、C相的电压e_a、e_b、e_c模拟同步发电机的感应电动势；用虚拟同步发电机端电压u_a、u_b、u_c模拟同步发电机定子输出端电压。将测量得出虚拟同步发电机的端电压、电流送入虚拟同步发电机控制器，根据其数学模型计算出逆变器的控制信号，然后将该信号转换为驱动逆变器的PWM信号，以控制逆变器中各个IGBT的导通与关断，从而改变虚拟同步发电机的输出电压和频率。

(1-2)、虚拟同步发电机控制器具体结构如附图2所示。模拟同步发电机定子电压方程及转子运动方程，得出虚拟同步发电机控制器数学模型，为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{.}{U}=\stackrel{.}{E}-\stackrel{.}{I}(r_a+{\mathrm{jx}}_d)\\ \frac{P_m-P_e}{\mathrm{\ω}}-\mathrm{D\Δ\ω}=J\frac{\mathrm{d\Δ\ω}}{\mathrm{dt}}\\ \mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

式中，P_m和P_e分别为VSG的机械功率和电磁功率；△ω＝ω-ω_n为电角速度差，J和D分别代表转动惯量和阻尼系数，为励磁电动势，和分别表示定子侧电压和电流，r_a为电枢电阻，x_d为同步电抗。虚拟同步发电机控制器框图如附图3所示。

(2)、建立虚拟同步发电机的频率控制***。由步骤(1-2)可知虚拟同步发电机的数学模型已包含转子运动方程及定子电压方程，虚拟同步发电机控制器的输入输出与同步发电机相同，所以可以通过模拟同步发电机调速器的控制原理建立虚拟同步发电机的频率控制器。

其控制过程为：负荷功率变化时，虚拟同步发电机输出的频率会发生变化，将量测到的虚拟同步发电机输出频率与给定频率送入频率控制器中，通过频率控制器调节机械功率，从而改变虚拟同步发电机的输出功率，使得***有功功率平衡及维持频率在正常范围内。

虚拟同步发电机的频率控制框图如附图3所示。频率控制器将虚拟同步发电机输出频率f与给定频率f_ref的偏差送入比例系数为k_w的比例调节器中，将其输出与给定有功相加作为调节后的机械功率P_m，控制方程为：

(f_ref-f)k_ω+P_ref＝P_m

由上式可以看出，当负荷功率与参考功率不等时，频率差一直存在。即使改变调频系数，也只能改变世界频率与参考频率差值的大小，而不能使其差为零。

(3)、实现频率控制的自适应调节。根据对***功频曲线的分析，调整频率控制***的结构，使调频系数随负荷变化进行调整。附图4为应用自适应调节的功频曲线。

初始状态时，***稳定在运行点A，当负荷增加时***频率下降，经步骤(2)中的调节后稳定在运行点B，为有差调节。功频曲线1的斜率方程在步骤2中写为：

$\frac{1}{k_{\mathrm{\ω}}}=\frac{f_0-f_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}-0}$

采用自适应调节的频率控制就是在调节过程中保持输出有功等于负荷有功，从而维持实际频率实时跟踪参考频率。采用自适应调节的斜率方程表示为：

$\frac{1}{k_{\mathrm{\ω}}^{\′}}=\frac{f_0-f_{\mathrm{ref}}}{P_m-0}$

得出自适应调节的斜率与初始斜率的关系为：

$k_{\mathrm{\ω}}^{\′}=\frac{p_e}{P_m}{k}_{\mathrm{\ω}}$

因此，将采用自适应调节的频率控制方程表示为：

(f₀-f)k'_ω＝P_m

采用自适应调节后，当负荷增大时，虚拟同步发电机输出功率开始增加，调频系数开始增大，功频曲线1向曲线2移动，***将在输出功率与负荷功率相等时稳定在运行点C，并保证***频率维持在参考频率。相应的采用自适应调节的控制框图如附图5所示。

Claims (1)

1.一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、建立虚拟同步发电机数学模型：

(1-1)、虚拟同步发电机主电路设计为三相全桥逆变电路，用直流侧电压V_DC模拟同步发电机的原动机部分，用逆变器输出端A、B、C相的电压e_a、e_b、e_c模拟同步发电机的感应电动势，用虚拟同步发电机端电压u_a、u_b、u_c模拟同步发电机定子输出端电压，将测量得出虚拟同步发电机的端电压、电流送入虚拟同步发电机控制器，根据其数学模型计算出逆变器的控制信号，然后将该信号转换为驱动逆变器的PWM信号，以控制逆变器中各个IGBT的导通与关断，从而改变虚拟同步发电机的输出电压和频率；

(1-2)、模拟同步发电机定子电压方程及转子运动方程，得出虚拟同步发电机控制器数学模型，为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{E}-\stackrel{\·}{I}(r_a+{\mathrm{jx}}_d)\\ \frac{P_m}{\mathrm{\ω}}-\frac{P_e}{\mathrm{\ω}}-D\·\mathrm{\Δ\ω}=J\frac{\mathrm{d\Δ\ω}}{\mathrm{dt}}\\ \mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.;$

式中，P_m和P_e分别为VSG的机械功率和电磁功率；△ω＝ω-ω_n为电角速度差，J和D分别代表转动惯量和阻尼系数，为励磁电动势，和分别表示定子侧电压和电流，r_a为电枢电阻，x_d为同步电抗；

(2)建立虚拟同步发电机的频率控制***：由步骤(1-2)可知虚拟同步发电机的数学模型已包含转子运动方程及定子电压方程，虚拟同步发电机控制器的输入输出与同步发电机相同，所以可以通过模拟同步发电机调速器的控制原理建立虚拟同步发电机的频率控制器；

其控制过程为：负荷功率变化时，虚拟同步发电机输出的频率会发生变化，将量测到的虚拟同步发电机输出频率与给定频率送入频率控制器中，通过频率控制器调节机械功率，从而改变虚拟同步发电机的输出功率，使得***有功功率平衡及维持频率在正常范围内；

频率控制器将虚拟同步发电机输出频率f与给定频率f_ref的偏差送入比例系数为k_w的比例调节器中，将其输出与给定有功相加作为调节后的机械功率P_m，控制方程为：

(f_ref-f)k_ω+P_ref＝P_m；

由上式可以看出，当负荷功率与参考功率不等时，频率差一直存在，即使改变调频系数，也只能改变世界频率与参考频率差值的大小，而不能使其差为零；

(3)、实现频率控制的自适应调节：根据对***功频曲线的分析，调整频率控制***的结构，使调频系数随负荷变化进行调整；

初始状态时，***稳定在运行点A，当负荷增加时***频率下降，经步骤(2)中的调节后稳定在运行点B，为有差调节。功频曲线1的斜率方程在步骤(2)中写为：

$\frac{1}{k_{\mathrm{\ω}}}=\frac{f_0-f_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}-0};$

采用自适应调节的频率控制就是在调节过程中保持输出有功等于负荷有功，从而维持实际频率实时跟踪参考频率，采用自适应调节的斜率方程表示为：

$\frac{1}{k_{\mathrm{\ω}}^{\′}}=\frac{f_0-f_{\mathrm{ref}}}{P_m-0};$

得出自适应调节的斜率与初始斜率的关系为：

$k_{\mathrm{\ω}}^{\′}=\frac{p_e}{P_m}{k}_{\mathrm{\ω}};$

因此，将采用自适应调节的频率控制方程表示为：

(f₀-f)k'_ω＝P_m；

采用自适应调节后，当负荷增大时，虚拟同步发电机输出功率开始增加，调频系数开始增大，功频曲线1向曲线2移动，***将在输出功率与负荷功率相等时稳定在运行点C，并保证***频率维持在参考频率。