CN108390396A - 基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法。本发明在两相旋转坐标系中设计虚拟电抗，将传统的稳态虚拟同步电抗设计为具有高通滤波器形式的动态虚拟同步电抗，利用动态虚拟同步电抗的在低频段表现为小电抗从而不影响虚拟同步发电机的稳态性能，在谐振点处表现为一定值的电抗,从而减小了虚拟同步发电机输出有功功率和无功功率在动态过程中的耦合程度，抑制了虚拟发电机动态过程中的振荡。

Description

基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电及电力电子技术领域，特别是基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法。

背景技术

随着新能源并网的增加，电力系统惯性、阻尼减少，稳定性变差。虚拟同步发电机(virtual synchronous generators，VSG)技术通过模拟同步发电机运行外特性，提高了系统的惯性，成为解决分布式电源高渗透率问题的有效方案之一。虚拟同步发电机中虚拟阻抗控制技术可以配置虚拟同步发电机的输出阻抗广泛用于虚拟同步发电机的功率解耦控制中，通过负的虚拟电阻，可以减少功率在稳态时的耦合程度。然而现有研究表明为正的虚拟电阻可以为系统提供阻尼，抑制虚拟同步发电机系统的振荡，降低功率间动态的耦合程度。现有的虚拟阻抗技术无法同时做到抑制同步发电机系统的振荡，降低功率动态过程的耦合程度且不影响功率稳态时的耦合程度。

题为“虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略”，《中国电机工程学报》，2017年第16期381～390页的文章。该文提出了一种虚拟阻尼同步发电机控制策略。将虚拟阻抗设计为正电阻，可以抑制虚拟同步发电机动态过程中的振荡，降低功率间动态过程中的耦合程度，然而正的虚拟电阻会增加功率间稳态时的耦合程度。

中国发明专利申请公开说明书CN 102623992A于2012年08月01日公开的《基于旋转坐标虚拟阻抗的孤岛微电网控制及优化方法》虽然也是在两相旋转坐标系中设计虚拟阻抗，但其设计的虚拟阻抗是常数，无法在不同频段表现出不同的虚拟阻抗值，从而不能灵活改造虚拟同步发电机系统的动态过程。

中国发明专利申请公开说明书CN 105429170A于2016年03月23日公开的《一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法》虽然可以降低功率在稳态时的耦合程度，但是无法降低功率在动态过程中的耦合程度，且所设计的虚拟阻抗也无法为虚拟同步发电机系统提供阻尼。

综合以上文献，现有的虚拟阻抗技术存在以下的不足：

1)无法同时兼顾抑制虚拟同步发电机系统的振荡，降低功率动态过程的耦合程度且不影响功率稳态时的耦合程度。

2)大部分虚拟阻抗技术将虚拟阻抗设置为稳态形式，没有利用虚拟阻抗技术灵活地改造虚拟同步发电机的动态性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题为针对现有虚拟阻抗控制方法无法兼顾抑制虚拟同步发电机系统的振荡，降低功率动态过程的耦合程度且不影响功率稳态时的耦合程度的不足，提供一种既能为系统提供阻尼，又不会影响功率稳态时耦合程度的虚拟阻抗控制方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法，步骤如下：

步骤1、采样虚拟同步发电机的三相输出电流i_a,i_b,i_c，虚拟同步发电机的三相输出电压U_a,U_b,U_c，流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc，并计算虚拟同步发电机输出的有功功率P_e和无功功率Q_e，所述虚拟同步发电机输出的有功功率P_e和无功功率Q_e的计算式分别为：

其中，T_f为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子；

步骤2、设定有功功率的参考值P_ref，无功功率的参考值Q_ref；

步骤3、根据虚拟同步发电机控制算法，计算得到虚拟同步发电机内电势幅值E，内电势相位θ，所述虚拟同步发电机内电势幅值E，内电势相位θ的计算式分别为：

E＝U_ref+(Q_ref-Q_e)n；

其中，U_ref为输出线电压的参考值，n为无功功率的下垂系数，ω_m为虚拟同步发电机输出的角频率，式中，m为有功功率的下垂系数；J为虚拟同步发电机的转动惯量；D为虚拟同步发电机的阻尼系数；ω_ref为角频率的参考值；

步骤4、将步骤1采样得到虚拟同步发电机的三相输出电流i_a,i_b,i_c，虚拟同步发电机的三相输出电压U_a,U_b,U_c，流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc，在步骤3得到的内电势相位θ下做三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到两相旋转坐标系下的虚拟同步发电机的输出电流i_d,i_q，虚拟同步发电机的输出电压U_d,U_q，流过滤波电感的电流i_Ld,i_Lq；

所述三相输出电流i_a,i_b,i_c从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

所述三相输出电压U_a,U_b,U_c从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

所述流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

步骤5、加入动态虚拟电抗X_dv，得到动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq，动态虚拟电抗X_dv为高通滤波器的形式，所述动态虚拟电抗X_dv、动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq的表达式为：

其中A为高通滤波器的放大系数，ω_c为高通滤波器的截止频率；

步骤6、根据步骤3得到的虚拟同步发电机的内电势幅值E和步骤5得到的动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq，计算得到虚拟同步发电机输出电压的d轴指令值U_dref和q轴指令值U_qref，所述虚拟同步发电机输出电压的d轴指令值U_dref和q轴指令值U_qref的计算式分别为：

步骤7、将步骤6中得到的输出电压d轴指令值U_dref和步骤4中得到的输出电压d轴分量U_d，经过d轴电压闭环控制方程，得到滤波电感电流d轴指令值i_Ldref；将步骤6中得到的输出电压的q轴指令值U_qref和步骤4中得到的输出电压的q轴分量U_q，经过q轴电压闭环控制方程，得到滤波电感电流q轴指令值i_Lqref，所述d轴电压闭环控制方程和q轴电压闭环控制方程的表达式分别为：

其中，k_vp为电压闭环比例调节器系数,k_vi电压闭环积分调节器系数；

步骤8、将步骤7中得到的滤波电感电流d轴指令值i_Ldref和步骤4中得到的滤波电感电流d轴分量i_Ld，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号U_idi；将步骤7中得到的滤波电感电流q轴指令值iLqref和步骤4中得到的滤波电感电流q轴分量i_Lq，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号U_iqi，所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：

其中k_ip为电流闭环比例调节器系数；

步骤9、将步骤8中得到的dq坐标系下的输出信号U_idi和U_iqi在步骤3得到的内电势相位θ下做两相旋转坐标系到三相静止旋转坐标系的转换，得到逆变器桥臂电压的三相调制波U_mai,U_mbi,U_mci，并经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号；所述两相旋转坐标系到三相静止旋转坐标系的转换的方程为：

本发明公开的动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法，与现有虚拟阻抗控制方法相比，其有益效果体现在:

1兼顾了为系统提供阻尼抑制了虚拟发电机系统的振荡和降低了功率动态过程中的耦合程度，又不影响功率的稳态时的耦合程度。

2实现方法简单，高效。

3解决了现有的虚拟阻抗策略无法同时实现为系统提供阻尼和功率解耦的难题。

4动态虚拟电抗可以更灵活的改造虚拟同步发电机的动态响应。

附图说明

图1是本发明实施例中的虚拟同步发电机并网结构图。

图2是本发明控制方法的总体控制框图。

图3是无动态虚拟电抗时，功角增加0.01rad时，虚拟同步发电机输出有功功率和无功功率的动态响应。

图4是有动态虚拟电抗时，功角增加0.01rad时，虚拟同步发电机输出有功功率和无功功率的动态响应。

图5是无动态虚拟电抗时，有功功率参考值增加10kW时，虚拟同步发电机输出有功功率的动态响应。

图6是有动态虚拟电抗时，有功功率参考值增加10kW时，虚拟同步发电机输出有功功率的动态响应。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例虚拟同步发电机并网结构图。如该图所示直流源通过逆变器逆变为交流电能，逆变器额定输出线电压的幅值为380V，频率为50Hz。交流电能经过滤波电感和滤波电容滤波后经过线路阻抗接入公共耦合点(PCC)。具体参数如下：直流源U_dc＝600V，桥臂侧滤波电感L_f＝0.06mH，滤波电容C_f＝300uF，线路电阻为R_g＝0.1Ω，线路电感为L_g＝1mH。

图2为本发明控制方法的总体控制框图，由该图可见，本发明控制方法的步骤如下：

步骤1、采样虚拟同步发电机的三相输出电流i_a,i_b,i_c，虚拟同步发电机的三相输出电压U_a,U_b,U_c，流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc，并计算虚拟同步发电机输出的有功功率P_e和无功功率Q_e。

其中T_f为一阶低通滤波器的时间常数，本实例中取T_f＝1×10^-4s，s为拉普拉斯算子。

步骤2、设定有功功率的参考值P_ref，无功功率的参考值Q_ref，本实例中设定P_ref＝50kW，Q_ref＝0var。

步骤3、根据虚拟同步发电机控制算法，计算得到虚拟同步发电机内电势幅值E，内电势相位θ。所述虚拟同步发电机内电势幅值E，内电势相位θ的计算式分别为：

E＝U_ref+(Q_ref-Q_e)n；

其中，U_ref为输出线电压的参考值，n为无功功率的下垂系数，ω_m为虚拟同步发电机输出的角频率，式中，m为有功功率的下垂系数；J为虚拟同步发电机的转动惯量；D为虚拟同步发电机的阻尼系数；ω_ref为角频率的参考值。本实施例中，U_ref＝539V，m＝1×10^-4，n＝1×10^-4，J＝20kg·m²；D＝20；ω_ref＝314rad/s。

步骤4、将步骤1采样得到的虚拟同步发电机的的输出电流i_a,i_b,i_c，虚拟同步发电机的输出电压U_a,U_b,U_c，流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc，在步骤3得到的内电势相位θ下做三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转化，得到两相旋转坐标系下的虚拟同步发电机输出电流i_d,i_q；虚拟同步发电机的输出电压U_d,U_q，流过滤波电感的电流i_Ld,i_Lq。

所述三相输出电流i_a,i_b,i_c从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

所述三相输出电压U_a,U_b,U_c从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

所述流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

步骤5、加入动态虚拟电抗X_dv，得到动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq，动态虚拟电抗X_dv为高通滤波器的形式，所述动态虚拟电抗X_dv、动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq的表达式为：

其中A为高通滤波器的放大系数，ω_c为高通滤波器的截止频率。本实例中取A＝0.3，ω_c＝500rad/s。

步骤6、根据步骤3得到的虚拟同步发电机的内电势幅值E和步骤5得到的动态虚拟阻抗上的压降U_dv,U_qv，计算得到虚拟同步发电机输出电压的d轴指令值U_dref和q轴指令值U_qref，所述虚拟同步发电机输出电压的d轴指令值U_dref和q轴指令值U_qref的计算式分别为：

步骤7、将步骤6中得到的输出电压的d轴指令值U_dref和步骤4中得到的输出电压的d轴分量U_d，经过d轴电压闭环控制方程，得到滤波电感电流d轴指令值i_Ldref；将步骤6中得到的输出电压的q轴指令值U_qref和步骤4中得到的输出电压的q轴分量U_q，经过q轴电压闭环控制方程，得到滤波电感电流q轴指令值i_Lqref，所述d轴电压闭环控制方程和q轴电压闭环控制方程的表达式分别为：

其中，k_vp为电压闭环比例调节器系数，本实例中取k_vp＝0.7；k_vi电压闭环积分调节器系数，本实例中取k_vi＝1200。

步骤8、将步骤7中得到的滤波电感电流d轴指令值i_Ldref和步骤4中得到的滤波电感电流d轴分量i_Ld，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号U_idi；将步骤7中得到的滤波电感电流q轴指令值i_Lqref和步骤4中得到的滤波电感电流q轴分量i_Lq，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号U_iqi，所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：

其中，k_ip为电流闭环比例调节器系数,本实例中取k_ip＝40。

步骤9、将步骤8中得到的dq坐标系下的输出信号U_idi和U_iqi在步骤3得到的内电势相位θ下做两相旋转坐标系到三相静止旋转坐标系的转换，得到逆变器桥臂电压的三相调制波U_mai,U_mbi,U_mci，经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。所述两相旋转坐标系到三相静止旋转坐标系的转换的方程为：

图3是无动态虚拟电抗时，功角增加0.01rad，虚拟同步发电机输出有功功率和无功功率的动态响应。可以由于线路电路较小系统阻尼不足，功率动态过程中产生了严重的耦合程度，但功率稳态时的耦合程度较小。

图4是有动态虚拟电抗时，功角增加0.01rad，虚拟同步发电机输出有功功率和无功功率的动态响应。由于动态虚拟电抗的加入，功率动态过程中耦合程度被有效的抑制。而且功率稳态时的耦合程度与无动态虚拟电抗时一样，并没有增加。

图5是无动态虚拟电抗时，有功功率参考值增加10kW时，虚拟同步发电机输出有功功率的动态响应。可见由于线路电路较小系统阻尼不足，有功功率动态过程出现了严重的振荡。

图6是有动态虚拟电抗时，有功功率参考值增加10kW时，虚拟同步发电机输出有功功率的动态响应。可见由于加入了动态虚拟电抗，增加了系统的阻尼，有功功率动态过程的振荡被抑制。

Claims (1)

1.一种基于动态虚拟电抗的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、采样虚拟同步发电机的三相输出电流i_a,i_b,i_c，虚拟同步发电机的三相输出电压U_a,U_b,U_c，流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc，并计算虚拟同步发电机输出的有功功率P_e和无功功率Q_e，所述虚拟同步发电机输出的有功功率P_e和无功功率Q_e的计算式分别为：

其中，T_f为一阶低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯算子；

步骤2、设定有功功率的参考值P_ref，无功功率的参考值Q_ref；

步骤3、根据虚拟同步发电机控制算法，计算得到虚拟同步发电机内电势幅值E，内电势相位θ，所述虚拟同步发电机内电势幅值E，内电势相位θ的计算式分别为：

E＝U_ref+(Q_ref-Q_e)n；

其中，U_ref为输出线电压的参考值，n为无功功率的下垂系数，ω_m为虚拟同步发电机输出的角频率，式中，m为有功功率的下垂系数；J为虚拟同步发电机的转动惯量；D为虚拟同步发电机的阻尼系数；ω_ref为角频率的参考值；

步骤4、将步骤1采样得到虚拟同步发电机的三相输出电流i_a,i_b,i_c，虚拟同步发电机的三相输出电压U_a,U_b,U_c，流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc，在步骤3得到的内电势相位θ下做三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到两相旋转坐标系下的虚拟同步发电机的输出电流i_d,i_q，虚拟同步发电机的输出电压U_d,U_q，流过滤波电感的电流i_Ld,i_Lq；

所述三相输出电流i_a,i_b,i_c从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

所述三相输出电压U_a,U_b,U_c从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

所述流过滤波电感的电流i_La,i_Lb,i_Lc从三相静止旋转坐标系到两相旋转坐标系的转换方程为：

步骤5、加入动态虚拟电抗X_dv，得到动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq，动态虚拟电抗X_dv为高通滤波器的形式，所述动态虚拟电抗X_dv、动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq的表达式为：

其中A为高通滤波器的放大系数，ω_c为高通滤波器的截止频率；

步骤6、根据步骤3得到的虚拟同步发电机的内电势幅值E和步骤5得到的动态虚拟阻抗上的压降U_vd,U_vq，计算得到虚拟同步发电机输出电压的d轴指令值U_dref和q轴指令值U_qref，所述虚拟同步发电机输出电压的d轴指令值U_dref和q轴指令值U_qref的计算式分别为：

步骤7、将步骤6中得到的输出电压d轴指令值U_dref和步骤4中得到的输出电压d轴分量U_d，经过d轴电压闭环控制方程，得到滤波电感电流d轴指令值i_Ldref；将步骤6中得到的输出电压的q轴指令值U_qref和步骤4中得到的输出电压的q轴分量U_q，经过q轴电压闭环控制方程，得到滤波电感电流q轴指令值i_Lqref，所述d轴电压闭环控制方程和q轴电压闭环控制方程的表达式分别为：

其中，k_vp为电压闭环比例调节器系数,k_vi电压闭环积分调节器系数；

步骤8、将步骤7中得到的滤波电感电流d轴指令值i_Ldref和步骤4中得到的滤波电感电流d轴分量i_Ld，经过d轴电流闭环控制方程，得到d轴输出信号U_idi；将步骤7中得到的滤波电感电流q轴指令值i_Lqref和步骤4中得到的滤波电感电流q轴分量i_Lq，经过q轴电流闭环控制方程，得到q轴输出信号U_iqi，所述d轴电流闭环控制方程和q轴电流闭环控制方程的表达式分别为：

其中k_ip为电流闭环比例调节器系数；

步骤9、将步骤8中得到的dq坐标系下的输出信号U_idi和U_iqi在步骤3得到的内电势相位θ下做两相旋转坐标系到三相静止旋转坐标系的转换，得到逆变器桥臂电压的三相调制波U_mai,U_mbi,U_mci，并经PWM调制后作为IGBT电路的驱动信号；所述两相旋转坐标系到三相静止旋转坐标系的转换的方程为：