一種VSG運行模式切換控制方法與流程

本發明屬于微網及分布式發電領域，尤其涉及一種vsg運行模式切換控制方法。

背景技術：

當微源逆變器并網運行時，其輸出電壓的頻率與幅值受到大電網的鉗制，當采用虛擬同步發電機控制技術時，微源逆變器能夠根據大電網的實際需求調節自身輸出的有功與無功功率，用以維持系統的穩定運行。

當電網的頻率與微源逆變器的額定頻率之間差值較大，理論上需要輸出或者吸收大量的有功功率，才能夠保持與大電網頻率同步，但微源逆變器實際容量有限，可能無法達到其標準。當大電網的電壓幅值與微源逆變器的額定電壓幅值差值較大，需要大量的無功補償以實現電壓平衡，此時若不考慮逆變器容量，將會導致逆變器過載，更嚴重甚至會導致無功振蕩。當大電網的頻率和電壓幅值發生波動時，同樣會導致微源逆變器輸出功率的波動。因此，若依舊依靠傳統的vsg控制，將無法滿足穩定運行的要求。

傳統的vsg控制策略，能夠使并網逆變器具有同步發電機的外特性，提高逆變器的運行性能。為了滿足電網復雜的工作環境要求，充分利用電力電子裝置控制靈活性的優點，vsg在模擬同步發電機的外部特性的同時，還需根據實際工況需求改變控制策略。

vsg運行模式的切換，可以實現系統穩定運行的目的。通過對vsg中有功控制模塊和無功控制模塊進行改進，研究以實現系統穩定運行為目的，具有一定的可行性和有效性。

技術實現要素：

發明目的：針對以上問題，本發明提出一種vsg運行模式切換控制方法，使得微源逆變器能夠在vsg控制與pq控制之間實現平滑切換，實現系統穩定運行，滿足電網復雜工作環境要求。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種vsg運行模式切換控制方法，在有功/頻率控制模塊和無功/電壓控制模塊的pi控制環節中均增加模式切換開關，使得有功/頻率控制模塊工作在傳統vsg有功/頻率控制模式或恒功率控制模式，無功/電壓控制模塊工作在下垂模式或作為pi控制器。

進一步地，在有功/頻率控制模塊中，對pi控制器進行改良，當模式切換開關選擇通道0時，有功控制環節為傳統vsg有功/頻率控制模式；當模式切換開關選擇通道1時，有功控制環節變為恒功率控制模式。

進一步地，在無功/電壓控制模塊中，對pi控制器進行改良，當模式切換開關選擇通道0時，無功控制模塊工作在下垂模式；當模式開關選擇通道1時，下垂系數與積分參數共同形成pi控制器。

有益效果：本發明通過對有功控制模塊和無功控制模塊進行改進，實現微源逆變器在vsg控制與pq控制之間的切換，通過對pi控制環節的改進，實現運行模式的無縫平滑切換，減小了對電網帶來的沖擊，實現系統穩定運行的目的。

附圖說明

圖1是有功控制模塊控制示意圖；

圖2是無功控制模塊控制示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。

本發明所述的vsg運行模式切換控制方法，通過對pi控制環節的改進，實現微源逆變器在vsg模式與pq模式間無縫、平滑切換，在傳統的visma控制模型基礎上，以實現系統穩定運行為目標，從有功控制模塊和無功控制模塊進行改進，獲得可行有效的方案。

基于visma控制模型搭建仿真，采用本文提出的vsg運行模式無縫切換技術，對逆變器的運行模式進行分析，驗證控制策略的正確性和有效性。

在有功/頻率控制模塊中，對pi控制器進行改良。當模式切換開關選擇通道0時，有功控制環節為傳統vsg有功-頻率控制；當模式切換開關選擇通道1時，有功控制環節變為恒功率控制模式，當切換穩定后，通道1可以等效為比例積分器。與常規的pi控制器相比較，避免輸出電壓頻率發生突變，減少了系統動態調節所需要的時間，保證系統能夠快速到達穩定狀態。

如圖1所示，有功/頻率控制模塊對pi控制環節進行改進，s為模式切換信號，ki和kp分別為pi控制器的比例和積分參數，ts為時間常數，z^-1為延遲環節。

當模式切換開關選擇通道0時，有功控制環節為傳統vsg有功-頻率控制，逆變器輸出電壓頻率與相角可以通過下式計算得到：

其中，tm、te和td分別是機械轉矩、電磁轉矩以及阻尼轉矩；d為阻尼系數。

機械轉矩tm如下式所示：

pset為并網逆變器的有功指令，此時有：

ωr＝ωn(3)

其中，ωr為角速度的參考值，ωn為大電網角速度的額定值。

當模式切換開關選擇通道1時，此時有功控制環節變為恒功率控制模式。當切換穩定后，通道1可以等效為比例積分器。由于pi控制器的作用，在穩態時有

td＝0(4)

由于vsg穩定運行時，角速度保持不變，因此由式1可得，等式左邊為0，當td為0時，tm與te保持一致，即微源逆變器輸出的功率與逆變器的功率指令一致，此時微源逆變器處于恒功率控制模式。

在模式切換的過程中，角速度參考值可以表示為：

其中，△ω為pi控制模塊輸出值。

假設在由vsg模式切換至恒功率模式的瞬間，ωr的值維持不變，那么即可降低沖擊帶來的影響。當處于vsg模式時，δω始終為0。在切換的瞬間，由于延遲環節z^-1的作用，使得ωr的值在模式轉換的前后一致，避免輸出電壓頻率發生突變。

在無功/電壓控制模塊中，對pi控制器進行改良。無功控制模塊工作在下垂模式，按照下垂系數，輸出的電壓幅值隨著功率均分結果進行變化，模擬同步發電機的無功/電壓控制；當模式開關選擇通道1時，下垂系數kpq與積分參數kiq共同形成pi控制器，保證輸出功率跟隨設定值qset。同時，由于延遲環節z^-1的作用，積分環節輸出值在切換瞬間依舊為0，避免了輸出瞬間突變。

如圖2所示，無功/電壓控制模塊針對visma控制模型建立，圖中，q和qset分別為功率的實際值和功率的設定值，kpq為下垂系數，kiq為控制的積分參數，u0為電壓幅值的初始設定值，s為模式切換信號，z^-1為延遲環節。

當s選擇通道0時，無功控制模塊工作在下垂模式，按照下垂系數，輸出的電壓幅值隨著功率均分結果進行變化，模擬同步發電機的無功/電壓控制。

當s選擇通道1時，下垂系數kpq與積分參數kiq共同形成pi控制器，保證輸出功率跟隨設定值qset。同時，由于延遲環節z^-1的作用，積分環節輸出值在切換瞬間依舊為0，避免了輸出瞬間突變。

本發明通過對有功控制模塊和無功控制模塊進行改進，根據電網的需求，實現微源逆變器在vsg控制與pq控制之間的切換，通過對pi控制環節的改進，實現運行模式的無縫、平滑切換，減小了對電網帶來的沖擊，實現系統穩定運行的目的。