[发明专利]交直流混合微电网双向功率变换器虚拟同步电机控制方法

权利要求书

1.一种交直流混合微电网双向功率变换器虚拟同步电机控制方法，包括双向功率变换器，所述双向功率变换器为由IGBT开关管构成的三相电压源型PWM变换器，交流侧经过LC滤波器和线路阻抗Z_ac连接至交流母线，直流侧经过直流电容C_dc和线路阻抗Z_dc连接至直流母线，其特征在于：所述双向功率变换器由控制单元所控制；所述控制单元包括频率控制单元、虚拟励磁控制单元和双向功率传输控制单元三部分；频率控制单元和虚拟励磁控制单元分别产生控制回路的交流侧相角δ和电压参考值E，交流侧相角δ经过正弦函数后，生成相位相差120°的三相正弦波，与电压参考值E相乘后，得到三相正弦的参考电压e_abc，参考电压e_abc作为电压-电流双闭环控制的输入信号，经过控制调节后生成三相正弦调制波，进行PWM调制，最终生成PWM信号控制双向功率变换器；

所述控制单元中，频率控制单元、虚拟励磁控制单元和双向功率传输控制单元三部分的控制方法如下：

a.频率控制单元：

传统同步电机的机械运动方程为：

式中：J为转动惯量，D为阻尼系数，ω为虚拟转子角频率，ω_N为系统额定角频率，P_m、P_e分别为机械功率和电磁功率；忽略阻尼绕组影响，阻尼系数与一次调频的下垂系数k_ω相等，即：

通过检测有功功率P_e相对于P_m的瞬时变化量△P＝P_m-P_e＝-△P_e，实现对角频率ω的控制，混合微电网上，有功功率变化会同时引起交流频率和直流电压变化，因此，通过直流电压变化来反映混合微电网有功功率的变化量△P，从直流侧看，动态过程中有功功率变化△P由两部分组成：直流侧下垂控制引起的有功功率变化量△P_in，属于稳态功率变化量；直流电容瞬时充放电功率△P_C，属于动态功率波动，这两部分分别对应直流电压的稳态变化量和瞬时变化率：

式中：k_u为直流下垂系数；u_dc为直流电压实际值，U_dcN为直流电压额定值；C_dc为直流电容容量；

测量直流电压后，经过计算即可得到混合微电网中功率变化量△P，进而实现对频率的控制，因此，混合微电网中双向功率变换器的虚拟同步电机控制方程为：

在动态调节过程中，频率的变化将引起交流子网的功率发生变化，△P_ac＝k_ω(ω-ω_N)，其中包含交流子网传统同步发电机一次调频、负荷功频特性以及可控储能在频率变化时的充放电功率；

直流电压变化将引起直流子网功率变化△P_dc＝k_u(u_dc-U_dcN)和直流电容快速充放电功率C_dcU_dcN(du_dc/dt)，△P_dc中包括直流子网储能单元和负荷在电压波动时的吞吐功率；

上述动态调节过程中，交、直流子网功率变化量均可为交流频率提供惯性；

当系统达到稳态时，交流频率和直流电压稳定，Jω_N(dω/dt)＝0且C_dcU_dcN(du_dc/dt)＝0，双向功率变换器虚拟同步电机的控制方程变为：

k_ω(ω-ω_N)＝k_u(u_dc-U_dcN)

在达到稳态时，混合微电网表现为下垂特性，交、直流子网能够均衡承担有功功率变化量；

b.虚拟励磁控制单元：

虚拟励磁控制，通过控制无功功率对电压进行控制，即无功-电压下垂控制，其控制方程为：

E＝E_ref+k_q(Q_ref-Q)

式中，E为虚拟电势有效值；E_ref为空载电势有效值；k_q为无功-电压下垂系数；Q_ref和Q分别为无功功率参考值与实际值；

c.双向功率传输控制单元：

设定和分别为双向功率变换器交流侧桥臂中点输出电压e_abc、滤波电容电压u_abc和流经双向功率变换器的电流i_abc的合成相量，以为参考相量，可得双向功率变换器交流侧电压方程：

式中，X_L为交流滤波电感的电抗值，X_L＝ωL，ω为交流角频率，即为双向功率变换器虚拟转子角频率；

直流子网通过双向功率变换器流向交流子网的功率为：

式中，δ是电压相量与的相角差，R_L为交流滤波电感的寄生电阻，R_LX_L，因此双向功率变换器功率传输特性近似为：

通过控制相角δ的正负即可控制双向功率变换器的功率传输方向，实现功率的双向流动：

当δ＞0时，双向功率变换器运行于虚拟同步发电机模式，即逆变模式，功率从直流子网流向交流子网，P_t为正；

当δ＜0时，双向功率变换器运行于虚拟同步电动机模式，即整流模式，功率从交流子网流向直流子网，P_t为负；

当δ＝0时，双向功率变换器中没有功率流动，交、直流子网之间没有功率交换，P_t＝0。