一種基于虛擬同步發電機的預同步控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種控制方法，具體涉及一種基于虛擬同步發電機的預同步控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著化石類能源的枯竭和環境保護意識的提高，基于可再生能源的分布式發電系統得到了迅速的發展。然而隨著分布式發電在電力系統中的比重逐漸增加，分布式發電對電力系統的影響不可忽略。為了提升電網對分布式能源的接納能力，可以采用個虛擬同步發電機技術，即通過控制使得并網逆變器模擬同步發電機的慣性、一次調頻、一次調壓及勵磁調節特性，使得分布式電源與同步發電機一樣，能主動參與到電網的功率調節中去，從而提高整個電網的穩定性。
[0003]圖1為虛擬同步發電機結構圖，其包括直流輸入電源Vin，三相逆變橋，LC濾波器。其中vCa，vcb, Vc。為逆變器三相輸出電壓，i La, iLb, iL。為三相逆變器側電感電流，I ga，igb，Igc為三相逆變器進網電流，vga, vgb, Vg。為三相電網電壓。采樣三相輸出電壓和三相進網電流18進行功率計算，得到逆變器輸出的有功功率和無功功率，將計算得到的有功功率和無功功率送入虛擬同步發電機控制器中，由虛擬同步發電機控制器得到三相調制波ea，eb，e。，將三相調制波送入PWM調制器中，得到逆變器各個功率開關管的驅動信號。
[0004]圖2為圖1中的虛擬同步發電機控制器的具體控制框圖。圖2的上半部分為有功功率的控制，其中Psrt為有功功率給定，Pe為虛擬同步發電機的實際有功功率，ω η為額定頻率。有功功率控制環路模擬同步發電機一次調頻及慣性環節，包含有功(頻率下垂控制(圖2及下文Dp代表頻率下垂系數)和虛擬轉動慣性控制(J代表虛擬轉動慣量)。圖2的下半部分為無功功率的控制，其中Qsrt為無功功率給定，Qe為虛擬同步發電機的實際無功功率。Vn為額定電壓幅值。無功功率控制環路模擬同步發電機的一次調壓及電磁關系，包含無功(電壓下垂控制(電壓下垂系數為Dq)和勵磁調節控制(勵磁積分增益為l/Κ)。由有功功率控制和無功功率控制得到調制波e的頻率參考ω、幅值參考E和相位參考Θ。調制波e通過PWM環節控制圖1中各開關管的通斷來使逆變器輸出三相對稱電壓。
[0005]然而，圖2僅給出了虛擬同步發電機并入電網后穩態運行的控制框圖，并沒有說明虛擬同步發電機從離網到并網的切換過程。需要指出的是，采用圖2所示的控制框圖僅僅使虛擬同步發電機在控制上模擬同步發電機的外特性，其主電路仍然是由脆弱的電力電子器件組成，與實際的同步發電機相比，其抗過壓過流能力弱。若虛擬同步發電機采用傳統的同步發電機拖入同步的方法并入電網，則在并網瞬間沖擊電流過大，會對逆變器開關器件以及磁性元件造成損害。因此需要提供一種預同步控制策略，使得虛擬同步發電機可以友好并網。

【發明內容】

[0006]為解決上述現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種基于虛擬同步發電機的預同步控制方法，采用本發明提供的技術方案可以保證虛擬同步發電機并網前其輸出電壓的頻率、幅值、相位與電網電壓均相同，從而實現并網瞬間沖擊電流小，保證虛擬同步發電機逆變器平滑友好并網。
[0007]為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現一些概念，以此作為后面的詳細說明的序言。
[0008]本發明的目的是采用下述技術方案實現的:
[0009]本發明提供一種基于虛擬同步發電機的預同步控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟:
[0010](I)獲得三相電網電壓幅值Vg，三相電網電壓頻率ω8和三相電網電壓相角Θ g；
[0011](2)獲得逆變器輸出電壓幅值V。，逆變器輸出電壓頻率ω。和逆變器輸出電壓相角
θ0;
[0012](3)切入頻率反饋積分環節；
[0013](4)切入電壓反饋積分環節；
[0014](5)切入比例積分調節器III ;
[0015](6)閉合并網開關，使虛擬同步發電機接入電網；
[0016](7)切出頻率反饋積分環節、電壓反饋積分環節與相位調節器；緩慢增加虛擬同步發電機有功功率參考值Psrt，控制虛擬同步發電機輸出功率緩慢增加；
[0017](8)待虛擬同步發電機有功功率參考值Psrt增加至額定值后，將頻率參考基準從電網電壓頻率《8切換為虛擬發電機的額定頻率ω η，電壓參考基準從Vg切換為額定電壓幅值Vn。
[0018]進一步地，所述步驟(I)中，通過電壓傳感器得到三相電網電壓vga，Vgb和vg。，利用鎖相環算法得到三相電網電壓幅值Vg，三相電網電壓頻率Og和三相電網電壓相角Θ g；
[0019]所述步驟(2)中，通過電壓傳感器得到逆變器輸出電壓vCa，vc。，利用鎖相環算法得到逆變器輸出電壓幅值V。，逆變器輸出電壓頻率ω。和逆變器輸出電壓相角Θ。。
[0020]進一步地，所述步驟(3)中，將虛擬同步發電機的頻率參考由額定頻率ωη替換為三相電網電壓頻率og，同時在有功頻率下垂環節中加入頻率反饋積分環節，并切入頻率反饋積分環節；
[0021]所述頻率反饋積分環節為增益K1的積分環節，其作為調節器的積分部分，利用D ρ作為調節器的比例部分，組成比例積分調節器I，使得虛擬同步發電機的頻率ω能夠無靜差地跟蹤上三相電網電壓頻率《g;所述比例積分控制調節器I為電壓調節器。
[0022]進一步地，所述步驟⑷中，將虛擬同步發電機的電壓幅值參考由額定電壓幅值Vn替換為電網電壓的幅值Vg，同時在無功電壓下垂環節中加入電壓反饋積分環節，并切入電壓反饋積分環節；
[0023]所述電壓反饋積分環節為增益K2的積分環節，其作為調節器的積分部分，利用D ,作為調節器的比例部分，組成比例積分調節器II，使得虛擬同步發電機的輸出電壓幅值E能夠無靜差地跟蹤上電壓電網電壓幅值Vg;所述比例積分控制調節器II為電壓調節器。
[0024]進一步地，所述步驟(5)中，將電網電壓的相角08與逆變器輸出電壓相角Θ。做差，得到相角差Λ Θ，將Λ Θ輸入到比例積分調節器III中，將比例積分調節器的輸出疊加到虛擬同步發電機的輸出頻率中；
[0025]所述比例積分調節器III為相位調節器，所述相位調節器的輸出與頻率調節器的輸出頻率之和通過積分得到虛擬同步發電機的相位，以保證虛擬同步發電機輸出電壓的相位無靜差地跟蹤電網電壓的相位。
[0026]進一步地，所述步驟(6)中，保證虛擬同步發電機輸出電壓與電壓電網電壓頻率相等、幅值相等、相位相同后閉合并網開關，接入電網。
[0027]進一步地，所述虛擬同步發電機最初狀態為Pset= 0，Qset= O, ω r= ω n, Vr= Vn,并網開關斷開；當進行所述預同步控制時，并網開關閉合，虛擬同步發電機從離網切換至并網；其中:Psrt表示虛擬同步發電機有功功率參考值，Q 表示虛擬同步發電機無功功率參考值=0，表示虛擬同步發電機頻率參考值，^表示虛擬同步發電機電壓幅值參考值。
[0028]與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有的優異效果是:
[0029]本發明在原有虛擬同步發電機控制結構的基礎上，嵌入預同步控制算法來實現預同步的功能，可以保證虛擬同步發電機并網前其輸出電壓的頻率、幅值、相位與電網電壓均相同，從而實現并網瞬間沖擊電流小，能快速準確地實現預同步，從而實現虛擬同步發電機的平滑友好并網。
[0030]為了上述以及相關的目的，一個或多個實施例包括后面將詳細說明并在權利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細說明某些示例性方面，并且其指示的僅僅是各個實施例的原則可以利用的各種方式中的一些方式。其它的益處和新穎性特征將隨著下面的詳細說明結合附圖考慮而變得明顯，所公開的實施例是要包括所有這些方面以及它們的等同。
【附圖說明】
[0031]附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中:
[0032]圖1是現有技術的虛擬同步發電機結構圖；
[0033]圖2是現有技術的虛擬同步發電控制器控制框圖；
[0034]圖3是本發明提供的鎖相環控制框圖；
[0035]圖4是本發明提供的加入預同步控制策略后的虛擬同步發電控制器控制框圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0037]以下描述和附圖充分地示出本發明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發明或發明構思。
[0038]本發明提供基于虛擬同步發電機的預同步控制方法，采用基于虛擬同步發電機的預同步控制方法可以保證虛擬同步發電機并網前其輸出電壓的頻率、幅值、相位與電網電壓均相同，從而實現并網瞬間沖擊電流小，保證逆變器平滑友好并網。本發明采用的硬件電路與現有的虛擬同步發電機硬件部分相同，如圖1所示。但是對控制方法進行了改進，在現有的虛擬同步發電機控制結構基礎上加入了預同步控制，如圖4所示。具體改進如下:
[0039](I)對于頻率的調節，由于原始的虛擬同步發電機控制結構以頻率下垂系數％作為比例調節器，則頻率調節環路的低頻段增益不夠高，虛擬同步發電機的頻率ω不能無靜差地跟蹤上電網頻率COg0因此，作為改進，現加入增益為&的積分器(本發明稱之為頻率反饋積分環節)作為調節器的積分部分，利用％作為調節器的比例部分，組成比例積分(proport1n integrat1n，PI)調節器I，這樣可使得虛擬同步發電機的頻率ω能夠無靜差地跟蹤上電網頻率《g。
[0040](2)對于電壓幅值的調節，由于原始的虛擬同步發電機控制結構以電壓幅值下垂系數Dq作為比例調節器，則電壓幅值調節環路的低頻段增益不夠高，虛擬同步發電機輸出電壓的幅值E不能無靜差地跟蹤上電網電壓的幅值\。因此，作為改進，現加入增益為1(2的積分器(本發明稱之為電壓反饋積分環節)作為調節