CN109586336B - 一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法，模块化多电平换流器直流侧的通过虚拟同步控制器提供虚拟惯量的d轴外环电流控制，生成内环电流指令；内环电流指令经过内环电流控制器与交流电流实测值进行比较，通过内环电流控制器实现d、q解耦，得到差模电压指令；同时，采用锁相环控制为虚拟同步机提供同步参考相位；最后利用内环电流控制器输出的差模电压指令和锁相环输出的同步相位信号产生模块化多电平换流器各桥臂的触发脉冲，使模块化多电平换流器的交流侧产生相应的阶梯波，在并网点生成相应的三相正弦电压实现对电力电网的调频。该控制方法能有效降低电网的频率变化率ROCOF，有利于电力系统的稳定。

Description

一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法。
背景技术
大部分新能源发电设备均使用电力电子器件并网，难以参与电力系统的调频过程，也无法像传统发电机一样为系统提供惯量与阻尼。此外，新能源出力还具有一定的随机性和不确定性，这进一步恶化了电力系统的暂态和动态特性。一种新的电力电子设备控制方式称为虚拟同步机(VSG)，这种电力电子变换器具有传统同步机的功频特性与阻尼特性。目前，大多虚拟同步机(VSG)的研究是针对系统中已有的电力电子元件，使用虚拟同步控制替代其原来的控制，从而改善设备的动态特性，而没有考虑新型虚拟同步设备在现代电力系统中的新应用。且这些研究主要针对两电平电压源换流器(VSC)。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用虚拟同步控制替代传统虚拟同步控制器的外环功率控制，使用基于两相静止坐标系(αβ坐标系)的锁相环代替常用的同步坐标(dq坐标)锁相环，以适应同步特性的控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法，其中，虚拟同步机包括：模块化多电平换流器、虚拟同步控制器、内环电流控制器和锁相环；虚拟同步控制器产生虚拟惯量为电力系统提供暂态频率支撑；内环电流控制器补偿d、q轴的耦合项；锁相环避免暂态过程过快产生过大的频率变化率，为虚拟同步机提供参考相位；内环电流控制器输出的参考电压和锁相环输出的同步相位信号生成脉冲信号，用于触发模块化多电平换流器；其控制方法包括以下步骤：首先通过虚拟同步控制器实现能提供虚拟惯量的d轴外环控制，确定虚拟同步机的d轴电流，生成内环电流指令；内环电流指令经过内环电流控制器与交流电流实测值进行比较，通过内环电流控制器实现d、q解耦，得到差模电压指令；同时，采用锁相环控制为虚拟同步机提供同步参考相位；最后利用内环电流控制器输出的差模电压指令和锁相环输出的同步相位信号产生模块化多电平换流器各桥臂的触发脉冲，使模块化多电平换流器的交流侧产生相应的阶梯波电势，用以逼近电网的正弦波电压完成调制过程。
在上述的基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法中，所述控制方法的具体步骤如下：
⑴、虚拟同步控制器使用虚拟同步机的典型二阶模型，虚拟同步机的惯量通过二阶转子机械方程体现到电力系统中；虚拟同步控制器根据当前电力系统的频率变化率，判断是否向电力系统注入d轴电流；采取定q轴电流控制，将q 轴电流指令值设为0；当电力系统的频率变化率为0时，虚拟同步控制器不向电力系统注入d轴电流，其有功功率为0；当电力系统受到扰动时，频率发生变化，虚拟同步控制器响应这种变化，通过改变d轴电流注入量，产生虚拟惯量辅助电力系统调频；
⑵、内环电流控制：在得到外环电流控制器发出的内环电流指令后，采用内环电流控制器补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值，为阶梯波调制提供参考电压；
⑶、锁相环的控制：锁相环以测量的电网三相坐标作为输入，对其进行αβ变换，所得α、β轴电压分量分别通过一个以额定频率为中心频率的带通滤波器，再使用反正切函数arctan得到参考相角；带通滤波器的作用使锁相环的输出在一个通频带内随电网频率的变化而摇摆，为阶梯波调制提供同步相位信号；
⑷、阀控制层触发脉冲的生成：通过内环电流控制器输出的差模电压指令值和锁相环输出的同步相位信号形成脉冲信号，触发模块化多电平换流器实现阶梯波调制。
在上述的基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法中，虚拟同步控制器采用d轴电流外环控制器，锁相环采用基于两相静止坐标αβ坐标的锁相环。
本发明的有益效果：该虚拟同步机能模拟出同步机的惯性和调速器特性，并网运行可以减小系统的暂态有功缺额，能降低频率偏差和系统频率变化率 (ROCOF)，起到了稳定系统频率的作用。
附图说明
图1为本发明一个实施例设计的虚拟同步机整体控制框图；
图2为本发明一个实施例设计的d轴电流外环控制器；
图3为本发明一个实施例的内环电流控制器；
图4为本发明一个实施例设计的锁相环控制；
图5为本发明一个实施例在RTDS中所搭建的模型示意图；
其中，A-等值交流系统，B-受控负载，C-虚拟同步机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例提供了一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机，如图1所示，该虚拟同步机能模拟出同步机的惯性和调速器特性，并网运行可以减小系统的暂态有功缺额，降低频率偏差，有利于系统稳定。具体方案如下：一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机，采用模块化多电平换流器替代传统的两电平电压源换流器，虚拟同步控制器使用能产生虚拟惯量的d轴电流外环控制器，为电力系统提供暂态频率支撑。同时采用补偿d、q轴的耦合项的内环电流控制器，采用锁相环避免暂态过程过快产生过大的频率变化率ROCOF，以更好地适应虚拟同步控制对参考相位的要求。
本实施例一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法，该虚拟同步机使用能提供虚拟惯量的d轴外环控制器代替传统两电平电压源换流器的外环功率控制器，为电力系统提供暂态频率支撑。同时，采用了一种基于两相静止坐标(αβ坐标系)的锁相环，代替常用的同步坐标(dq坐标)锁相环，以更好地适应虚拟同步控制对参考相位的要求。包括以下步骤：
㈠、外环电流控制：如图2所示，根据同步机的典型二阶模型，同步机的惯量通过二阶转子机械方程体现到电力系统中。当系统的频率变化率为0时，虚拟同步机不向系统注入d轴电流，相应地，其有功功率为0。当系统受到扰动时，频率发生变化，虚拟同步机能够响应这种变化，及时改变d轴电流注入量，使用自己的虚拟惯量辅助电网调频。其体现出的虚拟惯量值为Jm。虚拟同步机的q轴电流可以根据需要，模拟同步发电机的励磁特性，也可沿用模块化多电平换流器的控制逻辑，进行定无功或定交流电压控制。为了更好地分析虚拟同步机在有功-频率方面的特性，摒除其他控制对此产生的影响，因而采取定q轴电流控制，并将q轴电流指令值设为0。
㈡、内环电流控制：如图3所示，模块化多电平换流器的交流电流通过阶梯波调制，在并网点生成相应的三相正弦电压进行控制。考虑到桥臂电抗器R0、 L0的作用，d、q轴的电压、电流之间会相互耦合。因而，在通过外环电流控制器得到电流指令后，采用相应的内环电流控制器，补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值，为阶梯波调制提供参考。
㈢、锁相环的控制：如图4所示，采用基于两相静止坐标(αβ坐标)的锁相环，避免暂态过程的过性导致过大的频率变化率ROCOF，以使虚拟同步机模拟真实同步机的有功特性。锁相环以电网三相坐标作为输入，对其进行αβ变换。所得的α、β轴电压分量分别通过一个以额定频率为中心频率的带通滤波器，再使用反正切函数(arctan)得到参考相角。由于带通滤波器的作用，该锁相环的输出不会迅速精确地跟踪电网频率，而是在一个通频带内随电网频率的变化而摇摆。
本实施例的控制方法包括以下几个环节，首先建立能提供虚拟惯量的d轴外环控制，通过频率反馈确定虚拟同步机的d轴电流，生成内环电流指令，然后该电流指令通过内环电流控制器和交流电流实测值作比较，同时，还使用内环电流控制实现d、q解耦，得到差模电压指令，以满足虚拟同步机的外特性需要。由于虚拟同步机对相位的参考要求不同于传统的电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)，本实施例还设计了一种两相静止坐标系αβ坐标的锁相环(Phase locked loop，PLL)，为虚拟同步机提供同步相位信号。最后利用内环电流控制器输出的差模电压指令和锁相环输出的同步相位信号来产生模块化多电平换流器各桥臂合适的触发脉冲，使模块化多电平换流器交流侧产生阶梯波电势，用以逼近电网的正弦波电压，完成调制过程，为电网注入有功功率。
为验证以上实施例所述一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机及控制方法的效果，通过实时数字仿真器(RTDS)进行仿真，如图5所示，在RTDS 中搭建模型，包括：等值交流系统A，受控负载B和虚拟同步机C。等值交流系统A的机电特性额定容量为555MVA，额定频率为60Hz，惯性时间常数为 H＝3.5MW.s/MWA。通过受控负载B的投入和切出，来模拟等值交流系统A受到的扰动，进而测试虚拟同步机的响应特性。
获取实际仿真波形曲线的具体操作方法如下：
①在RTDS中所搭建包括等值交流系统，受控负载和虚拟同步机的模型。
②在①所搭建的模型中，等值交流系统的机电特性额定容量为555MVA，额定频率为60Hz，惯性时间常数为H＝3.5MW.s/MWA，用作扰动的受控负荷在约t＝0.2s时投入，持续一秒钟后切出。通过受控负载的投入和切出，来模拟等值交流系统受到的扰动，进而测试虚拟同步机的响应特性。
③如果系统未接入虚拟同步机，当负荷投入时，交流系统需要为其提供额外有功功率，则交流系统的频率下降，频率变化率(ROCOF)变大。
④如果系统接入了虚拟同步机，虚拟同步机分担了本应由等值交流系统提供的有功功率，因而能减少交流系统的频率偏差。虚拟同步机还为系统带来了类似调速器的响应特性。无论是否考虑调速器，虚拟同步机都能减少系统的最大频率偏差。并且，虚拟同步机还降低了系统的频率变化率(ROCOF)，起到了稳定系统频率的作用。
在本实施例中，虚拟同步机C包括：模块化多电平换流器，虚拟同步控制器，内环电流控制器和锁相环。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法，其特征是，其中，虚拟同步机包括：模块化多电平换流器、虚拟同步控制器、内环电流控制器和锁相环；虚拟同步控制器产生虚拟惯量为电力系统提供暂态频率支撑；内环电流控制器补偿d、q轴的耦合项；锁相环避免暂态过程过快产生过大的频率变化率，为虚拟同步机提供参考相位；内环电流控制器输出的参考电压和锁相环输出的同步相位信号生成脉冲信号，用于触发模块化多电平换流器；其控制方法包括以下步骤：首先通过虚拟同步控制器实现能提供虚拟惯量的d轴外环控制，确定虚拟同步机的d轴电流，生成内环电流指令；内环电流指令经过内环电流控制器与交流电流实测值进行比较，通过内环电流控制器实现d、q解耦，得到差模电压指令；同时，采用锁相环控制为虚拟同步机提供同步参考相位；最后利用内环电流控制器输出的差模电压指令和锁相环输出的同步相位信号产生模块化多电平换流器各桥臂的触发脉冲，使模块化多电平换流器的交流侧产生相应的阶梯波电势，用以逼近电网的正弦波电压完成调制过程；所述控制方法的具体步骤如下：
⑴、虚拟同步控制器使用虚拟同步机的典型二阶模型，虚拟同步机的惯量通过二阶转子机械方程体现到电力系统中；虚拟同步控制器根据当前电力系统的频率变化率，判断是否向电力系统注入d轴电流；采取定q轴电流控制，将q轴电流指令值设为0；当电力系统的频率变化率为0时，虚拟同步控制器不向电力系统注入d轴电流，其有功功率为0；当电力系统受到扰动时，频率发生变化，虚拟同步控制器响应这种变化，通过改变d轴电流注入量，产生虚拟惯量辅助电力系统调频；
⑵、内环电流控制：在得到外环电流控制器发出的内环电流指令后，采用内环电流控制器补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值，为阶梯波调制提供参考电压；
⑶、锁相环的控制：锁相环以测量的电网三相坐标作为输入，对其进行αβ变换，所得α、β轴电压分量分别通过一个以额定频率为中心频率的带通滤波器，再使用反正切函数arctan得到参考相角；带通滤波器的作用使锁相环的输出在一个通频带内随电网频率的变化而摇摆，为阶梯波调制提供同步相位信号；
⑷、阀控制层触发脉冲的生成：通过内环电流控制器输出的差模电压指令值和锁相环输出的同步相位信号形成脉冲信号，触发模块化多电平换流器实现阶梯波调制。
2.如权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的虚拟同步机控制方法，其特征是，虚拟同步控制器采用d轴电流外环控制器，锁相环采用基于两相静止坐标αβ坐标的锁相环。
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