CN108599262A - 不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法 - Google Patents

不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，其针对传统的虚拟同步机控制策略下不平衡电网运行的虚拟同步机输出功率存在二倍频波动无法消除导致无法自同步运行等问题，通过将基于功率的谐振补偿方法与平衡电网下虚拟同步机的自同步控制方法相结合。本发明方法在无需电网电压电流正负序分离的前提下，就可以实现虚拟同步机在不平衡电网下的自同步运行控制，使得逆变器侧电压在并网前准确跟踪电网电压，实现自同步并网，在并网成功后，通过将虚拟同步机控制模块的控制量改为实际功率，实现该控制策略在不平衡电网下对功率的准确控制。

Description

不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境问题的日益突出，分布式发电技术得到越来越多的运用，并网逆变器作为分布式电源接入配电网(微电网)的重要设备，其功能和控制策略的深入研究得到了广泛的重视。常规的并网逆变器具有响应速度快、低惯量、欠阻尼的特点，难以参与电网调节，又由于大量新能源的接入导致的电网稳定性降低，如何通过控制并网逆变器实现友好接入成为亟待解决的问题。为此，有学者提出虚拟同步机的控制策略，即将并网逆变器模拟成一台具有一定惯性和阻尼的同步电机，以此实现分布式电源的友好接入并提高电力系统稳定性。
VISMA(Virtual Synchronous Machine)和同步变流器是虚拟同步机的两种实现方式，前者利用传统同步机的数学模型计算出逆变器电流的参考值，进而控制输出电流，表现为受控电流源；后者利用传统同步机的数学模型生成逆变器输出电压指令，进而控制变流器的输出电压，表现为受控电压源。由于当前电力系统是电压源主导的，大规模的电流源接入可能会带来稳定性问题，因此后者成为目前虚拟同步机的主要实现方式。第一代同步变流器需要专门的同步单元以获取电网电压、频率相位等信息来实现同步，例如锁相环是最常用的同步单元，但是锁相环本身存在的非线性和延时缺陷会影响系统的性能和稳定性。为此有学者提出了自同步变流器的控制策略，即在并网前通过内部控制算法实现与电网同步；自同步环节的原理是选取一个与实际电路的入端电感和电阻值相近的虚拟阻抗，根据电网侧电压，逆变器侧电压和虚拟电阻值求出一个虚拟电流。当此虚拟电流被控制为零时，说明电网侧电压与逆变器测电压已经同步，从而实现自同步并网，自同步变流器可以运行在整流和逆变两种模式，大大减少了系统的复杂度，提高了系统稳定性。然而，已有虚拟同步机自同步控制策略只能在平衡电网下运行，在电网电压不平衡时，计算得到的虚拟电流同样存在负序分量，从而导致虚拟功率中存在二倍频分量，传统的虚拟同步机控制策略对二倍频分量不能准确跟踪；采用传统方法得到逆变器侧电压不能准确跟踪电网电压，从而在并网时导致并网电流过大，并网失败；因此，研究在不平衡电网下虚拟同步机的自同步控制策略意义重大。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，无需电网电压、电流的正负序分离，且控制结构十分简单，能够在不平衡电网下实现虚拟同步机的自同步并网运行。
一种不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，包括如下步骤：
(1)采集并网逆变器的三相电网电压Ugabc和三相电网电流Igabc并分别对两者进行Clark变换，对应得到静止α-β坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和电网电流矢量Igαβ；
(2)根据电网电压矢量Ugαβ以及上一控制周期并网逆变器的调制电压矢量Ucαβ *计算出并网逆变器的虚拟电流矢量Ivαβ；
(3)利用电网电流矢量Igαβ、电网电压矢量Ugαβ和虚拟电流矢量Ivαβ计算出并网逆变器的虚拟有功功率Pv和虚拟无功功率Qv以及输出有功功率Pg和输出无功功率Qg；
(4)根据目标有功功率Psel和目标无功功率Qsel通过传统同步机控制环节计算确定并网逆变器的交流电压幅值Uc和相位θc；并网前，Psel＝Pv，Qsel＝Qv；并网后，Psel＝Pg，Qsel＝Qg；
(5)对目标有功功率Psel和目标无功功率Qsel进行谐振控制，计算得到并网逆变器交流电压补偿矢量的d轴分量Ucdcomp和q轴分量Ucqcomp；
(6)使并网逆变器交流电压参考矢量的d轴分量Ucd和q轴分量Ucq分别与Ucdcomp和Ucqcomp相加，其中Ucd＝Uc，Ucq＝0；进而利用相位θc对相加后的结果进行坐标旋转变换，得到当前控制周期静止α-β坐标系下的调制电压矢量Ucαβ，最后利用SVPWM(空间矢量脉宽调制)算法构造出一组PWM信号以对并网变换器进行控制。
进一步地，所述步骤(2)中根据以下公式计算并网逆变器的虚拟电流矢量Ivαβ：
其中：Ivα和Ivβ分别为虚拟电流矢量Ivαβ的α轴分量和β轴分量，Ugα和Ugβ分别为电网电压矢量Ugαβ的α轴分量和β轴分量，Ucα *和Ucβ *分别为调制电压矢量Ucαβ *的α轴分量和β轴分量，Lv和Rv分别为并网逆变器入端线路的等效电感和等效电阻，s为拉普拉斯算子。
进一步地，所述步骤(3)中根据以下公式计算并网逆变器的虚拟有功功率Pv和虚拟无功功率Qv以及输出有功功率Pg和输出无功功率Qg：
其中：Ugα和Ugβ分别为电网电压矢量Ugαβ的α轴分量和β轴分量，Igα和Igβ分别为电网电流矢量Igαβ的α轴分量和β轴分量，Ivα和Ivβ分别为虚拟电流矢量Ivαβ的α轴分量和β轴分量。
进一步地，所述步骤(4)中根据以下公式计算确定并网逆变器的交流电压幅值Uc和相位θc：
θc(k+1)＝∫ωc(k+1)dt
其中：Uc(k+1)和θc(k+1)分别为第k+1个控制周期中并网逆变器的交流电压幅值和相位，ωc(k)和ωc(k+1)分别为第k个控制周期和第k+1个控制周期中并网逆变器交流电压矢量的旋转角速度，Psel(k)和Qsel(k)分别为第k个控制周期中并网逆变器的目标有功功率和目标无功功率，Pref和Qref分别为并网逆变器的有功功率参考值和无功功率参考值(并网前给定为0，并网后根据实际需要设定)，ωref为给定的旋转角速度参考值，D和J分别为并网逆变器的虚拟阻尼设定值和虚拟惯量设定值，K为设定的比例系数，t为时间且t＝kT，T为控制周期的大小，k为大于0的自然数。
进一步地，所述步骤(5)中根据以下公式计算得到并网逆变器交流电压补偿矢量的d轴分量Ucdcomp和q轴分量Ucqcomp；
其中：CSOGI(s)为谐振控制器的传递函数，ωc为谐振控制器的截止频率，ks为谐振控制器的谐振系数，ωs为两倍的电网角频率即ωs＝4πf，f为电网频率，s为拉普拉斯算子。
本发明针对传统的虚拟同步机控制策略下不平衡电网运行的虚拟同步机输出功率存在二倍频波动无法消除导致无法自同步运行等问题，考虑在虚拟同步机生成的参考电压中加入直接谐振补偿，通过将基于功率的谐振补偿方法与平衡电网下虚拟同步机的自同步控制方法相结合，进而提出了一种适用于不平衡电网的的改进虚拟同步机自同步运行控制方法。本发明方法在无需电网电压电流正负序分离的前提下，就可以实现虚拟同步机在不平衡电网下的自同步运行控制，使得逆变器侧电压在并网前准确跟踪电网电压，实现自同步并网，在并网成功后，通过将虚拟同步机控制模块的控制量改为实际功率，实现该控制策略在不平衡电网下对功率的准确控制。
附图说明
图1为虚拟同步机(并网逆变器)的并网结构示意图。
图2为本发明方法的系统控制框图。
图3为传统虚拟同步机自同步控制策略下在电网电压单相跌落20％的不平衡电网下并网时的动态响应波形图；其中，Uerralpha和Uerrbeta分别为电网电压与逆变器侧电压之间的误差的α轴分量和β轴分量，在并网开关闭合后，为了观察功率的动态响应，将电压误差切换为有功和无功功率P和Q，Igabc为三相电网电流。
图4为本发明改进虚拟同步机自同步并网运行系统在电网电压单相跌落20％的不平衡电网下并网时的动态响应波形图；其中，Uerralpha和Uerrbeta分别为电网电压与逆变器侧电压之间的误差的α轴分量和β轴分量，在并网开关闭合后，为了观察功率的动态响应，将电压误差切换为有功和无功功率P和Q，Igabc为三相电网电流。
图5为传统虚拟同步机自同步控制策略下在电网电压单相跌落20％的不平衡电网下并网运行时有功1000W，无功1000Var参考值设定下的稳态波形图；其中，P和Q分别为虚拟同步机实际运行时的有功和无功功率，Igabc为三相电网电流。
图6为本发明改进虚拟同步机自同步并网运行系统在电网电压单相跌落20％的不平衡电网下并网运行时有功1000W，无功1000Var参考值设定下的稳态波形图；其中，P和Q分别为虚拟同步机实际运行时的有功和无功功率，Igabc为三相电网电流。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为虚拟同步机的并网结构示意，本发明改进虚拟同步机自同步并网运行系统实现如图2所示，系统包括一台与电网相连的电压源型变换器1、用于检测三相电网电压的电压霍尔传感器2、用于检测三相电网电流的电流霍尔传感器3、功率谐振补偿器4、两相旋转/静止坐标变换模块5、SVPWM信号发生器6、用于获取两相静止坐标系中的电网电压、电流矢量信号的三相/两相静止坐标变换模块7、虚拟电流计算模块8、功率计算模块9、用于决定并网前后目标控制量的虚拟同步机控制模式选择模块10以及传统的同步电机功率反馈控制环节11。
如图2所示，本发明改进虚拟同步机自同步运行控制方法包括以下步骤：
(1)利用三相电压霍尔传感器2采集虚拟同步机的三相电网电压Ugabc信号，利用电流霍尔传感器3采集三相电网电流Igabc信号，同时采集上一个控制周期中计算得到的逆变器调制电压矢量Ucαβ *。
(2)将采集得到的三相电网电压Ugabc信号和三相电网电流Igabc信号经静止三相到二相坐标变换模块7，得到静止α-β坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和电网电流矢量Igαβ；以电网电压为例，从静止三相到二相坐标变换的表达式为：
(3)根据采集得到的电网电压矢量Ugαβ、上一控制周期并网逆变器的调制电压矢量Ucαβ *以及虚拟阻抗值Rv和Lv，通过虚拟电流计算模块8计算得到虚拟电流矢量Ivαβ；虚拟电流计算表达式为：
(4)利用步骤(3)计算得到的虚拟电流矢量Ivαβ的α、β轴分量以及步骤(2)得到的电网电压矢量Ugαβ的α、β轴分量，通过功率计算模块9计算得到虚拟功率Pv、Qv；利用步骤(2)得到的电网电压矢量Ugαβ的α、β轴分量和电网电流矢量Igαβ的α、β轴分量，通过功率计算模块9计算得到实际功率Pg、Qg；两者输入控制模式选择模块10；虚拟有功、无功功率以及实际有功、无功功率计算表达式为：
(5)虚拟同步机控制模式选择模块10决定了同步电机功率反馈控制环节11的输入控制量和功率谐振补偿器4的输入补偿量的选择。在并网前，通过控制模式选择模块10选择计算得到的虚拟功率Pv、Qv作为目标控制量Psel、Qsel，实现虚拟功率准确跟踪参考值0，从而使得逆变器侧电压准确跟踪电网侧电压，实现自同步并网；在自同步过程中虚拟同步机有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref均给定为零；并网成功后，通过虚拟同步机控制模式选择模块10将实际功率Pg、Qg作为此时的功率目标控制量Psel、Qsel。
(6)将由控制模式选择模块10选择的目标功率值Psel、Qsel和功率给定值Pref、Qref以及给定旋转角速度ωref均输入同步电机功率反馈控制环节11，得到逆变器侧电压幅值Uc和相位θc，其中，电压幅值Uc在电压定向同步坐标系下即为逆变器侧电压参考值d轴分量Ucd，逆变器侧电压参考值q轴分量Ucq给定为0；逆变器侧电压幅值Uc和相位θc的计算表达式如下：
θc(k+1)＝∫ωc(k+1)dt
由上式可知，根据当前控制周期的目标有功、无功功率信号Psel(k)、Qsel(k)和逆变器侧电压旋转角频率ωc(k)的对应于的各自参考值的误差信号，可以计算得到下一控制周期的逆变器侧电压幅值Uc(k+1)和电压矢量旋转角频率ωc(k+1)，对角频率进行积分即得到逆变器侧电压相位角θc(k+1)。
(7)功率脉动给定值为0，将其步骤(6)选择的目标功率值Psel、Qsel作差，得到脉动功率误差信号，再通过一个二阶广义积分器SOGI即功率谐振补偿器4，输出得到逆变器侧电压补偿值的d轴分量Ucdcomp和q轴分量Ucqcomp；电压补偿值的计算公式如下：
其中，二阶广义积分器的传递函数为：
(8)在电网电压定向的条件下，利用同步电机功率反馈控制环节11输出的逆变器侧的电压参考值d轴分量Ucd和给定为0的逆变器侧的电压参考值q轴分量Ucq以及由功率谐振补偿器4得到的电压补偿值Ucdcomp、Ucqcomp，两者相加得到逆变器侧最终的电压参考值d、q轴分量Ucdf、Ucqf。
(9)同步电机功率反馈控制环节11输出的逆变器侧电压相位角θc对由步骤(8)得到的逆变器侧电压参考值Ucdf、Ucqf输入两相旋转/静止坐标变换模块5进行坐标变换，得到静止α-β坐标系下的调制电压矢量Ucαβ，将其作为SVPWM信号发生器6的输入信号，进而利用SVPWM算法构造出一组PWM信号以对与电网连接的电压源型变换器1进行控制。
如图4所示，在本发明改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法下，本实施方式控制系统在电网电压单相跌落20％的不平衡电网下，并网前的逆变器侧电压与电网电压之间的误差α、β轴分量Uerralpha和Uerrbeta相比于图3中传统虚拟同步机自同步控制下的误差波动有明显减小，说明本发明方法可以有效地抑制并网前的逆变器侧电压与电网电压之间的误差。在并网运行时，本实施方式控制系统相比于图3中传统的虚拟同步机自同步控制效果，本发明方法能够有效地抑制并网电流，从而避免由于并网电流过大导致并网失败的情况。
如图6所示，在本发明改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法下，本实施方式控制系统在电网电压单相跌落20％的不平衡电网并网运行时且有功1000W，无功1000Var参考值设定下，相比于图5中传统的虚拟同步机自同步控制效果，有功和无功功率中的二倍频分量得到明显抑制，功率波动较小，电网电流不平衡得到明显改善，电流中存在一定的三次谐波，这是因为要同时消除有功及无功脉动所致。
综上所述，在本发明改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法在需电网电压电流正负序分离的前提下，就可以实现虚拟同步机在不平衡电网下的自同步运行控制，有效地抑制有功及无功功率中的二倍频脉动分量，电网电流中的负序分量也得到抑制，有良好的控制效果。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种不平衡电网下的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，包括如下步骤：
(1)采集并网逆变器的三相电网电压Ugabc和三相电网电流Igabc并分别对两者进行Clark变换，对应得到静止α-β坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和电网电流矢量Igαβ；
(2)根据电网电压矢量Ugαβ以及上一控制周期并网逆变器的调制电压矢量Ucαβ *计算出并网逆变器的虚拟电流矢量Ivαβ；
(3)利用电网电流矢量Igαβ、电网电压矢量Ugαβ和虚拟电流矢量Ivαβ计算出并网逆变器的虚拟有功功率Pv和虚拟无功功率Qv以及输出有功功率Pg和输出无功功率Qg；
(4)根据目标有功功率Psel和目标无功功率Qsel通过传统同步机控制环节计算确定并网逆变器的交流电压幅值Uc和相位θc；并网前，Psel＝Pv，Qsel＝Qv；并网后，Psel＝Pg，Qsel＝Qg；
(5)对目标有功功率Psel和目标无功功率Qsel进行谐振控制，计算得到并网逆变器交流电压补偿矢量的d轴分量Ucdcomp和q轴分量Ucqcomp；
(6)使并网逆变器交流电压参考矢量的d轴分量Ucd和q轴分量Ucq分别与Ucdcomp和Ucqcomp相加，其中Ucd＝Uc，Ucq＝0；进而利用相位θc对相加后的结果进行坐标旋转变换，得到当前控制周期静止α-β坐标系下的调制电压矢量Ucαβ，最后利用SVPWM算法构造出一组PWM信号以对并网变换器进行控制。
2.根据权利要求1所述的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据以下公式计算并网逆变器的虚拟电流矢量Ivαβ：
其中：Ivα和Ivβ分别为虚拟电流矢量Ivαβ的α轴分量和β轴分量，Ugα和Ugβ分别为电网电压矢量Ugαβ的α轴分量和β轴分量，Ucα *和Ucβ *分别为调制电压矢量Ucαβ *的α轴分量和β轴分量，Lv和Rv分别为并网逆变器入端线路的等效电感和等效电阻，s为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据以下公式计算并网逆变器的虚拟有功功率Pv和虚拟无功功率Qv以及输出有功功率Pg和输出无功功率Qg：
其中：Ugα和Ugβ分别为电网电压矢量Ugαβ的α轴分量和β轴分量，Igα和Igβ分别为电网电流矢量Igαβ的α轴分量和β轴分量，Ivα和Ivβ分别为虚拟电流矢量Ivαβ的α轴分量和β轴分量。
4.根据权利要求1所述的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中根据以下公式计算确定并网逆变器的交流电压幅值Uc和相位θc：
其中：Uc(k+1)和θc(k+1)分别为第k+1个控制周期中并网逆变器的交流电压幅值和相位，ωc(k)和ωc(k+1)分别为第k个控制周期和第k+1个控制周期中并网逆变器交流电压矢量的旋转角速度，Psel(k)和Qsel(k)分别为第k个控制周期中并网逆变器的目标有功功率和目标无功功率，Pref和Qref分别为并网逆变器的有功功率参考值和无功功率参考值，ωref为给定的旋转角速度参考值，D和J分别为并网逆变器的虚拟阻尼设定值和虚拟惯量设定值，K为设定的比例系数，t为时间且t＝kT，T为控制周期的大小，k为大于0的自然数。
5.根据权利要求1所述的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中根据以下公式计算得到并网逆变器交流电压补偿矢量的d轴分量Ucdcomp和q轴分量Ucqcomp；
其中：CSOGI(s)为谐振控制器的传递函数。
6.根据权利要求5所述的改进虚拟同步机自同步并网运行控制方法，其特征在于：所述传递函数CSOGI(s)的表达式如下：
其中：ωc为谐振控制器的截止频率，ks为谐振控制器的谐振系数，ωs为两倍的电网角频率即ωs＝4πf，f为电网频率，s为拉普拉斯算子。
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