[发明专利]虚拟同步发电机预同步控制器及其方法

权利要求书

1.一种虚拟同步发电机(VSG)预同步控制器，其特征在于：包括：有功控制环(1)、无功控制环(2)、计算模块(3)、虚拟电流生成模块(4)、转速PI调节器(5)、电压调节器(6)、预同步模块(7)、角速度积分单元(8)，该VSG预同步控制器的输入信号来自于用户给定信号及PMU测量信号，包括：虚拟同步机额定角速度ω_n、额定电压V_n、网端电压相角信号θ_g与逆变器端相角信号θ以及网端电压及网端电流信号v_g与i_g，其输出信号输入VSG逆变器的PWM波生成装置，进而控制VSG；

所述有功控制环(1)共有3个输入端、2个输出端，其第一输入端输入用户给定有功功率信号P_set，第二、三输入端分别与计算模块(3)的第一输出端以及转速PI调节器(5)的输出端相连；其第一输出端与转速PI调节器(5)的第一输入端相连，第二输出端与计算模块(3)的第一输入端相连的同时，与角速度积分单元(8)的第一输入端也相连；

有功控制环(1)的第一输入端输入P_set信号后，将该信号输入大小为p/ω_n的增益环节(p为VSG的极对数，ω_n是VSG的额定角速度)，得到虚拟机械转矩T_m，将T_m、输出转矩偏差ΔT以及第二输入端的输入信号电磁转矩T_e叠加后，输入积分常数为J的积分环节(J为虚拟转动惯量)，该积分环节的输出作为有功控制环(1)的第二输出端，输出信号为VSG的角速度ω；其中，输出转矩偏差ΔT由ω与第三输入端输入的参考角速度ω_r相减后，通过一个大小为D_P的增益环节获得(D_P为有功下垂系数)，同时，该增益环节的输出端为有功控制环(1)的第一输出端；

所述无功控制环(2)共有3个输入端、1个输出端，第一输入端输入用户给定无功功率信号Q_set，第二、三输入端分别与电压调节器(6)输出端、计算模块(3)的第二输出端相连，无功控制环(2)的输出端与计算模块(3)的第二输入端相连；

无功控制环(2)用于完成无功-电压调节，将第一输入端的输入信号Q_set、第二输入端的输入信号瞬时无功功率Q_e以及第三输入端的输入信号无功功率调节值Q_reg叠加后，输入积分常数为K的积分环节，该积分环节的输出端作为无功控制环(2)的输出端，输出信号为VSG的控制参数M_fi_f；

所述计算模块(3)共有4个输入端、3个输出端，其第一、第二、第三、第四输入端分别与有功控制环(1)的第二输出端、无功控制环(2)的输出端、角速度积分单元(8)的输出端、虚拟电流生成模块(4)的输出端相连，其第一输出端与有功控制环(1)的第二输入端相连，第二输出端与虚拟电流生成模块(4)第一输入端及外部PWM生成器相连，第三输出端与无功控制环(2)的第三输入端相连；

计算模块(3)模块的输入为VSG角速度ω、控制电流i、VSG的控制参数M_fi_f、VSG输出电压相角θ；其第一输出端的输出信号为电磁转矩T_e，第二输出端的输出信号为感应电动势e，第三输出端的输出信号为瞬时无功功率Q_e，该模块中的具体计算公式如式(1)～(3)所示：

其中

所述虚拟电流生成模块(4)共有3个输入端、1个输出端，其第一输入端与计算模块(3)的第二输出端相连；第二、第三输入端的输入信号分别为PMU采集的网侧电压信号v_g、网侧电压信号i_g，其输出端与计算模块(3)的第四输入端相连；

虚拟电流生成模块(4)将第一输入端的输入信号感应电动势e和第二输入端的输入信号电网电压v_g相减后，输入一阶传递函数G(s)模块，生成预同步所需的虚拟电流i_s，其中G(s)＝1/(Ls+R)，L与R分别为并网虚拟电感与电阻，该传递函数模块的输出连接至单刀双掷开关S_c的动端1；第三输入端的输入信号电网电流i_g连接至S_c的动端2；单刀双掷开关的不动端作为虚拟电流生成模块(4)的输出端，输出信号为控制电流i；

所述转速PI调节器(5)共有2个输入端、1个输出端，其第一输入端与有功控制环(1)中的第一输出端相连，第二输入端的输入信号为额定角速度信号ω_n，输出端与有功控制环(1)的第三输入端相连；

转速PI调节器(5)包含一个PI控制器及一个单刀单掷开关S_p，第一输入端输入的转矩偏差信号ΔT输入PI控制器，PI控制器的输出端与S_p的一侧触点相连，S_p的另一侧触点与第二输入端的输入信号ω_n相加后，作为转速PI调节器(5)的输出，输出信号为参考角速度信号ω_r；

所述电压调节器(6)共有2个输入端、1个输出端，其第一、第二输入端分别输入额定单相电压幅值V_n信号与PMU测量的电网单相电压幅值信号V_g，输出端与无功控制环(2)的第二输入端相连；

电压调节器(6)中，第一输入端输入的额定单相电压幅值V_n与第二输入端输入的电网单相电压幅值V_g相减后，输入大小为D_Q(D_Q为无功下垂系数)的增益环节，该增益环节的输出端与一个单刀单掷开关S_Q的一侧触点相连，S_Q的另一侧触点作为电压调节器(6)的输出端，输出信号为无功功率调节值Q_reg；

所述预同步模块(7)共有2个输入端、1个输出端，其第一输入端输入PMU测量的电网电压相角信号θ_g，第二输入端与角速度积分单元(8)的输出端相连，输出端的信号与有功控与角速度积分单元(8)的第二输入端相连；

预同步模块(7)包含一个PI控制器，一个单刀单掷开关S_r，将第一输入端的输入信号电网电压相角θ_g与第二输入端的输入信号VSG输出电压相角θ作差，将角度偏差Δθ输入PI控制器，PI控制器的输出端与S_r的一侧触点相连，S_r的另一侧触点作为预同步模块(7)的输出端，输出信号为角速度调整信号Δω；

所述角速度积分模块(8)共有2个输入端、1个输出端，其第一输入端、第二输入端分别与有功控制环(1)的第二输出端、预同步模块(7)的输出端相连，输出端与后级PWM生成装置相连；

角速度积分模块(8)将第一输入端的输入信号VSG角速度ω与第二输入端的输入信号Δω相加后，输入积分常数为1的积分单元中，该积分单元的输出作为角速度积分模块(8)的输出，输出信号为VSG输出电压相角θ。

2.按照权利要求1所述的虚拟同步发电机预同步控制器，其特征在于：其控制方法的步骤如下：

步骤1：VSG预同步阶段开始之前，首先进行额定值的设定；需要设定的参数有：虚拟同步机的额定角速度ω_n、虚拟转动惯量J、额定电压V_n，下垂系数D_P、D_Q，转速PI调节器中PI控制器(5)的比例调节系数K_p-1和积分调节系数K_i-1以及预同步模块(7)中PI控制器的比例调节系数K_p-2和积分调节系数K_i-2，额定有功P_set，额定无功Q_set；

步骤2：将S_P闭合，S_Q打开，Sr闭合，S_C置于1位置，将通过PMU模块采集到的网端电压相角信号θ_g与逆变器端相角信号θ相减后送入预同步模块，获取频率补偿信号Δω；将通过PMU模块采集到的网端电压信号与虚拟同步机输出电动势e相减，通过并网虚拟阻抗生成并网虚拟电流i_s，此时，控制电流i＝i_s；

步骤3：将转速PI调节器的输出与额定角速度ω_n叠加生成参考角速度ω_r，将步骤1所述频率补偿信号Δω附加在VSG有功控制环输出频率信号上，参考角速度ω_r输入有功控制环；同时将控制电流i输入计算模块；

步骤4：通过有功控制环、无功控制环及计算模块的协同控制，生成虚拟同步机的感应电动势e，并输入PWM生成器，生成PWM脉冲控制主电路三相逆变器，实现虚拟同步机的预同步并网；

步骤5：当VSG输出电压幅值、频率和相角信号满足并网合闸运行要求时，将虚拟电流生成模块中的S_c置于2、将S_P、S_r打开，切除转速PI调节模块和预同步模块，VSG以并网模式运行。