CN108667080B - 一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，属于电力控制技术领域。具体如下：首先，建立虚拟同步发电机模型，采集电网电压，并对其进行正负序分离，获得正序电压的有功以及无功分量。然后，利用同步发电机的定子电气方程，得到电压不平衡时使得电流平衡的dq坐标下的电流指令值，并将其作为基准指令值。最后，分析正、负序电压和电流的幅值和相位的约束关系，得到在dq坐标系下基准指令基础上用正序电压和正序电压电流的角度关系表示的补偿电流指令值并采用准PR控制器，实现对电流的无差跟踪控制，显著地抑制了有功功率的波动。

Description

一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，属于电力控制技术领域。

背景技术

新世纪以来以风力、光伏等为代表的新能源发电技术因其经济、环保的优点被广泛运用。新能源通过电力电子接口，相对于传统发电机而言，其更具灵活性且响应速度快，但同时也存在着低惯性和无阻尼的特点，在电网中实际上表现为一个不可控的发电单元。随着新电源在电网中的渗透率不断提高，传统发电机的装机比例逐渐降低，电力系统中旋转备用容量和转动惯量减少使得电网的稳定性降低，给电网的安全运行带来了挑战。

传统的同步发电机在电网发生扰动或故障时能够利用转动惯量的特性，逐渐实现与电网功率的平衡，维持系统的稳定性。因此有学者提出了虚拟同步发电机(virtualsynchronous generator，VSG)的控制技术。该技术使得逆变器具备传统发电机的运行特性，使得逆变电源具有同步发电机的优良特性，从而为电网提供惯性和阻尼，使得其具有电压和频率支撑作用。

目前，关于虚拟同步机的控制策略和方案大多都是基于平衡电网电压的条件下提出的。而实际上，由于负载不平衡、线路故障等原因电网电压发生三相不平衡，基于虚拟同步机控制的逆变器输出电流发生畸变，有功功率和无功功率震荡等问题。而目前，大多数的研究集中在传统逆变器电网电压三相不平衡时的控制上，对非理想电网情况下的电流矢量控制和直接功率控制的研究比较多。但针对VSG的研究主要集中在理想电网情况下，对于不平衡电网情况下的研究比较少且VSG的控制与传统逆变器有所不同，因此无法直接借鉴传统逆变器的控制方法。因此，研究适用于电网电压不平衡情况下的虚拟同步机控制技术具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，使得逆变器能够有效地抑制有功功率的二倍频波动，提高逆变器在电网中的稳定性和可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，包括如下步骤：

步骤1，建立基于虚拟同步发电机的逆变器模型，包括通过虚拟同步发电机的转子运动方程建立逆变器有功环、通过无功电压下垂关系建立逆变器无功环，根据逆变器模型求得虚拟同步发电机的电势指令；

步骤2，分析满足有功功率平衡的正、负序电压相位，正、负序电流相位，正、负序电压幅值和正、负序电流幅值之间的约束关系，推导求得电压电流角度关系式，并求得电流超前电压矢量角度；根据电流超前电压矢量角度求得功率平衡电流有功分量、无功分量；

步骤3，通过1/4延时周期法，对电网电压进行正、负序分离，得到正序电压；分析虚拟同步发电机的定子电气方程，得到电网电压、电流以及电势分量关系式，求得电流平衡的正序电流指令；所述电网电压、电流以及电势分量关系式为：

其中，i_d、i_q分别为电流指令有功、无功分量；分别为正序电流指令d、q分量；R、X分别为逆变器到电网之间的总等效电阻、电抗；分别为电势指令的d、q分量；分别为正序电压的d、q分量；

步骤4，根据步骤2得到的功率平衡电流以及步骤3得到的电流平衡的正序电流指令之间的差值，得到补偿电流指令；对步骤3电流平衡的正序电流指令进行补偿，采用前馈解耦方法，用准比例谐振控制器，对逆变器输出电流进行无差跟踪；所述补偿电流指令为：

其中，Δi_d、Δi_q分别为补偿电流的d、q分量；P_ref、Q_ref分别为有功、无功功率参考值；E为电势指令；β₃为电流超前电压矢量角度；为正序电流有功分量指令；β₁为正序电流分量超前正序电压分量的角度；

步骤5，对步骤4所述逆变器输出电流进行跟踪后转化为PWM电压调制信号，使得逆变器工作，减小有功功率的二倍频分量，实现有功功率的平衡。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述虚拟同步发电机的转子运动方程为：

其中，J为虚拟同步发电机的转动惯量，kg·m²；ω为机械角速度，rad/s；ω₀为电网同步角速度，rad/s；T_m、T_e分别为机械转矩和电磁转矩，N·m、N·m；D为阻尼系数，N·m·s/rad；θ为发电机转子角位移，rad；t为时间。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述逆变器无功环为：

其中，Q_ref、Q_e分别为无功功率参考值、无功功率；K为无功下垂系数；E为电势指令；t为时间。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述满足有功功率平衡的正、负序电压相位，正、负序电流相位，正、负序电压幅值和正、负序电流幅值之间的约束关系为：

其中，分别为电网电压正、负序分量的瞬时相位；θ₊(t)、θ_-(t)分别为电流正、负序分量的瞬时相位；I₊、I_-分别为正、负序电流幅值；E₊、E_-分别为正、负序电压幅值。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述电压电流角度关系式、电流超前电压矢量角度分别如下：

其中，β₃为电流超前电压矢量角度；β₁为正序电流分量超前正序电压分量的角度；为从t₀时刻到当前时刻正序电压矢量转过的角度；为电压矢量当前时刻的角度；为重合角。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述通过1/4延时周期法，对电网电压进行正、负序分离，得到正序电压，具体为：

其中，u_α、u_β分别为电网电压在两相静止坐标系下的分量；分别为延迟1/4个工频周期的电网电压在两相静止坐标系下的分量；u_α+、u_β+分别为正序电压在两相静止坐标系下的分量；u_α-、u_β-分别为负序电压在两相静止坐标系下的分量。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述准比例谐振控制器的传递函数为：

其中，G_PR(s)为传递函数；k_p为比例系数；k_r为积分系数；ω_c为截止频率；ω₁为谐振频率，其值为2倍频的工频频率；s为复频率。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明控制方法，分析满足有功功率平衡条件下的一种电压电流分量相位、幅值约束关系式。在通过计算求得正序电流指令的基础上，直接补偿电流分量，无需采用正负序双电流内环控制结构，减少了PI调节器的使用，使得控制及参数设置相对简单，同时采用准PR控制器，能够跟踪交变的电流分量，减少有功功率的二倍频分量，实现有功功率的平衡。

附图说明

图1是本发明虚拟同步发电机的主电路及其控制系统图。

图2是传统虚拟同步发电机的控制算法整体框图。

图3是并网逆变器的等效电路和电压电流向量关系，其中，(a)为等效电路；(b)为电压电流向量关系。

图4是本发明一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法整体框图。

图5是准PR控制器控制框图。

图6是电网电压不平衡时电压、电流仿真波形。

图7是电网电压不平衡时有功、无功仿真波形。

图8是电流仿真波形，其中，(a)为两种不同控制目标下电流仿真波形；(b)为VSG控制下电流仿真放大图；(c)为平衡电流VSG控制下电流仿真放大图。

图9是有功功率仿真波形，其中，(a)为三种不同控制目标下有功功率仿真波形；(b)为VSG控制下有功功率仿真放大图；(c)为平衡电流VSG控制下有功功率仿真放大图；(d)为平衡功率VSG控制下有功功率仿真放大图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明构建的基于虚拟同步发电机的逆变器采用三相三线制，其主电路包括直流电源、逆变器、滤波电感以及交流电网。直流母线电压U_dc为800V，输出交流线电压有效值为380V/50HZ，逆变器开关频率为5000HZ，滤波电感L、滤波电阻R分别为0.184H、0.1Ω，逆变器的设定有功、无功参考值P_ref、Q_ref分别为5000W和0Var。图2是传统虚拟同步发电机的控制算法整体框图。

如图4所示，是本发明一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法整体框图，具体步骤如下：

1)首先采集逆变器三相端电压U_abc、逆变器输出三相电流I_abc，经过Clarke变换即abc/αβ变换，得到电压αβ分量u_α、u_β；

2)根据采集得到的三相端电压U_abc和输出三相电流I_abc，经过有功功率的计算公式得到逆变器输出有功功率P_e和无功功率Q_e；

3)确定有功功率P_ref以及电网同步角速度ω₀，根据图2VSG控制算法整体框图，并结合计算得到的有功功率P_e，经过同步电机的转子运动方程后，得到虚拟同步发电机的输出相角θ。确定无功功率指令Q_ref，通过无功环得到虚拟同步发电机的输出电势幅值指令E，与输出相角θ合成矢量e^*；

4)根据瞬时功率理论可知，有功和无功功率可表示为：

式中，分别为有功功率的平均分量、波动分量；分别为无功功率的平均分量、波动分量；u_α、u_β分别为αβ坐标系下的电压分量；i_α、i_β分别为αβ坐标系下的电流分量。

若消除电流的负序分量，使得电流平衡，由于存在电压的负序分量，此时功率的波动分量仍然存在，使得有功功率和无功功率仍然不平衡。若消除功率的波动分量，使得其平衡，此时必须保持负序电流的存在。由于负序电流的存在，无法保持电流的平衡。

5)将变换得到的电压αβ分量u_α、u_β采用1/4延时周期法进行正负序分离，得到正序电压αβ分量u_α+、u_β+以及负序电压αβ分量u_α-、u_β-；

6)根据正负序电压αβ分量，根据重合角计算方程得到重合角并根据满足有功功率平衡时的正负序电压电流分量角度和幅值约束关系式，推导得到电压电流角度关系式，并求得电流超前电压矢量的角度β₃；

7)根据电压电流角度关系式，求得消除有功功率二倍频的基于虚拟同步发电机的并网电流有功分量i_d和无功分量i_q；

8)根据正负序分离得到的正序电压αβ分量u_α+、u_β+进一步变换后得到电压的dq分量根据图3的(a)和(b)，并网逆变器的等效电路和电压电流向量关系可知，通过由定子电气关系式转换后的电压电流dq分量关系式后可求得使得电流平衡的电流有功分量i_dB和无功分量i_qB；

9)为消除有功功率的波动分量，实现有功功率的平衡，求得补偿电流为Δi_d、Δi_q；

10)图4给出了改进型方法的电流指令生成及其内环控制，对使得电流平衡的电流有功分量i_dB和无功分量i_qB叠加补偿电流Δi_d、Δi_q，并采用前馈解耦控制。电流跟踪控制器采用准比例谐振控制器(quasi proportion resonant Quasi-PR)，对电流进行无差跟踪，控制器控制框图如图5所示。从而产生PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)电压调制信号，使得基于同步发电机的逆变器工作，实现有功功率的平衡；

11)图6、图7分别为电网电压平衡时和不平衡时未加入平衡控制目标的一般VSG控制的电压电流仿真波形。其中，可看出电网电压一旦发生不平衡，设定工况下，电流幅值约为21A的平衡电流，将会发生不平衡，三相电流的幅值不相等，电流幅值有了显著上升；

12)图8、图9为在仿真时长1.5s内，不同时间内不同控制目标下的电流和有功功率仿真波形。图8的(a)为两种不同控制目标下电流仿真波形；图8的(b)为VSG控制下电流仿真放大图；图8的(c)为平衡电流VSG控制下电流仿真放大图。图9的(a)为三种不同控制目标下有功功率仿真波形；图9的(b)为VSG控制下有功功率仿真放大图；图9的(c)为平衡电流VSG控制下有功功率仿真放大图；图9的(d)为平衡功率VSG控制下有功功率仿真放大图。

其中0-0.7s为未加入平衡控制目标的一般VSG控制，0.7-1.2s为控制电流平衡的改进型VSG控制，而1.2-1.5s为控制有功平衡的改进型VSG控制。可以看到在0.3-0.7s时一般的VSG控制，无法使得电流和有功保持平衡，电流和有功功率在电网故障情况下瞬间增大，功率从5kW到15kW之间大幅度波动。而在0.7-1.2s时，由于加入了平衡电流的控制，使得电流保持平衡，而因此有功功率的波动也相对减小，但仍然存在比较大的波动，功率从8kW到12kW之间波动。在0.7-1.2s时，有功功率的波动大幅度减小，功率从9.5kW到10.5kW之间波动，显著地抑制了有功功率的波动分量。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立基于虚拟同步发电机的逆变器模型，包括通过虚拟同步发电机的转子运动方程建立逆变器有功环、通过无功电压下垂关系建立逆变器无功环，根据逆变器模型求得虚拟同步发电机的电势指令；

步骤2，分析满足有功功率平衡的正、负序电压相位，正、负序电流相位，正、负序电压幅值和正、负序电流幅值之间的约束关系，推导求得电压电流角度关系式，并求得电流超前电压矢量角度；根据电流超前电压矢量角度求得功率平衡电流有功分量、无功分量；

步骤3，通过1/4延时周期法，对电网电压进行正、负序分离，得到正序电压；分析虚拟同步发电机的定子电气方程，得到电网电压、电流以及电势分量关系式，求得电流平衡的正序电流指令；所述电网电压、电流以及电势分量关系式为：

其中，i_d、i_q分别为电流指令有功、无功分量；分别为正序电流指令d、q分量；R、X分别为逆变器到电网之间的总等效电阻、电抗；分别为电势指令的d、q分量；分别为正序电压的d、q分量；

步骤4，根据步骤2得到的功率平衡电流以及步骤3得到的电流平衡的正序电流指令之间的差值，得到补偿电流指令；对步骤3电流平衡的正序电流指令进行补偿，采用前馈解耦方法，用准比例谐振控制器，对逆变器输出电流进行无差跟踪；所述补偿电流指令为：

其中，Δi_d、Δi_q分别为补偿电流的d、q分量；P_ref、Q_ref分别为有功、无功功率参考值；E为电势指令；β₃为电流超前电压矢量角度；为正序电流有功分量指令；β₁为正序电流分量超前正序电压分量的角度；

步骤5，对步骤4所述逆变器输出电流进行跟踪后转化为PWM电压调制信号，使得逆变器工作，减小有功功率的二倍频分量，实现有功功率的平衡。

2.根据权利要求1所述不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，其特征在于，步骤1所述虚拟同步发电机的转子运动方程为：

其中，J为虚拟同步发电机的转动惯量，kg·m²；ω为机械角速度，rad/s；ω₀为电网同步角速度，rad/s；T_m、T_e分别为机械转矩和电磁转矩，N·m、N·m；D为阻尼系数，N·m·s/rad；θ为发电机转子角位移，rad；t为时间。

3.根据权利要求1所述不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，其特征在于，步骤1所述逆变器无功环为：

其中，Q_ref、Q_e分别为无功功率参考值、无功功率；K为无功下垂系数；E为电势指令；t为时间。

4.根据权利要求1所述不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，其特征在于，步骤2所述满足有功功率平衡的正、负序电压相位，正、负序电流相位，正、负序电压幅值和正、负序电流幅值之间的约束关系为：

其中，分别为电网电压正、负序分量的瞬时相位；θ₊(t)、θ_-(t)分别为电流正、负序分量的瞬时相位；I₊、I_-分别为正、负序电流幅值；E₊、E_-分别为正、负序电压幅值。

5.根据权利要求1所述不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，其特征在于，步骤2所述电压电流角度关系式、电流超前电压矢量角度分别如下：

其中，β₃为电流超前电压矢量角度；β₁为正序电流分量超前正序电压分量的角度；为从t₀时刻到当前时刻正序电压矢量转过的角度；为电压矢量当前时刻的角度；为重合角。

6.根据权利要求1所述不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，其特征在于，步骤3所述通过1/4延时周期法，对电网电压进行正、负序分离，得到正序电压，具体为：

其中，u_α、u_β分别为电网电压在两相静止坐标系下的分量；分别为延迟1/4个工频周期的电网电压在两相静止坐标系下的分量；u_α+、u_β+分别为正序电压在两相静止坐标系下的分量；u_α-、u_β-分别为负序电压在两相静止坐标系下的分量。

7.根据权利要求1所述不平衡电网电压下的虚拟同步机有功平衡控制方法，其特征在于，步骤4所述准比例谐振控制器的传递函数为：

其中，G_PR(s)为传递函数；k_p为比例系数；k_r为积分系数；ω_c为截止频率；ω₁为谐振频率，其值为2倍频的工频频率；s为复频率。