CN109066782B - 一种含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

一种含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法，其特征是：由虚拟惯性环节、单位功率反馈支路和动态阻尼环节组成有功—频率环路，动态阻尼环节是由比例环节和惯性环节并联组成，通过调节动态阻尼环节中的阻尼系数和时间常数，提高虚拟同步发电机并网逆变器系统的相位裕度，改善所述系统的动态特性，并且使虚拟惯性环节的参数能够独立灵活的设计，同时满足系统的动态与稳态性能。

Description

一种含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电领域，具体是一种适用于并网逆变器的含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法。
背景技术
随着新能源发展，基于电力电子器件的并网逆变器在电网中的渗透率逐渐升高。与同步发电机相比，并网逆变器采用电流控制方案，响应迅速，但缺少惯性和阻尼，在电网波动时，无法提供旋转备用容量，参与电网的调压调频。因此在高渗透率条件下，大量的并网逆变器会致电网的惯量降低、电压和频率波动性增加，甚至产生频率电压失稳。为了提高电网对大规模分布式发电的接纳能力，需要使得分布式发电具备惯量，能够参与电网调压调频控制。利用虚拟同步发电机(VSG)控制并网逆变器，可以使得并网逆变器和同步发电机一样，具有惯量和阻尼特性，并可参与电网的调压调频，因此基于虚拟同步发电机算法的并网逆变器具有更灵活的并网性能，是并网逆变器的发展趋势。
在虚拟同步发电机控制方法中，虚拟惯量控制可增加系统的惯量，有助于稳定频率，但会导致功率振荡；而在常规的虚拟同步发电机控制方案中，基于输出频率的阻尼控制虽然能阻尼功率振荡，但会影响有功功率的分配特性；基于电网频率的阻尼控制需要使用锁相环，控制复杂，锁相环的非线性影响阻尼效果。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法，以提升基于虚拟同步发电机并网逆变器系统的相位裕度，改善系统的动态特性，且不会对系统的稳态性能产生影响。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法的特点是：由虚拟惯性环节、单位功率反馈支路、动态阻尼环节Gc(s)组成有功—频率环路，所述动态阻尼环节Gc(s)是由比例环节和惯性环节并联组成，通过调节动态阻尼环节Gc(s)中的阻尼系数和时间常数，提高所述虚拟同步发电机并网逆变器系统的相位裕度，改善所述系统的动态特性。
本发明含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法的特点也在于所述虚拟同步发电机控制方法是按如下步骤进行：
步骤1：采集获得逆变器桥臂端口的输出有功功率Pout，所述输出有功功率Pout经过所述动态阻尼环节Gc(s)形成功率反馈信号Pz，所述功率反馈信号Pz与所述输出有功功率Pout相加共同形成总的功率反馈信号Pf；
步骤2：将指令功率P0减去所述功率反馈信号Pf得到功率误差信号△P，所述功率误差信号△P通过虚拟惯性环节Gx(s)得到频率误差信号△ω，将所述频率误差信号△ω与指令频率ω0相加获得输出频率ω，所述虚拟惯性环节Gx(s)的表达式为：1/(Js+D)，其中，J是虚拟同步发电机控制方法中的虚拟惯量，D是虚拟同步发电机控制方法中的阻尼系数，s是微分算子；
步骤3：对所述输出频率ω进行积分，得到输出相角θ，所述输出相角θ与无功—电压环路的输出电压U经过参考电压生成模块生成三相电压Ua、Ub和Uc，所述三相电压Ua、Ub和Uc经过SPWM生成器形成PWM调制信号，所述参考电压生成模块的表达式为：
Ua＝Usin(θ)
Ub＝Usin(θ-120°)
Uc＝Usin(θ+120°)。
本发明含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法的特点也在于按如下方式设置所述动态阻尼环节Gc(s)：
所述动态阻尼环节Gc(s)由式(1)所表征：
Figure BDA0001773910740000021
其中，T为动态阻尼环节时间常数，D1为动态阻尼环节阻尼系数，s是微分算子；
K为功角δ到输出有功功率Pout之间的增益，
Figure BDA0001773910740000022
Z为并网逆变器主电路的阻抗模值，U是电网电压，α是并网逆变器主电路的阻抗相角，Q0为并网逆变器指令无功功率；
按如下方式计算获得动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1：
3.1、利用式(2)和式(3)计算获得在加入动态阻尼前，系统开环截止频率ωc和系统相位裕度γ：
Figure BDA0001773910740000023
Figure BDA0001773910740000024
其中，J是虚拟同步发电机控制方法中的虚拟惯量，D是虚拟同步发电机控制方法中的阻尼系数；
3.2将式(1)所表征的动态阻尼环节Gc(s)与单位功率反馈环节相加形成由式(1)所表征的叠加环节Gd(s)：
Figure BDA0001773910740000031
3.3将式(4)中的等式右边三项进行和运算变为：
Figure BDA0001773910740000032
然后将分子分母同除以K变为
Figure BDA0001773910740000033
令
Figure BDA0001773910740000034
则变换为式(5)的表达形式：
Figure BDA0001773910740000035
其中，a为待定参数；
3.4、由式(6)确定叠加环节Gd(s)的最大提升相位值
Figure BDA0001773910740000036
的范围：
Figure BDA0001773910740000037
其中，ξ是期望的相角裕度，取值为50°～70°；
3.5、由式(5)求解最大超前角获得式(7)，并利用式(7)确定a值的范围：
Figure BDA0001773910740000038
3.6、为充分发挥叠加环节Gd(s)提升相角的作用，利用式(8)计算获得待校正截止频率ω”c的范围，所述待校正截止频率ω”c是指在系统中引入动态阻尼环节Gc(s)后的截止频率；
Figure BDA0001773910740000039
3.7、在计算获得的所述待校正截止频率ω”c的范围中任取一个确定频率值ωd，针对所述确定频率值ωd利用式(9)计算获得待定参数确定值a1：
Figure BDA00017739107400000310
3.8、针对确定频率值ωd和待定参数确定值a1，利用式(10)计算获得加入动态阻尼环节Gc(s)后的系统相角裕度γj：
Figure BDA00017739107400000311
3.9、设定：加入动态阻尼环节Gc(s)后的系统相角裕度γj的期望值为50°～70°；
若γj＜50°，则将确定频率值ωd取大，并重复步骤3.7-步骤3.8；
若γj＞70°，则将确定频率值ωd取小，并重复步骤3.7-步骤3.8；
若50°≤γj≤70°，则进行步骤3.10
3.10、根据所述确定频率值ωd和待定参数确定值a1，按式(11)和式(12)分别计算获得动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1：
Figure BDA0001773910740000041
D1＝(a1-1)TK (12)，
加入动态阻尼环节Gc(s)后的虚拟同步发电机并网逆变器系统的截止频率和相角裕度是由动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1控制。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明控制方法中引入动态阻尼环节，通过调整动态阻尼环节的系数可以提升系统的相位裕度，改善系统的动态特性；
2、本发明控制方法在提升系统动态性能时，不影响系统的稳态特性；
3、本发明控制方法在引入额外的动态阻尼时没有用到锁相环，不需考虑锁相环的非线性特性。
附图说明
图1为本发明中虚拟同步发电机并网逆变器系统结构框图；
图2为加入动态阻尼环节前后，VSG并网逆变器系统开环传递函数bode图的对比；
图3为加入动态阻尼环节前后，频率发生波动时VSG并网逆变器输出功率波形对比；
图4为加入动态阻尼环节前后，指令功率发生波动时VSG并网逆变器输出功率波形对比；
具体实施方式
参见图1，本实施例中含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法是：由虚拟惯性环节、单位功率反馈支路、动态阻尼环节Gc(s)组成有功—频率环路，动态阻尼环节Gc(s)是由比例环节和惯性环节并联组成，通过调节动态阻尼环节Gc(s)中的阻尼系数和时间常数，提高虚拟同步发电机并网逆变器系统的相位裕度，改善系统的动态特性。
本实施例中虚拟同步发电机控制方法是按如下步骤进行：
步骤1：采集获得逆变器桥臂端口的输出有功功率Pout，输出有功功率Pout经过动态阻尼环节Gc(s)形成功率反馈信号Pz，功率反馈信号Pz与输出有功功率Pout相加共同形成总的功率反馈信号Pf。
步骤2：将指令功率P0减去功率反馈信号Pf得到功率误差信号△P，功率误差信号△P通过虚拟惯性环节Gx(s)得到频率误差信号△ω，将频率误差信号△ω与指令频率ω0相加获得输出频率ω，虚拟惯性环节Gx(s)的表达式为：1/(Js+D)，其中，J是虚拟同步发电机控制方法中的虚拟惯量，D是虚拟同步发电机控制方法中的阻尼系数，s是微分算子。
步骤3：对输出频率ω进行积分，得到输出相角θ，输出相角θ与无功—电压环路的输出电压U经过参考电压生成模块生成三相电压Ua、Ub和Uc，三相电压Ua、Ub和Uc经过SPWM生成器形成PWM调制信号，参考电压生成模块的表达式为：
Ua＝Usin(θ)
Ub＝Usin(θ-120°)
Uc＝Usin(θ+120°)。
具体实施中，相应的措施也包括：
按如下方式设置动态阻尼环节Gc(s)，动态阻尼环节Gc(s)由式(1)所表征：
Figure BDA0001773910740000051
其中，T为动态阻尼环节时间常数，D1为动态阻尼环节阻尼系数，s是微分算子；
K为功角δ到输出有功功率Pout之间的增益，
Figure BDA0001773910740000052
Z为并网逆变器主电路的阻抗模值，U是电网电压，α是并网逆变器主电路的阻抗相角，Q0为并网逆变器指令无功功率。
按如下方式计算获得动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1：
3.1、利用式(2)和式(3)计算获得在加入动态阻尼前，系统开环截止频率ωc和系统相位裕度γ：
Figure BDA0001773910740000053
Figure BDA0001773910740000054
其中，J是虚拟同步发电机控制方法中的虚拟惯量，D是虚拟同步发电机控制方法中的阻尼系数。
3.2将式(1)所表征的动态阻尼环节Gc(s)与单位功率反馈环节相加形成由式(1)所表征的叠加环节Gd(s)：
Figure BDA0001773910740000055
3.3将式(4)中的等式右边三项进行和运算变为：
Figure BDA0001773910740000061
然后将分子分母同除以K变为
Figure BDA0001773910740000062
令
Figure BDA0001773910740000063
则变换为式(5)的表达形式：
Figure BDA0001773910740000064
其中，a为待定参数。
3.4、由式(6)确定叠加环节Gd(s)的最大提升相位值
Figure BDA0001773910740000065
的范围：
Figure BDA0001773910740000066
其中，ξ是期望的相角裕度，为了使系统有较好的动态特性，将ξ取值为50°～70°。
3.5、由式(5)求解最大超前角获得式(7)，其求解过程为：用jω代替式(5)中的s得到关于ω的复数函数，求得复数函数的相频特性表达式为：
Figure BDA0001773910740000067
令相频特性表达式的导函数等于0，求得到一个ω的解析表达为：
Figure BDA0001773910740000068
然后将ω的解析表达式代入复数函数的相频特性表达式，得到叠加环节Gd(s)的最大超前角
Figure BDA0001773910740000069
的表达式(7)；利用式(7)确定a值的范围：
Figure BDA00017739107400000610
3.6、为充分发挥叠加环节Gd(s)提升相角的作用，利用式(8)计算获得待校正截止频率ω”c的范围，待校正截止频率ω”c是指在系统中引入动态阻尼环节Gc(s)后的截止频率；
Figure BDA00017739107400000611
3.7、在计算获得的待校正截止频率ω”c的范围中任取一个确定频率值ωd，针对确定频率值ωd利用式(9)计算获得待定参数确定值a1：
Figure BDA00017739107400000612
3.8、针对确定频率值ωd和待定参数确定值a1，利用式(10)计算获得加入动态阻尼环节Gc(s)后的系统相角裕度γj：
Figure BDA00017739107400000613
3.9、设定：加入动态阻尼环节Gc(s)后的系统相角裕度γj的期望值为50°～70°；
若γj＜50°，则将确定频率值ωd取大，并重复步骤3.7-步骤3.8；
若γj＞70°，则将确定频率值ωd取小，并重复步骤3.7-步骤3.8；
若50°≤γj≤70°，则进行步骤3.10。
3.10、根据确定频率值ωd和待定参数确定值a1，按式(11)和式(12)分别计算获得动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1：
Figure BDA0001773910740000071
D1＝(a1-1)TK (12)，
加入动态阻尼环节Gc(s)后的虚拟同步发电机并网逆变器系统的截止频率和相角裕度是由动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1控制。
为验证本发明提出的改善系统动态性能的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了如图1所示的虚拟同步发电机并网逆变器系统模型，表1为图1中虚拟同步发电机并网逆变器系统模型参数。
表1
参数： 数值
滤波电感L 0.5mh
滤波电阻R 0.5Ω
虚拟惯量J 5584.9
阻尼系数D 10000
动态阻尼D<sub>1</sub> 9658.4
时间常数T 0.2631
图2所示为加入动态阻尼环节前后，系统开环bode图对比，其中曲线a为加入动态阻尼环节前系统对数频率特性曲线；曲线b为加入动态阻尼环节后系统对数频率特性曲线。由图2可见，加入动态阻尼后，系统的截止频率由原来的ω＝1.91提升到ω＝2.48；相位裕度由原来的43.1提升到59.1，系统的动态性能得到改善。
图3为加入动态阻尼前后，电网频率在4.5～4.6s发生了-0.02HZ的脉冲波动后，输出有功功率Pout波形的对比，其中A1为加入动态阻尼前输出有功功率Pout的波形，B1为加入动态阻尼后输出有功功率Pout的波形；图(4)为加入动态阻尼前后，输出功率指令值在3s由2000W阶跃到5000W，输出有功功率Pout波形的对比，其中A2为加入动态阻尼前输出有功功率Pout的波形，B2为加入动态阻尼后输出有功功率Pout的波形。由图3和图4可见，加入动态阻尼后，系统的动态特性得到明显的改善，由此验证了本发明含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法的有效性。

Claims (1)

1.一种含无锁相环动态阻尼的虚拟同步发电机控制方法，其特征是：由虚拟惯性环节、单位功率反馈支路、动态阻尼环节Gc(s)组成有功—频率环路，所述动态阻尼环节Gc(s)是由比例环节和惯性环节并联组成，通过调节动态阻尼环节Gc(s)中的阻尼系数和时间常数，提高所述虚拟同步发电机并网逆变器系统的相位裕度，改善所述系统的动态特性；
所述虚拟同步发电机控制方法是按如下步骤进行：
步骤1：采集获得逆变器桥臂端口的输出有功功率Pout，所述输出有功功率Pout经过所述动态阻尼环节Gc(s)形成功率反馈信号Pz，所述功率反馈信号Pz与所述输出有功功率Pout相加共同形成总的功率反馈信号Pf；
步骤2：将指令功率P0减去所述功率反馈信号Pf得到功率误差信号ΔP，所述功率误差信号ΔP通过虚拟惯性环节Gx(s)得到频率误差信号Δω，将所述频率误差信号Δω与指令频率ω0相加获得输出频率ω，所述虚拟惯性环节Gx(s)的表达式为：1/(Js+D)，其中，J是虚拟同步发电机控制方法中的虚拟惯量，D是虚拟同步发电机控制方法中的阻尼系数，s是微分算子；
步骤3：对所述输出频率ω进行积分，得到输出相角θ，所述输出相角θ与无功—电压环路的输出电压U经过参考电压生成模块生成三相电压Ua、Ub和Uc，所述三相电压Ua、Ub和Uc经过SPWM生成器形成PWM调制信号，所述参考电压生成模块的表达式为：
Ua＝Usin(θ)
Ub＝Usin(θ-120°)
Uc＝Usin(θ+120°)
按如下方式设置所述动态阻尼环节Gc(s)：
所述动态阻尼环节Gc(s)由式(1)所表征：
Figure FDA0002960717060000011
其中，T为动态阻尼环节时间常数，D1为动态阻尼环节阻尼系数，s是微分算子；
K为功角δ到输出有功功率Pout之间的增益，
Figure FDA0002960717060000012
Z为并网逆变器主电路的阻抗模值，U是电网电压，α是并网逆变器主电路的阻抗相角；
Q0为并网逆变器指令无功功率；
按如下方式计算获得动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1：
3.1、利用式(2)和式(3)计算获得在加入动态阻尼前，系统开环截止频率ωc和系统相位裕度γ：
Figure FDA0002960717060000013
Figure FDA0002960717060000021
其中，J是虚拟同步发电机控制方法中的虚拟惯量，D是虚拟同步发电机控制方法中的阻尼系数；
3.2将式(1)所表征的动态阻尼环节Gc(s)与单位功率反馈环节相加形成由式(1)所表征的叠加环节Gd(s)：
Figure FDA0002960717060000022
3.3将式(4)中的等式右边三项进行和运算变为：
Figure FDA0002960717060000023
然后将分子分母同除以K变为
Figure FDA0002960717060000024
令
Figure FDA0002960717060000025
则变换为式(5)的表达形式：
Figure FDA0002960717060000026
其中，a为待定参数；
3.4、由式(6)确定叠加环节Gd(s)的最大提升相位值
Figure FDA0002960717060000027
的范围：
Figure FDA0002960717060000028
其中，ξ是期望的相角裕度，取值为50°～70°；
3.5、由式(5)求解最大超前角获得式(7)，并利用式(7)确定a值的范围：
Figure FDA0002960717060000029
3.6、为充分发挥叠加环节Gd(s)提升相角的作用，利用式(8)计算获得待校正截止频率ω″c的范围，所述待校正截止频率ω″c是指在系统中引入动态阻尼环节Gc(s)后的截止频率；
Figure FDA00029607170600000210
3.7、在计算获得的所述待校正截止频率ω″c的范围中任取一个确定频率值ωd，针对所述确定频率值ωd利用式(9)计算获得待定参数确定值a1：
Figure FDA00029607170600000211
3.8、针对确定频率值ωd和待定参数确定值a1，利用式(10)计算获得加入动态阻尼环节Gc(s)后的系统相角裕度γj：
Figure FDA0002960717060000031
3.9、设定：加入动态阻尼环节Gc(s)后的系统相角裕度γj的期望值为50°～70°；
若γj＜50°，则将确定频率值ωd取大，并重复步骤3.7-步骤3.8；
若γj＞70°，则将确定频率值ωd取小，并重复步骤3.7-步骤3.8；
若50°≤γj≤70°，则进行步骤3.10
3.10、根据所述确定频率值ωd和待定参数确定值a1，按式(11)和式(12)分别计算获得动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1：
Figure FDA0002960717060000032
D1＝(a1-1)TK (12)
加入动态阻尼环节Gc(s)后的虚拟同步发电机并网逆变器系统的截止频率和相角裕度是由动态阻尼环时间常数T和动态阻尼环节阻尼系数D1控制。
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