CN108964040A - 电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网不平衡下虚拟同步发电机功率‑电流协调控制方法，属于新能源发电领域。该方法根据瞬时功率理论计算静止坐标系下的负序电流参考值，建立恒定有功、无功及电流平衡三个控制目标的统一解析表达式，实现电网不平衡下虚拟同步发电机功率‑电流的协调控制，解决了电网不平衡下功率振荡、电流不平衡等问题，提高了系统运行性能。本发明无需复杂的三角函数运算、计算量小、控制结构简单，能够根据电网的不同需求实现相应的控制目标。

Description

电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电领域，涉及电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法。

背景技术

近年来，由于环境污染、能源短缺等问题日益突显，为解决这些问题，可再生能源(光伏、风能、海洋能等)为代表的分布式发电技术发展越来越迅速。然而，随着分布式电源渗透率的不断提高，意味着传统式同步发电机的所占容量逐渐降低，这会对电力系统的安全稳定性带来严重挑战。因此，分布式电源发电技术的任务不能只是简单的向电网提供电能，其自身还应具备一定的电网电压幅值和频率调节的能力，使其能够让电网设备安全稳定运行。相比而言，传统的同步发电机自身具有能够参与到电网电压幅值和频率调节的功能，若能使并网逆变器具有同步发电机的这些优势，使分布式电源友好接入电网，则能提高分布式发电系统的安全稳定性。

因此，有学者提出了虚拟同步发电机(VSG)技术，能够使VSG模拟同步发电机运行机理。有文献提出了VISMA方案，该方案主要模拟了同步发电机的外特性，是直接控制输出电流的电流型VSG，无法控制系统的电压和频率。为弥补此缺陷，有文献提出了外特性为电压源的电压控制型VSG，它的本质是主要考虑有功-频率、无功-电压的关系，为系统提供稳定的频率和电压支撑，在渗透率较高的电网环境下应用广泛。

上述研究均在电网电压三相平衡条件下进行，然而实际电网中常会因短路故障、电压跌落、谐波畸变等因素的影响而出现不平衡电网电压或畸变谐波电网电压。在这种情况下，VSG会出现输出有功、无功功率振荡及电流不平衡等问题。有文献提出了有功/无功控制、平衡正序控制等5种控制方法，以实现对分布式电源在不同环境下的应用。有文献利用平衡电流与恒定功率时电流之间的关系进行修正值的跟踪控制，达到功率恒定的效果，但计算方法复杂，实现困难。有文献通过抑制并网电流中的负序分量，使VSG能够在不平衡电网下输出三相平衡电流，但并未提及功率振荡的控制方法。有文献提出的电压前馈策略，虽然可解决功率振荡问题，但其所采用的电压相位补偿却需要精确计算角度，否则将失去其控制意义。有文献提出的负序电压控制策略，并未详细给出控制器的设计，而且当电网中含有畸变电压时其控制策略将失效。因此，在不平衡电网条件下，在保持VSG特有性能的前提下，实现抑制输出功率振荡及并网电流平衡等问题还需要进一步研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法，以VSG在不平衡电网电压条件下，分析了输出功率振荡、并网电流不平衡的原因及瞬时功率量与瞬时负序电流量之间的关系，提出了一种虚拟同步发电机功率-电流协调控制策略，根据瞬时功率计算静止坐标系下的负序电流参考值，建立恒定有功、无功及电流平衡三个控制目标的统一解析表达式，实现功率-电流的协调控制，以满足不同电力系统的需求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法，包括以下步骤：

S1：分析功率流；

将并网电压和并网电流进行Clark变换并经过基于复数滤波器的正负序分量提取模块，可得到静止坐标系下的正、负序并网电压和并网电流。再根据瞬时功率定义计算瞬时有功和无功功率的表达式。

S2：负序参考电流表达式统一解析表达式；

根据瞬时功率表达式可知，瞬时有功及无功功率振荡均由两倍电网频率的正弦和余弦分量组成，为实现恒定有功、恒定无功或平衡电流控制，可计算出三种控制相应的负序参考电流表达式，由此可建立恒定有功控制、恒定无功控制及电流平衡控制的负序参考电流统一解析表达式：

式中λ表示调节系数，表示α静止坐标系下的负序并网电流参考值，表示β静止坐标系下的负序并网电流参考值。和分别表示αβ静止坐标系下的电网电压正序和负序基波分量，P₀、Q₀分别表示瞬时有功和无功功率平均值。

式(15)-(16)中，当λ＝-1时实现恒定有功控制；当λ＝1时实现恒定无功控制；λ＝0时实现平衡电流控制；为了实现有功功率、无功功率-电流的协调控制，结合上述三种控制，将λ定义在连续区间内，取值范围是-1≤λ≤1，通过调节λ的值实现具有功率-电流的协调控制。

S3：负序电流控制；

在不平衡电网电压下，不影响正序电流情况下，通过控制并网电流的负序分量来改变虚拟同步发电机输出功率振荡中正弦和余弦分量的幅值大小，进而实现对功率振荡的控制；虚拟同步发电机在静止坐标系下的电磁方程为

式中，L和R表示从逆变器到电网之间的总电感和总电阻，表示静止坐标系下负序逆变器侧电压，表示静止坐标系下负序电网电压，表示静止坐标系下负序并网电流。

将计算出的负序并网电流参考值与负序并网电流实际值之差输入到电流环准降阶谐振补偿器进行控制，通过准降阶谐振补偿器对误差信号的大小和相位进行调节，再根据VSG电磁方程可得到逆变器侧负序电压调制信号，与逆变器侧正序电压调制信号叠加得参考电压调制信号，将形成的调制信号输入到PWM单元产生控制逆变器开关的PWM调制信号；

S4：设计控制器；

采用静止坐标系控制策略，在设计电流环控制器时，由于α、β轴电流环对称，则其电流环控制器设计相同；在低频条件下，LCL滤波器的频率特性几乎与L滤波器相同，忽略其中电容的作用；在设计控制器时，将LCL滤波器等效为L_T＝L_i+L_g的单L滤波器来考虑；单L滤波器的电流环开环传递函数为一阶系统，本发明采用准降阶谐振补偿器，该控制器的传递函数表达式为

式中，k_p、k_r、ω_c及ω₀分别为准降阶谐振补偿器的比例系数、谐振系数、控制器带宽及谐振角频率。

进一步，所述控制器设计方法，根据实际电网的不同需求，虚拟同步发电机相关参数及滤波器参数会发生变化，根据这些参数来进行控制器的设计，其步骤为：

S1：计算控制系统的开环传递函数表达式，

S2：绘制开环传递函数表达式的伯德图，由对数幅频特性曲线和相频特性曲线可得到开环传递函数表达式的幅值裕量和相角裕量。

S3：根据幅值裕量和相角裕量的大小可判断系统是否处在稳定状态。若幅值裕量大于或等于6dB，相角裕量在30°与60°之间，即系统处在稳定状态；若不是，即系统不满足稳定的要求，则应重新设计控制器参数。

与现有技术相比，本发明电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法的有点体现在：

本发明以实现不平衡电网下虚拟同步发电机功率-电流协调控制为控制目标，根据瞬时功率理论计算计算静止坐标系下负序电流参考值，并对实际负序电流进行控制，建立恒定有功、无功及电流平衡三个控制目标的统一解析表达式；不仅能够解决因电网不平衡引起的功率波动及并网电流幅值不平衡问题，而且能够实现瞬时有功或瞬时无功波动及并网电流幅值不平衡之间的协调控制以满足不同的电网需求，提高了电网系统运行性能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为VSG的主电路拓扑和控制结构；

图2为VSG的控制框图；

图3为VSG功率-电流协调控制策略；

图4为电流环控制框图；

图5为准降阶谐振补偿器的具体实现；

图6为准降阶谐振控制器参数k_r改变时电流环开环传递函数伯德图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

1不平衡电网下VSG分析

1.1 VSG基本原理

VSG的本质是通过控制策略来模拟同步发电机的运行机理，从而使并网逆变器具有同步发电机的优势。VSG的主电路拓扑如图1所示，其中:V_T1-V_T6组成三相逆变桥；L_i和R_i为逆变器侧电感和电阻；C_f为滤波电容；L_g和R_g为并网侧电感和电阻。逆变器桥臂中点电压e_a、e_b和e_c模拟同步发电机的内电势，逆变器侧电感L_i和R_i模拟同步发电机的电抗。

VSG的控制结构如图2所示，有功环和无功环分别模拟同步发电机的调频特性和调压特性。VSG的有功环和无功环的数学方程如下所示：

式中，P₀和Q₀为输出有功和无功功率参考值，D_p为有功-频率下垂系数，D_q为无功-电压下垂系数，ω为VSG的角频率，ω_n为额定角频率，u_n为额定输出电压幅值，u_o为输出电压幅值，K为积分系数，J为虚拟转动惯量。

有功环是通过有功功率参考值与实际差值实现虚拟机械转矩的输出，从而调节逆变器侧输出电压相位角θ，无功环是通过无功功率参考值与实际值的差值调整逆变器侧电压幅值E,利用电压幅值E和相位角θ合成逆变器侧参考电压E_abc，可得逆变器侧参考电压的表达式为

1.2功率流分析

当VSG在不平衡电网电压下运行时，其输出功率和电流会受到并网点电压的强烈影响。与传统的并网逆变器类似，VSG的负序电压分量也会出现在不平衡电网电压中，这会影响到输出功率及电流波形质量，下面简述这些问题存在的原因。

设三相电网电压u_a、u_b、u_c为

式中：和θ_p和分别为正序电网电压的幅值和相位；和θ_n分别为负序电网电压的幅值和相位；ω为电网电压的角频率。

将式(4)进行Clarke变换后，可得到静止坐标系下电网电压u_α和u_β。

其中，电网电压正序和负序分量分别为

根据瞬时功率定义，瞬时有功和无功功率可表示为

式中，i_α和i_β为静止坐标系下并网电流分量。

综上可得瞬时有功和无功功率在静止坐标系下的表达式为

其中，

式中，系数k₁、k₂、k₃、k₄分别表示如下

从式(7)可以看出在不平衡电网电压下，由于负序电压和负序电流不等于零，使输出功率产生了二倍频振荡分量及输出电流不平衡。从式(8)可得出若要用4个自由度来控制6个自由变量(P₀、P_s2、P_c2、Q₀、Q_s2、Q_c2)来实现抑制功率振荡和电流平衡的控制目标很难同时实现。

2 VSG功率-电流协调控制

对于传统的逆变器，通常根据式(8)计算出相应的电流参考值便可实现恒定有功、恒定无功以及平衡电流控制。本文在不影响正序电流的情况下，只计算负序电流参考值。

1)恒定有功控制

恒定有功控制的控制目标在于获得恒定的有功功率，正如前文所述，为了获得恒定有功功率，需要消除有功功率二倍频并且消除有功功率的波动分量，即满足P_s2＝P_c2＝0，根据式(8)可得：

由式(8)可以看出为了抑制有功功率振荡，可对正序电流和负序电流分别进行控制，但是为了不影响正序电流，此处只对负序电流进行控制，可取得相似控制效果，且方法简单。由式(8)求得负序电流控制指令为

其中，

2)恒定无功控制

与恒定有功控制类似，恒定无功控制为获得恒定无功功率需消除无功功率二倍频振荡分量，此时满足Q_s2＝Q_c2＝0，根据式(8)可得：

由式(11)可以求得负序电流控制指令为

3)平衡电流控制

为了获得三相平衡电流，平衡电流控制只需要消除电流负序分量，满足

通过分析上述三种控制可知，因负序电流参考值的不同，很难同时实现三种控制。因此，实际应用中需要根据不同的需求，综合考虑功率振荡和并网电流质量对电网的影响，基于此提出一种静止坐标系下VSG功率-电流协调控制策略，如图3所示。

2.1功率-电流协调控制

在不平衡电网电压下，VSG瞬时有功及无功功率振荡均由两倍电网频率的正弦和余弦分量组成，电流的正负序分量大小影响着功率振荡幅值。在不影响正序电流情况下，可以通过控制并网电流的负序分量来改变VSG输出功率振荡中正弦和余弦分量的幅值大小，进而实现对功率振荡的控制。由图1可得VSG的电磁方程为

式中，L和R为从逆变器到电网之间的总电感和总电阻。表示静止坐标系下负序逆变器侧电压，表示静止坐标系下负序电网电压，表示静止坐标系下负序并网电流。

将计算出的负序并网电流参考值与负序并网电流实际值之差输入到电流环准降阶谐振补偿器进行控制，通过准降阶谐振补偿器对误差信号的大小和相位进行调节，再根据VSG电磁方程可得到逆变器侧负序电压调制信号，与逆变器侧正序电压调制信号叠加得参考电压调制信号，将形成的调制信号输入到PWM单元产生控制逆变器开关的PWM调制信号；

本文所提出的基于静止坐标系下VSG功率-电流协调控制策略，无需锁相环，控制结构简单。在不影响正序电流的情况下，该控制策略根据瞬时功率计算负序电流参考值，建立了恒定有功、无功及电流平衡三个控制目标的统一解析表达式，实现功率-电流的协调控制，将式(10)、(12)和(13)相结合，可得恒定有功、恒定无功及电流平衡控制的负序电流参考值表达式为

式中λ表示调节系数，表示α静止坐标系下的负序并网电流参考值，表示β静止坐标系下的负序并网电流参考值。和分别表示αβ静止坐标系下的电网电压正序和负序基波分量，P₀、Q₀分别表示瞬时有功和无功功率平均值。

式(15)-(16)中，当λ＝-1时可以实现恒定有功控制。当λ＝1时可以实现恒定无功控制。λ＝0时可以实现平衡电流控制。为了实现有功功率、无功功率-电流的协调控制，结合上述三种控制，将λ定义在连续区间内，取值范围是-1≤λ≤1，通过调节λ的值可以实现具有功率-电流连续调节功能的协调控制。

2.2控制器设计

本文采用静止坐标系控制策略，在设计电流环控制器时，由于α、β轴电流环对称，则其电流环控制器设计相同，因此下面将只对α轴进行分析，电流环控制结构如图4所示。

在低频条件下，LCL滤波器的频率特性几乎与L滤波器相同，忽略其中电容的作用。故在设计控制器时，将LCL滤波器等效为L_T＝L_i+L_g的单L滤波器来考虑。单L滤波器的电流环开环传递函数为一阶系统，为实现对含有波动的电流控制指令进行稳态和动态调节，本文采用准降阶谐振补偿器，该控制器的传递函数表达式为

式中，k_p、k_r、ω_c及ω₀分别为准降阶谐振补偿器的比例系数、谐振系数、控制器带宽及谐振角频率。因控制器中存在复数j，为复数域控制器，控制器的实现有一定困难。可采用图5所示的方法进行实现。

对于电流环控制器的实现问题，以及控制器对系统稳定性问题相关文献给出了详细的设计和实现依据，此处不再赘述。图6绘制了基于静止坐标系下准降阶谐振补偿器的电流环开环传递函数伯德图。

如图6所示的准降阶谐振控制器参数k_r改变时的电流环开环传递函数伯德图，当准谐振补偿器的控制器参数k_p＝0.04、k_r＝11.5时，其截止频率和相位裕度分别为423Hz和55.5°，满足幅值裕度大于或等于6dB且相角裕度在30°与60°之间，系统能够获得满意的稳态和动态性能。

3结论

本文提出的不平衡电网下基于静止坐标系下虚拟同步发电机功率-电流协调控制策略。根据瞬时功率计算负序电流参考值，建立了恒定有功、无功及电流平衡三个控制目标的统一解析表达式，实现功率-电流的协调控制，提高了系统运行性能。该控制策略无需锁相环、控制结构简单，能根据不同的电网需求实现不同的控制目标。仿真结果验证了本文所提方案的有效性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：计算功率流；

将检测的电网电压u_abc和并网电流i_abc进行Clark静止变换得到u_αβ和i_αβ，并经过基于复数滤波器的正负序分量提取模块，分别得到电网电压的正负序基波分量和并网电流的正负序基波分量然后，根据瞬时功率计算得到瞬时有功功率P_e和瞬时无功功率Q_e，根据平均功率计算得到瞬时功率平均值P₀和瞬时功率平均值Q₀；

S2：建立功率-电流协调控制统一解析表达式；

由瞬时功率表达式知，瞬时有功及无功功率振荡均由两倍电网频率的正弦和余弦分量组成，为实现恒定有功、恒定无功或平衡电流控制，根据平均功率和二倍频振荡功率表达式计算出三种控制相应的负序参考电流表达式，通过分析对比其负序参考电流表达式之间存在的关系，建立恒定有功控制、恒定无功控制及电流平衡控制的功率-电流协调控制统一解析表达式：

式中：λ表示调节系数，表示αβ静止坐标系下的负序并网电流参考值；

当λ＝-1时实现恒定有功控制；当λ＝1时实现恒定无功控制；λ＝0时实现平衡电流控制；结合上述三种控制，将λ定义在连续区间内，取值范围是-1≤λ≤1，通过调节系数λ实现功率-电流协调控制；

S3：计算负序桥臂中点电压

当电网电压不平衡时，在不影响正序电流情况下，通过控制并网电流的负序分量来改变虚拟同步发电机输出振荡功率中正弦和余弦分量的幅值大小，进而实现对功率振荡的控制；即：将负序并网电流参考值与负序并网电流实际值i_αβ的差值送入电流环控制器G_c(s)进行控制，通过G_c(s)对误差信号进行调节，再根据VSG电磁方程得到负序桥臂中点电压其中虚拟同步发电机在静止坐标系下的电磁方程为

式中，L和R表示从逆变器到电网之间的总电感和总电阻，表示静止坐标系下桥臂中点电压；

S4：合成调制信号e_αβref；

将计算所得的负序桥臂中点电压与正序桥臂中点电压进行叠加得到桥臂中点电压e_αβref，此桥臂中点电压看作虚拟同步发电机的调制波，将形成的调制波信号送入到PWM单元产生控制逆变器开关的PWM调制信号；

S5：设计控制器；

在设计电流环控制器时，采用静止坐标系控制策略，由于α、β轴电流环对称，则其电流环控制器设计相同；在低频条件下，LCL滤波器的频率特性与L滤波器相同，将LCL滤波器等效为L_T＝L_i+L_g的单L滤波器来考虑，单L滤波器的电流环开环传递函数为一阶系统；采用准降阶谐振补偿器，该控制器的传递函数表达式为

式中，k_p、k_r、ω_c及ω₀分别为准降阶谐振补偿器的比例系数、谐振系数、控制器带宽及谐振角频率。

2.根据权利要求1所述的电网不平衡下虚拟同步发电机功率-电流协调控制方法，其特征在于：所述控制器的设计方法为，根据实际电网的不同需求，虚拟同步发电机相关参数及滤波器参数会发生变化，根据这些参数来进行控制器的设计，其步骤为：

S1：计算控制系统的开环传递函数表达式

根据电流环控制结构图得到控制系统的开环传递函数为

式中，L_i表示逆变器侧电感，L_g表示并网侧电感，C_f表示滤波电容，k_pwm表示调制波至逆变桥输出侧的传递函数；

S2：绘制开环传递函数表达式的伯德图，由对数幅频特性曲线和相频特性曲线获取开环传递函数表达式的幅值裕量和相角裕量；

S3：根据幅值裕量和相角裕量的大小判断系统是否处在稳定状态；若幅值裕量大于或等于6dB，相角裕量在30°与60°之间，即系统处在稳定状态；若不是，即系统不满足稳定的要求，则应重新设计控制器参数。