[发明专利]一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法

摘要

本发明公开了一种适用于虚拟同步发电机的自适应调节频率的控制方法，首先建立虚拟同步发电机数学模型，其主电路为三相全桥逆变电路，虚拟同步发电机控制器则实现了对同步发电机数学模型的模拟。其次，建立虚拟同步发电机的频率控制系统，将量测到的虚拟同步发电机输出频率与给定频率送入频率控制器中，通过频率控制器调节机械功率，从而改变虚拟同步发电机的输出功率，使得系统有功功率平衡及维持频率在正常范围内。最后，根据对系统功频曲线的分析，调整频率控制系统的结构，使调频系数随负荷变化进行调整，以实现频率控制的自适应调节。本发明提出的控制方法，可以快速响应负荷变化，实现系统频率的无差调节。

主权项

一种采用自适应调节的虚拟同步发电机频率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、建立虚拟同步发电机数学模型：(1‑1)、虚拟同步发电机主电路设计为三相全桥逆变电路，用直流侧电压VDC模拟同步发电机的原动机部分，用逆变器输出端A、B、C相的电压ea、eb、ec模拟同步发电机的感应电动势，用虚拟同步发电机端电压ua、ub、uc模拟同步发电机定子输出端电压，将测量得出虚拟同步发电机的端电压、电流送入虚拟同步发电机控制器，根据其数学模型计算出逆变器的控制信号，然后将该信号转换为驱动逆变器的PWM信号，以控制逆变器中各个IGBT的导通与关断，从而改变虚拟同步发电机的输出电压和频率；(1‑2)、模拟同步发电机定子电压方程及转子运动方程，得出虚拟同步发电机控制器数学模型，为：U·=E·-I·(ra+jxd)Pmω-Peω-D·Δω=JdΔωdtω=dθdt;]]>式中，Pm和Pe分别为VSG的机械功率和电磁功率；△ω＝ω‑ωn为电角速度差，J和D分别代表转动惯量和阻尼系数，为励磁电动势，和分别表示定子侧电压和电流，ra为电枢电阻，xd为同步电抗；(2)建立虚拟同步发电机的频率控制系统：由步骤(1‑2)可知虚拟同步发电机的数学模型已包含转子运动方程及定子电压方程，虚拟同步发电机控制器的输入输出与同步发电机相同，所以可以通过模拟同步发电机调速器的控制原理建立虚拟同步发电机的频率控制器；其控制过程为：负荷功率变化时，虚拟同步发电机输出的频率会发生变化，将量测到的虚拟同步发电机输出频率与给定频率送入频率控制器中，通过频率控制器调节机械功率，从而改变虚拟同步发电机的输出功率，使得系统有功功率平衡及维持频率在正常范围内；频率控制器将虚拟同步发电机输出频率f与给定频率fref的偏差送入比例系数为kw的比例调节器中，将其输出与给定有功相加作为调节后的机械功率Pm，控制方程为：(fref‑f)kω+Pref＝Pm；由上式可以看出，当负荷功率与参考功率不等时，频率差一直存在，即使改变调频系数，也只能改变世界频率与参考频率差值的大小，而不能使其差为零；(3)、实现频率控制的自适应调节：根据对系统功频曲线的分析，调整频率控制系统的结构，使调频系数随负荷变化进行调整；初始状态时，系统稳定在运行点A，当负荷增加时系统频率下降，经步骤(2)中的调节后稳定在运行点B，为有差调节。功频曲线1的斜率方程在步骤(2)中写为：1kω=f0-frefPref-0;]]>采用自适应调节的频率控制就是在调节过程中保持输出有功等于负荷有功，从而维持实际频率实时跟踪参考频率，采用自适应调节的斜率方程表示为：1kω′=f0-frefPm-0;]]>得出自适应调节的斜率与初始斜率的关系为：kω′=pePmkω;]]>因此，将采用自适应调节的频率控制方程表示为：(f0‑f)k'ω＝Pm；采用自适应调节后，当负荷增大时，虚拟同步发电机输出功率开始增加，调频系数开始增大，功频曲线1向曲线2移动，系统将在输出功率与负荷功率相等时稳定在运行点C，并保证系统频率维持在参考频率。