[發(fā)明專利]基于虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010178139.0
• 申請日: 2020-03-14
• 公開（公告）號: CN111277001B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李培強(qiáng);夏正邦;李俊男;曹鵬程;孫培棟;商俊杰
• 申請（專利權(quán)）人: 福建工程學(xué)院
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02J3/32;H02J3/18
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 丘鴻超;蔡學(xué)俊

1.一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制方法，其特征在于，在風(fēng)電場輸出的交流母線上并聯(lián)控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括儲能裝置、逆變器、電壓傳感器、電流傳感器、自適應(yīng)有功-頻率控制模塊、無功-電壓控制模塊、虛擬阻抗控制模塊和SVPWM控制模塊，所述儲能裝置經(jīng)逆變器并聯(lián)在風(fēng)電場輸出的交流母線上，所述電壓傳感器、電流傳感器分別采集控制系統(tǒng)與風(fēng)電場并網(wǎng)端的電壓U_abc和儲能裝置輸出的電流I_abc，輸入自適應(yīng)有功-頻率控制模塊、無功-電壓控制模塊、虛擬阻抗控制模塊和SVPWM控制模塊進(jìn)行計算，得到逆變器的驅(qū)動信號，控制儲能裝置的輸出，以進(jìn)行風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制；

該方法具體包括以下步驟：

1)當(dāng)電網(wǎng)受到負(fù)荷擾動時，實時采集控制系統(tǒng)與風(fēng)電場并網(wǎng)端的電壓U_abc和儲能裝置輸出的電流I_abc；

2)電壓U_abc通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)模塊計算得到dq分量U_dq，通過幅值運(yùn)算得到并網(wǎng)端電壓幅值U_m，并通過功率計算模塊計算得到有功功率P_e；

3)采集到的U_abc和I_abc分別通過功率和鎖相環(huán)運(yùn)算，得到電網(wǎng)實際的無功功率Q和角頻率ω₀，然后通過自適應(yīng)有功-頻率控制模塊輸出相角θ，通過無功-電壓控制模塊輸出勵磁電勢E₀；

4)將自適應(yīng)有功-頻率控制模塊輸出的相角θ、無功-電壓控制模塊輸出的勵磁電勢E₀、采集到的I_abc、計算得到的電壓分量U_dq作為虛擬阻抗控制模塊的輸入信號，計算得到并網(wǎng)電壓指令值U*；

5)將并網(wǎng)電壓指令值U*作為SVPWM調(diào)制信號波，通過SVPWM控制模塊輸出逆變器的控制信號；

6)通過逆變器控制儲能裝置發(fā)出或吸收的功率，進(jìn)行風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制；

所述步驟3中，按如下方法設(shè)計所述自適應(yīng)有功-頻率控制模塊：

同步發(fā)電機(jī)中的機(jī)械角速度和電角速度的運(yùn)算關(guān)系ω＝pΩ，當(dāng)極對數(shù)p為1時，功頻控制方程為：

式中，P₀、P_e分別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和電磁功率，ω為經(jīng)過功頻控制器調(diào)整后的角頻率，J為虛擬慣量，D為阻尼因子；基于同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器原理，增加一個有功-頻率下垂控制環(huán)節(jié)，根據(jù)反饋頻率變化率，補(bǔ)償電力系統(tǒng)中的不平衡能量，下垂特性方程為：

式中，ω_ref為角頻率參考值，K_ω為有功功率的下垂系數(shù)，反映了虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG的頻率調(diào)節(jié)能力；

聯(lián)立式(1)、(2)，得到：

基于上式設(shè)計功頻控制器，其控制過程為：當(dāng)電網(wǎng)中負(fù)荷產(chǎn)生波動，輸出轉(zhuǎn)速與對應(yīng)的參考轉(zhuǎn)速相減，通過K_ω對輸出的有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，與虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出的機(jī)械功率P₀相加得到原動機(jī)輸出的參考功率；通過對電力系統(tǒng)負(fù)荷變化所引起的頻率波動進(jìn)行有差調(diào)節(jié)，得到調(diào)整后的實時角速度，進(jìn)而得到相角θ；

在功頻控制器加入自適應(yīng)控制算法，得到自適應(yīng)有功-頻率控制模塊，以在角速度變化量Δω、角速度的變化率dω/dt同號時增大虛擬慣量J，異號時減小虛擬慣量J，電力系統(tǒng)虛擬慣量和阻尼因子與頻率偏移量的自適應(yīng)控制按如下公式實現(xiàn)：

式中，J₀和D₀分別為虛擬同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，K_i和K_j分別為轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)系數(shù)，T_i和T_j為變化閾值，P_wind為風(fēng)機(jī)輸出的有功功率；

轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制過程為：在采集信號dω/dt，若大于閾值，且則輸出信號都為1，那么D設(shè)定為穩(wěn)態(tài)值D₀，參數(shù)J自適應(yīng)變化；而若大于閾值，且則輸出信號都為1，那么J設(shè)定為穩(wěn)態(tài)值J₀，參數(shù)D自適應(yīng)變化，從而實現(xiàn)J與D的交錯控制；

所述步驟3中，按如下方法設(shè)計所述無功-電壓控制模塊：

虛擬電勢E₀由電壓參考值U_ref與反饋電壓幅值進(jìn)行比較后經(jīng)PI環(huán)節(jié)得到，U_ref表示為：

U_ref＝K_Q(Q_ref-Q)+U_N＝K_QΔQ+U_N＝ΔU+U_N (6)

式中，K_Q為無功調(diào)壓系數(shù)，Q_ref為無功功率參考值，Q為逆變器并網(wǎng)端輸出的瞬時無功功率，U_N為額定電壓值，ΔU為電壓幅值的偏移量；

基于上式設(shè)計無功-電壓控制模塊，其控制過程為：當(dāng)電網(wǎng)無功負(fù)荷產(chǎn)生波動，將無功功率的差值ΔQ在調(diào)壓系數(shù)K_Q調(diào)節(jié)下，得到電壓差值的幅值ΔU，將電壓偏差值與額定電壓值U_N作和，得到電壓內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的電壓參考值U_ref，電壓參考值與反饋電壓幅值進(jìn)行比較后經(jīng)PI環(huán)節(jié)得到勵磁電勢E₀；

所述步驟4中，按如下方法設(shè)計所述虛擬阻抗控制模塊：

同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)算方程為：

式中，為定子端電壓，為同步發(fā)電機(jī)的電樞感應(yīng)電勢，為電樞電流，R_a為同步發(fā)電機(jī)的電樞電阻，X_s為電抗值，ΔE為定子壓降；

基于自適應(yīng)有功-頻率控制得到的相角θ和無功-電壓控制得到的勵磁電勢E₀，結(jié)合式(7)設(shè)計得到虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG的虛擬阻抗控制模塊，其控制過程為：自適應(yīng)有功-頻率控制模塊得出的相角θ，通過對相位取正弦函數(shù)得到正弦部分，然后與無功-電壓控制模塊得到的勵磁電勢E₀相乘，得到正弦的勵磁電動勢然后將設(shè)定的虛擬電樞電阻與同步電抗值R_a+jX_s與電樞電流相乘，得到定子壓降ΔE；最后，將與ΔE相減得到參考信號端電壓進(jìn)行abc/dq變換，與實際端電壓值進(jìn)行比較，經(jīng)PI控制器輸出到SVPWM調(diào)制生成相應(yīng)的逆變橋脈沖信號，完成整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。