CN108964117A - 一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，首先计算两相静止坐标系下的VSG输出电压U_α、U_β，输出电流I_α、I_β，由有功功率P计算角频率ω及VSG输出端电压参考值U_ref；计算两相静止坐标系下VSG输出电压的参考值E_α和E_β；然后将正序的复比例积分控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两相静止坐标系下电压U_α、电压U_β、电流I_α、电流I_β进行控制，得到PWM的调制信号；得到两台VSG的角频率ω₁，ω₂；利用积分控制器使得ω₂追随ω₁，将输出作为补偿量加入转子运动方程，实现两台VSG之间的并联，本发明解决了现有技术中存在的不平衡负载导致输出电压不平衡及多VSG带不平衡负载存在环流的问题。

Description

一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法。

背景技术

针对不平衡负载问题，现有的方法主要有电路和控制策略两个方面。从拓扑方面有：三相组合式变流器，但使用的器件较多，体积大，损耗也相对增加；传统的三相三桥臂变流器，通过输出变压器(Y/△)与负载相连，但增加了系统的体积，成本相对较高；三相分裂电容式拓扑，但要考虑均压问题及分裂电容的容量；三相四桥臂拓扑，但使用器件个数增加，增加了损耗。从控制策略来说，现有的控制策略多是基于正负序分离的控制，结合谐波控制或者虚拟阻抗补偿，对多VSG并联带不平衡负载提及较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，解决了现有技术中存在的不平衡负载导致输出电压不平衡及多VSG带不平衡负载存在环流的问题。

本发明所采用的技术方案是，虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、计算两相静止坐标系下的VSG输出电压U_α、U_β，输出电流I_α、I_β，由有功功率P计算角频率ω及VSG输出端电压参考值U_ref；

步骤2，计算两相静止坐标系下VSG输出电压的参考值E_α和E_β；

步骤3，将正序的复比例积分控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两相静止坐标系下电压U_α、电压U_β、电流I_α、电流I_β进行控制，得到PWM的调制信号；

步骤4、根据步骤1得到两台VSG的角频率ω₁，ω₂；

步骤5、利用积分控制器使得ω₂追随ω₁，将输出作为补偿量加入转子运动方程，实现两台VSG之间的并联。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、单机VSG带不平衡负载运行，分别采集VSG输出三相电压U_a、U_b、U_c，三相电流I_a、I_b、I_c；

步骤1.2，通过步骤1.1得到的三相电压电流计算两相静止坐标系下的电压U_α、U_β、电流I_α、I_β，具体如公式(1)、公式(2)：

步骤1.3，根据VSG输出三相电压电流计算有功功率P和无功功率Q，具体如式(3)：

其中，U_bc、U_ca、U_ab分别为A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.4，由步骤1.3中得到的有功功率P计算角频率ω，具体公式如式(4)：

其中，J为转动惯量，T_m和T_e分别为机械转矩和电磁转矩，P_m和P_e分别为机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω₀、ω分别为额定转子角频率和实际转子角频率，Δω为实际角频率和额定角频率的偏差值，δ为功角；

步骤1.5，结合步骤1.3计算VSG端电压幅值的参考值U_ref，具体公式如式(5)：

U_ref＝U_N+K_V(Q_ref-Q) (5)

其中，U_N为空载电压，K_v为无功电压下垂系数，Q_ref为无功功率参考值，Q为无功功率实际值。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、对所述步骤1.4中得出的角频率ω进行积分得到电角度θ；

步骤2.2，根据步骤2.1和1.5计算VSG输出端电压参考值E_abc，具体如式(6)：

步骤2.3，根据步骤1.2中的公式(1)，将VSG输出端电压参考值E_abc转换为两相静止坐标系下的电压参考值E_α和E_β。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将正序的复比例积分控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两相静止坐标系下的输出电压U_α和U_β、输出电流I_α和I_β进行控制，正序的复比例积分控制器能够追随谐振点频率ω₀，实现无差控制，正序复比例积分控制器的传递函数如式(7)：

其中，G(s)表示传递函数，K_p为比例系数，K_r为谐振系数，s为微分算子，j表示复数；

两相静止坐标系下电压的参考值E_α、E_β与实际值U_α、U_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电压环得到电流的参考值I_αref、I_βref，与两相静止坐标系电流的实际值I_α、I_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电流环得到两相坐标系下的电压参考值V_a和V_β；

步骤3.2，根据步骤3.1得出的两相静止坐标系下的电压参考值V_α、V_β计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a、V_b、V_c，标幺化后即PWM的调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_α、V_β为由电流环输出的两相静止坐标系下的电压参考值；

至此，基于两相静止坐标系下，以正序的复比例积分控制器作为电压环电流环的控制器，无差控制正序的电压电流，从而消除VSG带不平衡负载而造成的电压畸变控制完成。

步骤4具体为：

利用转子运动方程得到两台VSG各自的角频率ω₁、ω₂，通过串口通讯将实时角频率传递。

步骤5具体为：

ω₁、ω₂通过积分控制器输出有功功率偏差值，作为补偿量带入转子运动方程，实现ω₂对ω₁的实时追随，具体如式(9)所示：

其中，K_i为积分系数，ΔP为有功功率的偏差值，s为微分算子，K_ω为有功频率下垂系数，P_ref为有功功率的参考值，P_m*为改进后的机械功率；

将式(9)带入公式(4)中即可实现ω₂对ω₁的实时追随，实现两台VSG之间的并联。

本发明的有益效果是，拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，采用三相三桥臂变流器，无需正负序分离，通过正序的复比例积分器实现对+50Hz处电压电流无差跟踪，实现对不平衡电压的控制。通过对转子运动方程进行改进，实现两台VSG之间的频率跟随，实现并联，消除环流。

附图说明

图1是本发明虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法中虚拟同步发电机主电路拓扑图；

图2是本发明虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法总体控制框图；

图3是本发明虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法中电压环复比例积分控制器框图；

图4是本发明虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法中改进的转子运动方程控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，结合图1、图2，具体按照以下步骤实施：

步骤1、计算两相静止坐标系下的VSG输出电压U_α、U_β，输出电流I_α、I_β，由有功功率P计算角频率ω及VSG输出端电压参考值U_ref，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、单机VSG带不平衡负载运行，分别采集VSG输出三相电压U_a、U_b、U_c，三相电流I_a、I_b、I_c；

步骤1.2，通过步骤1.1得到的三相电压电流计算两相静止坐标系下的电压U_α、U_β、电流I_α、I_β，具体如公式(1)、公式(2)：

步骤1.3，根据VSG输出三相电压电流计算有功功率P和无功功率Q，具体如式(3)：

其中，U_bc、U_ca、U_ab分别为A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.4，由步骤1.3中得到的有功功率P计算角频率ω，具体公式如式(4)：

其中，J为转动惯量，T_m和T_e分别为机械转矩和电磁转矩，P_m和P_e分别为机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω₀、ω分别为额定转子角频率和实际转子角频率，Δω为实际角频率和额定角频率的偏差值，δ为功角；

步骤1.5，结合步骤1.3计算VSG端电压幅值的参考值U_ref，具体公式如式(5)：

U_ref＝U_N+K_V(Q_ref-Q) (5)

其中，U_N为空载电压，K_v为无功电压下垂系数，Q_ref为无功功率参考值，Q为无功功率实际值；

步骤2，计算两相静止坐标系下VSG输出电压的参考值E_α和E_β，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、对所述步骤1.4中得出的角频率ω进行积分得到电角度θ；

步骤2.2，根据步骤2.1和1.5计算VSG输出端电压参考值E_abc，具体如式(6)：

步骤2.3，根据步骤1.2中的公式(1)，将VSG输出端电压参考值E_abc转换为两相静止坐标系下的电压参考值E_α和E_β；

步骤3，将正序的复比例积分控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两相静止坐标系下电压U_α、电压U_β、电流I_α、电流I_β进行控制，得到PWM的调制信号，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将正序的复比例积分控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两相静止坐标系下的输出电压U_α和U_β、输出电流I_α和I_β进行控制，正序的复比例积分控制器能够追随谐振点频率ω₀，实现无差控制，正序复比例积分控制器的传递函数如式(7)：

其中，G(s)表示传递函数，K_p为比例系数，K_r为谐振系数，s为微分算子，j表示复数；

两相静止坐标系下电压的参考值E_α、E_β与实际值U_α、U_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电压环得到电流的参考值I_αref、I_βref，与两相静止坐标系电流的实际值I_α、I_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电流环得到两相坐标系下的电压参考值V_a和V_β；

步骤3.2，根据步骤3.1得出的两相静止坐标系下的电压参考值V_α、V_β计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a、V_b、V_c，标幺化后即PWM的调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_α、V_β为由电流环输出的两相静止坐标系下的电压参考值；

至此，基于两相静止坐标系下，以正序的复比例积分控制器作为电压环电流环的控制器，无差控制正序的电压电流，从而消除VSG带不平衡负载而造成的电压畸变控制完成；

步骤4、根据步骤1得到两台VSG的角频率ω₁，ω₂，具体为：

利用转子运动方程得到两台VSG各自的角频率ω₁、ω₂，通过串口通讯将实时角频率传递；

步骤5、利用积分控制器使得ω₂追随ω₁，将输出作为补偿量加入转子运动方程，实现两台VSG之间的并联，具体为：

ω₁、ω₂通过积分控制器输出有功功率偏差值，作为补偿量带入转子运动方程，实现ω₂对ω₁的实时追随，具体如式(9)所示：

其中，K_i为积分系数，ΔP为有功功率的偏差值，s为微分算子，K_ω为有功频率下垂系数，P_ref为有功功率的参考值，P_m*为改进后的机械功率；

将式(9)带入公式(4)中即可实现ω₂对ω₁的实时追随，实现两台VSG之间的并联。

本发明一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，基于两相静止坐标系下，通过复比例积分控制器分别对正序的电压电流进行无差跟踪，消除负序电压电流分量，抑制输出电压不平衡。通过对转子运动仿真进行改进，实现并联VSG之间输出电压电路的相位跟随，消除环流。

实施例

本发明一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、计算两相静止坐标系下的VSG输出电压U_α、U_β，输出电流I_α、I_β，由有功功率P计算角频率ω及VSG输出端电压参考值U_ref，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、设VSG的直流母线电压U_dc为700V，滤波电阻R_f、电感L_f、电容C_f分别为：0.01Ω、2mH、20μF，交流输出端A、C两相跨接10Ω的电阻运行，形成VSG单机带不平衡负载，分别采集VSG输出三相电压U_a、U_b、U_c，三相电流I_a、I_b、I_c；

步骤1.2，通过步骤1.1得到的三相电压电流计算两相静止坐标系下的电压U_α、U_β、电流I_α、I_β，具体如公式(1)、公式(2)：

步骤1.3，根据VSG输出三相电压电流计算有功功率P和无功功率Q，具体如式(3)：

其中，U_bc、U_ca、U_ab分别为A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.4，由步骤1.3中得到的有功功率P计算角频率ω，具体公式如式(4)：

其中，J为转动惯量，T_m和T_e分别为机械转矩和电磁转矩，P_m和P_e分别为机械功率和电磁功率，D为阻尼系数取值为12，ω₀、ω分别为额定转子角频率和实际转子角频率，Δω为实际角频率和额定角频率的偏差值，δ为功角；

其中，转动惯量J取0.1，阻尼系数D取12，额定角频率ω₀取314rad/s；

步骤1.5，结合步骤1.3计算VSG端电压幅值的参考值U_ref，具体公式如式(5)：

U_ref＝U_N+K_V(Q_ref-Q) (5)

其中，U_N为空载电压，K_v为无功电压下垂系数，Q_ref为无功功率参考值，Q为无功功率实际值；

其中，空载电压U_N取值为311V，无功电压下垂系数K_v取值为0.001，无功功率参考值Q_ref取值为0Var。由于带纯电阻负载，所以此处U_ref为311V；

步骤2，计算两相静止坐标系下VSG输出电压的参考值E_α和E_β，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、对所述步骤1.4中得出的角频率ω进行积分得到电角度θ；

步骤2.2，根据步骤2.1和1.5计算VSG输出端电压参考值E_abc，具体如式(6)：

步骤2.3，根据步骤1.2中的公式(1)，将VSG输出端电压参考值E_abc转换为两相静止坐标系下的电压参考值E_α和E_β；

此处，E_α＝311sinθ,E_β＝311cosθ；

步骤3，如图2所示，将正序的复比例积分控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两相静止坐标系下电压U_α、电压U_β、电流I_α、电流I_β进行控制，得到PWM的调制信号，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将正序的复比例积分控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两相静止坐标系下的输出电压U_α和U_β、输出电流I_α和I_β进行控制，正序的复比例积分控制器能够追随谐振点频率ω₀，实现无差控制，正序复比例积分控制器的控制框图如图3所示，传递函数如式(7)：

其中，G(s)表示传递函数，K_p为比例系数，K_r为谐振系数，s为微分算子，j表示复数；

其中，电压环中，比例系数K_p取100，谐振系数K_r取10；电流环中，比例系数K_p取100，谐振系数K_r取1；

两相静止坐标系下电压的参考值E_α、E_β与实际值U_α、U_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电压环得到电流的参考值I_αref、I_βref，与两相静止坐标系电流的实际值I_α、I_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电流环得到两相坐标系下的电压参考值V_a和V_β；

步骤3.2，根据步骤3.1得出的两相静止坐标系下的电压参考值V_α、V_β计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a、V_b、V_c，标幺化后即PWM的调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_α、V_β为由电流环输出的两相静止坐标系下的电压参考值；

至此，基于两相静止坐标系下，以正序的复比例积分控制器作为电压环电流环的控制器，无差控制正序的电压电流，从而消除VSG带不平衡负载而造成的电压畸变控制完成；

步骤4、根据步骤1得到两台VSG的角频率ω₁，ω₂，具体为：

利用转子运动方程得到两台VSG各自的角频率ω₁、ω₂，通过串口通讯将实时角频率传递；

步骤5、如图4所示，利用积分控制器使得ω₂追随ω₁，将输出作为补偿量加入转子运动方程，实现两台VSG之间的并联，具体为：

ω₁、ω₂通过积分控制器输出有功功率偏差值，作为补偿量带入转子运动方程，实现ω₂对ω₁的实时追随，具体如式(9)所示：

其中，K_i为积分系数，ΔP为有功功率的偏差值，s为微分算子，K_ω为有功频率下垂系数，P_ref为有功功率的参考值，P_m*为改进后的机械功率；

其中，积分系数K_i取1000，有功功率的参考值P_ref取0W，有功频率下垂系数K_ω取0.001；

将式(9)带入公式(4)中即可实现ω₂对ω₁的实时追随，实现两台VSG之间的并联。

Claims (6)

1.一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、计算两相静止坐标系下的VSG输出电压U_α、U_β，输出电流I_α、I_β，由有功功率P计算角频率ω及VSG输出端电压参考值U_ref；

步骤2，计算两相静止坐标系下VSG输出电压的参考值E_α和E_β；

步骤3，将正序的复比例积分控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两相静止坐标系下电压U_α、电压U_β、电流I_α、电流I_β进行控制，得到PWM的调制信号；

步骤4、根据步骤1得到两台VSG的角频率ω₁，ω₂；

步骤5、利用积分控制器使得ω₂追随ω₁，将输出作为补偿量加入转子运动方程，实现两台VSG之间的并联。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、单机VSG带不平衡负载运行，分别采集VSG输出三相电压U_a、U_b、U_c，三相电流I_a、I_b、I_c；

步骤1.2，通过步骤1.1得到的三相电压电流计算两相静止坐标系下的电压U_α、U_β、电流I_α、I_β，具体如公式(1)、公式(2)：

步骤1.3，根据VSG输出三相电压电流计算有功功率P和无功功率Q，具体如式(3)：

其中，U_bc、U_ca、U_ab分别为A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.4，由步骤1.3中得到的有功功率P计算角频率ω，具体公式如式(4)：

其中，J为转动惯量，T_m和T_e分别为机械转矩和电磁转矩，P_m和P_e分别为机械功率和电磁功率，D为阻尼系数，ω₀、ω分别为额定转子角频率和实际转子角频率，Δω为实际角频率和额定角频率的偏差值，δ为功角；

步骤1.5，结合步骤1.3计算VSG端电压幅值的参考值U_ref，具体公式如式(5)：

U_ref＝U_N+K_V(Q_ref-Q) (5)

其中，U_N为空载电压，K_v为无功电压下垂系数，Q_ref为无功功率参考值，Q为无功功率实际值。

3.根据权利要求2所述的一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、对所述步骤1.4中得出的角频率ω进行积分得到电角度θ；

步骤2.2，根据步骤2.1和1.5计算VSG输出端电压参考值E_abc，具体如式(6)：

步骤2.3，根据步骤1.2中的公式(1)，将VSG输出端电压参考值E_abc转换为两相静止坐标系下的电压参考值E_α和E_β。

4.根据权利要求3所述的一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，将正序的复比例积分控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两相静止坐标系下的输出电压U_α和U_β、输出电流I_α和I_β进行控制，正序的复比例积分控制器能够追随谐振点频率ω₀，实现无差控制，正序复比例积分控制器的传递函数如式(7)：

其中，G(s)表示传递函数，K_p为比例系数，K_r为谐振系数，s为微分算子，j表示复数；

两相静止坐标系下电压的参考值E_α、E_β与实际值U_α、U_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电压环得到电流的参考值I_αref、I_βref，与两相静止坐标系电流的实际值I_α、I_β的偏差经过以正序复比例积分控制器的电流环得到两相坐标系下的电压参考值V_a和V_β；

步骤3.2，根据步骤3.1得出的两相静止坐标系下的电压参考值V_α、V_β计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a、V_b、V_c，标幺化后即PWM的调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_α、V_β为由电流环输出的两相静止坐标系下的电压参考值；

至此，基于两相静止坐标系下，以正序的复比例积分控制器作为电压环电流环的控制器，无差控制正序的电压电流，从而消除VSG带不平衡负载而造成的电压畸变控制完成。

5.根据权利要求4所述的一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

利用转子运动方程得到两台VSG各自的角频率ω₁、ω₂，通过串口通讯将实时角频率传递。

6.根据权利要求5所述的一种虚拟同步发电机带不平衡负载及其并联的控制方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

ω₁、ω₂通过积分控制器输出有功功率偏差值，作为补偿量带入转子运动方程，实现ω₂对ω₁的实时追随，具体如式(9)所示：

其中，K_i为积分系数，ΔP为有功功率的偏差值，s为微分算子，K_ω为有功频率下垂系数，P_ref为有功功率的参考值，P_m*为改进后的机械功率；

将式(9)带入公式(4)中即可实现ω₂对ω₁的实时追随，实现两台VSG之间的并联。