基于虚拟同步机的微网并离网切换策略制造技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟同步机的微网并离网切换策略，属于新能源并网发电领域。传统的双模式控制在并网瞬间会产生冲击电流，严重时可能会损坏逆变器，本发明专利技术根据同步发电机的转子运动方程和定子电气方程建立了逆变器的数学模型，通过对调速器和励磁调节器以及预同步单元进行设计，模拟了同步发电机的运行特性，控制逆变器实现惯性、阻尼以及下垂特性。孤岛与并网状态进行切换时，逆变器无需切换控制算法，减小了运行时的暂态响应，使得切换瞬间并网点电流可以平滑过渡，同时抑制了有功、无功功率的冲击，从而实现微网从孤岛到并网状态的无缝切换。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步机的微网并离网切换策略
本专利技术涉及一种基于虚拟同步机的微网并离网切换策略，尤其是能够减小并网瞬间的电流冲击，实现无缝切换。属于新能源并网发电领域。
技术介绍
微电网，也称为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。在并网模式下，分布式微源通常采用恒功率控制以实现微源的最大利用。孤岛模式下由于缺乏大电网的支撑，需要依靠微源的协调控制来维持系统的电压和频率稳定。两种模式下控制器的输出结果不同，会导致在切换瞬间产生很大的电流冲击，很多学者针对该问题做出了改进，可以有效缓和切换过程中的冲击，但由于两种模式的控制策略完全不同，两套控制器需要同时运行，占用了大量处理器的资源，且在切换过程中稍有偏差就容易造成电流冲击和电压突变。
技术实现思路
为了克服现有的控制策略容易造成电流和有功功率的冲击以及处理器资源的浪费等不足之处，本专利技术提出了一种基于虚拟同步机的微网并离网切换策略，在微网并网和孤岛状态下均采用虚拟同步机控制，避免了切换过程中的震荡和电流冲击，可以在不改变控制器结构的条件下实现并离网的平滑切换。本专利技术提出了一种基于虚拟同步机的微网并离网切换策略。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：微网逆变器引入由转子运动方程和定子电气方程所组成的同步发电机暂态数学模型,建立了微网逆变器的虚拟同步机模型，同时设计了包括角频率预同步、相角预同步和幅值预同步在内的预同步单元。当微电网接收到并网指令时先经过该预同步单元然后再发出合闸指令。微网中央控制器根据运行模式给定控制器的参考值，然后下发给调速器和励磁调节器，调速器和励磁调节器输出Pm和E0，作为虚拟同步机转子运动方程和定子电气方程的给定值。虚拟同步机的机械功率Pm由两部分组成：Pm＝Pref+ΔP＝Pref+Kw*(ω0-ω),其中，Kw为频率调节系数，Pref为虚拟同步机运行的额定功率；虚拟同步机的暂态电势E0由两部分组成:E0＝Uref+ΔEQ＝Uref+Ke*(Qref-Q),其中为Ke电压调节系数。微网孤岛运行时，由于负荷功率Pload与虚拟同步机的额定功率Pref不相等，根据有功-频率下垂控制，虚拟同步机的运行角频率ω不等于额定角频率ω0,当系统接收到并网指令时启动预同步单元，逆变器以角频率运行，直至逆变器输出电压的角频率与相角与交流母线完全同步。其中，ωvsg为逆变器的输出角频率，其值为ωvsg＝ωref+Kw*(Pref-Pe)，ωref根据并离网状态给定。Kp和Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数，θgrid为交流母线电压相位角，θvsg为逆变器输出电压相位角，ωgrid为交流母线电压角频率，ωvsg为逆变器输出电压角频率.另一方面，预同步单元还应包括幅值预同步其中，E0为励磁调节器的参考电压，其值为E0＝Uref+Ke*(Qref-Q),Qref根据微网的并离网状态给定,孤岛状态时，Qref＝Qload,并网状态时根据调度指令给定，Kp和Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数。Ugrid为交流母线电压幅值，Uvsg为逆变器输出电压幅值。此外，孤岛运行与并网运行时的参考电压和参考角频率不同。孤岛运行时，参考电压和参考角频率的值分别为EB和ωB，为一定值(即Uref＝EB＝311，ωref＝ωB＝2*π*50)。系统具有下垂特性，可以根据系统所带的负荷实现有功功率和无功功率的合理分配。并网运行时，系统的电压和角频率由大电网支撑，参考电压和参考角频率的值分别为Ugrid和ωgrid，(即Uref＝Ugrid，ωref＝ωgrid)。可见，逆变器在从孤岛转并网的过程中，只需要将调速器和励磁调节器的输入参考信号进行简单调整即可，并不改变原有控制器的内部结构，有利于消除切换瞬间产生的电流和功率冲击，比较容易实现并离网的无缝切换。附图说明下面结合附图和实例对本专利技术做进一步说明图1是基于虚拟同步机的算法实现框图。图2是虚拟同步机调速器模式切换控制框图。图3是虚拟同步机励磁调节器模式切换控制框图。图4是预同步模式控制框图。图5是预同步过程中并网点两侧电压波形图。图6是双模式控制交流母线侧电压电流波形图(以A相为例)。图7是双模式控制逆变器输出功率变化波形图。图8是基于虚拟同步机的并离网切换策略交流母线侧电压电流波形图(以A相为例)。图9是基于虚拟同步机的并离网切换策略逆变器输出功率变化波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的说明：本专利技术以交直流混合微网为研究对象，借鉴电力系统的运行经验，在微网逆变器控制策略中引入同步发电机算法，使逆变器模拟同步发电机的运行特性，提高微电网的运行性能。在图1中，通过模拟同步发电机的转子运动方程得到转子角，然后再经过同步发电机的定子电气方程得到电压内环的给定值，再经过一个电压电流双闭环模块，最后输出逆变器的PWM信号。当微网由孤岛转换为并网模式时，由于并网点两侧电压不同步，直接合闸会产生电流冲击，应该先经过一个预同步单元，如图2、图3和图4所示。如图7所示，1s前微网带20kW的负荷孤岛运行，而虚拟同步机的额定功率为10kW，故在1s时发出并网指令，闭合网侧开关，与此同时产生巨大的冲击电流，与理论分析结果一致。并网后，逆变器以额定功率恒功率运行，剩余的10kW负载由大电网支撑，故交流母线侧功率因素为-1，如图6所示，交流母线电压与电流相位互差180°。当采用基于虚拟同步机的微网并离网切换策略时，初始状态，微网带20kW负载孤岛运行，由于设计的控制器具有有功-频率和无功-电压下垂特性，逆变器输出电压跌落，角频率也有所降低。若直接并网运行，势必会产生图6的冲击电流，故在0.5s时启动预同步控制，输入电压和频率参考值均切换为预同步模式时的参考值。图5为预同步过程中并网点两侧电压波形图，根据该图可以得出，启动预同步之后，逆变器与电网的电压幅值差、角频率差以及相角差逐渐减小，直到两电压波形完全重合。1s时电压幅值差、相角差以及频率差均满足并网要求，预同步过程结束，闭合网侧开关并切换控制模式，微网进入并网运行。并网后，逆变器按照调度有功和调度无功输出功率。图8为并网过程中交流母线侧电压电流波形图，由于三相对称，故只保留A相。图9为并网过程中逆变器输出功率变化图，并网前，逆变器输出功率等于负载功率20kW，并网后，逆变器根据调度有功输出功率为10kW。通过比较图8和图6，图9和图7，基于虚拟同步机的微网并离网切换在并网过程中由于逆变器具有了同步发电机的惯性和阻尼，且在并网前投入预同步单元，切换过程没有产生冲击电流，实现了平滑无缝切换，符合预期设想。仿真结果表明，本文设计的基于虚拟同步机的微网并离网切换策略是可行的。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟同步机的微网并离网切换策略，在微网逆变器控制策略中引入同步发电机算法，其特征是：在微网系统并离网切换时，采用预同步单元使得并网点两侧电压的角频率差、相角差和幅值差满足合闸条件，实现无冲击并网。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步机的微网并离网切换策略，在微网逆变器控制策略中引入同步发电机算法，其特征是：在微网系统并离网切换时，采用预同步单元使得并网点两侧电压的角频率差、相角差和幅值差满足合闸条件，实现无冲击并网。


2.根据权利要求1所述的预同步单元，其特征是：接收到并网信号之后启动，其中包括角频率差控制单元相角差控制单元幅值差控制单元三个部分，实现并网点两侧电压同步的控制目标。


3.根据权利要求1所述的微网...

【专利技术属性】
技术研发人员：程天琪，李建勇，陈鸣慧，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32