CN109995092A - 一种虚拟同步发电机控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种虚拟同步发电机控制策略，包括内环电压/电流控制器和外环频率/功率控制器；在电流控制器中，添加虚拟同步发电机输出电流反馈增益，实现对换流器输出电流的控制，并抑制了谐振峰的出现；在电压控制器中，采用重复控制器与积分环节的结合作为虚拟同步发电机机端电压补偿器，减小机端电压稳态误差的同时，实现干扰抑制；在频率/功率控制器中，于原有的系统频率比例调节的基础上，加入积分环节，实现二次调频的功能；在传统逆变器有功/频率下垂控制中加入一阶惯性环节，使得虚拟同步发电机具有与同步发电机相类似的惯性特性和阻尼特性。本发明控制策略能够增强系统频率的稳定性，减小虚拟同步发电机机端电压的失真，进一步提升虚拟同步发电机的输出性能。

Description

一种虚拟同步发电机控制策略
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，尤其涉及一种虚拟同步发电机控制策略。
背景技术
随着全球范围内的能源危机和环境问题的日益突出，分布式发电技术受到越来越多的关注，并网逆变器作为分布式电源与微电网的纽带，其运行特性得到了广泛研究。常规并网逆变器影响速度快，几乎没有转动惯量，难以参与电网调节，无法为含分布式电源的主动配电网提供必要的电压和频率支撑，更无法为稳定性相对较差的微电网提供必要的阻尼作用，即缺乏一种与配电网及微电网有效“同步”的机制。
借鉴传统电力系统的运行经验，在逆变器的控制策略中引入类似于同步发电机的调频调压特性，使得并网逆变器在机理上和外特性上均能与同步发电机相媲美，该类控制策略即为虚拟同步发电机(VirtualSynchronousGenerator，VSG)技术。
目前，关于VSG自身控制策略的研究，主要集中于VSG如何更好地模拟同步发电机的调速特性和励磁特性而展开，而VSG输出端所连接的LC滤波器通常并未被考虑在内。传统的LC滤波器由于无阻尼或欠阻尼，易产生较大的振荡，给系统造成不稳定的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种虚拟同步发电机控制策略，能够增强频率稳定性和减小电压失真。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种虚拟同步发电机控制策略，包括内环电压/电流控制器和外环频率/功率控制器；电压/电流控制器设计在离散z域中，其中，在电流控制器内，引入虚拟同步发电机输出电流的反馈增益，抑制谐振峰的出现；在电压控制器内，采用重复控制器和积分环节的结合作为虚拟同步发电机机端电压补偿器，减小虚拟同步发电机机端电压的稳态误差并实现干扰抑制；频率/功率控制器设计在连续s域中，其中，在系统频率比例调节中加入积分环节，实现对系统频率的无差调节；在传统逆变器有功/频率下垂控制中加入一阶惯性环节，使虚拟同步发电机具有与同步发电机类似的惯性特性和阻尼特性。
进一步地，所述虚拟同步发电机包括三相逆变器、输出端LC滤波器、虚拟同步发电机直流侧并联电容；外环频率/功率控制器在系统发生功率或频率振荡时，为系统提供功率或频率的支撑，外环频率/功率控制器输出虚拟同步发电机机端电压参考值和系统角速度参考值，作为内环电压/电流控制器的输入信号，电压/电流控制器对三相滤波电容电压的相位和幅值进行调节，使虚拟同步发电机对外等效为一个受控电压源，电压/电流控制器的输出，作为三相逆变器中每相桥臂电力电子器件IGBT的驱动信号。
进一步地，所述电压/电流控制器包括电压控制器、电流控制器、前馈系数、ZOH零阶保持器；电流控制器增加虚拟同步发电机输出电流的反馈增益，限制换流器的电流，并为LC滤波器提供阻尼；电压控制器采用重复控制器和积分环节的结合，减小稳态误差并抑制系统的干扰。
进一步地，所述重复控制器根据每个开关周期的虚拟同步发电机机端电压参考值与机端电压实际值间的差值来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，消除以后各基波周期中将出现的重复畸变。
进一步地，所述频率/功率控制器包括二次调频、下垂控制、调速环节、惯性环节、无功控制；所述二次调频为在自动频率调节器中加入积分环节，积分控制器会一直调整输出，实现无差控制；所述调速环节中加入有功功率的限幅环节，抗积分饱和；所述传统逆变器有功/频率下垂控制中引入一阶惯性环节，实现虚拟同步发电机模拟同步发电机外特性。
有益效果：本发明通过对虚拟同步发电机控制策略的改进，减小了虚拟同步发电机机端电压的稳态误差、抑制了系统谐振、对系统频率可实现无差调节，使得逆变器在系统发生功率或频率振荡的过程中具有了惯性，从整体上，进一步提升了虚拟同步发电机的输出性能。
附图说明
图1是虚拟同步发电机系统整体拓扑结构图；
图2是虚拟同步发电机的电压/电流控制器控制框图；
图3是虚拟同步发电机的电压/电流控制器z域控制框图；
图4是不同参数下传递函数Tiref_v(z)的Bode图；
图5是虚拟同步发电机的电压/电流控制器中Gv(z)的控制框图；
图6是虚拟同步发电机的频率/功率控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的虚拟同步发电机系统的整体拓扑结构，由三相逆变器和输出端的LC滤波器组成，Cdc和vdc分别为虚拟同步发电机直流侧并联电容容值和电容Cdc两侧的电压；Li和Cf分别为虚拟同步发电机输出端滤波电感值和滤波电容容值；iix(x＝a,b,c)和vcx(x＝a,b,c)分别为流过三相滤波电感Li的电流和三相滤波电容Cf两端的电压；ilx(x＝a,b,c)为流过三相负载的电流；V* cref为虚拟同步发电机机端电压参考值；fg和ω0分别为系统频率实际值和角速度的参考值。
虚拟同步发电机的控制策略由外环的频率/功率控制器和内环的电压/电流控制器共同组成，其中，外环的频率/功率控制器在系统发生功率或频率振荡时，能够为系统提供相应的功率或频率的支撑，并使得虚拟同步发电机在传统下垂控制的基础上，具有与同步发电机相类似的惯性特性和阻尼特性。该模块输出的V* cref和ω0t为内环电压/电流控制的输入信号，电压/电流控制器通过对vcx(x＝a,b,c)的相位和幅值进行调节，使得虚拟同步发电机对外等效为一个受控电压源，该模块的输出即为三相逆变器中每相桥臂电力电子器件IGBT的驱动信号。
如图2所示，电压/电流控制器框图，Gv、Gi、Gf分别为电压补偿器、电流补偿器、前馈系数；ZOH为零阶保持器；Δvc为虚拟同步发电机机端电压参考值vcref与虚拟同步发电机机端电压实际值vc间的差值；Δii(z)为流过滤波电感Li的电流参考值iiref与流过滤波电感Li的电流实际值ii经过电流反馈增益Dlf后的差值；vinv为虚拟同步发电机的虚拟电势。
电流控制器限制换流器的电流，并为LC滤波器提供阻尼，因此，ii应尽可能快速而准确地跟随其参考值iiref，在忽略il的情况下，vinv(s)和ii(s)、vc(s)间的s域传递函数通过求解式(1)可得式(2)。
考虑ZOH的影响，将式(2)由s域转换为z域，令可得附图3所示的在z域下的虚拟同步发电机内环电压/电流控制框图。
电流控制器在抑制系统谐振之余，更重要的是用于改善所连接的电压控制器性能，故分析式(3)所示的iiref(z)和vc(z)间的传递函数Tiref_v(z)。
由式(3)可知，Tiref_v(z)的极点受到Dlf和Gi(z)的影响，为了简化设计，将Gi(z)取为比例环节，增益为Ki。通过绘制Ki和Dlf取不同值时，Tiref_v(z)的零极点图，可知当(Dlf×Ki)的值增加时，系统逐渐趋于稳定，在(Dlf×Ki)＝4时，系统表现出的阻尼效果最好。
根据式(3)所示的传递函数Tiref_v(z)，绘制附图4所示的Bode图，由附图4可知，当系统不存在电流反馈环节，即：(Dlf＝0，Ki＝1)时，存在由于LC滤波器导致的谐振峰；当系统存在电流反馈环节，即：(Dlf＝4，Ki＝1)时，可以有效避免谐振峰的出现，且在100～1300Hz频带范围内存在单位增益。可见所设计的电流控制器由于增加了Dlf，使得系统整体性能得到了提升。
电压控制器为减小稳态误差并抑制系统的干扰，因此，本发明将附图2中Gv(z)设计为重复控制器与积分环节的结合，具体结构如附图5所示。附图5中，Kvi为积分环节的增益；z和Nr分别为周期延迟环节和一个基波周期的采样次数；Q(z)可以为低通滤波器或取为一个小于等于1的常数，以弱化积分效果；S(z)、z-Nr、Kr分别为低通滤波器、超前环节、重复控制器增益。
重复控制器根据每个开关周期的Δvc(z)来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除以后各基波周期中将出现的重复畸变。本发明中所采用的重复控制器由重复信号发生器内模单元和补偿器共同组成，忽略Kvi(z)，Δvc(z)可表示为式(4)。
对于离散系统，其稳定的充要条件为系统内的闭环极点，即特征方程中的特征根均在z平面的单位圆内，满足式(5)。
采用代替式(4)中的z，可得|Δvc(z)|如式(6)所示。
由式(6)可知，当满足Q(z)≈1且Tiref_v(z)≈1时，|Δvc(z)|有最小值，且H(z)的绝对值应取为尽量远离1的数，以避免谐波放大。
重复控制器的具体设计包括：
(1)S(z)的设计：S(z)作为重复控制器中重要的部分，其作用主要体现在：将逆变器控制对象中低频段的增益校正为1；抵消逆变器较高的谐振峰，使之不破坏系统的稳定性；增强前向通道的高频衰减特性，提高系统的稳定性以及抗高频干扰的能力。故将S(z)选为截止频率为500Hz的二阶巴特沃斯无限脉冲响应(IIR)低通滤波器。
(2)zkrp的设计：zkrp作为相位补偿环节，用来补偿由逆变器控制对象和滤波器所引入的总相位之后，使得在中低频段近似为零相移。在本专利中取Krp＝6。
(3)Kr的设计：Kr通常选为小于1的正常数，用来控制加入补偿量的强度，减小Kr，则Δvc(z)的收敛速度变缓，稳态误差有所上升，但系统的稳定性会增强。在本专利中以维持系统稳定性为首要目标，取Kr＝1。
如图6所示，频率/功率控制器控制框图，频率/功率控制器能够对系统的频率提供支撑，并使得虚拟同步发电机能够具有与同步发电机相类似的惯性特性和阻尼特性。
其中，fg_pu和fref_pu分别为系统频率实际值的标幺值和系统频率参考值的标幺值；Rd和Rq分别为系统频率和虚拟同步发电机输出有功功率间的下垂系数、虚拟同步发电机输出无功功率与虚拟同步发电机机端电压间的下垂系数；Pmax_pu和Pmin_pu分别为虚拟同步发电机输出有功功率最大值的标幺值和虚拟同步发电机输出有功功率最小值的标幺值；Kfi为用于二次调频的积分环节增益；Qg和Qref分别为虚拟同步发电机输出无功功率的实际值和参考值；TG、FHP、TCH、TRH分别为调速器时间常数、再热器增益、汽轮机时间常数、再热器时间常数；Pg和Pg_pu分别为虚拟同步发电机输出电磁功率实际值的有名值和标幺值；Pin_pu为虚拟同步发电机输入机械功率标幺值；Hi和Di分别为VSG的惯性时间常数和虚拟阻尼系数；fo、fo_pu、Δfo_pu分别为虚拟同步发电机输出频率的实际值、虚拟同步发电机输出频率实际值的标幺值；虚拟同步发电机输出频率实际值的标幺值fo_pu与系统频率参考值的标幺值fref_pu间的差值。
虚拟同步发电机在模拟同步发电机外特性时，通过在传统逆变器有功/频率下垂控制中引入一阶惯性环节实现，如式(7)摆动方程所示，其中，Hi使得逆变器在系统频率或功率波动的过程中具有惯性，Di使得逆变器具有阻尼系统功率振荡的能力，从而一定程度上缓解了传统逆变器外特性较硬的弊端。
现有的虚拟同步发电机控制策略中，大多将有功/频率控制器中的自动频率调节器取为比例环节，以模拟同步发电机输出有功功率和系统频率间的下垂特性。但仅采用比例环节对系统频率进行调节，只能使得虚拟同步发电机具有同步发电机的一次调频功能，而一次调频为有差调节，即fg_pu与fref_pu间的偏差通过反馈环节虽会逐渐减小，但无法完全消失使得fg_pu＝fref_pu。故本专利在自动频率调节器中加入积分环节，当fg_pu≠fref_pu时，积分控制器会一直调整输出，以实现无差控制，使得虚拟同步发电机具有二次调频功能。为了避免加入积分环节后出现积分饱和现象，本专利在调速器的控制设计中，在调速器模型前加入了有功功率的限幅环节，作为抗积分饱和的措施。

Claims (5)

1.一种虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，包括内环电压/电流控制器和外环频率/功率控制器；
电压/电流控制器设计在离散z域中，其中，在电流控制器内，引入虚拟同步发电机输出电流的反馈增益，抑制谐振峰的出现；在电压控制器内，采用重复控制器和积分环节的结合作为虚拟同步发电机机端电压补偿器，减小虚拟同步发电机机端电压的稳态误差并实现干扰抑制；
频率/功率控制器设计在连续s域中，其中，在系统频率比例调节中加入积分环节，实现对系统频率的无差调节；在传统逆变器有功/频率下垂控制中加入一阶惯性环节，使虚拟同步发电机具有与同步发电机类似的惯性特性和阻尼特性。
2.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述虚拟同步发电机包括三相逆变器、输出端LC滤波器、虚拟同步发电机直流侧并联电容；
外环频率/功率控制器在系统发生功率或频率振荡时，为系统提供功率或频率的支撑，外环频率/功率控制器输出虚拟同步发电机机端电压参考值和系统角速度参考值，作为内环电压/电流控制器的输入信号，电压/电流控制器对三相滤波电容电压的相位和幅值进行调节，使虚拟同步发电机对外等效为一个受控电压源，电压/电流控制器的输出，作为三相逆变器中每相桥臂电力电子器件IGBT的驱动信号。
3.根据权利要求2所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述电压/电流控制器包括电压控制器、电流控制器、前馈系数、ZOH零阶保持器；电流控制器增加虚拟同步发电机输出电流的反馈增益，限制换流器的电流，并为LC滤波器提供阻尼；电压控制器采用重复控制器和积分环节的结合，减小稳态误差并抑制系统的干扰。
4.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述重复控制器根据每个开关周期的虚拟同步发电机机端电压参考值与机端电压实际值间的差值来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，消除以后各基波周期中将出现的重复畸变。
5.根据权利要求2所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述频率/功率控制器包括二次调频、下垂控制、调速环节、惯性环节、无功控制；所述二次调频为在自动频率调节器中加入积分环节，积分控制器会一直调整输出，实现无差控制；所述调速环节中加入有功功率的限幅环节，抗积分饱和；所述有功-频率下垂控制中引入一阶惯性环节，实现虚拟同步发电机模拟同步发电机惯量和阻尼的目的。
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