一種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法
【專利摘要】一種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，屬于預(yù)同步控制方法。預(yù)同步控制方法包括：在并網(wǎng)開關(guān)Sg兩端存在一個虛擬阻抗Xv；檢測PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug；計算虛擬電抗上虛擬有功功率Pv和無功功率Qv，通過PI控制器使虛擬有功和無功趨近為0，當(dāng)兩者同時為0時，并網(wǎng)開關(guān)Sg兩端電壓的幅值和相位分別相等，此時若并網(wǎng)則并網(wǎng)瞬間沖擊電流小，保證了逆變器平滑友好并網(wǎng)。傳統(tǒng)預(yù)同步控制方法有兩個鎖相環(huán)，需要較多的PI調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)復(fù)雜；本發(fā)明省略了鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，控制更加簡單，也不受鎖相環(huán)的延遲和控制精度的影響；只需要兩個PI控制器，簡化了算法復(fù)雜度；實現(xiàn)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅值同相位，降低了暫態(tài)沖擊電流，實現(xiàn)離/并網(wǎng)無縫切換。
【專利說明】
-種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種預(yù)同步控制方法，具體設(shè)及一種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機的不斷加劇與環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，基于可再生能源的分布式發(fā)電 系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展，當(dāng)分布式電源的容量越來越大時，并網(wǎng)逆變器給電力系統(tǒng)帶來了不 小的挑戰(zhàn)。而基于虛擬同步發(fā)電機（Virtual Sync虹onous Generator,VSG)控制策略可W 參與電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)壓，還可W像同步發(fā)電機那樣獨立自治運行，大大提高了微電網(wǎng)和配 電網(wǎng)對分布式電源的適應(yīng)性和接納能力，所W虛擬同步發(fā)電機算法有很大的發(fā)展前景。
[0003] 微電網(wǎng)具有離網(wǎng)和并網(wǎng)運巧巾不同的運行模式，當(dāng)基于虛擬同步發(fā)電機的逆變器 處于離網(wǎng)運行后，隨著時間的累積，微電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電壓之間的幅值和相位出現(xiàn)偏差，若 在不合時宜的時刻并網(wǎng)，可能會引起過大的沖擊電流，導(dǎo)致離/并網(wǎng)失敗，所W并網(wǎng)過程中 兩者間的同步問題是實現(xiàn)平滑切換的關(guān)鍵。
[0004] 針對上述問題，基于虛擬同步發(fā)電機的并網(wǎng)逆變器，常用的同步方法是采用幅值 預(yù)同步和相位預(yù)同步控制環(huán)節(jié)對電網(wǎng)電壓進行跟蹤，直到條件滿足后再并網(wǎng)。運種常規(guī)預(yù) 同步控制方法需要增加額外的控制環(huán)節(jié)，增加了控制系統(tǒng)復(fù)雜性;且需要鎖相獲得電網(wǎng)的 角度和幅值，控制受鎖相環(huán)的延時和控制精度的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是要提供一種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，解決基于虛擬同步 發(fā)電機傳統(tǒng)預(yù)同步方法的問題，省略鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，控制更加簡單，也不受鎖相環(huán)的延遲和控 制精度的影響，且可W實現(xiàn)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅值同相位，降低了暫態(tài)沖擊電 流，實現(xiàn)離/并網(wǎng)無縫切換。
[0006] 本發(fā)明的目的是運樣實現(xiàn)的:該預(yù)同步控制方法的如下：
[0007] (1)獲得PCC節(jié)點電壓Up。。和電網(wǎng)電壓Ug;
[000引（2)計算虛擬電抗上虛擬有功功率Pv和無功功率Qv;
[0009] (3)通過PI調(diào)節(jié)器對有功功率Pv和無功功率Qv進行調(diào)節(jié)，使兩者趨近于0,并將PI輸 出量送入虛擬同步發(fā)電機控制算法中的有功-頻率環(huán)和無功-電壓環(huán)；
[0010] (4)閉合并網(wǎng)開關(guān)，使基于虛擬同步發(fā)電機的并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)。
[0011] 具體實現(xiàn)步驟為：
[0012] 步驟(1)中，在并網(wǎng)開關(guān)Sg兩端存在一個虛擬電抗Xv,虛擬阻抗Xv兩端分別為PCC節(jié) 點電壓Up。。和電網(wǎng)電壓Ug，通過電壓傳感器獲得PCC節(jié)點電壓Up。。和電網(wǎng)電壓Ug，然后對PCC節(jié) 點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug分別進行Cl ark變換得到地坐標(biāo)系下的值Upcca、Upcce和Uga、Uge。
[0013] 步驟(2)中，虛擬電抗Xv上輸送的虛擬有功和無功功率為：
[0014]
[001引其中目PCC、0g分別為PCC電壓和電網(wǎng)電壓的相位。
[OOW 檢測并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓，當(dāng)且僅當(dāng)Upcc = Ug且目PCC =目g時，虛擬電抗的計算有功功 率Pv和無功功率Qv同時為0;或者說，通過檢測PCC兩端電壓來計算虛擬電抗輸送的功率，并 通過控制策略使虛擬有功功率和無功功率同時為加寸，兩端電壓的幅值和相位分別相等； [0017]控制系統(tǒng)反饋虛擬有功功率和無功功率的計算可W采用并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓直 角坐標(biāo)分量，虛擬電抗可W給定常數(shù);控制系統(tǒng)反饋虛擬有功功率和無功功率計算公式為：
[001
[0019 ] 其中機CC、機CC與町、聽分別為PCC電壓和電網(wǎng)電壓的a軸和0軸分量。
[0020] 步驟(3)中，將計算得到的虛擬有功功率Pv和無功功率Qv分別與基準(zhǔn)值0進行比較 做差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對虛擬有功功率Pv和無功功率Qv的無靜差控制，將 得到的PI輸出的擾動量加入到虛擬同步發(fā)電機算法的有功-頻率環(huán)和無功-電壓環(huán)中。
[0021] 步驟(4)中，當(dāng)虛擬有功功率Pv和無功功率Qv為0時，此時逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電 壓同幅值同相位，閉合并網(wǎng)開關(guān)Sg,使基于虛擬同步發(fā)電機的逆變器接入電網(wǎng)，實現(xiàn)離/并 網(wǎng)無縫切換。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)和控制方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0023] (1)傳統(tǒng)預(yù)同步控制方法有兩個鎖相環(huán)，本發(fā)明省略了鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，控制更加簡 單，也不受鎖相環(huán)的延遲和控制精度的影響；
[0024] (2)傳統(tǒng)控制方法所需的PI調(diào)節(jié)器數(shù)量較多，增加了控制系統(tǒng)復(fù)雜性;本發(fā)明只需 要兩個PI控制器，簡化了算法復(fù)雜度；
[0025] (3)可W快速實現(xiàn)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅值同相位，降低了暫態(tài)沖擊電 流，實現(xiàn)離/并網(wǎng)無縫切換。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明一種包含并網(wǎng)開關(guān)虛擬電抗的光伏發(fā)電系統(tǒng)圖。
[0027] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)的虛擬同步發(fā)電機整體控制框圖。
[0028] 圖3為現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)預(yù)同步控制框圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明一種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明一種虛擬同步發(fā)電機模式切換控制框圖。
【具體實施方式】
[0031 ]該預(yù)同步控制方法的如下：
[0032] (I)獲得PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug;
[0033] (2)計算虛擬電抗上虛擬有功功率Pv和無功功率Qv;
[0034] (3)通過PI調(diào)節(jié)器對有功功率Pv和無功功率Qv進行調(diào)節(jié)，使兩者趨近于0，并將PI輸 出量送入虛擬同步發(fā)電機控制算法中的有功-頻率環(huán)和無功-電壓環(huán)；
[0035] (4)閉合并網(wǎng)開關(guān)，使基于虛擬同步發(fā)電機的并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)。
[0036] 具體實現(xiàn)步驟為：
[0037] 步驟(1)中，在并網(wǎng)開關(guān)Sg兩端存在一個虛擬電抗Xv,虛擬阻抗Xv兩端分別為PCC節(jié) 點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug，通過電壓傳感器獲得PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug，不需要鎖相 環(huán)環(huán)節(jié)，降低了控制系統(tǒng)復(fù)雜度，也不受鎖相環(huán)的延遲和控制精度的影響，然后對PCC節(jié)點 電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug分別進行Cl ark變換得到地坐標(biāo)系下的值Upcca、Upcce和Uga、U泌。
[0038] 步驟(2)中，虛擬電抗Xv上輸送的虛擬有功和無功功率為：
[0039]
[0040] 其中目PCC、目g分別為PCC電壓和電網(wǎng)電壓的相位。
[0041 ]檢測并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓，當(dāng)且僅當(dāng)Upcc = Ug且目PCC =目g時，虛擬電抗的計算有功功 率Pv和無功功率Qv同時為0;或者，通過檢測PCC兩端電壓來計算虛擬電抗輸送的功率，并通 過控制策略使虛擬有功功率和無功功率同時為0時，兩端電壓的幅值和相位分別相等；
[0042] 控制系統(tǒng)反饋虛擬有功功率和無功功率的計算可W采用并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓直 角坐標(biāo)分量，虛擬電抗可W給定常數(shù);控制系統(tǒng)反饋虛擬有功功率和無功功率計算公式為：
[0043]
[0044] 其中機CC、機CC與町、聽分別為PCC電壓和電網(wǎng)電壓的a軸和P軸分量。
[0045] 步驟(3)中，將計算得到的虛擬有功功率Pv和無功功率Qv分別與基準(zhǔn)值0進行比較 做差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對虛擬有功功率Pv和無功功率Qv的無靜差控制，將 得到的PI輸出的擾動量加入到虛擬同步發(fā)電機算法的有功-頻率環(huán)和無功-電壓環(huán)中。
[0046] 步驟(4)中，當(dāng)虛擬有功功率Pv和無功功率Qv為0時，此時逆變器輸出電壓與電網(wǎng) 電壓同幅值同相位，閉合并網(wǎng)開關(guān)Sg,使基于虛擬同步發(fā)電機的逆變器接入電網(wǎng)，實現(xiàn)離/ 并網(wǎng)無縫切換。
[0047] 結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步進行詳細說明。
[004引常規(guī)預(yù)同步控制方法需要增加額外的控制環(huán)節(jié)，增加了控制系統(tǒng)復(fù)雜性;且需要 鎖相環(huán)環(huán)節(jié)獲得電網(wǎng)的角度和幅值，控制受鎖相環(huán)的延時和控制精度的影響，本發(fā)明針對 運個問題，提出一種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，可W快速實現(xiàn)逆變器輸出電壓與電 網(wǎng)電壓同幅值同相位，降低了暫態(tài)沖擊電流，實現(xiàn)離/并網(wǎng)無縫切換。
[0049]本發(fā)明的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用=相橋式結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明采用的虛 擬同步發(fā)電機控制策略框圖，如圖所示，虛擬同步發(fā)電機的調(diào)速器和勵磁器分別生成電壓 參考相位與幅值，而后進入電壓電流雙環(huán)控制生成六路PWM波，離網(wǎng)和并網(wǎng)都采用電壓型控 審IJ，電壓電流雙閉環(huán)策略采用電容電壓PI外環(huán)、電感電流P內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制；在原有的基于 虛擬同步發(fā)電機的控制策略中加入了基于虛擬阻抗的控制環(huán)節(jié)，如圖4所示，從而可W實現(xiàn) 虛擬同步發(fā)電機雙模式運行方式的無縫切換，如圖5所示。具體改進如下：
[0050] (1)對于電壓相位的調(diào)節(jié)，如圖3所示，常規(guī)的預(yù)同步方法采用相位預(yù)同步控制環(huán) 節(jié)對電壓相位進行調(diào)節(jié)，通過鎖相環(huán)環(huán)節(jié)得到電網(wǎng)電壓相位9g，再經(jīng)過比較器和PI調(diào)節(jié)器 實現(xiàn)對電壓相位無靜差調(diào)節(jié)；而本發(fā)明省去了鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，如圖4所示，假設(shè)在并網(wǎng)開關(guān)Sg 兩端存在一個虛擬電抗Xv,虛擬阻抗兩端分別為PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓咕，通過電壓傳 感器獲得PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug，若要使PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug相位一樣，通 過公式推導(dǎo)和證明，只需使虛擬阻抗的虛擬有功功率為0,首先使用算法計算出虛擬有功功 率Pv,然后與基準(zhǔn)值0進行比較，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，使虛擬有功功率Pv為0,即 PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug相位一樣。
[0051] (2)對于電壓幅值的調(diào)節(jié)，如圖3所示，常規(guī)的預(yù)同步方法采用幅值預(yù)同步控制環(huán) 節(jié)對電壓幅值進行調(diào)節(jié)，通過鎖相環(huán)環(huán)節(jié)得到電網(wǎng)電壓幅值，然后與逆變器輸出電壓幅值 進行比較做差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，即實現(xiàn)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓幅 值一樣。而本發(fā)明省去了鎖相環(huán)環(huán)節(jié)，如圖4所示，假設(shè)在并網(wǎng)開關(guān)Sg兩端存在一個虛擬電 抗Xv,虛擬阻抗兩端分別為PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug,通過電壓傳感器獲得PCC節(jié)點電 壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug，若要使PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug幅值一樣，通過公式推導(dǎo)和證明， 只需使虛擬阻抗的虛擬無功功率為0,首先使用算法計算出虛擬無功功率Qv,然后與基準(zhǔn)值 0進行比較，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，使虛擬無功功率Qv為0,從而使PCC節(jié)點電壓 Upcc和電網(wǎng)電壓Ug幅值相同。
[0052] (3)對于虛擬同步發(fā)電機運行模式的切換，如圖5所示，其中1、2、3分別為孤島運 行、預(yù)同步與并網(wǎng)運行開關(guān)，投切不同的開關(guān)即可分別工作在孤島運行、預(yù)同步和并網(wǎng)運行 =種模式。首先探討虛擬同步發(fā)電機從并網(wǎng)運行模式向離網(wǎng)運行模式的轉(zhuǎn)換過程，基于虛 擬同步發(fā)電機控制的并網(wǎng)逆變器具有和同步發(fā)電機相比擬的外特性，可W等效為1個獨立 的電壓源。因此，在計劃孤島或非計劃孤島時，當(dāng)電網(wǎng)切除后，虛擬同步發(fā)電機仍然保持并 網(wǎng)時的初始狀態(tài)(虛擬發(fā)電機電勢E和相位5)，進而在并/離網(wǎng)模式切換過程中不會出現(xiàn)明 顯的暫態(tài)過程，故可W自然地實現(xiàn)并/離網(wǎng)模式的無縫、平滑切換。因此本發(fā)明的預(yù)同步環(huán) 節(jié)是針對虛擬同步發(fā)電機從離網(wǎng)運行模式向并網(wǎng)運行模式的轉(zhuǎn)換過程。
[0053] 該實施方式包括如下步驟：
[0054] 步驟（1)，如圖1所示，假設(shè)在并網(wǎng)開關(guān)Sg兩端存在一個虛擬電抗Xv,虛擬阻抗兩端 分別為PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug，通過電壓傳感器獲得PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug， 然后對PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug分別進行Clark變換得到地坐標(biāo)系下的值Upcca、lWe和 UgCL、U泌 O
[0055] 步驟(2)，主要是對虛擬有功和無功功率的計算，虛擬電抗上輸送的虛擬有功和無 功功率為：
[0化6]
[0057] 檢測開關(guān)兩側(cè)電壓，當(dāng)且僅當(dāng)且Upcc = Ug時，虛擬電抗的計算有功功率Pv和無功功 率Qv同時為0;或者，用Sg兩側(cè)0PCC= 0g檢測電壓來計算虛擬電抗輸送的功率，當(dāng)虛擬有功功 率和無功功率同時為0時，兩端電壓的幅值和相位分別相等。
[005引虛擬有功功率和無功功率的計算可W采用并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)電壓直角坐標(biāo)分量，虛擬 電抗可W給定常數(shù);控制系統(tǒng)反饋庶擬有巧巧率和無巧巧率計算公式為：
[0化9]
[0060] 根據(jù)公式可知，采用步驟（1)得到的Upcca、lWe和lV、Uge。便可W求出控制系統(tǒng)反饋 虛擬有功功率和無功功率。
[0061] 步驟(3)中，如圖4所示，將計算得到的虛擬有功功率Pv和無功功率Qv分別與基準(zhǔn)值 0進行比較做差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對虛擬有功功率Pv和無功功率Qv的無靜 差控制，并將得到的擾動量送入VSG控制器中。
[0062] 步驟(4)中，如圖5所示，閉合并網(wǎng)開關(guān)3,使基于虛擬同步發(fā)電機逆變器接入電網(wǎng)， 實現(xiàn)離/并網(wǎng)無縫切換。
[0063] 當(dāng)基于虛擬同步發(fā)電機逆變器處于離網(wǎng)狀態(tài)，即開關(guān)1閉合，如圖5所示，若需要實 現(xiàn)并網(wǎng)，首先使開關(guān)切換到開關(guān)2,實現(xiàn)預(yù)同步，然后再切換到開關(guān)3,使虛擬同步發(fā)電機接 入電網(wǎng)，實現(xiàn)離/并網(wǎng)無縫切換。
【主權(quán)項】
1. 一種基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，其特征在于，由如下幾個步驟構(gòu)成： (1) 獲得PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug; (2) 計算虛擬電抗上虛擬有功功率Pv和無功功率Qv; (3) 通過PI調(diào)節(jié)器對有功功率Pv和無功功率Qv進行調(diào)節(jié)，使兩者趨近于0,并將PI輸出量 分別加入到虛擬同步發(fā)電機算法中的有功-頻率環(huán)和無功-電壓環(huán)； (4) 閉合并網(wǎng)開關(guān)，使基于虛擬同步發(fā)電機控制的逆變器接入電網(wǎng)。2. 如權(quán)利要求1所述的基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，其特征在于，步驟（1)中，在并 網(wǎng)開關(guān)Sg兩端存在一個虛擬電抗Xv，虛擬阻抗Xv兩端分別為PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug， 通過電壓傳感器獲得PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug，然后對PCC節(jié)點電壓Upcc和電網(wǎng)電壓Ug 分別進行Clark變換得到αβ坐標(biāo)系下的值UpGGa、lWe和Uga、U泌。3. 如權(quán)利要求1所述的基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，其特征在于，步驟(2)中，虛擬 電抗Xv上輸送的虛擬有功和無功功率為：檢測并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓，當(dāng)且僅當(dāng)Up(x = Ug且目PCC=目g時，虛擬電抗的計算有功功率Pv 和無功功率Qv同時為0;或者，通過檢測PCC兩端電壓來計算虛擬電抗輸送的功率，并通過控 制策略使虛擬有功功率和無功功率同時為0時，兩端電壓的幅值和相位分別相等； 控制系統(tǒng)反饋虛擬有功功率和無功功率的計算可W采用并網(wǎng)開關(guān)Sg兩側(cè)電壓直角坐標(biāo) 分量，虛擬電抗為給定常數(shù);控制系統(tǒng)反饋虛擬有功功率和無功功率計算公式為：4. 如權(quán)利要求1所述的基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，其特征在于，步驟(3)中，將計 算得到的虛擬有功功率Pv和無功功率Qv分別與基準(zhǔn)值0進行比較做差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進 行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對虛擬有功功率Pv和無功功率Qv的無靜差控制，將得到的PI輸出的擾動量加入 到虛擬同步發(fā)電機算法的有功-頻率環(huán)和無功-電壓環(huán)中。5. 如權(quán)利要求1所述的基于虛擬阻抗的預(yù)同步控制方法，其特征在于，步驟(4)中，當(dāng)虛 擬有功功率Pv和無功功率Qv為加寸，即逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅值同相位，閉合并網(wǎng) 開關(guān)Sg，使基于虛擬同步發(fā)電機的逆變器并網(wǎng)，實現(xiàn)離/并網(wǎng)無縫切換。
【文檔編號】H02J3/40GK105978038SQ201610308642
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】耿乙文, 孫帥, 王宇, 丁建佳, 田芳芳, 張泉泉, 云陽, 高翔, 王昊, 馬鴻宇, 郝雙程, 王亮, 許家斌
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)