基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法，涉及交直流混合微电网中的双向功率控制领域。本发明专利技术的双向功率变换器是由开关管构成的三相三桥臂结构，具有直流侧电容和交流侧滤波电感，双向功率变换器的交流侧输出电压等效于同步电机的激磁电动势，交流侧电网电压等效于同步电机的端电压，滤波电感等效于同步电机的电枢绕组，等效后，双向功率变换器即可作为虚拟同步电机，其惯量模拟单元为直流侧电容；分别通过虚拟频率控制器、虚拟励磁调节器和虚拟电机控制单元，实现了能量的双向传输，直流电压变化量和交流频率波动都变小，具有了一定的惯性，改善了系统的动态响应，提高了系统的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法
本专利技术涉及交直流混合微电网双向控制领域，具体是一种基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法，适用于实现交、直流微电网之间能量的双向流动。
技术介绍
随着分布式电源渗透率的提高，微电网这一综合不同能源优势、可控性好的技术日趋成熟。微电网根据源-荷性质不同分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交直流混合微电网可将交、直流微电网有序、独立地接在同一网络中，简化微电网结构，节省功率变换装置，减小系统损耗，使得控制更加灵活，提高了整个系统的经济性和可靠性，具有显著优点。双向功率变换器能够实现能量的双向流动，连接交、直流母线，是交直流混合微电网中的核心元件，但是变换器控制的响应速度十分迅速，使得系统基本不具备惯量。通过在双向功率变换器中加入虚拟电机控制策略，能够模拟传统同步电机的转动惯量，改善系统的响应特性。有学者提出了同步逆变器模拟同步发电机转子运动方程与电磁方程，但是仅考虑能量由直流侧流向交流侧，且直流侧用恒压源代替；有学者研究了交直流混合微电网在交流电网电压不平衡情况下的控制策略，但是没有研究系统的频率稳定性；有学者研究了双向功率变换器的功率平衡控制，但是未考虑系统的惯性问题；有学者采用虚拟同步发电机控制策略，但是仅研究对于逆变器的控制，未考虑能量的双向流动；对直流侧储能参数的设计是依据功率波动和能量需求，未考虑直流电压波动的影响。因此，在交直流混合微电网中，现有的双向功率变换器的相关控制技术仍有诸多缺陷，双向功率变换器需要一种考虑转动惯量的控制方法。
技术实现思路
本专利技术为了解决交直流混合微电网缺乏转动惯量，电力电子变换器响应迅速，频率稳定性低，限制可再生能源渗透率提高等问题，以及现有双向功率变换器控制中不考虑惯性的问题，提供了一种基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法。本专利技术所提控制策略主要用于交直流混合微电网中的双向功率变换器，交直流混合微电网由交流微电网和直流微电网组成，交流微电网中包含了交流性质的分布式电源和负荷，直流微电网中包含了直流性质的分布式电源和负荷，交流微电网的交流母线与直流微电网的直流母线通过双向功率变换器连接，交流微电网通过变压器与公共电网连接。本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法，所述双向功率变换器包括开关管构成的三相三桥臂结构、直流侧电容和交流侧滤波电感，使双向功率变换器的交流侧输出电压等效为同步电机的激磁电动势，交流侧电网电压等效为同步电机的端电压，交流侧滤波电感等效为同步电机的电枢绕组，等效后，双向功率变换器即可作为虚拟同步电机、其惯量模拟单元为直流侧电容；所述双向功率变换器由控制单元所控制；当虚拟同步电机的功角δ＞0时，双向功率变换器运行于同步发电机模式，由控制单元输出开关信号，能量从直流侧流入交流侧，使电路工作于逆变状态；当虚拟同步电机的功角δ＜0时，双向功率变换器运行于同步电动机模式，由控制单元输出开关信号，能量从交流侧流入直流侧，使电路工作于整流状态。根据虚拟功角δ的正负可以改变变换器的功率传输方向，实现能量的双向传输。所述双向功率变换器的控制单元包括虚拟频率控制器、虚拟励磁调节器和虚拟电机控制单元，各部分控制方法如下：a.虚拟频率控制器，包括虚拟调速器、直流电压控制部分和机电能量转换部分；①虚拟调速器：模拟传统同步发电机的调速器，实现一次调频；采集双向功率变换器交流侧频率ω，与额定频率ωN比较作差，经过虚拟调速器的下垂控制环节后得到功率的增量ΔP，数学模型如下：ΔP＝-kω(ω-ωN)式中，kω为单位调节功率，即下垂系数；式中，ω0为交流侧空载时的角频率，PN为额定功率，P0为交流侧空载时的功率；②直流电压控制部分：采集直流电压信号Udc，与直流参考电压Udc*进行比较，将比较结果作为PI控制器的输入，PI控制器的输出值为双向功率变换器交直流侧功率平衡时流过变换器的电流值，与直流参考电压Udc*相乘即可得到直流微电网功率参考值Pdc，该直流电压控制的数学模型为：式中，KP、KI为PI调节器的比例系数与积分系数；1/s为积分算子；其取值根据对整个系统控制的稳定性与精度要求进行选取；③机电能量转换部分：虚拟调速器与直流电压控制部分的输出值经过叠加后产生参考功率，作为功率参考信号输入到转子运动方程中；模拟传统电机机电能量转化的本体模型，即模拟同步电机机械能与电磁能的转换，并作为虚拟机电功率即参考功率与实测功率的平衡模块，平抑系统功率波动，转子运动方程为：式中，J为虚拟惯量，Pe为负荷功率，D为阻尼系数；阻尼系数D依据对系统动态响应的要求进行选择，阻尼系数大时，系统的动态响应超调量小，振荡次数少；阻尼系数小时，系统动态响应超调量大，振荡次数多；双向功率变换器运行在整流状态或逆变状态，由阻尼系数影响的阻尼功率只在频率变化时产生，用于抵消交直流侧功率的不平衡，维持频率的稳定；式中虚拟惯量J的确定：同步电机当中的惯量来源于机械系统，表征转子对转动的惯性；模拟同步电机的惯性特征，利用双向功率变换器直流侧储能电容Cdc，模拟存储在同步电机转子中的动能，参与交流频率的调节；电容作为提供虚拟惯量的元件的等效虚拟惯量为：式中，ΔUdc表示直流母线电压波动值，Δω表示交流微电网频率的波动值；Udc0表示直流母线电压的稳态运行值或者额定值；最后得出：J＝JVSG经过转子运动方程后，可以得到系统角频率ω，积分后可得交流侧相角δ，即功角：δ＝∫ωdtb.虚拟励磁调节器：不计磁饱和时，励磁电压与电机的激磁电动势成正比，双向功率变换器输出的无功功率与激磁电动势成正比，因此无功功率的变化与激磁电动势近似成正比，为下垂控制；虚拟励磁调节器的控制模型为：E＝E0-KE(Q-Qref)式中，–KE为虚拟励磁调节器的下垂系数，E为虚拟励磁调节器产生的双向功率变换器输出电压参考值，E0为虚拟的空载激磁电动势，Q为负荷无功功率，Qref为无功功率参考值；c.虚拟电机控制单元：虚拟频率控制器和虚拟励磁调节器产生了控制回路的电压参考值E和交流侧相角δ，交流侧相角经过正弦函数后，生成相位相差120°的三相正弦波，与电压参考值E相乘后，得到三相正弦的参考电压eabc，参考电压eabc减去交流侧并网点实际电压uabc和电阻压降RSIabc可得滤波电感压降uL，根据电感电压最终得到电感电流参考值irefabc＝iL；电感电流参考值irefabc与实测的电感电流iabc进行比较后，输入到电流内环进行控制，在经过限幅环节后，进行PWM调制，最终产生的调制波对双向功率变换器进行控制，使其工作于逆变状态或者是整流状态。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果如下：(1)同时考虑了交流微电网电压和频率、直流微电网电压稳定性要求，在控制中能够同时实现对交直流母线电压、频率的控制；(2)模拟传统同步电机的双向功率传输特性，实现了交直流混合微电网双向功率变换器中能量的双向流动；(3)模拟同步电机频率调节与励磁调节外特性，完整地模拟了传统同步电机的性能，去掉了变换器控制的锁相环，使得控制简化且能够实现自同步；(4)在考虑直流电压波动要求的限制条件下，将直流侧电容作为双向功率变换器的虚拟惯量单元，在一定程度上提高了交直流混合微电网的惯性，改善了系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法，所述双向功率变换器包括开关管构成的三相三桥臂结构、直流侧电容和交流侧滤波电感，其特征在于：使双向功率变换器的交流侧输出电压等效为同步电机的激磁电动势，交流侧电网电压等效为同步电机的端电压，交流侧滤波电感等效为同步电机的电枢绕组，等效后，双向功率变换器即可作为虚拟同步电机、其惯量模拟单元为直流侧电容；所述双向功率变换器由控制单元所控制；当虚拟同步电机的功角δ＞0时，双向功率变换器运行于同步发电机模式，由控制单元输出开关信号，能量从直流侧流入交流侧，使电路工作于逆变状态；当虚拟同步电机的功角δ＜0时，双向功率变换器运行于同步电动机模式，由控制单元输出开关信号，能量从交流侧流入直流侧，使电路工作于整流状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法，所述双向功率变换器包括开关管构成的三相三桥臂结构、直流侧电容和交流侧滤波电感，其特征在于：使双向功率变换器的交流侧输出电压等效为同步电机的激磁电动势，交流侧电网电压等效为同步电机的端电压，交流侧滤波电感等效为同步电机的电枢绕组，等效后，双向功率变换器即可作为虚拟同步电机、其惯量模拟单元为直流侧电容；所述双向功率变换器由控制单元所控制；当虚拟同步电机的功角δ＞0时，双向功率变换器运行于同步发电机模式，由控制单元输出开关信号，能量从直流侧流入交流侧，使电路工作于逆变状态；当虚拟同步电机的功角δ＜0时，双向功率变换器运行于同步电动机模式，由控制单元输出开关信号，能量从交流侧流入直流侧，使电路工作于整流状态。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步电机的双向功率变换器控制方法，其特征在于：所述双向功率变换器的控制单元包括虚拟频率控制器、虚拟励磁调节器和虚拟电机控制单元，各部分控制方法如下：a.虚拟频率控制器，包括虚拟调速器、直流电压控制部分和机电能量转换部分；①虚拟调速器：采集双向功率变换器交流侧频率ω，与额定频率ωN比较作差，经过虚拟调速器的下垂控制环节后得到功率的增量ΔP，数学模型如下：ΔP＝-kω(ω-ωN)式中，kω为单位调节功率，即下垂系数；式中，ω0为交流侧空载时的角频率，PN为额定功率，P0为交流侧空载时的功率；②直流电压控制部分：采集直流电压信号Udc，与直流参考电压Udc*进行比较，将比较结果作为PI控制器的输入，PI控制器的输出值为双向功率变换器交直流侧功率平衡时流过变换器的电流值，与直流参考电压Udc*相乘即可得到直流微电网功率参考值Pdc，该直流电压控制的数学模型为：式中，KP、KI为PI调节器的比例系数与积分系数；1/s为积分算子；③机电能量转换部分：虚拟调速器与直流电压控制部分的输出值经过叠加后产生参考功率，作为功率参考信号输入到...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦文萍，李峰，韩肖清，王鹏，王英，贾燕冰，孟润泉，任春光，王祺，刘颖，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14