CN105811825A - 基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，具体包括以下步骤：1)经采样获得虚拟同步电机输出电流的dq分量，由机械特性模拟部分获得功角信息，进而计算无功‑功角解耦电流补偿指令；2)获得虚拟励磁电动势的暂态变化量，结合步骤1)得到的输出电流dq分量计算有功‑电压解耦电流补偿指令；3)将步骤1)得到的无功‑功角解耦电流补偿指令和步骤2)得到的有功‑电压解耦电流补偿指令校正得到新的电流指令，经过电流环得到开关信号驱动开关网络。本发明提出了一种适用于虚拟同步电机的功率解耦方法，可以解除功角对于下垂控制的影响，与现有方法相比，可以消除由于功率耦合带来的功率动态振荡和稳态误差。

Description

基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法

技术领域：

本发明属于虚拟同步电机控制领域，具体涉及一种基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法。

背景技术：

以风力、光伏为主的可再生新能源发电主要是以电力电子变流器作为并网接口，其具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和阻尼等不足，尤其目前并网变流器往往是以电流源模式并网，这些与传统能源所采用的同步发电机在外特性上具有显著差别。现在随着分布式可再生能源渗透率的不断提高，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，使得系统频率波动性增加，电能质量变差，严重时危及系统的频率稳定性，对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战，这严重限制了新能源的并网容量。为了充分发挥分布式能源的优势，减弱分布式电源对配电网和传输网的影响，让电网消纳更多地分布式能源，分布式电源必须参与配电网和传输网的调频和调压过程，分布式电源潜在辅助服务必须被充分挖掘，分布式电源必须向电网提供必要的辅助服务。

虚拟同步发电机是近年来提出的一种适合新能源广泛接入的并网控制策略，它通过模拟传统同步发电机的外特性，因此可以使并网变流器像传统同步发电机一样向电网提供惯性和一次调频调压功能。根据众多学者的共识，并网变流器模拟同步电机特性是未来并网变流器控制的趋势。

虚拟同步发电机是通过下垂控制实现对有功功率和无功功率的控制，但下垂控制是以功率解耦为前提，即可以通过分别控制频率和电压来独立地控制有功功率和无功功率。当功率不能实现解耦时，会影响下垂控制效果甚至使其失效。功率实现完全解耦必须满足两个基本条件，即线路阻抗为纯感性且功角非常小，而这两个条件往往不能满足。针对单纯的下垂控制的功率解耦策略已经有许多学者做出了大量有价值的研究工作，总的来说可以分为基于虚拟阻抗的策略、基于虚拟功率的策略以及基于虚拟频率/电压的策略三类。这些方法能够很好地消除线路阻抗比R/X较大时对功率耦合的影响，但没有考虑功角对功率耦合的影响。事实已证明，功角较大时引起的功率耦合，将会造成虚拟同步发电机输出功率的暂态振荡和稳态误差，甚至造成虚拟同步发电机的功率不停振荡而解列。

发明内容：

本发明的目的是针对现有虚拟同步电机技术存在不能准确解耦的缺陷，提供了一种基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，包括以下步骤：

1)虚拟同步发电机采用基于dq坐标系的电压和电流双闭环控制策略，经过采样得到虚拟同步发电机的实际三相输出电流，将其进行坐标变换得到输出电流的dq分量i_d和i_q；

2)模拟转子机械方程部分，根据虚拟同步发电机的输出有功功率参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值计算得到虚拟同步电机的输出频率ω，其与电网频率作差得到频率差Δω，并将其求积分获得功角δ；

3)利用步骤1)得到的输出电流dq分量i_d和i_q和步骤2)得到的功角δ计算dq轴坐标系下无功-功角解耦电流补偿指令和

4)根据虚拟同步电机励磁控制器获得虚拟同步电机的虚拟励磁电动势e_d，然后将其与电压指令V_ref计算得到虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE；

5)利用步骤1)得到的输出电流dq分量i_d和i_q与步骤4)得到的虚拟励磁电动势暂态变化量ΔE计算dq轴坐标系下有功-电压解耦电流补偿指令和

6)将步骤3)得到的无功-功角解耦电流补偿指令和步骤5)得到的有功-电压解耦电流补偿指令相加得到总的电流补偿指令和再将其叠加到电流控制环的指令值和上做为新的电流指令值和 和与采样的实际输出电流dq轴分量i_d和i_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM调制后得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，将采样得到的变流器实际输出电流i_a、i_b、i_c变换到dq坐标系得到i_d和i_q。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，电压变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e作差，然后除以转动惯量M并对结果积分，得到变流器的输出频率ω，具体公式如下：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{Ms}(P_{ref}-P_e)---\left(1\right)$

式中：s为积分算子；

输出频率ω与电网频率ω_g作差并对结果积分，得到功角δ，具体公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{s}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_g)---\left(3\right).$

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，用来计算无功-功角解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_d}^{*}=i_q\·\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_q}^{*}=-i_d\·\mathrm{\δ}---\left(5\right).$

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，用来计算虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE通过如下方法得到的：

首先，根据虚拟同步电机励磁控制器模拟部分获得虚拟同步电机的虚拟励磁电动势e_d，然后将其与电压指令V_ref计算得到虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE，具体公式如下：

$\mathrm{\Δ}E=(e_d-V_{ref})\·\frac{s}{(1+T_{l}s)(1+T_{h}s)}---\left(6\right)$

式中：s为积分算子，e_d是虚拟励磁电动势，V_ref是电压指令，表示带通滤波器，1/T_l和1/T_h分别是带通滤波器的低截止频率和高截止频率。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，用来设计dq轴坐标系下有功-电压解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_{V\_d}^{*}=-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(7\right)$

${\mathrm{\Δi}}_{V\_q}^{*}=-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(8\right)$

式中，是虚拟励磁电动势稳态工作点，具体实现中，用电压指令V_ref近似代替E₀。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中，将无功-功角解耦电流补偿指令和和有功-电压解耦电流补偿指令和相加得到总的解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_d^{*}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_d}^{*}+{\mathrm{\Δi}}_{V\_d}^{*}=i_q\·\mathrm{\δ}-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δi}}_q^{*}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_q}^{*}+{\mathrm{\Δi}}_{V\_q}^{*}=-i_d\·\mathrm{\δ}-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(10\right)$

然后，总的解耦电流补偿指令和将叠加到由前级电压环复得到的电流指令值和上做为新的电流指令值和具体公式如下：

$i_{d\_\mathrm{mod}}^{*}=i_d^{*}+{\mathrm{\Δi}}_d^{*}=i_d^{*}+i_q\·\mathrm{\δ}-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(11\right)$

$i_{q\_\mathrm{mod}}^{*}=i_q^{*}+{\mathrm{\Δi}}_q^{*}=i_q^{*}-i_d\·\mathrm{\δ}-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(12\right)$

然后，将得到的新电流指令值和与采样的实际输出电流dq轴分量i_d和i_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

与现有技术相比，本发明基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法的优点体现在：

其在兼顾线路阻抗比对功率耦合影响的基础上，同时消除了功角对于功率耦合的影响。该发明可以消除由功角引起的功率耦合产生的虚拟同步发电机功率动态调节过程中的动态振荡以及稳态误差。该发明通过电流指令补偿的方法来实现功率解耦，实现简单，比通过功率环解耦具有更快的响应速度。该发明同时可以应用于其他基于下垂控制的变流器控制策略中，例如无通讯线的UPS并联、基于下垂控制的微网光伏逆变器等。

附图说明：

图1为虚拟同步发电机机械方程模拟控制框图；

图2为无功-功角解耦电流补偿指令生成控制框图；

图3为有功-电压解耦电流补偿指令生成控制框图；

图4为加入解耦电流补偿后的电流控制环；

图5为无功-功角解耦效果的实施例验证结果-有功功率对无功功率影响波形；其中，图5(a)为有功功率波形，图5(b)为频率波形，图5(c)为未加入本发明所提解耦方法的无功功率响应波形，图5(d)为加入本发明所提解耦方法的无功功率响应波形；

图6为有功-电压解耦效果的实施例验证结果-无功功率对有功功率影响波形；其中，图6(a)为无功功率波形，图6(b)为未加入本发明所提解耦方法的有功功率响应波形，图6(c)为加入本发明所提解耦方法的有功功率响应波形。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，包括以下步骤：

1)模拟转子转动方程部分，根据电压型变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值计算得到虚拟同步电机的输出频率，进而获得变流器电压电流双闭环控制所需频率、相位信息以及电流解耦所需的功角信息，如图1所示；

其中，有功指令P_ref，为虚拟同步电机并网运行参与系统调频过程留下接口。P_e与同步电机的电磁转矩对应，为并网变流器注入电网的有功功率。M即为虚拟同步电机的转动惯量。ω_ref是电网额定频率，也即同步角速度。此部分为虚拟同电机控制提供端口电压的相位信息，为指令功率留有接口。

该步骤中，电压变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e作差，经机械方程计算得到虚拟同步电机的输出频率ω，具体公式如下：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{Ms}(P_{ref}-P_e)---\left(1\right)$

式中：s为积分算子。

对频率ω进行积分，得到设计变流器电压电流双闭环控制环所需的相位信息θ，具体公式如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\ω}}{s}---\left(2\right)$

输出频率ω与电网频率ω_g作差后进行积分，得到功角δ，具体公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{s}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_g)---\left(3\right)$

2)将采样得到的变流器实际输出电流i_a、i_b、i_c变换到dq坐标系得到i_d和i_q。然后联合步骤1)得到的功角信息，计算无功-功角解耦电流补偿指令和用来解除功角和无功功率之间的耦合作用。如图2所示。

具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_d}^{*}=i_q\·\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_q}^{*}=-i_d\·\mathrm{\δ}---\left(5\right)$

式中i_d和i_q实际输出电流的dq轴分量；δ是功角。

3)根据虚拟同步电机励磁控制器模拟部分获得虚拟同步电机的虚拟励磁电动势e_d，然后将其与电压指令V_ref计算得到虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE。根据虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE和实际输出电流的dq轴分量i_d、i_q，计算dq轴坐标系下有功-电压解耦电流补偿指令和用来解除电压和有功功率之间的耦合作用。如图3所示。

该步骤中，首先，根据虚拟同步电机励磁控制器模拟部分获得虚拟同步电机的虚拟励磁电动势e_d。然后将其与电压指令V_ref计算得到虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE，具体公式如下：

$\mathrm{\Δ}E=(e_d-V_{ref})\·\frac{s}{(1+T_{l}s)(1+T_{h}s)}---\left(6\right)$

式中：s为积分算子，e_d是虚拟励磁电动势，V_ref是电压指令，表示带通滤波器，1/T_l和1/T_h分别是带通滤波器的低截止频率和高截止频率。带通滤波器其中频段增益不为0，用来提取动态过程中的励磁电动势暂态变化量，而其直流增益为0，表示在稳态时励磁电动势暂态变化量为0。

然后，根据虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE和实际输出电流的dq轴分量i_d、i_q，计算dq轴坐标系下有功-电压解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_{V\_d}^{*}=-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(7\right)$

${\mathrm{\Δi}}_{V\_q}^{*}=-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(8\right)$

式中i_d和i_q是实际输出电流的dq轴分量；ΔE是虚拟励磁电动势的暂态变化量；E₀是虚拟励磁电动势稳态工作点，具体实现时，用电压指令V_ref近似代替E₀。

4)首先前级电压环得到的电流指令值和然后将无功-功角解耦电流补偿指令和和有功-电压解耦电流补偿指令和叠加到由前级电压环得到的电流指令值和上得到新的电流指令值和然后经过电流环后得到开关控制信号，用于驱动开关网络，如图4所示；

该步骤中，首先将无功-功角解耦电流补偿指令和和有功-电压解耦电流补偿指令和相加得到总的解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_d^{*}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_d}^{*}+{\mathrm{\Δi}}_{V\_d}^{*}=i_q\·\mathrm{\δ}-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δi}}_q^{*}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_q}^{*}+{\mathrm{\Δi}}_{V\_q}^{*}=-i_d\·\mathrm{\δ}-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(10\right)$

然后，总的解耦电流补偿指令和将叠加到由前级电压环得到的电流指令值和上做为新的电流指令值和具体公式如下：

$i_{d\_\mathrm{mod}}^{*}=i_d^{*}+{\mathrm{\Δi}}_d^{*}=i_d^{*}+i_q\·\mathrm{\δ}-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(11\right)$

$i_{q\_\mathrm{mod}}^{*}=i_q^{*}+{\mathrm{\Δi}}_q^{*}=i_q^{*}-i_d\·\mathrm{\δ}-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(12\right)$

然后，将得到的新电流指令值和与采样的实际输出电流dq轴分量i_d和i_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

实施例：

从有功功率变化对无功功率影响和无功功率变化对有功功率影响两个方面，对比加入本发明所提解耦方法与不加本发明所提解耦方法的虚拟同步发电机功率控制效果。

有功功率变化对无功功率影响结果如图5所示。在3s时刻，有功功率指令由0阶跃到5000W；在6s时刻，电网频率由50Hz阶跃到50.1Hz。有功功率和频率波形如图5(a)和(b)所示。图5(c)和(d)分别是未加入和加入本发明所提解耦方法的无功功率响应波形。从图中可以看出本发明提出的解耦方法能够明显地消除有功功率变化时引起的无功功率动态波动和稳态误差。因此可以证明消除了功角和无功功率之间的耦合。

无功功率变化对有功功率影响结果如图6所示。在3s时刻，无功功率指令由500阶跃到2100Var，且伴随一定的无功振荡。无功功率波形如图6(a)所示。图6(b)和(c)分别是未加入和加入本发明所提解耦方法的有功功率响应波形。从图中可以看出本发明提出的解耦方法能够几乎完全消除无功功率变化时引起的有功功率动态波动和超调，因此可以证明消除了电压和有功功率之间的耦合。

综上，该实施例证明了本发明所提功率解耦方法的有效性。实施例的具体参数设置参见表1：

表1 实施例参数

Claims (7)

1.基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)虚拟同步发电机采用基于dq坐标系的电压和电流双闭环控制策略，经过采样得到虚拟同步发电机的实际三相输出电流，将其进行坐标变换得到输出电流的dq分量i_d和i_q；

2)模拟转子机械方程部分，根据虚拟同步发电机的输出有功功率参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值计算得到虚拟同步电机的输出频率ω，其与电网频率作差得到频率差Δω，并将其求积分获得功角δ；

3)利用步骤1)得到的输出电流dq分量i_d和i_q和步骤2)得到的功角δ计算dq轴坐标系下无功-功角解耦电流补偿指令和

4)根据虚拟同步电机励磁控制器获得虚拟同步电机的虚拟励磁电动势e_d，然后将其与电压指令V_ref计算得到虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE；

5)利用步骤1)得到的输出电流dq分量i_d和i_q与步骤4)得到的虚拟励磁电动势暂态变化量ΔE计算dq轴坐标系下有功-电压解耦电流补偿指令和

6)将步骤3)得到的无功-功角解耦电流补偿指令和步骤5)得到的有功-电压解耦电流补偿指令相加得到总的电流补偿指令和再将其叠加到电流控制环的指令值和上做为新的电流指令值和和与采样的实际输出电流dq轴分量i_d和i_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM调制后得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

2.根据权利要求1所述的基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，其特征在于，步骤1)中，将采样得到的变流器实际输出电流i_a、i_b、i_c变换到dq坐标系得到i_d和i_q。

3.根据权利要求1所述的基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，其特征在于，步骤2)中，电压变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率P_e作差，然后除以转动惯量M并对结果积分，得到变流器的输出频率ω，具体公式如下：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{Ms}(P_{ref}-P_e)---\left(1\right)$

式中：s为积分算子；

输出频率ω与电网频率ω_g作差并对结果积分，得到功角δ，具体公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{s}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_g)---\left(3\right).$

4.根据权利要求1所述的基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，其特征在于，步骤3)中，用来计算无功-功角解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_d}^{*}=i_q\·\mathrm{\δ}---\left(4\right)$

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_q}^{*}=-i_d\·\mathrm{\δ}---\left(5\right).$

5.根据权利要求1所述的基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，其特征在于，步骤4)中，用来计算虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE通过如下方法得到的：

首先，根据虚拟同步电机励磁控制器模拟部分获得虚拟同步电机的虚拟励磁电动势e_d，然后将其与电压指令V_ref计算得到虚拟励磁电动势的暂态变化量ΔE，具体公式如下：

$\mathrm{\Δ}E=(e_d-V_{ref})\·\frac{s}{(1+T_{l}s)(1+T_{h}s)}---\left(6\right)$

式中：s为积分算子，e_d是虚拟励磁电动势，V_ref是电压指令，表示带通滤波器，1/T_l和1/T_h分别是带通滤波器的低截止频率和高截止频率。

6.根据权利要求1所述的基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，其特征在于，步骤5)中，用来设计dq轴坐标系下有功-电压解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_{V\_d}^{*}=-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(7\right)$

${\mathrm{\Δi}}_{V\_q}^{*}=-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(8\right)$

式中，E₀是虚拟励磁电动势稳态工作点，具体实现中，用电压指令V_ref近似代替E₀。

7.根据权利要求1所述的基于电流补偿的虚拟同步发电机功率解耦方法，其特征在于，步骤6)中，将无功-功角解耦电流补偿指令和和有功-电压解耦电流补偿指令和相加得到总的解耦电流补偿指令和具体公式如下：

${\mathrm{\Δi}}_d^{*}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_d}^{*}+{\mathrm{\Δi}}_{V\_d}^{*}=i_q\·\mathrm{\δ}-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δi}}_q^{*}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{\δ}\_q}^{*}+{\mathrm{\Δi}}_{V\_q}^{*}=-i_d\·\mathrm{\δ}-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(10\right)$

然后，总的解耦电流补偿指令和将叠加到由前级电压环复得到的电流指令值和上做为新的电流指令值和具体公式如下：

$i_{d\_\mathrm{mod}}^{*}=i_d^{*}+{\mathrm{\Δi}}_d^{*}=i_d^{*}+i_q\·\mathrm{\δ}-i_d/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(11\right)$

$i_{q\_\mathrm{mod}}^{*}=i_q^{*}+{\mathrm{\Δi}}_q^{*}=i_q^{*}-i_d\·\mathrm{\δ}-i_q/E_0\·\mathrm{\Δ}E---\left(12\right)$

然后，将得到的新电流指令值和与采样的实际输出电流dq轴分量i_d和i_q作差，其差值经过PI控制器计算得到变流器dq轴调制信号，调制信号再经过PWM调制器得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。