一種采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)頻率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電機(jī)頻率控制方法領(lǐng)域，具體是一種采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電 機(jī)頻率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力需求及高能源效率需求的日益增長(zhǎng)，新能源分布式發(fā)電并入大電網(wǎng)成為 今后電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。然而，分布式發(fā)電輸出大多為直流或功頻交流電，需要通過(guò)不同 形式的電力電子逆變器接入配電網(wǎng)。由于該些逆變器不具備同步發(fā)電機(jī)的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及調(diào) 頻調(diào)壓特性，給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)了極大的負(fù)面影響。因此，研究分布式電源逆變器的控制方 法勢(shì)在必行。
[0003] 傳統(tǒng)逆變器在微網(wǎng)不同運(yùn)行模式下采用不同的控制方法，且不具備同步發(fā)電機(jī)的 大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及調(diào)頻調(diào)壓特性，總體來(lái)說(shuō)傳統(tǒng)逆變器的控制方法不能滿足將微網(wǎng)接入大電網(wǎng) 的要求。本發(fā)明所設(shè)及的虛擬同步發(fā)電機(jī)借鑒了同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與調(diào)速器控制策 略，使電力電子逆變器具有了大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、頻率-有功下垂特性及同步運(yùn)行特性，使其可W 作為各種新能源發(fā)電接入配電網(wǎng)的統(tǒng)一接口。然而，當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī)采用調(diào)速器調(diào)頻時(shí)， 工作機(jī)制與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻過(guò)程基本相同，為有差調(diào)節(jié)；另外，當(dāng)采用分散式二次調(diào)頻 時(shí)，調(diào)頻系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)選取困難，且系統(tǒng)負(fù)荷變化較大時(shí)可能產(chǎn)生嚴(yán)重的超調(diào)問(wèn) 題。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有的虛擬同步發(fā)電機(jī)的頻率控制方法均存在一定不足，無(wú)法滿足微 網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)頻率調(diào)節(jié)的要求，有必要提出一種新的適用于微網(wǎng)系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)頻 率控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)頻率控制方法，W快 速實(shí)現(xiàn)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)，提高發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0007] 一種采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)頻率控制方法，其特征在于：包括如下步 驟：
[000引 （1)、建立虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型：
[0009] (1-1)、虛擬同步發(fā)電機(jī)主電路設(shè)計(jì)為S相全橋逆變電路，用直流側(cè)電壓Vdc模擬 同步發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)部分，用逆變器輸出端A、B、C相的電壓e。、種、e。模擬同步發(fā)電機(jī)的感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，用虛擬同步發(fā)電機(jī)端電壓11。、1^11。模擬同步發(fā)電機(jī)定子輸出端電壓，將測(cè)量得出 虛擬同步發(fā)電機(jī)的端電壓、電流送入虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器，根據(jù)其數(shù)學(xué)模型計(jì)算出逆變 器的控制信號(hào)，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)逆變器的PWM信號(hào)，W控制逆變器中各個(gè)IGBT的 導(dǎo)通與關(guān)斷，從而改變虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率；
[0010] (1-2)、模擬同步發(fā)電機(jī)定子電壓方程及轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，得出虛擬同步發(fā)電機(jī)控制 器數(shù)學(xué)模型，為：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)頻率控制方法，其特征在于：包括如下步 驟： (1) 、建立虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型： (1-1)、虛擬同步發(fā)電機(jī)主電路設(shè)計(jì)為三相全橋逆變電路，用直流側(cè)電壓Vdc模擬同步 發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)部分，用逆變器輸出端A、B、C相的電壓ea、eb、e。模擬同步發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)，用虛擬同步發(fā)電機(jī)端電壓!^、!^、!!。模擬同步發(fā)電機(jī)定子輸出端電壓"等測(cè)量得出虛擬 同步發(fā)電機(jī)的端電壓、電流送入虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器，根據(jù)其數(shù)學(xué)模型計(jì)算出逆變器的 控制信號(hào)，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)逆變器的PWM信號(hào)，以控制逆變器中各個(gè)IGBT的導(dǎo)通 與關(guān)斷，從而改變虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率； (1-2)、模擬同步發(fā)電機(jī)定子電壓方程及轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，得出虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器數(shù) 學(xué)模型，為：
式中，PdP P e分別為VSG的機(jī)械功率和電磁功率；Λ ω = ω-ω "為電角速度差，J和 D分別代表轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)，?為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，?和i分別表示定子側(cè)電壓和電流，1^為 電樞電阻，Xd為同步電抗； (2) 建立虛擬同步發(fā)電機(jī)的頻率控制系統(tǒng)：由步驟（1-2)可知虛擬同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué) 模型已包含轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程及定子電壓方程，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器的輸入輸出與同步發(fā)電 機(jī)相同，所以可以通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器的控制原理建立虛擬同步發(fā)電機(jī)的頻率控制 器； 其控制過(guò)程為：負(fù)荷功率變化時(shí)，虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出的頻率會(huì)發(fā)生變化，將量測(cè)到的 虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出頻率與給定頻率送入頻率控制器中，通過(guò)頻率控制器調(diào)節(jié)機(jī)械功率， 從而改變虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出功率，使得系統(tǒng)有功功率平衡及維持頻率在正常范圍內(nèi)； 頻率控制器將虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出頻率f與給定頻率fMf的偏差送入比例系數(shù)為1^的 比例調(diào)節(jié)器中，將其輸出與給定有功相加作為調(diào)節(jié)后的機(jī)械功率Pm，控制方程為： (fref-f)ku+Pref= Pm； 由上式可以看出，當(dāng)負(fù)荷功率與參考功率不等時(shí)，頻率差一直存在，即使改變調(diào)頻系 數(shù)，也只能改變世界頻率與參考頻率差值的大小，而不能使其差為零； (3) 、實(shí)現(xiàn)頻率控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié)：根據(jù)對(duì)系統(tǒng)功頻曲線的分析，調(diào)整頻率控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)，使調(diào)頻系數(shù)隨負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整； 初始狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定在運(yùn)行點(diǎn)A，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)系統(tǒng)頻率下降，經(jīng)步驟（2)中的調(diào)節(jié) 后穩(wěn)定在運(yùn)行點(diǎn)B，為有差調(diào)節(jié)。功頻曲線1的斜率方程在步驟（2)中寫為：
采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的頻率控制就是在調(diào)節(jié)過(guò)程中保持輸出有功等于負(fù)荷有功，從而維持 實(shí)際頻率實(shí)時(shí)跟蹤參考頻率，采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的斜率方程表示為：
得出自適應(yīng)調(diào)節(jié)的斜率與初始斜率的關(guān)系為：
因此，將采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的頻率控制方程表示為： (f〇-f)k' ω = Pm; 采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)后，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出功率開始增加，調(diào)頻系數(shù)開始 增大，功頻曲線1向曲線2移動(dòng)，系統(tǒng)將在輸出功率與負(fù)荷功率相等時(shí)穩(wěn)定在運(yùn)行點(diǎn)C，并保 證系統(tǒng)頻率維持在參考頻率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于虛擬同步發(fā)電機(jī)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)頻率的控制方法，首先建立虛擬同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，其主電路為三相全橋逆變電路，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制器則實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的模擬。其次，建立虛擬同步發(fā)電機(jī)的頻率控制系統(tǒng)，將量測(cè)到的虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出頻率與給定頻率送入頻率控制器中，通過(guò)頻率控制器調(diào)節(jié)機(jī)械功率，從而改變虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出功率，使得系統(tǒng)有功功率平衡及維持頻率在正常范圍內(nèi)。最后，根據(jù)對(duì)系統(tǒng)功頻曲線的分析，調(diào)整頻率控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使調(diào)頻系數(shù)隨負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)頻率控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明提出的控制方法，可以快速響應(yīng)負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)。
【IPC分類】H02J3-40
【公開號(hào)】CN104638679
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510064606
【發(fā)明人】鄭天文, 王志文, 陳文強(qiáng), 陳來(lái)軍, 黃少偉
【申請(qǐng)人】蕪湖大學(xué)科技園發(fā)展有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年2月6日