[发明专利]基于分段自适应虚拟惯量的虚拟同步机频率调节方法

权利要求书

1.一种基于分段自适应虚拟惯量的虚拟同步机频率调节方法，该调节方法涉及的虚拟同步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、三相电网阻抗和三相电网，其中三相LC滤波器包括桥臂侧滤波电感和滤波电容；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路的输入端相连，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，三相LC滤波器的另一端与三相电网阻抗的一端相连，三相电网阻抗的另一端相接入三相电网；

其特征在于，所述调节方法包括以下步骤：

步骤1，采样桥臂侧滤波电感处的电流并记为滤波电流I_La,I_Lb,I_Lc，采样滤波电容处的电压并记为滤波电压U_Ca,U_Cb,U_Cc；

步骤2，对步骤1得到的滤波电流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滤波电流αβ轴分量I_Lα,I_Lβ，对步骤1得到的滤波电压U_Ca,U_Cb,U_Cc进行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到滤波电压αβ轴分量U_Cα,U_Cβ；

步骤3，根据步骤2得到的滤波电流αβ轴分量I_Lα,I_Lβ和滤波电压αβ轴分量U_Cα,U_Cβ，通过瞬时功率计算公式得到输出有功功率P和无功功率Q，其瞬时功率计算公式为：

P＝U_CαI_Lα+U_CβI_Lβ

Q＝U_CβI_Lα-U_CαI_Lβ

步骤4，引入检测角频率偏差Δω和有功功率偏差ΔP，Δω＝(ω-ω_n)，ΔP＝(P_set-P-D_pΔω)，其中，ω为输出角频率，ω_n为三相电网额定角频率，P_set为输出有功功率参考值，D_p为虚拟同步机频率下垂系数；引入加权系数k₀；

通过检测角频率偏差Δω和有功功率偏差ΔP判断三相电网的频率是否波动，对加权系数k₀赋值，并通过有功功率环路计算得到虚拟同步机调制波相角θ_m：

当ΔPΔω＝0时，认定三相电网的频率没有发生波动，取加权系数k₀＝0，所述有功功率环路计算公式如下：

其中，θ_m0为k₀＝0时的虚拟同步机调制波相角，J₀为虚拟同步机标称固定惯量，s为拉普拉斯算子；

当ΔPΔω≠0时，认定三相电网的频率发生了波动，具体的，包括2种情况：

1)输出角频率ω向三相电网额定角频率ω_n偏离，即ΔPΔω0，取加权系数k₀＝1，此时有功功率环路计算公式如下：

其中，θ_m1为加权系数k₀＝1时的虚拟同步机调制波相角，K为自适应虚拟惯量补偿系数；

2)输出角频率值向三相电网额定角频率值ω_n回归，即ΔPΔω0，取加权系数k₀＝-1，此时有功功率环路计算公式如下：

其中，θ_m2为加权系数k₀＝-1时的虚拟同步机调制波相角，J_s为限制频率变化率的最小惯量值；

步骤5，将步骤2得到的滤波电压αβ轴分量U_Cα,U_Cβ，通过两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换得到滤波电压d轴分量U_Cd和滤波电压q轴分量U_Cq，其转换式为：

步骤6，根据步骤3计算得到的输出无功功率Q和步骤5计算得到的滤波电容d轴电压U_Cd，通过无功功率环路计算得到虚拟同步机的调制波幅值E_m，其无功功率环路计算公式为：

其中，K_q为无功功率环路控制惯性系数，D_q为虚拟同步机电压下垂系数，Q_set为输出无功功率参考值，U_n为三相电网额定相电压幅值；

步骤7，将步骤6得到的虚拟同步机的调制波幅值E_m作为电压内环d轴参考电压U_dref，即U_dref＝E_m，并令q轴参考电压U_qref为0；电压内环d轴回路和电压内环q轴回路经PI调节器计算后得到电流内环d轴参考电流I_dref和电流内环q轴参考电流I_qref，其电压内环回路计算式为：

其中，K_pu为电压内环控制回路中PI调节器的比例控制系数，K_iu为电压内环控制回路中PI调节器的积分控制系数；

步骤8，通过两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换将滤波电流αβ轴分量I_Lα,I_Lβ变换得到滤波电流q轴分量I_Ld和滤波电流q轴分量I_Lq，其转换式为：

将滤波电流d轴分量I_Ld和滤波电流q轴分量I_Lq经电流内环控制回路中PI调节器后得到d轴调制波电压U_md和q轴调制波电压U_mq；其计算式为：

其中，K_pi为电流内环控制回路中PI调节器的比例控制系数，K_ii为电流内环控制回路中PI调节器的积分控制系数；

步骤9，将d轴调制波电压U_md和q轴调制波电压U_mq通过两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换得到虚拟同步机输出的三相调制波电压U_ma,U_mb,U_mc，其转换式为：

根据三相调制波电压U_ma,U_mb,U_mc生成PWM控制信号，控制三相全桥逆变电路将输出电能输送到三相电网。