CN109217363A - 一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，将虚拟同步发电机输出端电压幅值参考值和相角参考值合成三相电压，进而计算参考三相电流；基于并网逆变器三组IGBT的8种开关模式，计算逆变器在8种模式下的瞬时输出电压矢量；对虚拟同步发电机输出电流和并网点电压进行采样，结合逆变器在8种模式下的瞬时输出电压矢量，求得逆变器下一时刻的预测电流；根据两相旋转坐标系下的参考电流和预测电流构建价值函数，选择价值函数最小的预测电流对应的门级驱动控制信号应用在下一个周期，据此来快速跟踪虚拟同步发电机参考电流。本发明提高了虚拟同步发电机跟踪参考电流的效率，并且避免了分解过程的延时和误差。
Description
技术领域
本发明涉及并网逆变器控制技术，具体涉及一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法。
背景技术
为了提高并网逆变器对电网的友好性，虚拟同步发电机技术(VSG)正在成为科研热点。虚拟同步发电机技术以模拟传统同步发电机的运行特性，为电网提供惯性和阻尼。现有虚拟同步发电机技术采用的电流双环控制含有多个比例积分(PI)控制器，在实际工程中调节PI参数存在困难，将影响虚拟同步发电机对参考电流的跟踪速度。并且电网电压不平衡时，电流双环控制需要对电网电流进行正负序分解，存在较大的延时和误差，将影响虚拟同步发电机的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，在避开PI参数调节和减小延时误差的同时，提高了参考电流跟踪速度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，包括如下步骤：
步骤1、将虚拟同步发电机输出端电压幅值参考值和相角参考值合成三相电压，计算参考三相电流，再经过坐标变换得到两相旋转坐标系下的参考电流；
步骤2、基于并网逆变器三组IGBT的8种开关模式，计算逆变器在8种模式下的瞬时输出电压矢量，再经过坐标变换得到逆变器在两相静止αβ坐标系下的瞬时输出电压；
步骤3、对虚拟同步发电机输出电流和并网点电压进行采样，结合逆变器在两相旋转坐标系下瞬时输出电压，求得逆变器下一时刻的预测电流，再经过坐标变换得到两相旋转坐标系下的预测电流；
步骤4、根据两相旋转坐标系下的参考电流和预测电流构建价值函数，选择价值函数最小的预测电流对应的门级驱动控制信号应用在下一个周期，据此来快速跟踪虚拟同步发电机参考电流。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明无需考虑PI参数设计问题，在虚拟同步发电机基础上，通过预测下一时刻的电流，使虚拟同步发电机快速跟踪参考电流；2)本发明在不平衡电压等环境下，不需要对电流进行正负序分解，避免了分解过程的延时和误差；3)本发明模型预测电流控制不需要脉宽调制，易于工程实现。
附图说明
图1为虚拟同步发电机控制框图。
图2为三相逆变器的8种瞬时输出电压矢量图。
图3为三相电压源型逆变器的拓扑结构图。
图4为本发明基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制的原理框图。
图5为实施例中电流阶跃响应对比图。
其中，ωref、Pref、Qref和Eref分别为频率、有功功率、无功功率和电压参考；ω0、Pout、Qout分别为电网频率、输出有功、输出无功；H、kD分别为虚拟惯性常数、阻尼系数，为逆变器提供类似于同步发电机的惯性和阻尼；kω、kq分别为有功功率、无功功率的下垂系数；E*、θ*分别为电压幅值参考、相角参考，合成参考电压u0abc为电网电压；为参考电流；L是滤波电感，等效为VSG同步电感；R是滤波器和功率器件的电阻，等效为VSG同步电阻；Udc是逆变器的直流侧电压；eabc是逆变器的输出电压；iabc是逆变器的输出电流；uabc是并网点电压；Idref为实施例参考电流d轴分量，IPI为PI控制下的电流响应d轴分量，IMPC为模型预测电流控制下的电流响应d轴分量。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的原理和方案。
一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，包括如下步骤：
步骤1、将虚拟同步发电机输出端电压幅值参考值和相角参考值合成三相电压，计算参考三相电流，再经过坐标变换得到两相旋转坐标系下的参考电流。
结合图1，虚拟同步发电机控制策略采用同步发电机二阶经典模型，分为有功频率控制和无功电压控制，将虚拟同步发电机控制模块输出的端电压幅值参考值E*和相角参考值θ*合成三相电压经下式计算求得参考三相电流：
将三相参考电流进行Park变换，得到两相旋转坐标系下的参考电流
步骤2、基于并网逆变器三组IGBT的8种开关模式，计算逆变器在8种模式下的瞬时输出电压矢量，再经过坐标变换得到逆变器在两相静止αβ坐标系下的瞬时输出电压。
结合图2，三相逆变器开关函数分别为：
其中，ga、gb、gc分别表示逆变器A、B、C相的开关函数，g1、g2分别表示A相的上下桥臂开关管，g3、g4分别表示B相的上下桥臂开关管，g5、g6分别表示C相的上下桥臂开关。
开关函数的合成矢量为：
gi＝ga+αgb+α2gc
其中，gi表示三相开关函数的合成矢量，α表示比例系数，本文取α＝ej2π/3。
三相电压合成矢量为：
ei＝giUdc(i＝0,…,7)
其中，ei为逆变器在8种模式下的瞬时输出电压矢量，Udc为直流母线电压；
将ei经过Clark变换到两相静止αβ坐标系下的电压eα、eβ，分别表示为：
其中，eα、eβ为逆变器在两相旋转坐标系下瞬时输出电压。
步骤3、对虚拟同步发电机输出电流和并网点电压进行采样，结合逆变器在两相旋转坐标系下瞬时输出电压，求得逆变器下一时刻的预测电流，再经过坐标变换得到两相旋转坐标系下的预测电流；
根据三相电压源型逆变器的拓扑结构和Kirchhoff电压定律，可以得到虚拟同步发电机的电磁方程：
其中，L是滤波电感，等效为VSG同步电感；R是滤波器和功率器件的电阻，等效为VSG同步电阻；eabc是逆变器的输出电压；iabc是逆变器的输出电流；uabc是并网点电压；
将上式经过Clark变换到两相静止αβ坐标系，得到：
其中，iα、iβ是逆变器输出电流的αβ分量，eα、eβ是逆变器输出电压的αβ分量，uα、uβ并网点电压的αβ分量。
将上式离散化，得到：
计算下一个时刻逆变器的预测电流，表示为：
其中，Ts为采样周期，(k)表示当前时刻的变量，(k+1)表示下一个时刻的变量对iα(k+1)、iβ(k+1)进行Park变换，得到两相旋转坐标系下预测电流id(k+1)和iq(k+1)。
步骤4、根据两相旋转坐标系下的参考电流和预测电流构建价值函数，选择价值函数最小的预测电流对应的门级驱动控制信号应用在下一个周期，据此来快速跟踪虚拟同步发电机参考电流，其中价值函数表示为：
价值函数c能够判断出预测电流和虚拟同步发电机参考电流的拟合程度，评价步骤2得到的逆变器电压矢量，使价值函数c最小的电压矢量对应的门级驱动控制信号将应用在下一个周期，据此来快速跟踪虚拟同步发电机参考电流。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
在Matlab/Simulink软件中建立如图3的并网逆变器仿真模型，对基于模型预测的电流控制器和PI电流控制器在系统响应方面进行对比。仿真参数:L＝25mH；R＝2×10-4Ω；Udc＝800V；Ts＝20μs；kω＝0.05；kq＝0.05。
假设0.5s时电流参考值的横轴分量从0.5pu阶跃至0.7pu，采用模型预测电流控制和PI电流控制的系统响应如图5所示。图中，Idref为参考电流d轴分量，IPI为PI控制下的电流响应d轴分量，IMPC为模型预测电流控制下的电流响应d轴分量，可以看出模型预测电流控制在0.02s达到稳态值，比PI电流控制速度更快，调节过程中，PI电流控制的超调量为3.85％，模型预测电流控制的超调量为3.06％。因此，模型预测电流控制在响应速度上略快于PI电流控制，并且能够减小超调量。由于PI控制器效果受参数设计的影响较大，对数字系统的参数精度要求较高，而模型预测电流控制响应速度仅和逆变器开关频率有关，有利于在低电压穿越这样比较严苛的条件下准确快速得跟踪参考电流信号。
Claims (5)
1.一种基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将虚拟同步发电机输出端电压幅值参考值和相角参考值合成三相电压，计算参考三相电流，再经过坐标变换得到两相旋转坐标系下的参考电流；
步骤2、基于并网逆变器三组IGBT的8种开关模式，计算逆变器在8种模式下的瞬时输出电压矢量，再经过坐标变换得到逆变器在两相静止αβ坐标系下的瞬时输出电压；
步骤3、对虚拟同步发电机输出电流和并网点电压进行采样，结合逆变器在两相旋转坐标系下瞬时输出电压，求得逆变器下一时刻的预测电流，再经过坐标变换得到两相旋转坐标系下的预测电流；
步骤4、根据两相旋转坐标系下的参考电流和预测电流构建价值函数，选择价值函数最小的预测电流对应的门级驱动控制信号应用在下一个周期，据此来快速跟踪虚拟同步发电机参考电流。
2.根据权利要求1所述的基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤1计算两相旋转坐标系下的参考电流的具体方法为：
将虚拟同步发电机控制模块输出的端电压幅值参考值E*和相角参考值θ*合成三相电压经下式计算求得参考三相电流：
其中，u0abc为电网电压，L是VSG同步电感，R是VSG同步电阻；
将三相参考电流进行Park变换，得到两相旋转坐标系下的参考电流
3.根据权利要求1所述的基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤2计算逆变器在两相静止αβ坐标系下的瞬时输出电压的具体方法为：
三相逆变器开关函数分别为：
其中，ga、gb、gc分别表示逆变器A、B、C相的开关函数，g1、g2分别表示A相的上下桥臂开关管，g3、g4分别表示B相的上下桥臂开关管，g5、g6分别表示C相的上下桥臂开关；
开关函数的合成矢量为：
gi＝ga+αgb+α2gc
其中，gi表示三相开关函数的合成矢量，α表示比例系数，取α＝ej2π/3；
三相电压合成矢量为：
ei＝giUdc(i＝0,…,7)
其中，ei为逆变器在8种模式下的瞬时输出电压矢量，Udc为直流母线电压；
将ei经过Clark变换到两相静止αβ坐标系下的电压eα、eβ，分别表示为：
其中，eα、eβ为逆变器在两相旋转坐标系下瞬时输出电压。
4.根据权利要求1所述的基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤3计算两相旋转坐标系下的预测电流的具体方法为：
根据三相电压源型逆变器的拓扑结构和Kirchhoff电压定律，得到虚拟同步发电机的电磁方程：
其中，L是VSG同步电感，R是VSG同步电阻，eabc是逆变器的输出电压，iabc是逆变器的输出电流，uabc是并网点电压；
经过Clark变换到两相静止αβ坐标系，得到：
其中，iα、iβ是逆变器输出电流的αβ分量，eα、eβ是逆变器输出电压的αβ分量，uα、uβ并网点电压的αβ分量；
离散化后，得到：
计算下一个时刻逆变器的预测电流，表示为：
其中，Ts为采样周期，(k)表示当前时刻的变量，(k+1)表示下一个时刻的变量。
对iα(k+1)、iβ(k+1)进行Park变换，得到两相旋转坐标系下预测电流id(k+1)和iq(k+1)。
5.根据权利要求1所述的基于模型电流预测的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，步骤4价值函数表示为：
其中，c表示预测电流的价值，表示两相旋转坐标系下的参考电流，id(k+1)、iq(k+1)表示两相旋转坐标系下预测电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190115 |