本發(fā)明屬于新能源電力變換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于相差實時調(diào)整的虛擬同步發(fā)電機自同步控制方法。

背景技術(shù)：

電網(wǎng)中新能源種類和比例逐漸增加，分布式風(fēng)電、光伏等常通過逆變器以微網(wǎng)形式并網(wǎng)，能否順利地在并離網(wǎng)狀態(tài)之間切換成為逆變器控制的重要目標(biāo)之一。由于近年來逆變器的數(shù)量增加造成的電力系統(tǒng)慣量缺失的問題，虛擬同步發(fā)電機(vsg)的概念逐漸受到重視，模擬同步發(fā)電機運行特性的算法被引入到逆變器的控制策略中，使逆變器表現(xiàn)出類似于同步發(fā)電機的特性，補充系統(tǒng)慣量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。雖然已有關(guān)于vsg控制方式下的切換策略的討論，但是現(xiàn)有的關(guān)于逆變器并網(wǎng)的策略大多需要“預(yù)同步”的過程，默認(rèn)的條件是電網(wǎng)側(cè)的相位已知，可以測量。但是實際應(yīng)用中，存在相位測量比較困難的情況。即使可以方便測量到電網(wǎng)的相位信息，也要經(jīng)過信息的傳輸，將其由網(wǎng)側(cè)傳至控制器處則會增加延遲時間，造成信息的準(zhǔn)確度降低，還會提高成本。對于逆變器而言，更方便測量到的相位信息是pcc點以及逆變器濾波電感前后的電壓相位，因此，本發(fā)明提出的逆變器并網(wǎng)控制策略不再依賴于傳統(tǒng)的預(yù)同步策略和電網(wǎng)電壓相位信息，而是通過控制濾波電感兩端的電壓相位差實現(xiàn)較為平滑的并網(wǎng)過程，避免對敏感負(fù)荷產(chǎn)生較大的影響。并且，不使用預(yù)并列環(huán)節(jié)，減少了pi調(diào)節(jié)器的數(shù)量，在任何時刻都可以進(jìn)行并網(wǎng)操作，可以將并網(wǎng)開關(guān)設(shè)置到網(wǎng)側(cè)，由調(diào)度隨時根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)整虛擬同步發(fā)電機的并離網(wǎng)狀態(tài)，分布式電源側(cè)不控制并網(wǎng)開關(guān)，使分布式電源服務(wù)于電網(wǎng)，免去復(fù)雜的并網(wǎng)過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于相差實時調(diào)整的虛擬同步發(fā)電機自同步控制方法，克服了上述背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有虛擬同步發(fā)電及并網(wǎng)控制策略存在的缺點。通過實時計算目標(biāo)功率值對應(yīng)的相角差，快速調(diào)整lc濾波器電感兩側(cè)電壓相角差，不需要電網(wǎng)相位信息及預(yù)同步環(huán)節(jié)實現(xiàn)與電網(wǎng)的自同步。加強了電網(wǎng)側(cè)對分布式電源的控制，使其更好地服務(wù)于電網(wǎng)。虛擬同步發(fā)電機在孤島/并網(wǎng)運行時采用統(tǒng)一的內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，避免內(nèi)環(huán)控制的變化引起穩(wěn)定性問題。

本發(fā)明包括如下工藝步驟：

步驟1：在中計算對應(yīng)逆變電源輸出功率下濾波電感兩側(cè)電壓相位差δθ。對于一對極凸極機,在電感遠(yuǎn)大于電阻時，交軸同步電抗與直軸同步電抗相等，同步發(fā)電機輸出的功率可由計算得到。式中的xd、xq分別是直軸(d軸)、交軸(q軸)同步電抗，在隱極機中才存在，對于使用同步發(fā)電機二階方程的虛擬同步發(fā)電機控制中，認(rèn)為xd＝xq；

步驟2：利用鎖相環(huán)(pll)采集lc濾波器電感兩側(cè)的電壓相位信息，分別是逆變器出口電壓相位δ(濾波電感逆變器側(cè)電壓相位)、lc濾波器電容電壓(pcc點電壓)相位θo(濾波電感與電網(wǎng)連接側(cè)電壓相位)；如下圖所示，u1和u2的電壓相位即為此處所述的需要測量的電壓相位。

步驟3：計算相角判定信號judge＝δ-θo；

步驟4：計算調(diào)整結(jié)束判定信號x＝j(luò)udge-δθ；

步驟5：將步驟3、步驟4中計算得到的兩個判定信號作為輸入信號，編寫轉(zhuǎn)換開關(guān)邏輯控制模塊(以c語言為例)，輸出信號為轉(zhuǎn)換開關(guān)控制信號s，程序如下：

if(fabs(judge)＞0.45||fabs(x)＞0.01)

{s＝1；}

else

{s＝0；}

其中，s＝1時相角調(diào)整中，s＝0相角調(diào)整結(jié)束；

步驟6：構(gòu)建運行方式轉(zhuǎn)換開關(guān)邏輯?？刂破髦械倪\行方式轉(zhuǎn)換開關(guān)為單刀雙擲開關(guān)，實現(xiàn)功能為——在“相角差調(diào)整中(s＝1)”、“完成相角差調(diào)整(s＝0)”兩種狀態(tài)下，為虛擬同步發(fā)電機調(diào)速器的一次調(diào)頻參考頻率ωr分別分配數(shù)值。當(dāng)s＝1時，將(θo+δθ)-δ作為pi調(diào)節(jié)器輸入，調(diào)節(jié)器的輸出作為此時的ωr的值；當(dāng)s＝0時，ωr為定值，等于ωref＝100π。

所述逆變電源出口采用lc濾波器濾除開關(guān)次諧波，帶負(fù)荷孤島/并網(wǎng)運行。

所述逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括三相兩電平結(jié)構(gòu)、多重化結(jié)構(gòu)、嵌入式多電平結(jié)構(gòu)、h橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)和mmc結(jié)構(gòu)。

所述d、q軸分量以虛擬轉(zhuǎn)子同步坐標(biāo)系為參考。

所述控制器采用同步發(fā)電機經(jīng)典二階模型。

所述虛擬同步發(fā)電機調(diào)速器包含基于下垂控制的一次調(diào)頻和同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程。

本發(fā)明能夠有效實現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機自同步到電網(wǎng)的控制。

附圖說明

圖1為虛擬同步發(fā)電機主電路及控制電路示意圖。

圖2為電壓電流雙環(huán)控制示意圖。

圖3為自同步控制方法示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例，對基于相差實時調(diào)整的虛擬同步發(fā)電機自同步控制方法進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

例：vsg帶約60kw本地負(fù)荷運行，0～3s帶本地負(fù)荷孤島運行；3s時刻并入電網(wǎng)，6s時刻離網(wǎng)。并網(wǎng)前逆變器輸出電壓(濾波電容電壓)相角與pcc電壓相角差為0.08rad。

步驟1：計算對應(yīng)逆變電源輸出功率下濾波電感兩側(cè)電壓相位差δθ。對于一對極凸極機,在電感遠(yuǎn)大于電阻時，交軸同步電抗與直軸同步電抗相等，同步發(fā)電機輸出的功率可由計算得到。此時，對應(yīng)負(fù)荷功率60kw，濾波電感電抗xd＝0.8mh*100π＝0.2513ω，e≈u＝311v，虛擬同步機濾波電感兩側(cè)相位差δθ＝8.9685rad；

步驟2：利用鎖相環(huán)(pll)采集lc濾波器電感兩側(cè)的電壓相位信息，分別是逆變器出口電壓相位δ、lc濾波器電容電壓(pcc點電壓)相位θo。；

步驟3：計算相角判定信號judge＝δ-θo，并網(wǎng)前(0～3s)并非滿載(250kw)，所以此信號結(jié)果小于0.45rad(滿載時對應(yīng)的相角差)，并網(wǎng)時瞬間(3s)會發(fā)生功率沖擊，所以對應(yīng)相角差大于0.45rad，啟動調(diào)整過程，在半個工頻周期內(nèi)迅速調(diào)整輸出功率恢復(fù)指令值(本地負(fù)荷值)；

步驟4：計算調(diào)整結(jié)束判定信號x＝j(luò)udge-δθ，步驟3中的調(diào)整過程一旦啟動，會迅速將逆變器輸出電壓相位調(diào)整至理想值，此處規(guī)定當(dāng)偏差x小于0.01rad時，結(jié)束調(diào)整；

步驟5：將步驟3、步驟4中計算得到的兩個判定信號作為輸入信號，編寫轉(zhuǎn)換開關(guān)邏輯控制模塊(以c語言為例)，輸出信號為轉(zhuǎn)換開關(guān)控制信號s，程序如下：

if(fabs(judge)＞0.45||fabs(x)＞0.01)

{s＝1；}

else

{s＝0；}

其中，s＝1時相角調(diào)整中，s＝0相角調(diào)整結(jié)束；實際運行中能夠看到s在兩個狀態(tài)之間反復(fù)跳動，不斷調(diào)整vsg輸出電壓相位，在半個周期內(nèi)便平息了功率沖擊，無縫并入電網(wǎng)。由于整個過程不需要任何預(yù)同步環(huán)節(jié)，無論在什么時刻并入電網(wǎng)，都能夠在極短的時間內(nèi)平息并網(wǎng)沖擊，實現(xiàn)vsg與電網(wǎng)的自動同步。

步驟6：構(gòu)建運行方式轉(zhuǎn)換開關(guān)邏輯?？刂破髦羞\行方式轉(zhuǎn)換開關(guān)為單刀雙擲開關(guān)，實現(xiàn)功能為——在“相角差調(diào)整中(s＝1)”、“完成相角差調(diào)整(s＝0)”兩種狀態(tài)下，為虛擬同步發(fā)電機調(diào)速器的一次調(diào)頻參考頻率ωr分別分配數(shù)值。當(dāng)s＝1時，將(θo+δθ)-δ作為pi調(diào)節(jié)器輸入，調(diào)節(jié)器的輸出作為此時的ωr的值；當(dāng)s＝0時，ωr為定值，等于ωref＝100π。由于pi調(diào)節(jié)器的輸出作為頻率標(biāo)幺值輸入到一次調(diào)頻環(huán)節(jié)中，所以若要限制頻率的波動在±1hz之內(nèi)，就要將pi調(diào)節(jié)器輸出幅值限制在±0.02之間。

圖1是虛擬同步發(fā)電機主電路及控制電路示意圖?？驁D中的上半部分虛線框內(nèi)是虛擬同步發(fā)電機的主電路(功率電路)部分，使用三相igbt全橋逆變電路。逆變電路出口采用lc濾波器濾除開關(guān)諧波，帶本地負(fù)荷孤島/并網(wǎng)運行。udc是直流側(cè)電壓；lf和rf分別是濾波電感的電感和電阻；c為濾波電容；sg是由電網(wǎng)側(cè)調(diào)度控制的并網(wǎng)開關(guān)，不受逆變器側(cè)控制。lg和rg是網(wǎng)側(cè)的電感和電阻；濾波電感前逆變器出口電壓為e∠δ，電網(wǎng)電壓為u∠0°，作為參考電壓。電網(wǎng)側(cè)電壓相位信息未知，通過鎖相環(huán)分別測量濾波電感前后的電壓相位。dq變換/反變換采用ωref×t作為變換角度。ifabc是濾波電感流過的電流，iabc和uoabc分別是逆變器的輸出電流和輸出電壓，po和qo分別是逆變器輸出的有功功率和無功功率；ilabc為負(fù)載電流，pl和ql分別是負(fù)載的有功功率和無功功率。igabc為電網(wǎng)電流，pg和qg分別是電網(wǎng)提供的有功功率和無功功率，e0為電壓幅值參考值。

電壓、電流量在abc坐標(biāo)系與dq坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系如下公式所示：

其中：

fa、fb、fc為abc坐標(biāo)系下的對應(yīng)的a相、b相和c相電壓、電流；

fd、fq為dq坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量；

θ固定為ωref×t；

圖2是電壓電流雙環(huán)控制示意圖。主要依據(jù)的物理定律是根據(jù)濾波電感和濾波電容的kirchhoff定律。以電容電壓和電感電流作為狀態(tài)變量，列寫方程并進(jìn)行dq變換，得到雙環(huán)控制的方程。采用前饋解耦解除dq軸分量耦合，在孤島/并網(wǎng)運行下均采用如圖所示的統(tǒng)一雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，避免內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)切換帶來的穩(wěn)定性問題。

圖3是自同步控制方法示意圖，其詳細(xì)內(nèi)容已在說明書的詳細(xì)步驟中給出。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。