[发明专利]一种虚拟同步发电机参数设计方法

摘要

本发明公开了一种虚拟同步发电机参数设计方法。该发明首先计算虚拟同步发电机数字控制的延时时间，根据控制环开环传递函数及广义奈氏稳定判据得出基于稳定裕度的LC谐振频率稳定域，并采用基于加权几何平均值的方法计算出谐振频率大小；对于外环参数采用了基于下垂系数与阻尼系数独立控制的方法来独立设计两者参数，并结合电力电子变换控制灵活，动态响应快及同步发电机自下垂，惯量大等优势，提出了一种准同步发电机外环参数设计方法。该发明省略了繁琐的反复试凑步骤，计算方法简单直观。

主权项

1.一种虚拟同步发电机参数设计方法，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，先计算虚拟同步发电机数字控制系统的采样、调制、加载过程中产生的总延时时间t_d，然后求出虚拟同步发电机LC滤波器的桥臂侧电感L₁；总延时时间t_d的计算式为：t_d＝λT_s桥臂侧电感L₁的计算式为：其中，λ为延时时间系数，T_s为虚拟同步发电机电流采样时间，U_dc为虚拟同步发电机直流侧电压，k_sw为光伏逆变器PWM调制电流纹波系数，为桥臂侧电感电流纹波的最大值，T_sw为虚拟同步发电机开关管的开关周期；步骤2，给出虚拟同步发电机电流控制环的开环传递函数G(s)的表达式；开环传递函数G(s)的表达式为：其中，G_c为电流环控制方程，K_pwm为调制系数，e为自然指数，s为拉普拉斯算子，G₁为桥臂输出电压到电流控制变量的传递函数；步骤3，根据步骤2中给出的电流控制环开环传递函数G(s)得到其相位的表达式；其中,为电流环控制方程G_c的相位角，ω为角频率，为G₁的相位角；步骤4，根据步骤1中得到的延时时间t_d，系统相位稳定裕度φ_m，以及步骤3中电流控制环开环传递函数G(s)的相位给出基于稳定裕度的谐振频率稳定域范围；其中，k为自然数，π为圆周率,f₁为桥臂侧电感L₁、滤波电容C的谐振频率；f_s为虚拟同步发电机采样频率；步骤5，给定期望的控制环控制带宽f_b，并与步骤4中的谐振频率稳定域范围进行比较，取与控制带宽f_b最近的一个谐振频率稳定域范围对应的自然数k设为并网逆变器谐振频率稳定域选择系数k_r，谐振频率稳定域范围与控制带宽f_b的差值最小时视为最近，若利用加权几何平均值计算方法求得谐振频率f₁的取值：其中，k₁为电压双环控制带宽的权重系数，k₂为开关频率的权重系数，开方次数K＝k₁+k₂，若利用加权几何平均值计算方法求得谐振频率f₁的取值：其中，步骤6，根据步骤5中得到的谐振频率f₁，以及步骤1中得到桥臂侧电感L₁联立方程组求得滤波电容C：步骤7，给出虚拟同步发电机功率控制环的控制表达式：θ＝∫ωdtU^*＝U₀+n(Q₀‑Q)其中，ω₀为给定虚拟同步发电机有功功率指令P₀时的额定角频率，m为功角控制下垂系数，P为虚拟同步发电机平均有功功率，J为模拟同步发电机的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子，D₁为虚拟同步发电机频率对应的阻尼系数，D₂为电网频率对应的阻尼系数，ω为虚拟同步发电机的角频率，对ω积分得到虚拟同步发电机的矢量角θ，U₀为给定虚拟同步发电机无功功率指令Q₀时的额定输出电容电压，n为无功‑电压下垂系数，Q为虚拟同步发电机平均无功功率，U^*为虚拟同步发电机端电压，ω_g为虚拟同步发电机并网点角频率；步骤8,根据虚拟同步发电机的额定有功功率P_N和额定无功功率Q_N，以及变换器允许的频率波动范围Δω和电压波动范围ΔU计算可得功角控制下垂系数m和无功‑电压下垂系数n为：步骤9，根据步骤7计算有功功率外环的闭环传递函数为其中，为功角传递函数，E为电网相电压有效值，X为虚拟同步发电机每相等效输出阻抗；根据功率环的阻尼比ζ和振荡频率ω_n，计算转动惯量J和阻尼系数D₁、D₂为其中，k_d为阻尼系数比；步骤10，虚拟同步发电机直流侧储能电容容量C_dc计算公式为其中，P_N为虚拟同步发电机额定有功功率，T_hold为逆变器需要保持的时间，η为逆变器效率，U_{dc_max},U_{dc_min}为逆变器直流侧电压容许的最大值和最小值。