CN109256805B - 基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法 - Google Patents

基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法，由于在虚拟功率变换中采用了固定的旋转角度，所以无需考虑逆变器输出阻抗的阻抗角，对输出阻抗的敏感度小，且设计简单，易于实现；利用虚拟同步发电机算法中固有的惯性结构解决固定旋转角度带来的弱解耦问题，保证了系统的动静态稳定性；本发明拥有控制精度高，跟踪效果好，可有效抑制功率振荡以及可以为电网提供阻尼支撑等优点，适合于太阳能发电、风力等新能源并网系统接入中低压微电网中。该方法能够在系统接入中低压微电网时，减弱逆变器输出功率的耦合程度，从而抑制输出功率的振荡，提高整个逆变器系统的动静态稳定性，并保证其安全可靠的运行。

Description

基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器控制技术，特别涉及一种基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法。
背景技术
并网逆变器作为分布式发电与电网连接的接口，得到了广泛的应用，由于电力电子设备不能为电网提供所需的惯性和阻尼，随着分布式发电的渗透率的不断提高，使得电网的惯性和阻尼严重不足，稳定性降低。虚拟同步发电机技术模拟同步发电机的运行特性，为电网提供了惯性和阻尼，成为了解决这一问题的有效途径。
虚拟同步发电机技术模仿了同步发电机的一次调频和一次调压特性，实现了根据电网电压和频率，对分布式发电的有功功率和无功功率自动调节，为电网提供了频率和电压幅值的支撑。以虚拟同步发电机为控制方法的逆变器正常运行的条件为输出阻抗是纯感性，此时逆变器输出的有功功率与无功功率之间的耦合可以忽略。然而在中低压微电网中，阻抗比R/X往往很大，则此时VSG的输出阻抗不能视为纯感性，所以此时逆变器输出的有功环和无功环之间有着很强的耦合。另外，由于虚拟同步发电机技术在有功环模仿同步发电机的惯性和阻尼特性，则在扰动发生时，可能发生有功功率的振荡，则有功功率振荡可以通过有功环与无功环之间的耦合传导至无功功率，将导致更大的功率振荡，更严重时会导致系统崩溃。因此，研究虚拟同步发电机控制技术下的并网逆变器的输出功率耦合问题具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明是针对在线路传输过程中，由虚拟同步发电机输出功率的功率耦合而引起的功率振荡的问题，提出了一种基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法，该方法能够在系统接入中低压微电网时，减弱逆变器输出功率的耦合程度，从而抑制输出功率的振荡，提高整个逆变器系统的动静态稳定性，并保证其安全可靠的运行。
本发明的技术方案为：一种基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法，直流电压源经过高频开关三相逆变器将直流变交流后，通过LC滤波器并入电网，将逆变器的输出功率通过坐标变换进行功率解耦，坐标变换的旋转角度
Figure BDA0001834512290000021
固定与线路阻抗角无关，得到的虚拟有功功率P＇和虚拟无功功率Q＇；分别将虚拟有功功率P＇和虚拟无功功率Q＇作为输入功率送入虚拟同步发电机的有功环和无功环，其中无功环输出得到参考电压的幅值Uref，，有功环输出得到参考电压的频率和相位ζ，进行三相电压合成后得到三相参考电压Uam、Ubm、Ucm；将三相参考电压变换为两相旋转坐标系下的电压Umd、Umq；将三相静止坐标系下的滤波电容电压检测信号Ua、Ub、Uc变换成两相旋转坐标系下的电压Ud、Uq；将三相静止坐标系下的逆变器侧电流检测信号ia、ib、ic变换成两相旋转坐标系下的电流id、iq；
将Ud与参考电压Umd进行比较，而后得到误差信号送入PI控制器，PI控制器的输出作为逆变器侧电流的参考信号，通过与id比较后将误差信号送入第一内环比例P控制器中；
将Uq与参考电压Umq进行比较，而后得到误差信号送入PI控制器，PI控制器的输出作为逆变器侧电流的参考信号，通过与iq比较后将误差信号送入第二内环比例P控制器中；
将两个内环比例P控制器的输出信号从两相旋转坐标系变换成三相静止坐标系下后，送入PWM模块；由PWM模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统的输出功率和入网电压的幅值和相位。
所述逆变器的输出功率通过坐标变换进行功率解耦：当旋转角度
Figure BDA0001834512290000022
固定时，得到虚拟功率方程且在虚拟功率下的虚拟同步发电机输出功率，根据虚拟同步发电机的数学模型以及虚拟功率策略下的输出功率，推到出基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型，再根据基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型如下：
Figure BDA0001834512290000031
Figure BDA0001834512290000032
其中E为虚拟同步发电机激磁电动势；Ug为电网电压；Z为线路阻抗；δ为逆变器输出电压和电网电压之间的相位差；Dp为有功-频率下垂系数，J为转动惯量，ωn为电网额定角频率；Dq为无功-电压下垂系数；K为无功环积分系数；
ΔP＇和ΔQ＇为虚拟有功功率和虚拟无功功率工作点附近的小扰动量，ΔP＇set和ΔQ＇set为与ΔP＇和ΔQ＇相对应的有功功率和无功功率给定值的小扰动量；
根据基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型，可以得到虚拟功率的虚拟同步发电机系统输入输出方程，并使得特征方程C(s)＝0，以判断系统的稳定性；
Figure BDA0001834512290000033
Figure BDA0001834512290000034
Figure BDA0001834512290000035
Figure BDA0001834512290000036
Figure BDA0001834512290000037
Figure BDA0001834512290000038
Figure BDA0001834512290000039
Figure BDA00018345122900000310
Figure BDA00018345122900000311
Figure BDA00018345122900000312
ΔP＇set和ΔQ＇set是由功率的设定值ΔPset和ΔQset进行坐标变换得到，即
Figure BDA0001834512290000041
根据基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型得到的ΔP＇和ΔQ＇，经过坐标变换后可得ΔP和ΔQ，即
Figure BDA0001834512290000042
实现虚拟功率解耦策略时虚拟同步发电机输出有功和无功的动态响应波形。
本发明的有益效果在于：本发明基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法，由于在虚拟功率变换中采用了固定的旋转角度，所以无需考虑逆变器输出阻抗的阻抗角，对输出阻抗的敏感度小，且设计简单，易于实现；利用虚拟同步发电机算法中固有的惯性结构解决固定旋转角度带来的弱解耦问题，保证了系统的动静态稳定性；本发明拥有控制精度高，跟踪效果好，可有效抑制功率振荡以及可以为电网提供阻尼支撑等优点，适合于太阳能发电、风力等新能源并网系统接入中低压微电网中。
附图说明
图1为本发明基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法的整体结构框图；
图2为本发明虚拟同步发电机的并网等效电路结构图；
图3为本发明虚拟功率策略的原理图；
图4为本发明基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型图；
图5为本发明不同阻抗角θ下虚轴最近的点smin与a的变化曲线图；
图6为本发明不加解耦措施时VSG输出有功和无功的动态响应波形图；
图7为本发明采用虚拟功率解耦策略时VSG输出有功和无功的动态响应波形图。
具体实施方式
如图1为基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法的整体结构框图，包括直流电压源、高频开关三相逆变器、LC滤波器、用于检测逆变器输出功率的功率检测变送器、虚拟功率计算单元、虚拟同步发电机算法单元、用于检测逆变器侧电流和滤波电容电压的检测变送器、将三相静止坐标系下的三相电流和电压转换成两相旋转坐标系下两相电流和电压的坐标变换单元，分别用于将逆变器侧的三相电流和滤波电容的三相电压进行坐标变换、对参考电压进行控制的双环控制单元，以及两个用于对电压误差信号进行调节的PI控制器和2个对电流误差信号进行调节的P控制器。主要控制过程为：将逆变器的输出功率通过坐标变换进行功率解耦，坐标变换的旋转角度
Figure BDA0001834512290000051
固定并与线路阻抗角无关，得到的虚拟有功功率P＇和虚拟无功功率Q＇。分别将虚拟有功功率P＇和虚拟无功功率Q＇作为输入功率送入虚拟同步发电机的有功环和无功环，其中无功环输出得到参考电压的幅值Uref，有功环输出得到参考电压的频率和相位ζ，进行三相电压合成后得到三相参考电压Uam、Ubm、Ucm。将三相参考电压变换为两相旋转坐标系下的电压Umd、Umq，将三相静止坐标系下的滤波电容电压检测信号Ua、Ub、Uc变换成两相旋转坐标系下的电压Ud、Uq，将三相静止坐标系下的逆变器侧电流检测信号ia、ib、ic变换成两相旋转坐标系下的电流id、iq。将Ud与参考电压Umd进行比较，而后得到误差信号送入PI控制器，PI控制器的输出作为逆变器侧电流的参考信号，通过与id比较后将误差信号送入内环比例P控制器中。将Uq与参考电压Umq进行比较，而后得到误差信号送入PI控制器，PI控制器的输出作为逆变器侧电流的参考信号，通过与iq比较后将误差信号送入内环比例P控制器中。将两个内环比例P控制器的输出信号从两相旋转坐标系变换成三相静止坐标系下后，送入PWM模块。由PWM模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统的输出功率和入网电压的幅值和相位，以及输出功率和入网电压的质量。
为说明本发明的正确性和可行性，对一台容量为50kVA虚拟同步发电机并网系统进行仿真验证。仿真参数为：直流电压源电压800V，电网电压有效值220V，PWM的开关频率为10KHz，LC滤波器参数为L1＝2mH，R1＝0.1Ω，C＝1500uF，线路阻抗参数为Lg＝1mH，Rg＝1Ω。
如图2为虚拟同步发电机的并网等效电路结构图，其中δ为逆变器输出电压和电网电压之间的相位差，由于δ的值一般很小，所以可以近似看作sinδ＝δ、cosδ＝1，设输电线路阻抗的阻抗角为θ，则逆变器输出的有功功率P和无功功率Q分别如下所示：
Figure BDA0001834512290000061
Figure BDA0001834512290000062
其中E为虚拟同步发电机激磁电动势；Ug为电网电压；Z为线路阻抗，Z＝R+jX；δ为逆变器输出电压和电网电压之间的相位差。
如图3为虚拟功率策略的原理图，当旋转角度
Figure BDA0001834512290000063
固定时，可以得到虚拟功率方程且在虚拟功率下的虚拟同步发电机输出功率，根据虚拟同步发电机的数学模型以及虚拟功率策略下的输出功率，可以推到出基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型，如下式所示，小信号模型图如图4所示。
Figure BDA0001834512290000064
Figure BDA0001834512290000065
Figure BDA0001834512290000066
Figure BDA0001834512290000067
Figure BDA0001834512290000068
Figure BDA0001834512290000069
Figure BDA00018345122900000610
Figure BDA0001834512290000071
其中Dp为有功-频率下垂系数，J为转动惯量，ωn为电网额定角频率；Dq为无功-电压下垂系数；K为无功环积分系数。
ΔP和ΔQ分别为小信号模型下有功功率和无功功率工作点附近的小扰动量，对ΔP和ΔQ进行坐标变化可以得到ΔP＇和ΔQ＇即虚拟有功功率和虚拟无功功率工作点附近的小扰动量，ΔP＇set和ΔQ＇set为与ΔP＇和ΔQ＇相对应的有功功率和无功功率给定值的小扰动量，由于虚拟同步发电机算法的输入是虚拟功率，所以算法追踪的也是虚拟功率的设定值，在经过坐标变化之后虚拟功率的数值与原设定的数值必然是不一样的，所以在这里需要对功率的设定值ΔPset和ΔQset进行同样的坐标变换，得到ΔP＇set和ΔQ＇set，以保证最后逆变器输出的实际功率为原设定值。得到ΔP＇set和ΔQ＇set后代入虚拟功率的虚拟同步发电机系统输入输出方程，可得ΔP＇和ΔQ＇，再次坐标转换后可得ΔP和ΔQ，实现虚拟功率解耦策略时VSG输出有功和无功的动态响应波形。
根据基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型，可以得到系统输入输出方程，并且可以推到出系统的特征方程C(s)＝0：
Figure BDA0001834512290000072
Figure BDA0001834512290000073
Figure BDA0001834512290000074
Figure BDA0001834512290000075
Figure BDA0001834512290000076
Figure BDA0001834512290000077
Figure BDA0001834512290000081
Figure BDA0001834512290000082
Figure BDA0001834512290000083
Figure BDA0001834512290000084
设
Figure BDA0001834512290000085
C(s)＝0中里虚轴最近的点为smin，如图5为smin与a的变化曲线。当θ＝0时，VSG的输出阻抗为纯阻性，此时系统的稳定型最差，在-90≤a≤90时，特征方程的根都在虚轴左侧，所以
Figure BDA0001834512290000089
的取值范围是0到90°，但是要保证有一定的裕量，所以取
Figure BDA0001834512290000086
为45°。当阻抗角θ变大时，如图5所示曲线向下移动，特征方程的根将离虚轴越来越远，系统将更加稳定。对于系统的两个耦合项，当
Figure BDA0001834512290000087
为45°时，随着阻抗角θ的变化，耦合增益的绝对值
Figure BDA0001834512290000088
的最大值最小，为0.7071，即在极限状态下，耦合程度最小。另外，由于旋转角度为定值，所以系统是不完全功率解耦。但是如图4所示，VSG的有功功率环前端增益可以看作由惯性环节1/[(J/Dp)s+1]、比例环节EU/ZJωn、积分环节1/s组成，其中惯性环节可以减弱耦合效应，从而使功率耦合效应减弱。同理，在无功环中也存在着相似的惯性环节1/[(K/Dq)s+1]，在构成VSG算法的同时减弱了功率耦合效应。
图6和图7分别给出了不加解耦措施和采用虚拟功率解耦策略时VSG输出有功和无功的动态响应波形。当t<2s时，两个VSG系统设置输出有功功率和无功功率都为0，由于线路阻抗比很高，对于不加解耦策略的VSG系统，可以看到需要经过长时间的振荡系统才进入稳态，这说明此时有功环和无功环之间的耦合严重，振荡时间约为1.9s；而对于采用虚拟功率解耦策略的VSG系统，几乎没有震荡，进入稳态的时间为0.8s。当t＝2s时，设置VSG的无功功率输出为10kvar，首先，对于不加解耦策略的VSG系统，其无功功率的阶跃响应存在一个振荡过程，但是VSG的无功环并没有引入可以引起振荡的阻尼特性，这是因为由于无功环和有功环的耦合效应，将有功环的振荡特性传导至无功环内，同时，由于耦合效应无功环的振荡也会影响有功环，使有功功率也产生振荡，同时，由于VSG有功环和无功环自带的惯性环节，对振荡产生了一定的抑制，系统的震荡时间约为1s，随后进入稳态。其次，对于采用虚拟功率解耦策略的VSG系统，没有发生功率振荡，系统大约经历0.3s进入稳态，体现VSG的阻尼特性，但是当产生无功阶跃时，有功功率明显产生了一个波动，这是由于固定旋转角度的虚拟功率策略并不是完全解耦，有功环和无功环之间仍然存在一定程度上的耦合。
当t＝4s时，设置系统输出的有功功率为10kW，由于强耦合效应，不加解耦策略的VSG系统在经历了大约1.3s后进入了稳态，这里可以发现有功阶跃引起的功率振荡时间是要长于无功阶跃的，这是由于VSG的有功环内引入了可以引起有功功率振荡的阻尼环节，即当分别产生同样大小的有功和无功阶跃时，有功阶跃产生的振荡源较大。对于采用虚拟功率解耦策略的VSG系统而言，系统在0.3s后进入稳态，没有产生功率振荡，体现了控制策略的优越性，很好地改善了系统的动态特性。

Claims (1)

1.一种基于单一旋转角虚拟功率的虚拟同步发电机功率解耦方法，直流电压源经过高频开关三相逆变器将直流变交流后，通过LC滤波器并入电网，将逆变器的输出功率通过坐标变换进行功率解耦，坐标变换的旋转角度
Figure FDA0003176789230000011
固定与线路阻抗角无关，得到的虚拟有功功率P＇和虚拟无功功率Q＇；分别将虚拟有功功率P＇和虚拟无功功率Q＇作为输入功率送入虚拟同步发电机的有功环和无功环，其中无功环输出得到参考电压的幅值Uref，有功环输出得到参考电压的频率和相位ζ，进行三相电压合成后得到三相参考电压Uam、Ubm、Ucm；将三相参考电压变换为两相旋转坐标系下的电压Umd、Umq；将三相静止坐标系下的滤波电容电压检测信号Ua、Ub、Uc变换成两相旋转坐标系下的电压Ud、Uq；将三相静止坐标系下的逆变器侧电流检测信号ia、ib、ic变换成两相旋转坐标系下的电流id、iq；将Ud与参考电压Umd进行比较，而后得到误差信号送入PI控制器，PI控制器的输出作为逆变器侧电流的参考信号，通过与id比较后将误差信号送入第一内环比例P控制器中；
将Uq与参考电压Umq进行比较，而后得到误差信号送入PI控制器，PI控制器的输出作为逆变器侧电流的参考信号，通过与iq比较后将误差信号送入第二内环比例P控制器中；
将两个内环比例P控制器的输出信号从两相旋转坐标系变换成三相静止坐标系下后，送入PWM模块；由PWM模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制逆变器开关管的接通与关断，进而控制并网逆变器系统的输出功率和入网电压的幅值和相位；
其特征在于，所述逆变器的输出功率通过坐标变换进行功率解耦：当旋转角度
Figure FDA0003176789230000012
固定时，得到虚拟功率方程且在虚拟功率下的虚拟同步发电机输出功率，根据虚拟同步发电机的数学模型以及虚拟功率策略下的输出功率，推导出基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型，再根据基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型如下：
Figure FDA0003176789230000021
Figure FDA0003176789230000022
其中E为虚拟同步发电机激磁电动势；Ug为电网电压；Z为线路阻抗；θ为输电线路阻抗的阻抗角；Dp为有功-频率下垂系数，J为转动惯量，ωn为电网额定角频率；Dq为无功-电压下垂系数；K为无功环积分系数；
ΔP＇和ΔQ＇为虚拟有功功率和虚拟无功功率工作点附近的小扰动量，ΔP＇set和ΔQ＇set为与ΔP＇和ΔQ＇相对应的有功功率和无功功率给定值的小扰动量；
根据基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型，可以得到虚拟功率的虚拟同步发电机系统输入输出方程，并使得特征方程C(s)＝0，以判断系统的稳定性；
Figure FDA0003176789230000023
Figure FDA0003176789230000024
Figure FDA0003176789230000025
Figure FDA0003176789230000026
Figure FDA0003176789230000027
Figure FDA0003176789230000028
Figure FDA0003176789230000029
Figure FDA00031767892300000210
Figure FDA00031767892300000211
Figure FDA00031767892300000212
ΔP＇set和ΔQ＇set是由功率的设定值ΔPset和ΔQset进行坐标变换得到，即
Figure FDA0003176789230000031
根据基于虚拟功率的虚拟同步发电机的小信号模型得到的ΔP＇和ΔQ＇，再根据下面坐标转换公式获得小信号模型下有功功率和无功功率工作点附近的小扰动量ΔP和ΔQ，
Figure FDA0003176789230000032
实现虚拟功率解耦策略时虚拟同步发电机输出有功和无功的动态响应。
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