CN110601272B - 一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法及***，方法包括如下步骤：根据两端微电网中分布式电源的功率以及负载的功率，计算分别与两端微电网相连接的变流器给定有功功率的正负及大小；根据两端变流器给定有功功率的正负确定两端变流器的能量传输方向；根据两端变流器给定有功功率的正负、大小以及能量传输方向，设定与其相连的虚拟同步机输出的有功功率参考值；根据虚拟同步机输出的有功功率参考值调节两端微电网中分布式电源的功率以及负载的功率；本发明将虚拟同步机应用在变流器中，通过虚拟同步机输出的有功功率参考值调节微电网的功率，控制微电网中的功率双向流动，解决微电网负荷不均衡的问题。

Description

一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法及***
技术领域
本发明涉及新能源发电及微电网技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法及***。
背景技术
由于化石能源逐渐匮乏，因此开发、利用可再生能源成为缓解能源危机的关键。因此人们提出了微电网的概念。微电网由分布式电源、储能***、负荷、与大电网连接的电子变换器和控制***组成。微电网易于控制，能够根据负荷的改变灵活调节发电量，可靠性高，可以并网运行，也可以独立运行。目前，采用全控型电力电子器件的背靠背变流器***(Back to Back Converter)能够实现能量的双向流动、有功/无功功率独立控制、直流电压可控等功能，在能源危机和环境问题加剧的当今社会，广泛应用于变速恒频风力发电、轻型直流输电***、新能源并网等领域。
当微电网大量的存在以后，不同的微电网中负载和出力都不一样，如何均衡不同微电网中的功率、减少微电网必备的储能单元的数目，是我们研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法及***，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法，包括如下步骤：
根据两端微电网中分布式电源的功率以及负载的功率，计算分别与两端所述微电网相连接的变流器给定有功功率的正负及大小；
根据两端所述变流器给定有功功率的正负确定两端所述变流器的能量传输方向；
根据两端所述变流器给定有功功率的正负、大小以及能量传输方向，设定与其相连的虚拟同步机输出的有功功率参考值；
根据所述虚拟同步机输出的有功功率参考值调节两端微电网间的能量流动。
进一步地，还包括根据变流器的控制信号调整所述变流器输入端和输出端的电压类型，获取所述变流器的控制信号包括如下步骤：
接收虚拟同步机的有功功率参考值和无功功率参考值，输出电压幅值和相角；
对所述电压幅值和相角进行脉宽调制，获取变流器的控制信号。
进一步地，两端所述变流器的有功功率正负和两端微电网之间的关系为：
若一端微电网重载，另一端微电网轻载时，设给定有功功率参考值PREF为正，则重载端变流器工作在逆变状态，轻载端变流器工作在整流状态，背靠背变流器有功潮流流向为轻载端变流器流向重载端变换器，重载端变流器和轻载端变流器的输出有功功率参考值分别设为-|PREF|和PREF；
若一端微电网重载，另一端微电网轻载时，设给定有功功率参考值PREF为负，则重载端变流器工作在逆变状态，轻载端变流器工作在整流状态，背靠背变流器有功潮流流向为轻载端变流器流向重载端变换器，重载端变流器和轻载端变流器的输出有功功率参考值分别设为-|PREF|和-PREF。
进一步地，当两端的微电网之间的功率差额不平衡时，连接在两端所述变流器之间的储能装置发挥作用：
当两微电网中电源发出功率之和小于负荷功率，储能单元经过DC/DC变换器向直流母线馈电；
当两微电网中电源发出功率之和大于负荷功率，直流母线经过DC/DC变换器向储能单元充电。
进一步地，所述虚拟同步机的数学模型为：
e＝Mfifωsinθ
其中，Pref为虚拟同步机有功功率参考值，P为实测值有功功率，ω为转动角频率，ω0为额定角频率，J为转动惯量，θ为虚拟同步机的输出电压相角，kd为阻尼系数，e为虚拟同步机的输出电压，Mf为励磁绕组和三相定子线圈之间的最大互感，if为转子励磁电流。
进一步地，所述虚拟同步机中考虑同步机振荡方程，引入阻尼和惯性系数，可等效表示为：
式中，W为储能单元存储的能量。
根据上述方法本发明还提供了一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制***，其特征在于，包括两个背靠背串联的变流器、一组储能装置以及分别和两端微电网相连接的LCL滤波器，两个所述变流器分别和两个所述LCL滤波器相连接，所述储能装置与两个所述变流器之间的直流母线相连接；所述变流器上还连接有虚拟同步机。
进一步地，所述储能装置包括储能单元和DC/DC变换器，所述储能单元储能经过所述DC/DC变换器和两个所述变流器之间的直流母线相连接。
进一步地，还包括脉冲调制模块，所述脉冲调制模块连接在所述虚拟同步机和所述变流器之间。
进一步地，还包括有功控制模块，所述有功控制模块连接在所述虚拟同步机的输入端。
根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：
1、本发明将虚拟同步机应用在变流器中，通过虚拟同步机输出的有功功率参考值调节微电网的功率，控制微电网中的功率双向流动，解决微电网负荷不均衡的问题；
2、本发明中将储能装置连接在两端的变流器之间，通过储能装置向两端变流器之间的直流母线馈电，或直流母线向储能装置充电，减少了微电网必备的储能装置的数目，充分的利用了储能装置。
附图说明
图1为本发明具体实施方式控制***的框图；
图2为本发明具体实施方式中变流器的功率判断参考图；
图3为本发明具体实施方式中虚拟同步机的控制流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制***包括两组LCL滤波器、两组串联背靠背三相变流器、两组断路器和一组储能装置；每组LCL滤波器都包括两个滤波电感、一组滤波电容；每个三相变流器与微电网之间都有一组LCL滤波器相连；所述储能装置包括储能单元和DC/DC变换器，储能单元存储能量经过DC/DC变换器与直流母线相连；断路器连接LCL滤波器的电感和微电网的PCC端。
如图2所示，背靠背变流器的变流器VSC1和变流器VSC2分别通过两个虚拟同步机控制，虚拟同步机的输出有功功率参考值确定过程为，通过计算各个微电网中分布式电源提供的功率和负载的功率，确定各个变流器给定有功功率的正负及大小，从而确定背靠背变流器能量的传输方向，设定虚拟同步机输出的有功功率参考值。
当微电网1重载，微电网2轻载时，设给定有功功率参考值PREF为正，则变流器VSC1工作在逆变状态，变流器VSC2工作在整流状态，背靠背变流器有功潮流流向为变换器VSC2流向变换器VSC1，变换器VSC1和变换器VSC2的输出有功功率参考值分别设为-|PREF|和PREF。
当微电网1轻载，微电网2重载时，设给定有功功率参考值PREF为负，则变流器VSC1工作在整流状态，变流器VSC2工作在逆变状态，背靠背变流器有功潮流流向为变换器VSC1流向变换器VSC2，变换器VSC1和变换器VSC2的输出有功功率参考值分别设为-PREF和-|PREF|。
背靠背变流器控制***还包括脉宽调制模块SVPWM。虚拟同步机：接收自身有功和无功功率参考值，输出电压幅值和相角。脉宽调制模块：接收虚拟同步机输出的电压幅值和相角，对电压幅值和相角进行脉宽调制，得到控制背靠背变流器开关管的控制信号。
储能装置根据直流母线电压决定DC/DC工作状态，当母线电压低于设定值时，储能单元经DC/DC向母线馈电，当母线电压高于设定值时，直流母线向储能单元充电。
相应的，当微电网1和微电网2均轻载时，变流器VSC1和变流器VSC2均工作在整流状态，储能装置中DC/DC变换器对储能单元充电；
当微电网1和微电网2均重载时，变流器VSC1和变流器VSC2均工作在逆变状态，储能装置中DC/DC变换器向直流母线馈电，储能单元放出能量。
如图3所示，虚拟同步机的数学模型为：
e＝Mfifωsinθ
其中，Pref为虚拟同步机有功功率参考值，P为实测值有功功率，ω为转动角频率，ω0为额定角频率，J为转动惯量，θ为虚拟同步机的输出电压相角，kd为阻尼系数，e为虚拟同步机的输出电压，Mf为励磁绕组和三相定子线圈之间的最大互感，if为转子励磁电流。
背靠背变流器两个变换器分别通过两个虚拟同步机控制，两个虚拟同步机的输入端分别连接有两个功率控制模块，有功控制模块：通过判断给定有功功率的正负，确定背靠背变流器传输能量的方向，切换虚拟同步机输出的有功功率参考值。其有功-频率控制方程如下：
式中，ω为转动角频率；ω0为额定角频率；Pmec、Pout分别为虚拟同步机的输入和输出功率；Kd为阻尼系数，ωref为角速度的参考值；Dp为有功功率下垂系数。
无功-电压控制方程为：
E＝E0+kq(Qref-Q)+ku(Uref-U)
式中，E0为变流器的空载端电动势；kq为无功功率调节系数；Qref为无功功率的输出参考值；Q为变流器无功功率实际输出值；ku为调压系数；Uref为参考输出电压；U为实际输出电压。
当功率给定时，虚拟同步机的动态特性由阻尼系数、转动惯量决定，转动惯量越大，超调量越小，调节时间越长，但***稳定性变差；阻尼系数越大，超调量越小，但***响应速度变慢。因此虚拟同步机的转动惯量不能过大，否则有功阶跃响应时会导致输出有功振荡，不利于***稳定。为了负载变化引起频率波动时，避免功率和频率突变，且能够缩短暂态调节时间、降低超调量，在虚拟同步机控制中引入转动惯量和阻尼系数自适应控制。在不同工况下，H和Kd的选取原则如表1所示。
表1转动惯量和阻尼系数的选取原则
在上述分析的基础上，基于角速度偏差和ROCOF提出一种转动惯量和自适应控制策略如下：
式中，J0和Kd0分别表示VSG稳定工作时的参考转动惯量和阻尼系数，a、b、c、k分别为各项的权重系数；Mj和Md为变化判定阈值，合理设置阈值能够避免转动惯量和阻尼系数频繁变动。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.一种基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法，其特征在于，包括控制***，控制***包括两个背靠背串联的变流器、一组储能装置以及分别和两端微电网相连接的LCL滤波器，两个所述变流器分别和两个所述LCL滤波器相连接，所述储能装置与两个所述变流器之间的直流母线相连接；所述变流器上还连接有虚拟同步机；所述储能装置包括储能单元和DC/DC变换器，所述储能单元储能经过所述DC/DC变换器和两个所述变流器之间的直流母线相连接；
所述方法包括：根据两端微电网中分布式电源的功率以及负载的功率，计算分别与两端所述微电网相连接的变流器给定有功功率的正负及大小；根据两端所述变流器给定有功功率的正负确定两端所述变流器的能量传输方向；根据两端所述变流器给定有功功率的正负、大小以及能量传输方向，设定与其相连的虚拟同步机输出的有功功率参考值；根据所述虚拟同步机输出的有功功率参考值调节两端微电网间的能量流动；
当两端的微电网之间的功率差额不平衡时，连接在两端所述变流器之间的储能装置发挥作用：
当两微电网中电源发出功率之和小于负荷功率，储能单元经过DC/DC变换器向直流母线馈电；
当两微电网中电源发出功率之和大于负荷功率，直流母线经过DC/DC变换器向储能单元充电；
所述虚拟同步机的数学模型为：
e＝Mfifωsinθ
其中，Pref为虚拟同步机有功功率参考值，P为实测值有功功率，ω为转动角频率，ω0为额定角频率，J为转动惯量，θ为虚拟同步机的输出电压相角，kd为阻尼系数，e为虚拟同步机的输出电压，Mf为励磁绕组和三相定子线圈之间的最大互感，if为转子励磁电流；
转动惯量和自适应控制策略如下：
式中，J0和Kd0分别表示VSG稳定工作时的参考转动惯量和阻尼系数，a、b、c、k分别为各项的权重系数；Mj和Md为变化判定阈值；
所述虚拟同步机中考虑同步机振荡方程，引入阻尼和惯性系数，可等效表示为：
式中，W为储能单元存储的能量；
还包括有功控制模块，所述有功控制模块连接在所述虚拟同步机的输入端；
有功控制模块通过判断给定有功功率的正负，确定背靠背变流器传输能量的方向，切换虚拟同步机输出的有功功率参考值；
无功-电压控制方程为：
E＝E0+kq(Qref-Q)+ku(Uref-U)
式中，E0为变流器的空载端电动势；kq为无功功率调节系数；Qref为无功功率的输出参考值；Q为变流器无功功率实际输出值；ku为调压系数；Uref为参考输出电压；U为实际输出电压。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法，其特征在于，还包括根据变流器的控制信号调整所述变流器输入端和输出端的电压类型，获取所述变流器的控制信号包括如下步骤：
接收虚拟同步机的有功功率参考值和无功功率参考值，输出电压幅值和相角；
对所述电压幅值和相角进行脉宽调制，获取变流器的控制信号。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法，其特征在于，两端所述变流器的有功功率正负和两端微电网之间的关系为：
若一端微电网重载，另一端微电网轻载时，设给定有功功率参考值PREF为正，则重载端变流器工作在逆变状态，轻载端变流器工作在整流状态，背靠背变流器有功潮流流向为轻载端变流器流向重载端变换器，重载端变流器和轻载端变流器的输出有功功率参考值分别设为-|PREF|和PREF；
若一端微电网重载，另一端微电网轻载时，设给定有功功率参考值PREF为负，则重载端变流器工作在逆变状态，轻载端变流器工作在整流状态，背靠背变流器有功潮流流向为轻载端变流器流向重载端变换器，重载端变流器和轻载端变流器的输出有功功率参考值分别设为-|PREF|和-PREF。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的背靠背变流器控制方法，其特征在于，还包括脉冲调制模块，所述脉冲调制模块连接在所述虚拟同步机和所述变流器之间。
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