虚拟同步发电机快速功率控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟同步发电机快速功率控制方法及系统，属于分布式发电逆变器控制及电力电子技术领域，应用该控制方法的虚拟同步发电机的拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器、三相线路阻抗和三相电网。所述控制方法包括虚拟同步发电机控制、前置滤波器控制，能够有效提升虚拟同步发电机有功功率控制带宽，且不影响虚拟同步发电机并网稳定性。机并网稳定性。机并网稳定性。

【技术实现步骤摘要】
虚拟同步发电机快速功率控制方法及系统


[0001]本专利技术属于分布式发电逆变器控制及电力电子
，涉及一种虚拟同步发电机快速功率控制方法，所述控制方法包括虚拟同步发电机控制、前置滤波器控制，能够有效提升虚拟同步发电机有功功率控制带宽，且不影响虚拟同步发电机并网稳定性。

技术介绍

[0002]电流控制型并网逆变器由于输出功率调节速度快、MPPT效率和可再生能源利用率高等优点，在基于可再生能源的分布式发电中得到了广泛应用。然而，电流控制型并网逆变器一般以最大化有功功率输出为主要运行目标，不能如传统同步机一样支撑电网电压和电网频率稳定，容易引发不稳定问题。随着可再生能源发电渗透率的不断提升，电网逐渐呈现弱电网甚至极弱电网状态，并网逆变器接入弱电网的稳定性问题得到日益广泛的关注，虚拟同步发电机技术应运而生。
[0003]虚拟同步发电机技术能够模拟传统同步机的阻尼和惯性，从而为电网提供频率和电压支撑。现有研究表明，大规模可再生能源发电设备接入电网时，接入一定比例的虚拟同步发电机有利于分布式发电系统稳定。另外，与电流控制型并网逆变器不同，虚拟同步发电机基于电压控制，在弱电网甚至极弱电网下也具有较强的稳定性。
[0004]然而，虚拟同步发电机的有功功率控制带宽远低于电流控制型并网逆变器，其有功功率调节时间甚至将长达数秒，难以满足电网标准对于新能源自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)的快速性要求。
[0005]因此，考虑在不影响虚拟同步发电机稳定性的前提下，提升其有功功率控制带宽，实现快速功率控制，具有重要意义。
[0006]目前，对于逆变器快速功率控制，已有多篇学术论文进行分析并提出解决方案，例如：
[0007]1、题为“弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略”，《电源学报》，2022年7月4日网络首发文章。该文研究了下垂控制逆变器的快速功率控制策略，但是下垂控制不能模拟传统同步机的阻尼和惯性，对弱网稳定性支撑能力不足，因此有必要考虑虚拟同步发电机的快速功率控制方法。但下垂控制逆变器功率环参数简单，只有下垂系数，为一阶系统；而虚拟同步发电机控制含有虚拟转动惯量J，为二阶系统。该文献所提快速功率控制策略难以应用于虚拟同步发电机。
[0008]2、中国专利技术专利文献(公开号CN 108390396 A)于2018年08月10日公开的《基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法》，提出了一种基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法，在两相旋转坐标系中设计虚拟电抗，从而减小虚拟同步发电机输出有功功率和无功功率在动态过程中的耦合程度，抑制虚拟发电机动态过程中的功率振荡。然而，尽管该专利所提的动态虚拟电抗能提高稳定性，但反而会降低有功控制带宽。
[0009]3、题为“用于光伏快速功率控制的新型锁相环参数设计”，《电力电子技术》，2022年第56卷4期102～108页的文章。提出了一种新型PLL设计方法，改善了PLL的动态性能。与
传统设计方法不同，在环路滤波器设计中，此处引入了两个实极点，通过系统零点位置的有效设计，消除了系统的慢动态，改善了系统的动态性能，从而有利于并网光伏参与系统调频功能。然而，该方法作用对象是电流控制型并网逆变器，在弱电网下存在稳定性问题。
[0010]综合以上文献，现有虚拟同步发电机强网下稳定运行方法存在以下不足：
[0011]1、现有的快速功率控制方法，主要针对下垂控制逆变器或电流控制型并网逆变器，而非针对虚拟同步发电机，虚拟同步发电机功率环更为复杂，上述方法难以用于解决虚拟同步发电机快速功率控制问题。
[0012]2、现有基于的虚拟阻抗方法，能够提升虚拟同步发电机稳定性，但反而会降低虚拟同步发电机有功控制带宽。
[0013]因此，有必要研究不影响稳定性的虚拟同步发电机快速功率控制方法。

技术实现思路

[0014]本专利技术所要解决的问题是现有技术中存在的控制复杂、稳定性和虚拟同步发电机有功控制带宽不能兼顾及非虚拟同步发电机的问题，即提出一种虚拟同步发电机快速功率控制方法及系统，所述控制方法通过虚拟同步发电机控制、前置滤波器控制，最终实现虚拟同步发电机快速功率控制。能够在不影响虚拟同步发电机稳定性的前提下，提升其有功功率控制带宽。
[0015]本专利技术的目的是这样实现的。本专利技术提供了一种虚拟同步发电机快速功率控制方法，应用该控制方法的虚拟同步发电机的拓扑结构包括依次连接的逆变器、三相LC滤波器和三相电网阻抗，三相电网阻抗接入三相电网；
[0016]在每个逆变器计算周期T
c。mpute
均进行一轮控制计算，所述一轮控制计算的步骤如下：
[0017]S1，将三相LC滤波器中的电容和电感分别记为滤波电容和滤波电感，采样得到滤波电容的三相滤波电压U
a
，U
b
，U
c
和滤波电感的三相滤波电流I
La
，I
Lb
，I
Lc
；
[0018]S2，对三相滤波电压U
a
，U
b
，U
c
和三相滤波电流I
La
，I
Lb
，I
Lc
进行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到两相滤波电压U
α
，U
β
和两相滤波电流I
Lα
，I
Lβ
；
[0019]S3，根据两相滤波电压U
α
，U
β
和两相滤波电流I
Lα
，I
Lβ
，通过瞬时功率计算公式计算得到逆变器输出有功功率P和逆变器输出无功功率Q；
[0020]S4，根据上一轮控制计算得到的滤波电容A相电压相角θ
PLL_Last
，对两相滤波电压U
α
，U
β
进行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换得到d轴滤波电压U
d
和q轴滤波电压U
q
，其中q轴为无功轴，d轴为有功轴；
[0021]S5，根据q轴滤波电压U
q
，通过单同步坐标系锁相环锁相公式计算得到滤波电容A相电压相角θ
PLL
，该滤波电容A相电压相角θ
PLL
用于下一轮的控制计算；
[0022]S6，根据三相电网阻抗的电抗值X
g
、逆变器输出有功功率原始参考值P
set
、三相电网额定角频率ω
n
和三相电网额定相电压幅值U
nAmp
，通过前置滤波器计算公式计算得到逆变器输出有功功率实际参考值P
give
；
[0023]S7，根据逆变器输出有功功率P和逆变器输出有功功率实际参考值P
give
，通过有功功率环计算公式计算得到虚拟同步发电机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种虚拟同步发电机快速功率控制方法，应用该控制方法的虚拟同步发电机的拓扑结构包括依次连接的逆变器、三相LC滤波器和三相电网阻抗，三相电网阻抗接入三相电网；其特征在于，在每个逆变器计算周期T
compute
均进行一轮控制计算，所述一轮控制计算的步骤如下：S1，将三相LC滤波器中的电容和电感分别记为滤波电容和滤波电感，采样得到滤波电容的三相滤波电压U
a
，U
b
，U
c
和滤波电感的三相滤波电流I
La
，I
Lb
，I
Lc
；S2，对三相滤波电压U
a
，U
b
，U
c
和三相滤波电流I
La
，I
Lb
，I
Lc
进行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到两相滤波电压U
α
，U
β
和两相滤波电流I
Lα
，I
Lβ
；S3，根据两相滤波电压U
α
，U
β
和两相滤波电流I
Lα
，I
Lβ
，通过瞬时功率计算公式计算得到逆变器输出有功功率P和逆变器输出无功功率Q；S4，根据上一轮控制计算得到的滤波电容A相电压相角θ
PLL_Last
，对两相滤波电压U
α
，U
β
进行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换得到d轴滤波电压U
d
和q轴滤波电压U
q
，其中q轴为无功轴，d轴为有功轴；S5，根据q轴滤波电压U
q
，通过单同步坐标系锁相环锁相公式计算得到滤波电容A相电压相角θ
PLL
，该滤波电容A相电压相角θ
PLL
用于下一轮的控制计算；S6，根据三相电网阻抗的电抗值X
g
、逆变器输出有功功率原始参考值P
set
、三相电网额定角频率ω
n
和三相电网额定相电压幅值U
nAmp
，通过前置滤波器计算公式计算得到逆变器输出有功功率实际参考值P
give
；S7，根据逆变器输出有功功率P和逆变器输出有功功率实际参考值P
give
，通过有功功率环计算公式计算得到虚拟同步发电机输出的调制波角度θ
m
；S8，根据逆变器输出无功功率Q和d轴滤波电压U
d
，通过无功功率环计算公式计算得到虚拟同步发电机输出的调制波幅值U
m_VSG
；S9，根据虚拟同步发电机输出的调制波幅值U
m_VSG
和虚拟同步发电机输出的调制波角度θ
m
，通过虚拟同步发电机调制电压计算公式计算得到虚拟同步发电机输出的三相调制电压U
mA
，U
mB
，U
mC
；S10，对虚拟同步发电机输出的三相调制电压U
mA
，U
mB
，U
mC
进行SVPWM调制，生成逆变器功率器件的开关信号。2.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机快速功率控制方法，其特征在于，所述瞬时功率计算公式为：P＝U
α
I
Lα
+U
β
I
Lβ
Q＝U
β
I
Lα
‑
U
α
I
Lβ
。3.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机快速功率控制方法，其特征在于，所述对两相滤波电压U
α
，U
β
进行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换得到d轴滤波电压U
d
和q轴滤波电压U
q
的变换式为：U
d
＝cos(θ
PLL_Last
)
×
U
α
+sin(θ
PLL_Las
t)
×
U
β
U
q
＝
‑
sin(θ
PLL_Last
)
×
U
α
+cos(θ
PLL_Last
)
×

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，郭梓暄，韩峰，付新鑫，高博，徐斌，彭勃，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：