[发明专利]基于二次调频和虚拟同歩发电机算法的逆变器并联系统的控制方法

权利要求书

1.一种基于二次调频和虚拟同歩发电机算法的逆变器并联系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、采用分开独立采样的方法采集两台并联虚拟同歩发电机VSG的频率；同时采用幅值计算模块算出两台虚拟同歩发电机的输出电压电流幅值；

采用微电网中央控制器分别各自独立采集两台并联虚拟同歩发电机的频率，采用极点配置单环电压PID控制算法对两台虚拟同歩发电机输出的电压、电流进行计算，

具体的，i＝1,2时，记D_i、K_di、P_ei、P_Ni分别表示VSG1和VSG2各自对应的量，其中ΔP_i表示两台VSG的PI控制器输出偏差量，则稳态时

若两台VSG额定容量关系为

P_N1:P_N2＝α₁:α₂ (2)

为了在VSG1和VSG2二次调频时，使其能按各自额定容量分担有功功率，要求有功环下垂系数D_i的取值跟VSG1和VSG2的容量成正比，下标i＝1，2，即

则根据式(1)和式(3)得

同时要保证有功环比例系数K_d1、K_d2与VSG1、VSG2各自额定容量成比例，即

在VSG1和VSG2二次调频环节中引入频率偏差反馈系数K_d后，式(2)变为

由式(2)、(3)、(5)和(6)得

由式(7)可知，VSG1和VSG2在独立采样系统各自频率时还能按其额定容量实现功率分配；

具体的，由于并联系统的逆变器模型在旋转坐标系下的d轴和q轴之间存在耦合项，因此需要分别对在旋转坐标系下d轴和q轴之间的耦合项ωCU_q，-ωCU_d，-ωLI_q，ωLI_d进行电压前馈解耦，得到PID等效控制系统模型；

在给定输入参考信号U_dqR和负载电流扰动信号I₀的同时作用下，闭环输出电压的传递函数为:

逆变器闭环系统特征方程如下：

D(s)＝LCs³+K_Ds²+(1+K_P)s+K_I (9)

式中：K_p，K_I，K_D分别指PID控制的比例、积分、微分参数；

由式(9)可知，该逆变器闭环系统为高阶系统，对高阶系统的分析和研究一般比较复杂，故引入控制中的主导极点理论，如果高阶系统中与虚轴距离最近的一对极点，其实部比其他极点实部的1/5还要小，认为系统的响应主要由该主导极点决定，若VSG并联系统找到一对共轭复数主导极点，则此系统就近似地当做2阶系统来分析，其暂态响应性能指标都按2阶系统近似估计，

系统主导极点期望值为：

式中：ζ_r为2阶系统阻尼比；ω_r为2阶系统无阻尼自然振荡角频率；n为正整数，

因此，满足动态性能要求的参数应为：

S2、将采集两台VSG的频率分别送入各自控制算法中的有功环中进行PI调节得到各自频率偏差量；将VSG各自输出的电压电流幅值输入到功率计算模块得到两台VSG的参考有功功率和参考无功功率；

S3、将所述各自频率偏差量输入两台虚拟同歩发电机的二次调频单元进行无差调频得各VSG的频率调节量；将所述参考有功功率和参考无功功率输入到各VSG的控制模块中得到各自参考电压；

具体的，所述虚拟同歩发电机算法，参照同步发电机的机械方程、电磁方程及调速器和励磁控制器，使得逆变器在控制机理和外特性上均模拟同步发电机，VSG模拟同步发电机的控制单元主要包括有功频率控制单元和无功电压控制单元；

为增强系统频率响应的惯性，引入同步发电机转子动态方程：

式中，K_J和K_D分别为虚拟转动惯量及虚拟阻尼系数，ω_n为额定角速度，Δω＝ω-ω_n为实际角速度和额定角速度之差，δ为输出功角，由调速模块和转子运动控制模块构成，分别用于实现同步发电机的有功-频率特性曲线及转子惯性，实现有功的合理分配以及频率的动态调节，

为方便分析，对上述控制单元等效变换后，可得到频率与有功改变量之间的关系为：

上式表明，在负荷波动引起有功变化的情况下，系统频率表现为一阶惯性响应而非阶跃响应，从而有效地增强系统频率的稳定性，

所述无功-电压控制单元，其下垂特性方程为：

这里K_q为无功与电压改变量的比值，定义为无功-电压下垂系数，即

励磁系统除需要电压调差模块抑制电压波动，还需要励磁控制模块稳定输出电压，参考同步发电机励磁控制，加入励磁控制器，通过调节励磁电流进而对感应电势的幅值进行实时调节，维持各VSG输出电压的恒定，励磁调节器的闭环控制方程如下：

式中，u_ref和u_o分别为同步发电机参考电压和输出电压的有效值，G(s)为励磁调节模块，G(s)中的积分环节能够保证输出电压无偏差地跟踪参考电压，

令励磁控制的输出直接为VSG调制波电压的幅值而去掉中间变量励磁电流，结合式(14)和式(16)可以得到无功-电压控制环的数学方程：

上式中K_u＝G(s)/K_q为无功-电压控制环的励磁系数，而G(s)为积分调节器；

与下垂控制相比，VSG的无功-电压控制环中励磁控制模块实现了励磁控制的目的，兼顾了电磁暂态特性，从而更利于电压波动平稳过渡到新的稳态，通过设计励磁系数K_u可以满足不同功率等级和调节速度的控制要求，使系统有更好稳定性和动态性能；

S4、将所述各自参考电压进行空间矢量脉宽调制SVPWM，产生控制两台并联逆变器的驱动信号；

S5、采用预同步控制算法将VSG并联上另一台VSG带负载运行；

将静止三相坐标系下的u_abc转为两相动态坐标系下u_dq，并将u_q与PI调节器相接，相位差θ-θ'由u_q控制，通过控制u_q为零来实现锁相，其中，角频率扰动ω_r与基波角频率相同，其目的是为提高锁相速度，相位信息θ'是角频率ω'积分得到的，将得到的相位θ'用到坐标变换中以形成闭环控制，具体的，所述预同步控制算法，即准同期控制算法主要包括三个部分，同步检测单元、同步调节单元和合闸并列单元，通过同步坐标系下的锁相环测得电网电压u_g信息，将其与同步逆变器输出电压u_o信息进行比较，判断电压差绝对值是否小于允许误差，若不满足，通过PI增加或减小ΔQ、ΔP继续进行二次调压和二次调频直至满足允许误差为止，

当微电网与电网频率偏差低于频率允许误差ε_ω时，启动相角调节器，如式(21)所示，若微电网电压的相位θ_o滞后于电网相角θ_g，则比例调节器P输出为正值，微电网频率增加，从而其电压相位θ_o能够追上电网电压相位θ_g，最终相位差被调整至允许误差内，同理也对相角控制器的输出进行频率限幅，

考虑到合闸回路控制器和断路器合闸的固有动作时间，因此，在上述准同期控制算法中加入了合闸并列控制单元，用于计算两电压一致前的导前角，其计算公式为：

式中，ω_d和t_dq分别为角频率差和导前时间，选取ω_d为频率允许误差值ε_ω。