CN109193707B - 基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法及系统，所述方法：包括采用两相静止坐标上的电压、电流双环控制算法作为VSG的底层控制算法，其中电压环采用准比例谐振调节器抑制输出电压的谐波分量，电流环采用比例控制以加快系统响应速度；选用双二阶广义积分器提取公共端输出电压的正负序分量，并通过负序电压补偿算法得出补偿电流信号附加在电流环，降低输出电压的不平衡度，保证输出电压质量；本控制方法属于VSG的底层控制算法，在不改变VSG算法结构的基础上保证输出三相电压的平衡性，适用于对输出三相电压质量要求较高的微电网或者其他离网运行系统中负载不平衡性较高的工况。

Description

基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法及系统

技术领域

本发明涉及三相电力电子逆变器控制方法，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法及其控制系统。

背景技术

分布式电源作为将来可再生能源应用的主要形式，具有污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等多方面优点。在面对未来越来越多的分布式电源接入的背景下，如何实现分布式电源的友好接入，减小电源、负载、电网或者微网间的消极影响已成为当前分布式能源方向的研究热点。虚拟同步发电机技术就是在此背景之下提出的逆变器控制技术，它融合了电力电子设备的灵活性和同步发电机的运行机制，可有效的解决分布式电源渗透率高引起系统欠阻尼、低惯性问题，促进电源和负载的协调性，具有广阔的应用前景。

而在实际的微电网或者某些离网系统中，负载应该是含有不平衡非线性的混合负载，微源逆变器不仅要完成电能形式的转换，还要保证在各种混合负载下仍然能够提供稳定的电能，尤其是保证微电网的电压质量,不得影响微网内其他重要负载以及设备的运行。国家及相关部门对微电网接入电压质量有明确的规定，这其中就包括不平衡度问题和总谐波畸变率等指标问题。目前对于VSG电压质量优化等相关问题已取得一些研究成果，主要解决方法集中在补偿控制以及虚拟阻抗上，但是普遍存在系统适用性差以及响应时延较长等缺陷，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法及其控制系统，其中不改变VSG控制算法结构，采用基于Q-PR的电压、电流双环控制算法作为VSG的底层控制算法以调制VSG的输出三相电压，降低输出信号THD值；并针对公共端输出电压负序分量提供补偿，保证输出电压对称性和不平衡度要求。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法，所述方法包括：

S1：将虚拟同步发电机VSG三相输出电压信号以及公共端输出三相电压、电流信号分别经过Clark变换转换至αβ两相静止坐标系上；

S2：采用基于两相静止坐标的电压、电流双环控制算法对上述输出信号进行信号调制；

S3：对公共端输出三相电压信号进行正负序分离；

S4：将上述公共端输出电压的正负序分量分别进行旋转坐标Park变换，将电压分量转化至两相旋转坐标上的直流量并对其与给定值的差值信号进行PI调节；

S5：将PI输出偏差信号进行反旋转坐标变换，得到适用于电流环的电压负序分量补偿电流信号；

S6：将上述补偿电流信号附加在电流环上,经过电流环调节器调制得到电压补偿信号附加在VSG输出电压上得到调制波信号，然后通过SVPWM模块得到三相桥开关管驱动信号控制逆变电源的输出电压。

进一步，S2的电压、电流双环控制算法中,电压环采用准谐振调节器抑制谐波分量，电流环采用比例调节器以加快系统响应速度。

进一步，S3中所述正负序分离采用双二阶广义积分器算法。

进一步，S4中旋转坐标Park变换方向角根据电压正负序分量分别为系统PLL锁取的相位角及其反向相位角，正负序分量的给定值按系统电压额定值计算。

进一步，S5中反旋转坐标变换方向角根据正负序分别为系统PLL锁取相位角及其反向相位角，其中补偿电流信号为两相静止坐标系上的变量信号。

本发明系统的技术方案为：一种根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制系统，所述系统包括：

基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制系统主电路，由分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载组成；

电压、电流模拟信号采样模块，用于采样公共端输出三相电压、电流信号；

AD转换模块，用于将采集到的三相电压、电流信号转化为系统可以识别计算的数字信号；

VSG控制算法模块，用于实现分布式电源全桥逆变器控制的主体控制算法，由瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环以及调制波合成模块组成，将采样计算得到的三相电压、电流数字信号通入瞬时功率计算模块计算输出瞬时功率，分别通过有功控制环及无功控制环调制输出电压的频率信号和幅值信号，通入调制波合成模块合成输出VSG三相电压调制波信号；

双环控制模块，作为VSG控制算法模块的底层控制模块与其相连，用于调制VSG输出三相电压调制波信号，其中输入信号包括采集计算得到的公共端输出三相电压、电流信号以及VSG三相电压调制波信号，输出SVPWM调制波信号；

SVPWM调制模块，用于将SVPWM调制波信号转化为三相桥开关管驱动信号控制逆变电源的输出电压；

锁相环PLL模块，用于为VSG控制算法模块和双环控制模块提供频率和相角信号，其中包括旋转坐标Park变换的输入相角信号和反旋转坐标变换的输入反相角信号。

进一步，所述双环控制模块，具体包括：

Clark变换单元，用于将VSG三相输出电压信号以及采集得到的公共端输出三相电压、电流信号变换至αβ两相静止坐标系上；

准谐振调节器，用于电压、电流双环控制算法中的电压外环信号调节器；

比例调节器，用于电压、电流双环控制算法中的电流内环信号调节器；

二阶广义积分器，用于对公共端输出三相电压信号进行正负序分离；

旋转坐标Park变换单元，用于将公共端输出电压的正负序分量分别变换至两相旋转坐标系上的直流量；

PI调节器，用于将两相旋转坐标系上的直流量与给定值的差值信号进行PI调节；

反旋转坐标变换单元，用于将PI输出误差信号变换为适用于电流内环的电压负序分量补偿电流信号并附加至电流环。

进一步，所述SVPWM调制模块，与双环控制模块相连，将所述补偿后的电压控制信号进行空间矢量分解，合成开关管驱动信号波控制三相分布式电源逆变器的工作状态。

上述系统中，由分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载构成VSG控制系统的主电路,VSG控制算法模块输出三相合成调制波信号通入双环控制模块，负序电压补偿模块输出补偿信号附加至双环控制模块的电流环信号，双环控制模块输出调制信号通入SVPWM调制模块为三相全桥逆变器提供开关信号，锁相环模块为VSG和双环控制模块提供频率和相角信号。

上述VSG控制算法模块，包括瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、调制波合成模块；其中，电压、电流信号采样模块及AD转换模块为VSG提供三相电压电流数字信号，通入瞬时功率计算模块计算输出瞬时功率，分别通过有功控制环及无功控制环调制输出电压的频率信号和幅值信号，通入调制波合成模块合成输出VSG三相电压调制波信号。

本发明提出的控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明采用电压、电流双环控制算法，适用于大部分常用逆变器控制算法的底层控制，例如下垂控制、VSG等，且无需改变主控制算法结构；其中正负序分量的提取采用双二阶广义积分器，省去了输出滤波环节，无需考虑信号调制过程中引入的相移和时延现象，保证了系统响应的快速性和准确性。

2、本发明所提方法着重解决逆变电源的输出电压质量问题，尤其是对于VSG系统。其中对于输出电压高频谐波分量，系统增益较小，可以做到有效抑制，而对于输出电压负序分量，可以做到按电压分量给定值调制，实现负序电压不平衡度的调零。

附图说明

图1为本发明的VSG控制下的分布式逆变电源系统框图；

图2为本发明的VSG控制算法框图；

图3为本发明的电压、电流双环控制算法框图；

图4为本发明的负序电压补偿算法模块；

图5为本发明的双二阶广义积分结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

微电网的一个重要性能指标就是工作在离网模式下时，在各种负载工况下能够维持三相输出电压的对称性，提供稳定的电压支撑。相关规则规定输出电压信号的THD值不得超过2.5％，而无零序分量三相系统中的负序电压不平衡度不得超过2％，短时不得超过4％，当已知三相量a、b、c时，负序不平衡度计算方法统一为：

其中L＝(a⁴+b⁴+c⁴)/(a²+b²+c²)²。

对于三相三线制下VSG微源，若采用常规的电压、电流双环控制作为底层控制，带不平衡负载时输出相间电压会有很明显的差异，输出电压不平衡度较大，带非线性负载时输出电压会含有高次谐波，输出电压THD较高，无法满足微网中重要负载的运行条件，不能满足电力系统稳定运行相关规定。所以本发明提出的一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法及系统旨在提升微电网的输出电压质量，增强负载适应能力。

VSG算法控制下的分布式逆变电源系统框图如图1所示，所述分布式逆变电源系统包括：分布式能源、Q₁-Q₆组成的三相逆变桥、逆变器侧电感L和滤波电容C构成LC滤波器、负载、VSG控制模块、双环控制模块以及SVPWM模块。其中VSG控制模块如图2所示，由瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、调制波合成模块组成，采用传感器测量负载公共端输出三相电压和电流瞬时量，计算瞬时功率并给定VSG功率，通过VSG有功环、无功环以及三相电压信号合成模块得到VSG输出电压信号，并经过双环控制模块对信号进行处理，最终通过SVPWM模块产生PWM信号控制逆变器开关管的动作。这里的负序电压补偿双环控制算法具体包括如下步骤：

步骤1，将VSG三相输出电压信号e_mabc以及输出端三相电压U_abc、电流信号I_abc分别进行Clark变换转换至αβ两相静止坐标系上，其中幅值不变的Clark变换可以表示为：

其中F_abc为三相变量，F_αβ为变换后的两相变量。

步骤2，采用基于两相静止坐标的电压、电流双环控制算法对上述输出信号进行信号调制；

如图2所示，采用Q-PR调节器作为电压外环控制器，电流内环带宽较宽，采用比例控制器，比例系数为K_pi，以加快系统动态响应并提供一定阻尼。

Q-PR调节器的传递函数为：

其中K_p、K_r为比例、谐振系数；ω_c为带宽参数，通过引入ω_c，Q-PR控制在额定频率ω_n处的带宽增加，降低了双环控制系统对频率变化的敏感度，在指定频率一定范围内具有较高增益，而对于高次谐波频率处增益有较大程度衰减。

参数K_p、K_r的选取参考常规PR调节器参数计算。这里设K_p＝0，K_r＝1时的特殊情况来讨论ω_c对系统带宽的影响，将s＝jω代入式(3)，则有：

其中：

带宽BW即为|G_QPR(jω)|＝1/√2时对应的频率差，即得：

解得：

根据电力系统稳定运行相关规定，当系统容量较小时，频率偏差限值可以放宽到±0.5Hz，这里取BW＝1Hz，即有ω_c＝πrad/s。

步骤3，对输出端三相电压信号进行正负序分量分离，本文采用双二阶广义积分器(DSOGI)方法实现，DSOGI和SOGI结构框图如图5所示，得到dq轴上输出电压的正负序分量

该方法省去低通滤波环节，从而避免因滤波引入相移和时延，影响系统正负序分量提取的快速性和准确性。

步骤4，为了消除电压负序分量，这里将上述电压正负序分量分别进行旋转变换，旋转方向角分别采取系统PLL锁取的相位角及其反向相位角，将电压变量分解到双dq旋转坐标系上，这样可以将所有交流分量全部转化为直流量，旋转变换如下：

对电压直流量进行PI调节，电压信号给定量分别为

分别取√2U_n和0。将电压误差信号输入PI调节器，调节器输出双dq轴上的正负序补偿电流信号。

步骤5，将PI调节器输出信号进行反旋转坐标变换以及同轴信号合成，得到适用于电流环的电压负序分量补偿电流信号i_{αβ_comp}。其中反旋转变换如下：

式中：

步骤6，将上述补偿电流信号附加在电流环上。加上补偿电流信号后，输出调制波信号的电压、电流关系变化为：

U_{ref_αβ}＝e_mαβ+K_pi[(e_mαβ-v_αβ)G_QPR(s)-i_αβ+i_{αβ_comp}] (11)

可以看出，若不对输出电压信号进行负序分量补偿，将会把负序信号引入电流环，从而降低输出调制波信号的电压质量，增加了输出电压的不平衡度；而将电压不平衡信号转化为电流补偿信号引入电流环，相当于抵消电流环中的负序信号，从而输出平衡的三相电压调制波信号，并且由于旋转坐标系下积分作用的存在，可以完全消除输出电压信号中的不平衡分量，大大降低输出电压的不平衡度，同时也能满足系统运行THD要求，保证了微电网输出电压质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：将虚拟同步发电机VSG三相输出电压信号以及公共端输出三相电压信号、电流信号分别经过Clark变换转换至αβ两相静止坐标系上；

将VSG三相输出电压信号e_mabc以及输出端三相电压U_abc、电流信号I_abc分别进行Clark变换转换至αβ两相静止坐标系上，其中幅值不变的Clark变换表示为：

其中F_a、F_b、F_c为三相变量，F_α、F_β为变换后的两相变量；

S2：采用基于两相静止坐标的电压、电流双环控制算法对上述输出信号进行信号调制；

采用Q-PR调节器作为电压外环控制器，电流内环带宽大，采用比例控制器，比例系数为K_pi，以加快系统动态响应并提供阻尼；

Q-PR调节器的传递函数为：

其中K_p、K_r为比例、谐振系数；ω_c为带宽参数，通过引入ω_c，Q-PR控制在额定频率ω_n处的带宽增加，降低了双环控制系统对频率变化的敏感度，在指定频率的范围内具有高增益，而对于高次谐波频率处增益有衰减；

参数K_p、K_r的选取参考常规PR调节器参数计算，这里设K_p＝0，K_r＝1时的特殊情况来讨论ω_c对系统带宽的影响，将s＝jω代入上式，则有：

其中：

带宽BW即为|G_QPR(jω)|＝1/√2时对应的频率差，即得：

解得：

根据电力系统稳定运行相关规定，当系统容量小时，频率偏差限值放宽到±0.5Hz，这里取BW＝1Hz，即有ω_c＝πrad/s；

S3：对公共端输出三相电压信号进行正负序分离；得到dq轴上输出电压的正负序分量

该方法省去低通滤波环节，从而避免因滤波引入相移和时延，影响系统正负序分量提取的快速性和准确性；

S4：将上述公共端输出三相电压信号的正负序分量分别进行旋转坐标Park变换，将电压分量转化至两相旋转坐标上的直流量并对其与给定值的差值信号进行PI调节；

旋转变换如下：

对电压直流量进行PI调节，电压信号给定量分别为

分别取√2U_n和0；将电压误差信号输入PI调节器，调节器输出双dq轴上的正负序补偿电流信号；

S5：将PI输出偏差信号进行反旋转坐标变换，得到适用于电流环的电压负序分量补偿电流信号；

S5中反旋转坐标变换方向角根据正负序分别为系统PLL锁取相位角及其反向相位角，其中补偿电流信号为两相静止坐标系上的变量信号；

将PI调节器输出信号进行反旋转坐标变换以及同轴信号合成，得到适用于电流环的电压负序分量补偿电流信号i_{αβ_comp}，其中反旋转变换如下：

式中：

S6：将上述补偿电流信号附加在电流环上,经过电流环调节器调制得到电压补偿信号附加在VSG输出电压上得到调制波信号，然后通过SVPWM模块得到三相桥开关管驱动信号控制逆变电源的输出电压；

输出调制波信号的电压、电流关系变化为：

U_{ref_αβ}＝e_mαβ+K_pi[(e_mαβ-v_αβ)G_QPR(s)-i_αβ+i_{αβ_comp}]。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法，其特征在于，S2的电压、电流双环控制算法中,电压环采用准谐振调节器抑制谐波分量，电流环采用比例调节器以加快系统响应速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法，其特征在于，S3中所述正负序分离采用双二阶广义积分器算法。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制方法，其特征在于，S4中旋转坐标Park变换方向角根据电压正负序分量分别为系统PLL锁取的相位角及其反向相位角，正负序分量的给定值按系统电压额定值计算。

5.一种根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制系统，其特征在于，所述系统包括：

基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制系统主电路，由分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载组成；

电压、电流模拟信号采样模块，用于采样公共端输出三相电压信号、电流信号；

AD转换模块，用于将采集到的公共端输出三相电压信号、电流信号转化为系统可以识别计算的数字信号；

VSG控制算法模块，用于实现分布式电源全桥逆变器控制的主体控制算法，由瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环以及调制波合成模块组成，将采样计算得到的公共端输出三相电压数字信号、电流数字信号通入瞬时功率计算模块计算输出瞬时功率，分别通过有功控制环及无功控制环调制输出电压的频率信号和幅值信号，通入调制波合成模块合成VSG输出三相电压调制波信号；

双环控制模块，作为VSG控制算法模块的底层控制模块与其相连，用于调制VSG输出三相电压调制波信号，其中输入信号包括采集计算得到的公共端输出三相电压信号、电流信号以及VSG输出三相电压调制波信号，输出SVPWM调制波信号；

SVPWM调制模块，用于将SVPWM调制波信号转化为三相桥开关管驱动信号控制逆变电源的输出电压；

锁相环PLL模块，用于为VSG控制算法模块和双环控制模块提供频率和相角信号，其中包括旋转坐标Park变换的输入相角信号和反旋转坐标变换的输入反相角信号；

所述双环控制模块，具体包括：

Clark变换单元，用于将VSG三相输出电压信号以及采集得到的公共端输出三相电压信号、电流信号变换至αβ两相静止坐标系上；

准谐振调节器，用于电压、电流双环控制算法中的电压外环信号调节器；

比例调节器，用于电压、电流双环控制算法中的电流内环信号调节器；

二阶广义积分器，用于对公共端输出三相电压信号进行正负序分离；

旋转坐标Park变换单元，用于将公共端输出电压的正负序分量分别变换至两相旋转坐标系上的直流量；

PI调节器，用于将两相旋转坐标系上的直流量与给定值的差值信号进行PI调节；

反旋转坐标变换单元，用于将PI输出误差信号变换为适用于电流内环的电压负序分量补偿电流信号并附加至电流环。

6.如权利要求5所述的一种基于虚拟同步发电机的负序电压补偿双环控制系统，其特征在于，所述SVPWM调制模块，与双环控制模块相连，将所述补偿后的电压控制信号进行空间矢量分解，合成开关管驱动信号波控制三相分布式电源逆变器的工作状态。

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