CN108649615B - 一种基于自抗扰控制的虚拟同步机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自抗扰控制的虚拟同步机，包括有虚拟同步机控制模块和电气主电路模块，还包括有电流自抗扰模块、电压自抗扰模块，检测控制模块，电流自抗扰模块的输入端连接虚拟同步机控制模块的有功给定值输入端，电流自抗扰模块的电流信号输出端连接检测控制模块的第一加法器，电压自抗扰模块的输入端连接虚拟同步机控制模块的无功给定值输入端，电压自抗扰模块的输出端连接检测控制模块的第二加法器，电气主电路模块连接虚拟同步机控制模块。本发明利用自抗扰技术来减小对主电路中电感、电容的误差、以及电压、电流测量装置的误差，从而控制虚拟同步机系统的扰动为零。
Description
技术领域
本发明属于虚拟同步机技术领域，尤其涉及一种基于自抗扰控制的虚拟同步机。
背景技术
随着全球范围内的能源问题日益突出和环境压力不断增大，人们的焦点从传统发电技术领域转移到了新能源领域、分布式发电技术、微电网技术上，分布式电源在电力系统中的渗透率不断提升。分布式发电的输出大多为直流电，需要通过并网逆变器接入配电网。常规的分布式并网发电控制较多采用电力电子并网逆变器模式，该模式响应速度非常快，转动惯量微乎其微，无法参与电网调节，不能保证电网稳定。为了解决分布式发电系统的稳定性问题，人们提出虚拟同步发电机(VirtualSynchronous Generator)控制技术，已有的虚拟同步机装置如图1所示，该装置由该装置由虚拟同步机控制模块2，由电流检测模块501和幅值检测模块502构成的检测控制模块5和电气主电路模块4组成。
虚拟同步机控制模块2由摇摆方程201、虚拟同步机相位产生模块202、正余弦信号产生模块203、电压下垂控制及虚拟同步机无功功率产生模块204、虚拟同步机电磁转矩Te和反电动势e和无功功率Q产生模块205、PWM发生器模块206构成，其中摇摆方程201里的机械转矩Tm产生模块201-1接收有功给定值乘以磁极对数p再除以
(角度的导数，即角速度)，得到机械转矩Tm再接入到减法器201-2，减去电磁转矩Te再减去经过模块201-4除以虚拟转矩J再积分可得到虚拟同步机的角速度θ；虚拟同步机相位产生模块202接收模块201-4产生的虚拟同步机的角速度再通过积分环节202-1产生虚拟同步机的相角θ，虚拟同步机的相角θ一方面反馈到复位模块与锁相环PLL202-3检测到的电网的相角θg共同作用产生复位信号再作用于积分环节202-1，从而可以让虚拟同步机产生的相角与电网的相角无限接近，直至相等，达到跟踪电网相角的目的；另一方面虚拟同步机产生的相角将被作用于正余弦信号产生模块203的正弦信号发生器203-1和余弦信号发生器203-2分别产生sinθ和cosθ信号；另外锁相环PLL产生的另一个参考角频率θr作用于减法器201-5从而参与摇摆方程201的构造。幅值检测模块502接收来自于电气主电路4的电压，检测出幅值Vo2,经过减法器204-4将Vr与Vo2作差，再将做差的结果乘以无功下垂系数Dp，再接入减法器204-1，减法器204-1用无功给定值加上无功下垂调节的无功减去虚拟同步机产生的无功功率Q的结果，再接入到模块204-2除以无功调节系数k再积分即可得到励磁磁场Mf、If。
虚拟同步机电磁转矩Te和反电动势e和无功功率Q产生模块205由乘法器205-1、乘法器205-2、乘法器205-3)、乘法器205-4、乘法器205-5、模块205-6构成，其中乘法器205-1把来自于乘法器205-5的结果乘以模块205-6再与来自模块204-2的结果、来自于模块201-4的结果三者相乘可得到无功功率Q，再把Q接入减法器204-1；乘法器205-2把来自模块204-2的结果与来自乘法器205-4的结果相乘可得虚拟同步机电磁转矩Te，再把Te接入到减法器201-2；乘法器205-3把来自于模块204-2的结果与来自于模块201-4的结果、正弦信号发生器203-1的结果相乘可得反电动势e，再把e接入到PWM发生器206；乘法器205-4把来自正弦信号发生器203-1的结果与来自电气主电路模块4的输出结果io2相乘，再把结果接入到乘法器205-2；乘法器205-5把来自余弦信号发生器203-2的结果与来自电气主电路的输出结果io2相乘，再把结果接入模块205-6；PWM发生器把来自于乘法器205-3的结果e转化成控制信号D接入虚拟同步机的电气主电路模块。
上述装置在控制过程中主电路中存在电感、电容的误差，电压、电流测量装置也存在误差，不足以继续维持电力系统的稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自抗扰控制的虚拟同步机，减小对主电路中电感、电容的误差、以及电压、电流测量装置的误差。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种基于自抗扰控制的虚拟同步机，包括有虚拟同步机控制模块、电气主电路模块以及由电流检测模块和幅值检测模块构成的检测控制模块，虚拟同步机控制模块接收无功给定值和有功给定值，虚拟同步机控制模块的输出端连接电气主电路模块，电气主电路模块的电流检测输出端、电压检测输出端分别通过电流检测模块和幅值检测模块连接虚拟同步机控制模块的电流控制端和电压控制端，还包括有电流自抗扰模块、电压自抗扰模块，电流自抗扰模块的输入端连接虚拟同步机控制模块的有功给定值输入端，电流自抗扰模块的输出端连接第一加法器的第一输入端，第一加法器的第二输入端连接电气主电路的电流检测输出端，第一加法器的输出端通过第一平均值模块连接虚拟同步机控制模块的电流控制端，电压自抗扰模块的输入端连接虚拟同步机控制模块的无功给定值输入端，电压自抗扰模块的输出端连接第二加法器的第一输入端，第二加法器的第二输入端连接电气主电路的电压检测输出端，第二加法器的输出端通过第二平均值模块连接虚拟同步机控制模块的电压控制端。
所述的电流自抗扰模块和电压自抗扰模块均包括参考值产生模块、跟踪微分器TD、误差信号生成单元、非线性状态误差反馈控制律模块、第一减法器、补偿因子模块、滤波器模块、扩张状态观测器，所述的参考值产生模块的输入端与虚拟同步机控制模块的输入端连接，参考值产生模块的输出端连接跟踪微分器TD，跟踪微分器TD输出三个微分信号给误差信号生成单元，误差信号生成单元的输出端连接非线性状态误差反馈控制律模块的输入端，非线性状态误差反馈控制律模块的输出端连接第一减法器的第一输入端，第一减法器的第二输入端通过补偿因子模块的第一补偿因子连接扩张状态观测器的输出端，第一减法器的输出端连接滤波器模块的输入端，第一减法器的输出端还通过补偿因子模块的第二补偿因子连接扩张状态观测器的第一输入端，所述滤波器模块的输出端连接扩张状态观测器的第二输入端，所述滤波器模块的输出端即电流自抗扰模块和电压自抗扰模块的输出端。
所述的电流自抗扰模块的参考值产生模块包括有电压参考值倒数模块和除法器，电压参考值倒数模块的输入端为参考值产生模块的输入端，电压参考值倒数模块的输出端连接除法器的输入端，除法器的另一输入端为虚拟同步机的相角的余弦值，除法器的输出端为参考值产生模块的输出端。
所述的电压自抗扰模块的参考值产生模块包括有电流参考值倒数模块和除法器，电流参考值倒数模块的输入端为参考值产生模块的输入端，电流参考值倒数模块的输出端连接除法器的输入端，除法器的另一输入端为虚拟同步机的相角的余弦值，除法器的输出端为参考值产生模块的输出端。
所述的误差信号生成单元包括三个减法器，三个减法器的第一输入端连接跟踪微分器TD的三个微分信号，三个减法器的第二输入端分别连接扩张状态观测器的三个观测输出端。
所述的滤波器模块包括第二减法器、第一积分单元(107-2)、第二积分单元(107-3)、第三积分单元(107-4)、系数b0单元和系数a1单元组成，第二减法器的第一输入端为滤波器模块的输入端，第二减法器的第二输入端连接系数a1单元的输出端，第二减法器的输出端连接到第一积分单元，第一积分单元的输出端通过第二积分单元连接第三积分单元的输入端，第二积分单元的输出端连接系数a1单元的输入端；第三积分单元的输出端连接系数b0单元，系数b0单元的输出端即滤波器模块的输出端，此输出端连接扩张状态观测器的第二输入端。
所述的扩张状态观测器包括第三减法器、第四减法器，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元、反馈矩阵单元、增益b0单元、反馈增益a1单元、关于误差的非线性组合函数单元，第三减法器的第一输入端连接第二补偿因子的输出端，第二输入端连接反馈矩阵单元的输出端，反馈矩阵单元的输入端连接第四减法器的输出端；第三减法器的第三输入端连接反馈增益a1单元的输出端，反馈增益a1的输入端连接第五积分单元的输出端，第三减法器的输出端依次连接第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元，其中第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端分别连接关于误差的非线性组合函数单元的三个输入端，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端为扩张状态观测器的三个观测输出端；第六积分单元的输出端通过增益b0单元连接第四减法器的输入端，第四减法器的另一输入端为扩张状态观测器的第二输入端。
本发明具有的优点是：本发明是在原有的虚拟同步机的控制基础上，新增了电流自抗扰控制器和电压自抗扰控制器，每个自抗扰控制器自抗扰控制器通过观测系统内部与外部的综合扰动并给予相应补偿，利用自抗扰技术来减小对主电路中电感、电容的误差、以及电压、电流测量装置的误差，从而控制虚拟同步机系统的扰动为零，进而改善逆变器并网的准确性和稳定性，为微网接入电网提供一个统一的接口机制。
附图说明
图1是现有虚拟同步机的结构示意图；
图2是本发明中电流自抗扰模块的结构图；
图3是本发明中电压自抗扰模块和虚拟同步机控制模块、电气主电路模块连接的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于自抗扰控制的虚拟同步机，如图2、图3所示，包括有虚拟同步机控制模块2，电气主电路模块4、检测控制模块5，电流自抗扰模块1、电压自抗扰模块3，虚拟同步机控制模块接收无功给定值和有功给定值，虚拟同步机控制模块2的输出端连接电气主电路模块4。电流自抗扰模块1的输出端连接第一加法器503的第一输入端，第一加法器503的第二输入端连接电气主电路的电流检测输出端，第一加法器503的输出端通过第一平均值模块505连接虚拟同步机控制模块的电流控制端(乘法器205‐5、205‐4)，电流自抗扰模块1的输入端连接虚拟同步机控制模块2的有功给定值输入端Pset。电压自抗扰模块3的输入端连接虚拟同步机控制模块2的无功给定值输入端Qset，电压自抗扰模块3的输出端连接第二加法器504的第一输入端，第二加法器504的第二输入端连接电气主电路模块4的电压检测输出端，第二加法器504的输出端通过第二平均值模块506连接虚拟同步机控制模块4的电压控制端(204‐4)。本发明在现有技术的基础上增加电流自抗扰模块1、电压自抗扰模块3，从而控制虚拟同步机系统的扰动为零。
其中所述的电流自抗扰模块1和电压自抗扰模块3的结构相同，在此以电流自抗扰控制模块1进行说明。与电流自抗扰控制模块1不同的是：电压自抗扰控制模块3的参考值产生模块301包括有电流参考值倒数模块301-1和除法器301-2；电压自抗扰控制模块3的输出端为电压信号。
如图2所示，电流自抗扰控制模块1包括参考值产生模块101、跟踪微分器TD102、误差信号生成单元103、非线性状态误差反馈控制律模块104、第一减法器105、补偿因子模块106、滤波器模块107、扩张状态观测器108，所述的参考值产生模块101包括有电压参考值倒数模块101‐1和除法器101‐2，电压参考值倒数模块101的输入端连接虚拟同步机控制模块2的有功给定值输入端Pset，电压参考值倒数模块101‐1的输出端连接除法器101‐2的输入端，除法器101‐2的另一输入端为虚拟同步机的相角的余弦值cosθ，除法器101‐2的输出端连接跟踪微分器TD102，参考值产生模块101利用公式Pset＝U*I*cosθ用给定值Pset除以电压参考值产生模块301产生的U*，再除以虚拟同步机控制模块2的余弦信号发生器203-2产生的余弦值cosθ，得到的I*再接入跟踪微分器TD102。跟踪微分器TD102用于根据控制目标和对象的能力，安排合适的过渡过程和产生这个过程的微分信号V1、V2、V3，并把微分信号接入误差信号生成单元103。所述的误差信号生成单元103包括三个减法器103‐1、103‐2、103‐3，三个减法器的第一输入端连接跟踪微分器TD102的三个微分信号，三个减法器的第二输入端连接扩张状态观测器108的三个观测输出端，三个减法器的输出端连接非线性状态误差反馈控制律模块104的输入端。误差信号生成单元103把微分信号V1、V2、V3分别与扩张状态观测器108观测的信号进行作差生成误差信号e11、e12、e13，接入到非线性状态误差反馈控制律模块104。
非线性状态误差反馈控制律模块104把误差e11、e12、e13采用适当非线性组合，产生控制信号U10，传递到第一减法器105的第一输入端，第一减法器105的第二输入端通过补偿因子模块106的第一补偿因子106-1连接扩张状态观测器108的输出端，第一减法器105的输出端连接滤波器模块107的输入端，第一减法器105的输出端还通过补偿因子模块106的第二补偿因子106-2连接扩张状态观测器108的第一输入端，第一减法器105用控制信号U10减去了的关于误差的非线性组合函数单元108-9与第一补偿因子106-1的乘积，产生的无误差的控制量U1i接入到滤波器模块107的第二减法器107-1，同时用控制量U1i乘以第二补偿因子106-2再接入到第三减法器108-1。
所述滤波器模块107的输出端连接扩张状态观测器108的第二输入端，其中滤波器模块107包括第二减法器107-1、第一积分单元107-2、第二积分单元107-3、第三积分单元107-4、系数b0单元107-5和系数a1单元107-6，第二减法器107-1的第一输入端为滤波器模块的输入端，第二减法器107-1的第二输入端连接系数a1单元107-6的输出端，将控制量U1i与状态变量
与系数a1单元107-6乘积作差后连接到第一积分单元107-2，第一积分单元107-2的输出端通过第二积分单元107-3连接第三积分单元107-4的输入端，第二积分单元107-3的输出端连接系数a1单元107-6的输入端；第三积分单元107-4的输出端连接系数b0单元107-5，系数b0单元107-5的输出端即电流自抗扰模块的输出端，即得到控制量io1,把io1接入检测控制模块；同时也要把io1接入到扩张状态观测器108的第二输入端。
其中扩张状态观测器108包括第三减法器108-1、第四减法器108-6，第四积分单元108-2、第五积分单元108-3、第六积分单元108-4、反馈矩阵单元108-5、增益b0单元108-7、反馈增益a1单元108-8、关于误差的非线性组合函数单元108-9，第三减法器108-1的第一输入端连接第二补偿因子106-2的输出端，第二输入端连接反馈矩阵单元108-5的输出端，反馈矩阵单元108-5的输入端连接第四减法器108-6的输出端；第三减法器108-1的第三输入端连接反馈增益a1单元108-8的输出端，反馈增益a1单元108-5的输入端连接第五积分单元108-3的输出端，第三减法器108-1的输出端依次连接第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元，其中第四积分单元108-2、第五积分单元108-3、第六积分单元108-4的输出端分别连接关于误差的非线性组合函数单元108-9的三个输入端，第四积分单元108-2、第五积分单元108-3、第六积分单元108-4的输出端为扩张状态观测器108的三个观测输出端；第六积分单元108-4的输出端通过增益b0单元108-7连接第四减法器108-6的输入端，第四减法器108-6的另一输入端为扩张状态观测器108的第二输入端。在第四减法器108-6控制量i与控制量的估计值
作差后接入到反馈矩阵单元108-5进行镇定，再把输出接入到第三减法器108-1，第三减法器108-1接入到第四积分单元108-2得到状
态变量
再接入到第五积分单元108-3得到状态变量/>
再接入到第六积分单元108-4得到状态变量/>
再经过增益b0单元108-7得到电流估计值/>
本发明经过增加两个自抗扰模块，结构简单，实现方便，既保留来了原有虚拟同步机的特点，又减小了测量值与估计值的误差，能够维持电力系统的稳定运行。
Claims (7)
1.一种基于自抗扰控制的虚拟同步机，包括有虚拟同步机控制模块、电气主电路模块以及由电流检测模块和幅值检测模块构成的检测控制模块，虚拟同步机控制模块接收无功给定值和有功给定值，虚拟同步机控制模块的输出端连接电气主电路模块，电气主电路模块的电流检测输出端、电压检测输出端分别通过电流检测模块和幅值检测模块连接虚拟同步机控制模块的电流控制端和电压控制端，其特征在于：还包括有电流自抗扰模块、电压自抗扰模块，电流自抗扰模块的输入端连接虚拟同步机控制模块的有功给定值输入端，电流自抗扰模块的输出端连接第一加法器的第一输入端，第一加法器的第二输入端连接电气主电路的电流检测输出端，第一加法器的输出端通过第一平均值模块连接虚拟同步机控制模块的电流控制端，电压自抗扰模块的输入端连接虚拟同步机控制模块的无功给定值输入端，电压自抗扰模块的输出端连接第二加法器的第一输入端，第二加法器的第二输入端连接电气主电路的电压检测输出端，第二加法器的输出端通过第二平均值模块连接虚拟同步机控制模块的电压控制端。
2.如权利要求1所述的基于自抗扰控制的虚拟同步机，其特征在于：所述的电流自抗扰模块和电压自抗扰模块均包括参考值产生模块、跟踪微分器TD、误差信号生成单元、非线性状态误差反馈控制律模块、第一减法器、补偿因子模块、滤波器模块、扩张状态观测器，所述的参考值产生模块的输入端与虚拟同步机控制模块的输入端连接，参考值产生模块的输出端连接跟踪微分器TD，跟踪微分器TD输出三个微分信号给误差信号生成单元，误差信号生成单元的输出端连接非线性状态误差反馈控制律模块的输入端，非线性状态误差反馈控制律模块的输出端连接第一减法器的第一输入端，第一减法器的第二输入端通过补偿因子模块的第一补偿因子连接扩张状态观测器的输出端，第一减法器的输出端连接滤波器模块的输入端，第一减法器的输出端还通过补偿因子模块的第二补偿因子连接扩张状态观测器的第一输入端，所述滤波器模块的输出端连接扩张状态观测器的第二输入端，所述滤波器模块的输出端即电流自抗扰模块和电压自抗扰模块的输出端。
3.如权利要求2所述的基于自抗扰控制的虚拟同步机，其特征在于：所述的电流自抗扰模块的参考值产生模块包括有电压参考值倒数模块和除法器，电压参考值倒数模块的输入端为参考值产生模块的输入端，电压参考值倒数模块的输出端连接除法器的输入端，除法器的另一输入端为虚拟同步机的相角的余弦值，除法器的输出端为参考值产生模块的输出端。
4.如权利要求2所述的基于自抗扰控制的虚拟同步机，其特征在于：所述的电压自抗扰模块的参考值产生模块包括有电流参考值倒数模块和除法器，电流参考值倒数模块的输入端为参考值产生模块的输入端，电流参考值倒数模块的输出端连接除法器的输入端，除法器的另一输入端为虚拟同步机的相角的余弦值，除法器的输出端为参考值产生模块的输出端。
5.如权利要求3或4所述的基于自抗扰控制的虚拟同步机，其特征在于：所述的误差信号生成单元包括三个减法器，三个减法器的第一输入端连接跟踪微分器TD的三个微分信号，三个减法器的第二输入端分别连接扩张状态观测器的三个观测输出端。
6.如权利要求5所述的基于自抗扰控制的虚拟同步机，其特征在于：所述的滤波器模块包括第二减法器、第一积分单元、第二积分单元、第三积分单元、系数b0单元和系数a1单元组成，第二减法器的第一输入端为滤波器模块的输入端，第二减法器的第二输入端连接系数a1单元的输出端，第二减法器的输出端连接到第一积分单元，第一积分单元的输出端通过第二积分单元连接第三积分单元的输入端，第二积分单元的输出端连接系数a1单元的输入端；第三积分单元的输出端连接系数b0单元，系数b0单元的输出端即滤波器模块的输出端，此输出端连接扩张状态观测器的第二输入端。
7.如权利要求6所述的基于自抗扰控制的虚拟同步机，其特征在于：所述的扩张状态观测器包括第三减法器、第四减法器，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元、反馈矩阵单元、增益b0单元、反馈增益a1单元、关于误差的非线性组合函数单元，第三减法器的第一输入端连接第二补偿因子的输出端，第二输入端连接反馈矩阵单元的输出端，反馈矩阵单元的输入端连接第四减法器的输出端；第三减法器的第三输入端连接反馈增益a1单元的输出端，反馈增益a1的输入端连接第五积分单元的输出端，第三减法器的输出端依次连接第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元，其中第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端分别连接关于误差的非线性组合函数单元的三个输入端，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端为扩张状态观测器的三个观测输出端；第六积分单元的输出端通过增益b0单元连接第四减法器的输入端，第四减法器的另一输入端为扩张状态观测器的第二输入端。
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| CN106786733A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-31 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种虚拟同步发电机的控制方法、装置及系统 |
| CN208433764U (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-25 | 河南城建学院 | 一种基于自抗扰控制的虚拟同步机 |
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| "基于自抗扰控制技术的虚拟同步机无频差控制方法";唐酿等;《广东电力》(第04期);全文 * |
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