【《基于虚拟同步发电机VSG的变换器控制原理分析》2100字】

基于虚拟同步发电机VSG的变换器控制原理分析1.1虚拟同步发电机数学模型通常在解物理问题时可以对物理模型作一些近似处理，这样不仅能更好体现模型的相关特性，而且还可以把许多的问题简单化以便利人们去研究探讨。本文主要以同步发电机的二阶数学模型进行分析，对同步发电机的励磁环节、功频控制以及转子的运动方程来进行模拟。模型主要包含：由转子的机械部分推导出的运动方程和定子的励磁部分推导出的电气方程以及相应的物理量。同步发电机简化模型如图1.1所示。 图1.1同步发电机简化模型图同步发电机转子运动方程由旋转物体运动公式可知： (1.1)其中，为不平衡转矩；为转子的转动惯量；Ω为机械角速度；为转子角加速度。从转矩角度可得： (1.2)其中，是机械转矩,为阻尼转矩,是电磁转矩。当转子转速为ω0时，动能为： (1.3)转矩用标幺值表示： (1.4)上式中转矩的基准值为，其中为功率基准值。电气角速度ω与机械角速度Ω存在以下关系； ; (1.5)假设极对数为1，ω0为角速度； (1.6)其中H为惯性时间常数。将上式改写成 ； (1.7)将上式进行简单变换得： (1.8) (1.9)将上式变换得： (1.10)同步发电机定子的电气方程由图1.1可以得到同步发电机定子的电气方程： (1.11)综上可得同步发电机的二阶数学模型： (1.12) (1.13)其中，E是励磁电动势；是输出电压；R是电枢电阻，X是同步电抗；J为转子转动惯量；D为阻尼系数；θ是相角；是实际电角速度；是机械角速度；是参考角速度，当同步发电机在稳定运行时，近似有[6]。通过以上分析，可以利用同步发电机和逆变器结构的相似之处来设计合理的控制方法，就能够使逆变器有着和同步发电机一样的特性。1.2VSG变换器的控制原理VSG控制是采用同步发电机的数学模型在下垂控制的基础上进行改进。使VSG控制不仅可以像Droop控制一样通过电压电流闭环控制对输出电压进行调压和调频，还可以使采用该控制的系统具有像同步发电机一样的阻尼和惯性，增强系统的抗干扰能力。解决了电力电子变换器无惯性和阻尼的问题，为更多分布式新能源友好接入传统电网创造了条件[7]。 图1.2VSG变换器控制原理图图1.2为VSG变换器控制原理图。其控制结构可分两部分，包括基于虚拟同步发电机控制算法的功率环控制和电压电、流环的双解耦控制结构。L、C分别为电感和电容，Iabc、Uabc为VSG输出电流和电压。将采集的电压和电流进行功率计算得到变换器实际输出的瞬时功率，与系统给定的参考功率共同进入虚拟同步发电机算法模块进行功率环控制，输出的电压Uq_ref和Ud_ref再进入电压电流控制模块进行电压、电流环的双解耦控制，最后将输出的电压进行信号调制，控制三相桥臂的开断。 图1.3VSG控制算法原理图控制核心方程为： (1.14)图1.2为VSG控制算法原理图。为额定电压，为转动惯量，为无功下垂系数，D为阻尼系数。由瞬时有功功率经参数计算得到的相角与瞬时无功功率Q经计算得到的电压合成三相电压并经过坐标变换输出电压、。 图1.4电压电流双解耦控制结构图图1.4为电压电流双闭环控制结构图。其中Uod和Uoq分别为电容电压d轴和q轴分量，iLd和iLq分别为电感电流d轴和q轴分量。通过上述控制使VSG变换器不但拥有下垂特性，还可以使系统具有惯性和阻尼特性，当电网频率波动时，可以改变输出的有功功率来调节电网频率；当电网电压波动时，可以通过改变输出的无功功率进行调压。1.2.1VSG变换器控制参数设计VSG输出的视在功率为： (1.15)将阻抗变为，为阻抗角； (1.16)其中有功部分为： (1.17)对上式微分得： (1.18) (1.19)将替换为并根据同步电机电磁功率和机械功率的关系得： (1.20)其中为额定角频率，为电磁功率，为机械功率。对上式进行拉普拉斯变换得： (1.21)已知二阶闭环传递函数为： (1.22)由(1.21)、(1.22)得： (1.23) (1.24)其中为自然震荡角频率，为阻尼比。由上式可知，当D不变时，J与成负相关，调节速度会变慢；当J不变时，D与成正相关使调节速度变大。不同容量的VSG变换器有着不同的最佳参数组合，当容量和角速度确定时可以根据系统最佳配置的原则，来确定的取值，通过式(1.23)、(1.24)就可以计算出转动惯量J和阻尼系数D的最佳配置参数组合。1.2.2VSG变换器预同步控制原理在变换器由独立运行模式切换到并网模式的过程中需要通过控制将变换器的电流和电压与电网达到同步后方可并网，如果不加控制的直接并入电网，会产生大量的冲击电流破坏系统稳定。预同步控制通过对电网电压的采集，确保在并网时PCC两端电压保持同步，从而减小并网电流对电网的冲击实现平滑并网。 图1.5预同步控制原理图图1.5是预同步控制原理图。预同步控制是通过锁相环(PLL)实时检测变换器侧和电网侧(PCC)的电压。当变换器侧和电网侧的电压幅值差的有效值小于基准值时，说明变换器侧和电网侧的电压差满足要求，实现了VSG变换器电压和电网电压的电压幅值预同步；当变换器侧和电网侧电压的相位差的有效值小于基准值时，说明变换器侧和电网侧的电压相位差满足要求，实现了VSG变换器电压和电网电压的电压相位预同步；当变换器侧和电网侧电压的频率差的有效值小于基准值时，说明变换器侧和电网侧的电压频率差满足要求，实现了VSG变换器侧电压和电网侧电压的电压频率预同步。只有当以上三个预同步全部实现的时