CN108718097B - 一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，包括相位积分器U1、幅值积分器U2、VSG控制器、三相调制波发生器、单刀双掷开关S、LVRT控制模块和dq‑abc坐标转换器，本发明针对分布式电源逆变器采用VSG控制，不具备低电压穿越能力的问题，结合传统LVRT控制方法，提出一种基于电压幅值和相位预同步的模式无缝切换控制策略，引入的预同步单元对VSG输出实时矫正，有效避免LVRT/VSG模式切换前后的相位不一致问题。仿真结果表明该控制策略能够使逆变器在电网低电压故障期间抑制暂态冲击电流和改善并网电能质量，保证基于分布式电源逆变器VSG实现LVRT而不脱网，验证了所提方法的正确性和有效性。

Description

一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，具体是一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统。

背景技术

分布式电源逆变器在传统矢量控制下，无法满足电力系统对调频调压的需求，大规模光伏、风电等电源接入配电网，势必影响电力系统安全稳定运行。为此，一些国内外学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术。

然而在实际电网运行中易发生电压跌落故障，传统VSG控制因其机电惯性特性，难以抑制故障电流。文献提出了一种虚拟同步发电机平衡电流控制方法，但电流限制能力不足，仍存在电流越限状况。文献对此进行了改进，提出基于模式平滑切换的VSG故障穿越控制，但文中的电流跟踪控制并不能保证VSG输出电压幅值和相位与网侧电压一致，在恢复逆变器VSG控制时，仍存在电流短暂越限的可能。文献提出一种电网对称故障下 VSG电流限制方法，分别对故障电流暂态和稳态成分实施了限制，然而并未解决故障清除后的功率失稳问题，馈网电能质量较差。

基于上述问题，本文在分析分布式电源VSG基本结构和逆变器传统LVRT控制基础上，直接从电压幅值和相位控制考虑，提出一种满足分布式电源VSG模式无缝切换控制策略。采用一种基于电压幅值和相位跟踪的预同步方法，有效解决了VSG输出相位与逆变器桥臂中点电压不一致问题，抑制了切换过程中的电流冲击。仿真结果证明了该策略的有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，包括相位积分器U1、幅值积分器U2、VSG控制器、三相调制波发生器、单刀双掷开关S、LVRT控制模块和dq-abc坐标转换器，相位积分器U1的输出端通过开关S1连接VSG控制器，幅值积分器U2的输出端通过开关S2连接VSG控制器，VSG控制器的输出端连接三相调制波发生器，三相调制波发生器的输出端连接单刀双掷开关S1的动端1，LVRT控制模块的输出端连接dq/abc坐标转换器，dq/abc坐标转换器的输出端连接单刀双掷开关S1的动端2。

作为本发明的进一步技术方案：所述相位积分器U1的输入信号为逆变器桥臂中点电压相位θ_a。

作为本发明的进一步技术方案：所述相位积分器U2的输入信号为逆变器桥臂中点电压幅值E_a。

作为本发明的进一步技术方案：所述LVRT控制模块包括电流指令模块和电流内环控制模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对分布式电源逆变器采用VSG控制，不具备低电压穿越能力的问题，结合传统LVRT控制方法，提出一种基于电压幅值和相位预同步的模式无缝切换控制策略，引入的预同步单元对VSG输出实时矫正，有效避免LVRT/VSG 模式切换前后的相位不一致问题。仿真结果表明该控制策略能够使逆变器在电网低电压故障期间抑制暂态冲击电流和改善并网电能质量，保证基于分布式电源逆变器VSG实现LVRT 而不脱网，验证了所提方法的正确性和有效性。

附图说明

图1为逆变器VSG控制主电路拓扑结构图。

图2为VSG控制框图。

图3为预同步控制框图图。

图4为逆变器输出端到并网点的等效电路。

图5为本发明的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，包括相位积分器U1、幅值积分器U2、VSG控制器、三相调制波发生器、单刀双掷开关S、LVRT控制模块和dq-abc坐标转换器，相位积分器U1的输出端通过开关S1连接VSG控制器，幅值积分器U2的输出端通过开关S2连接VSG控制器，VSG控制器的输出端连接三相调制波发生器，三相调制波发生器的输出端连接单刀双掷开关S1的动端1，LVRT控制模块的输出端连接dq/abc坐标转换器，dq/abc坐标转换器的输出端连接单刀双掷开关S1的动端2。

本发明的工作原理是：逆变器VSG控制主电路拓扑结构如图1所示。图1中：三相逆变桥由全控型器件Q₁-Q₆构成，桥臂中点电压e_a、e_b、e_c模拟同步发电机内电势，U_dc为直流侧电压，电感L₁和电容C构成逆变器侧LC滤波器。

由图1，根据瞬时功率理论计算VSG输出有功功率P_e和无功功率Q_e，则

P_e＝u_αi_α+u_βi_β (1)

Q_e＝u_βi_α-u_αi_β (2)

式中：u_α和u_β为逆变器并网电压在αβ坐标系下的表达式；i_α和i_β为逆变器并网电流在αβ坐标系下的表达式。

VSG控制框图如图2所示。VSG控制由有功-频率控制环和无功-电压控制环构成，分别模拟了同步发电机的旋转惯性、一次调频特性和一次调压特性。图2中：P_ref、Q_ref分别为有功功率和无功功率参考值；P_e和Q_e分别为并网有功功率和无功功率实际值；J为有功-频率控制环虚拟转动惯量，模拟同步发电机的惯性特性；阻尼系数D_p模拟同步发电机阻尼特性；ω_n为角频率额定值；K为励磁调节的惯性系数；E为VSG输出电压的参考幅值。

VSG双功率控制环数学模型可表示为

有关逆变器的LVRT控制策略研究相对成熟，基于电流内环解耦控制和前馈控制适用于解决电压对称跌落下逆变器穿越问题，通过重置有功和无功参考电流降低有功输出，并向配电网提供必要的无功支撑，以辅助抬升电网电压和提高系统暂态稳定性。

解决不对称跌落问题的典型方案为：对不平衡电量进行正负序分离，根据瞬时功率理论建立功率分量与正负序量的关系方程，通过选取控制目标得到并网电流参考指令，采用相应控制器实现电流无静差跟踪，完成不对称LVRT的目的。根据需要，本文选取消除负序电流为控制目标，则并网电流参考指令如式(6)～(9)所示：

式中：P₀和Q₀分别为故障期间有功功率和无功功率设定值；U_d ⁺和U_q ⁺分别为VSG并网电压U在dq坐标系下的正序分量；D＝(U_d ⁺)²+(U_q ⁺)²。

根据以上电流参考指令，采用基于正、负序旋转坐标系双电流内环解耦控制策略，可有效抑制电压不对称跌落期间并网电流负序分量，从而实现逆变器不对称LVRT。

结合传统LVRT控制策略，进行控制模式无缝切换，解决VSG不具备LVRT能力问题。基本思路：当电网电压发生短路故障，逆变器由VSG控制切换至LVRT控制，故障解除后，恢复VSG控制。由此可知，基于VSG控制的逆变器实现LVRT穿越需要两次模式切换。对于前者切换，可以直接操作，这是由于传统LVRT控制的输入电流信号直接取自逆变器输出电流，矢量变换所需的相角采自并网侧，所以能时刻与网侧电压幅值相位同步，与VSG输出电压无关，切换过程不存在暂态冲击，故可实现模式无缝过渡。对于后者切换，VSG作为功率源其控制对象为并网输出功率，在故障期间的功率波动势必导致 VSG对控制输出作出调整，由于未受到电网电压钳制，使得在切换时，其输出电压的幅值、频率和相位等与桥臂中点电压可能存在一定偏差。以a相为例，控制模式切换前的两电压瞬时差值可以表示为

Δu＝e_a1-e_a2＝E_a1sin(ω_a1t+θ_a1)-E_a2sin(ω_a2t+θ_a2) (10)

式中：E_a1、ω_a1和θ_a1分别为VSG控制逆变器输出桥臂中点a相电压u_a的幅值、角频率和相位；E_a2、ω_a2和θ_a2分别为传统LVRT控制逆变器输出桥臂中点a相电压e_a的幅值、角频率和相位。一般地，VSG控制逆变器输出电压幅值E_a1和传统LVRT控制逆变器输出电压幅值E_a2近似相等，即有E_a1≈E_a2，则

由式(11)可见，当VSG输出电压与电网电压存在频率差和相位差时，瞬时电压偏差峰值最高可达到2E_a1，由于VSG输出阻抗小，即使较小的电压偏差也会引发较大冲击电流，从而导致切换失败，严重时可能损坏设备。因此VSG实现LVRT关键在于：逆变器由传统LVRT控制切换至VSG控制前如何对VSG控制输出电压幅值、相位等依照逆变器桥臂中点电压进行校正，以实现LVRT/VSG切换的模式无缝衔接。

预同步控制原理如式(12)所示，包括幅值预同步单元和相位预同步单元，分别通过调整各单元积分系数实现VSG输出电压幅值、相位与桥臂中点电压相同，以减少瞬时电压偏差导致的电流冲击，实现模式无缝切换。控制框图如图3所示。

式中：K_iω为相位积分系数；K_iE为幅值比例和积分系数；Δω和ΔE分别为叠加在频率ω₀和幅值E上的预同步信号；θ_a和E_a分别为逆变器桥臂中点a相电压相位和幅值。

值得注意的是，图3中θ_a为逆变器桥臂中点电压相位，而实际主电路中桥臂中点电压为矩形波，无法直接测取，因此可通过测量并网公共耦合点处电压相位，并补偿一定角度，作为逆变器桥臂中点电压相位。分析如下：

系统稳定时，作单位功率因数并网运行，逆变器输出端到并网点的等效电路如图4所示，其中E∠α为桥臂中点电压；U∠0为并网公共耦合点电压；忽略线路的电阻，X₁为线路等效电感。

由图4，可计算出桥臂中点电压超前于并网点电压的相位差值α

对利用锁相环采集到的并网点电压相位补偿α角度，作为相位同步单元的输入信号。

针对低电压期间VSG输出频率的偏移问题，将图2中传统阻尼模块D_p替换成比例积分模块K_p+K_i/s，可实现频率无偏差输出。分析如下：在平衡点处建立频率增量Δω与功率增量ΔP间小信号模型，传递函数为

通过施加单位阶跃激励，由终值定理

考虑到VSG控制算法输出接口与LVRT控制存在差异，模式切换开关选取在三相调制波，模式切换的实现框图如图5所示。图中：

为LVRT电流指令，U1为

积分器， U2为

电网电压正常时，开关S切在1端，逆变器采用VSG控制，开关S₁和S₂断开，在故障发生时，开关S由1端切换至2端，使逆变器模式切换至传统LVRT控制，并且闭合开关S₁和S₂，启动预同步控制单元，通过同步单元自身调节控制输出，使VSG输出电压相位和幅值实时跟踪桥臂中点电压。

故障解除后，电网电压恢复，不立刻恢复逆变器VSG控制模式，这是由于故障解除后，输出功率恢复额定值，由图2可知，伴随着VSG输出相位和幅值的改变，进而引发预同步单元的再调节，故需留一定时间裕量以完成这一调节过程，再调节完成后，预同步单元调节器输入变为0，此时将开关S由2端切换至1端，恢复逆变器VSG控制模式，同时断开开关S₁和S₂，退出预同步控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，其特征在于，包括相位积分器U1、幅值积分器U2、VSG控制器、三相调制波发生器、单刀双掷开关S、LVRT控制模块和dq-abc坐标转换器，相位积分器U1的输出端通过开关S1连接VSG控制器，幅值积分器U2的输出端通过开关S2连接VSG控制器，VSG控制器的输出端连接三相调制波发生器，三相调制波发生器的输出端连接单刀双掷开关S1的动端1，LVRT控制模块的输出端连接dq/abc坐标转换器，dq/abc坐标转换器的输出端连接单刀双掷开关S1的动端2，三相逆变桥由全控型器件Q1-Q6构成，桥臂中点电压ea、eb、ec模拟同步发电机内电势，Udc为直流侧电压，电感L1和电容C构成逆变器侧LC滤波器，VSG控制由有功-频率控制环和无功-电压控制环构成，分别模拟了同步发电机的旋转惯性、一次调频特性和一次调压特性，电网电压正常时，单刀双掷开关S切在1端，逆变器采用VSG控制，开关S1和S2断开，在故障发生时，单刀双掷开关S由1端切换至2端，使逆变器模式切换至传统LVRT控制，并且闭合开关S1和S2，启动预同步控制单元，通过同步单元自身调节控制输出，使VSG输出电压相位和幅值实时跟踪桥臂中点电压，由于故障解除后，输出功率恢复额定值，伴随着VSG输出相位和幅值的改变，进而引发预同步单元的再调节，故障解除后，电网电压恢复，不立刻恢复逆变器VSG控制模式，再调节完成后，预同步单元调节器输入变为0， 此时将开关S由2端切换至1端，恢复逆变器VSG控制模式，同时断开开关S1和S2，退出预同步控制；预同步控制单元包括幅值预同步单元和相位预同步单元，分别通过调整各单元积分系数实现VSG输出电压幅值、相位与桥臂中点电压相同；预同步控制原理如下所示：

其中，K_iw为相位积分系数，K_iE为幅值比例和积分系数，Δω和ΔE分别为叠加在频率ω₀和幅值E上的预同步信号，θ_a和E_a分别为逆变器桥臂中点a相电压相位和幅值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，其特征在于，所述相位积分器U1的输入信号为逆变器桥臂中点电压相位θ_a。

3.根据权利要求1所述的一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，其特征在于，所述相位积分器U2的输入信号为逆变器桥臂中点电压幅值E_a。

4.根据权利要求1所述的一种适用于虚拟同步发电机低电压穿越的无缝切换系统，其特征在于，所述LVRT控制模块包括电流指令模块和电流内环控制模块。

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