CN107104447B - 基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法，该控制方法在现有基于一阶虚拟惯性的角频率闭环控制的前向通道上，串联了一个超前滞后补偿环节，形成二阶广义虚拟惯性。通过合理设计超前滞后环节的零极点位置，在确保虚拟同步发电机稳态控制性能的同时，不仅增大了系统阻尼，有效减小了动态过程中的功率超调，而且克服了基于微分补偿的一阶虚拟惯性控制策略在响应初始阶段惯性不足的缺点。

Description

基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法

技术领域

本发明属于储能逆变器控制领域，具体涉及一种基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法。

背景技术

随着的光伏、风电等分布式电源在电力系统中的渗透率不断提高，电网电压频率和幅值波动剧烈，稳定性受到严重威胁。因此，虚拟同步发电机(virtual synchronousgenerator，VSG)成为研究热点。虚拟同步发电机采用分布式电源配备储能单元，并通过逆变器控制算法模拟同步电机特性，以增大系统惯性，从而增强系统的频率支撑能力。

现有的基于一阶虚拟惯性的VSG虽然能够抑制频率的波动，但由于电力电子器件的过载能力弱，当虚拟惯量值设计较大时，有功功率指令或负载突变可能导致VSG在动态过程中输出的有功功率产生较大超调或低频振荡，从而使得储能单元受到较大的功率冲击，并导致VSG过流保护。虽然增大阻尼系数可抑制有功功率超调或低频振荡，但同时也增大了VSG并网稳态功率偏差和组网稳态功率均分精度。

现已有多篇文献对上述问题进行了研究，例如：

题为“Power system stabilization using virtual synchronous generatorwith altemating moment of inertia”，Alipoor J，et al，《IEEE Journal of Emergingand Selected Topics in Power Electronics》，2015，3(2)：451-458(“使用交变惯量的虚拟同步发电机实现电力系统的稳定”，《IEEE学报——电力电子期刊》，2015年第3卷第2期451-458页)文章中虚拟同步发电机的惯量采用bang-bang控制得到，根据系统频率的偏移量及变化速率动态改变惯量为最大值或最小值，该方法减小了动态过程的功率超调，且在阻尼系数为0时仍能保证较好的动态特性，但该方法的不足为：频率偏移量阈值选择不当可导致动态过程中虚拟惯量值抖动，从而造成VSG输出频率和功率的波动，且该算法对系统频率的检测精度和跟踪速度要求较高。

题为“Self-tuning virtual synchronous machine：a control strategy forenergy storage systems to support dynamic frequency control”，Torres L M A，《IEEE Transactions on Energy Conversion》，2014，29(4)：833-840(“自适应虚拟同步发电机：支撑动态频率的储能系统控制方法”，《IEEE学报——能源变换期刊》，2014年第29卷第4期833-840页)文章中实时在线计算最优的虚拟惯量和阻尼系数值，以解决频率波动和功率振荡问题，但该方法存在以下不足：

1)需要对电网频率及频率变化率进行实时监测，降低了算法的可靠性；

2)优化算法计算量较大。

题为“基于微分补偿环节虚拟惯性的虚拟同步电机控制方法”，徐海珍，张兴等，《电力系统自动化》，2017，41(3)：96-102.文章中在常规VSG控制方法的前向通道加入微分补偿环节，形成一阶超前滞后环节的虚拟惯性，在保证稳态功率控制精度的同时，减小了动态功率超调。该方法存的不足之处在于：VSG在响应初始阶段的惯性较小。

发明内容

本发明目的是针对现有基于一阶虚拟惯性的VSG在孤岛、并网和组网模式运行时其输出有功稳态和动态特性调节存在矛盾的问题，提供一种基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法，在确保功率稳态控制性能和减小动态功率超调的同时，克服了基于微分补偿的一阶虚拟惯性策略在响应初始阶段惯性不足的缺点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法，主要步骤如下：

步骤1、采样虚拟同步发电机三相输出电压u_oa，u_ob，u_oc和三相电感电流i_Lfa，i_Lfb，i_Lfc，并分别经单同步旋转坐标变换得到输出电压dq轴分量U_od，U_oq和电感电流dq轴分量I_Ld，I_Lq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；

步骤2、根据步骤1中得到的输出电压dq轴分量U_od，U_oq和电感电流dq轴分量I_Ld，I_Lq，并经一阶低通滤波器进行滤波得到输出平均有功功率P_out；

输出平均有功功率P_out计算公式为：

其中T_m为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子；

步骤3、根据计算得出的输出电压角频率ω_out，经虚拟调速器比例调节，得到调速器输出量P_ω；

调速器输出量P_ω计算公式为：

P_ω＝K_ω(ω₀-ω_out)

其中K_ω为虚拟调速器的比例调节系数，ω₀为虚拟同步发电机的额定角频率，ω_out为虚拟同步发电机的输出电压角频率；

其中所述输出电压角频率ω_out的计算公式为：

其中ω₀为虚拟同步发电机的额定角频率，K_pLL和K_iLL分别为锁相环PI调节器的比例调节系数和积分调节系数，s为拉普拉斯算子；

步骤4、根据虚拟同步发电机给定的有功功率指令P_ref和步骤2得到的输出平均有功功率P_out，将其差值串联一阶超前滞后补偿环节后，加上步骤3中得到的调速器输出量P_ω，得到虚拟同步发电机输出角频率的微分量

虚拟同步发电机输出角频率的微分量

计算公式为：

其中，C(s)为一阶超前滞后补偿环节，C(s)的表达式为：

K_d1为超前滞后补偿环节的微分系数，T_d1为超前滞后补偿环节的积分系数；

步骤5、将步骤4中得到的虚拟同步发电机输出角频率的微分量

经虚拟惯性环节积分，并加上额定角频率ω₀作为虚拟同步发电机的输出角频率ω；

虚拟同步发电机的输出角频率ω的计算公式为：

其中J_ω为虚拟惯量；

步骤6、对步骤5中得到的虚拟同步发电机的输出角频率ω进行积分，得到虚拟同步发电机的输出相角δ；

虚拟同步发电机输出相角δ的计算公式为：

步骤7、将虚拟同步发电机的d轴和q轴电压调制波幅值U_d、U_q和步骤6中得到的输出相角δ经单同步旋转坐标反变换得到桥臂电压的三相调制波U_ma，U_mb，U_mc，经调制后作为IGBT电路的驱动信号。

本发明公开的一种基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法，与现有的虚拟同步发电机一阶虚拟惯性控制方法相比，其有益效果体现在：

1、基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法在维持稳态有功功控制精度及稳态有功均分特性的同时，增大了系统的阻尼比，加快了动态响应速度，抑制了功率超调和储能单元的功率冲击；

2、基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法在响应初始阶段的惯性比基于微分补偿环节虚拟惯性的虚拟同步电机控制方法大。

附图说明

图1为本发明实施例虚拟同步发电机主电路及控制结构图。

图2为本发明实施例二阶广义虚拟惯性控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例进行具体的描述。

图1为本发明实施例中虚拟同步发电机的主电路及控制结构图，直流源由分布式电源和储能电池供电，直流源的两个输出端分别与三相桥臂的两个输入端连接，三相桥臂的三个输出端与LC滤波器的三相输入对应连接，LC滤波器的三相输出与Dyn11型变压器的三角型侧输入对应连接，变压器星形侧连接到静态开关STS的输入侧，静态开关STS的输出侧与公共连接点连接。L_f为LC滤波器的滤波电感，C_f为LC滤波器的滤波电容。i_Lfa，i_Lfb，i_Lfc为虚拟同步发电机的三相电感电流，u_oa，u_ob，u_oc为虚拟同步发电机的三相输出电压。

图2为本发明实施例的二阶广义虚拟惯性控制结构框图。本发明控制方法的步骤如下：

步骤1、采样虚拟同步发电机三相输出电压u_oa，u_ob，u_oc和三相电感电流i_Lfa，i_Lfb，i_Lfc，并分别经单同步旋转坐标变换得到输出电压dq轴分量U_od，U_oq和电感电流dq轴分量I_Ld，I_Lq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴。

步骤2、根据步骤1中得到的输出电压dq轴分量U_od，U_oq和电感电流dq轴分量I_Ld，I_Lq，并经一阶低通滤波器进行滤波得到输出平均有功功率P_out。输出平均有功功率P_out计算公式为：

其中T_m为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子。本实施例中T_m＝1.6e-3s。

步骤3：根据步骤1中得到的输出电压角频率ω_out，经虚拟调速器比例调节，得到调速器输出量P_ω。虚拟同步发电机的调速器输出量P_ω计算公式为：

P_ω＝K_ω(ω₀-ω_out)

其中K_ω为虚拟调速器的比例调节系数，ω₀为虚拟同步发电机的额定角频率，ω_out为虚拟同步发电机的输出电压角频率。本实施例中K_ω＝31830，ω₀＝314.16。

所述输出电压角频率ω_out的计算公式为：

其中ω₀为虚拟同步发电机的额定角频率，K_pLL和K_iLL分别为锁相环PI调节器的比例调节系数和积分调节系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中K_pLL＝80，K_iLL＝0.1。

步骤4：根据虚拟同步发电机的有功功率指令P_ref和步骤2得到的输出平均有功功率P_out，将其差值串联一阶超前滞后补偿环节后，加上步骤3中得到的调速器输出量P_ω，得到虚拟同步发电机输出角频率的微分量

虚拟同步发电机输出角频率的微分量

计算公式为：

其中，C(s)为一阶超前滞后补偿环节，c(s)的表达式为：

K_d1为超前滞后补偿环节的微分系数，；T_d1为超前滞后补偿环节的积分系数。本实施例中K_d1＝0.04，T_b1＝0.02。

步骤5：将步骤4中得到的虚拟同步发电机输出角频率的微分量

经虚拟惯性环节积分，并加上额定角频率ω₀作为虚拟同步发电机的输出角频率ω。虚拟同步发电机的输出角频率ω的计算公式为：

其中J_ω为虚拟惯量，本实施例中J_ω＝8。

步骤6：对步骤5中得到的虚拟同步发电机的输出角频率ω进行积分，得到虚拟同步发电机的输出相角δ。虚拟同步发电机输出相角δ的计算公式为：

步骤7：将虚拟同步发电机的d轴和q轴电压调制波幅值U_d、U_q和步骤6中得到的输出相角δ经单同步旋转坐标反变换得到桥臂电压的三相调制波U_ma，U_mb，U_mc，经调制后作为IGBT电路的驱动信号。

本发明适用于采用虚拟同步发电机算法的分布式电源逆变器。

Claims (1)

1.一种基于二阶广义虚拟惯性的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，主要步骤如下：

步骤1、采样虚拟同步发电机三相输出电压u_oa,u_ob,u_oc和三相电感电流i_Lfa,i_Lfb,i_Lfc，并分别经单同步旋转坐标变换得到输出电压dq轴分量U_od,U_oq和电感电流dq轴分量I_Ld,I_Lq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；

步骤2、根据步骤1中得到的输出电压dq轴分量U_od,U_oq和电感电流dq轴分量I_Ld,I_Lq，并经一阶低通滤波器进行滤波得到输出平均有功功率P_out；

输出平均有功功率P_out计算公式为：

其中T_m为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子；

步骤3、根据计算得出的输出电压角频率ω_out，经虚拟调速器比例调节，得到调速器输出量P_ω；

调速器输出量P_ω计算公式为：

P_ω＝K_ω(ω₀-ω_out)

其中K_ω为虚拟调速器的比例调节系数，ω₀为虚拟同步发电机的额定角频率，ω_out为虚拟同步发电机的输出电压角频率；

其中所述输出电压角频率ω_out的计算公式为：

其中ω₀为虚拟同步发电机的额定角频率，K_pLL和K_iLL分别为锁相环PI调节器的比例调节系数和积分调节系数，s为拉普拉斯算子；

步骤4、根据虚拟同步发电机给定的有功功率指令P_ref和步骤2得到的输出平均有功功率P_out，将其差值串联一阶超前滞后补偿环节后，加上步骤3中得到的调速器输出量P_ω，得到虚拟同步发电机输出角频率的微分量

虚拟同步发电机输出角频率的微分量

计算公式为：

其中，C(s)为一阶超前滞后补偿环节，C(s)的表达式为：

K_d1为超前滞后补偿环节的微分系数，T_d1为超前滞后补偿环节的积分系数；

步骤5、将步骤4中得到的虚拟同步发电机输出角频率的微分量

经虚拟惯性环节积分，并加上额定角频率ω₀作为虚拟同步发电机的输出角频率ω；

虚拟同步发电机的输出角频率ω的计算公式为：

其中J_ω为虚拟惯量；

步骤6、对步骤5中得到的虚拟同步发电机的输出角频率ω进行积分，得到虚拟同步发电机的输出相角δ；

虚拟同步发电机输出相角δ的计算公式为：

步骤7、将虚拟同步发电机的d轴和q轴电压调制波幅值U_d、U_q和步骤6中得到的输出相角δ经单同步旋转坐标反变换得到桥臂电压的三相调制波U_ma,U_mb,U_mc，经调制后作为IGBT电路的驱动信号。

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