CN110011310B - 一种应对电网谐波的改进vsg控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，属于VSG的电能质量技术领域。有效抑制了当电网含有谐波时VSG并网点电流的谐波含量。首先建立VSG等效模型，在分析电网谐波对入网电流影响的基础上，提出一种基于改进的双二次广义积分的电感电流参考值算法，用惯性积分环节替代电网电压的全前馈控制中的微分运算，并分析相应电流调节器机理，从而选择相应的电流调节器实现电流跟踪和谐波抑制。

Description

一种应对电网谐波的改进VSG控制策略
技术领域
本发明涉及一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，属于VSG的电能质量技术领域。
背景技术
随着电力系统中分布式逆变电源装机容量的增加，传统同步发电机装机容量比例逐步下降。由于以电力电子变换器为接口的分布式发电系统缺乏传统同步发电机所具有的惯性和阻尼，因而电力系统更容易受到功率波动和系统故障的影响。VSG使基于并网逆变器的分布式电源从外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性，能够为电网提供一定的惯性和阻尼，从而改善分布式系统的稳定性。
然而在实际运行中，电网电压往往含有谐波成分，这些电网电压谐波会给并网电流引入相同频次的谐波，直接影响到VSG输出的电流质量。针对分布式电源接入电网，国内外相关部门制定了一系列标准和技术规范，用来保证并网电能质量。对于常规逆变器在电网电压畸变下的控制，有基于网侧电感电压微分量和并网电流反馈的双闭环控制策略，有效抑制背景谐波对并网电流的影响；基于谐振滑模的直接功率控制策略，向电流环引入电网电压前馈分量相位超前补偿环节，以改善逆变器故障穿越瞬间电流过冲现象；无谐波检测的三相并网逆变器谐波灵活控制方法，在不需要进行谐波电流检测的前提下，可实现对本地负载谐波电流的有效补偿，抑制电网背景谐波电压对输出电流的负面影响。而基于电压型控制的VSG的并网电流由逆变器电压和电网电压共同作用产生，所以抑制电网电压畸变对并网电流影响的同时还需抑制逆变器电压基波成分的作用。
对于VSG在电网电压畸变下的控制，直接电压式系统将虚拟阻抗与相量限流相结合的方法，有效限制了故障电流暂态和稳态成分；通过对正负序电流参考值分别控制，实现了VSG在电网电压不平衡状态下输出电流平衡；基于陷波器的电网电压前馈补偿策略，很好的实现了对并网电流特定次谐波的抑制；一种基于双二次广义积分的电感电流参考值改进算法，采用电网电压前馈的方法消除电网电压谐波带来的影响，从而在全频域内改善了输出电流质量，但电网电压的全前馈控制过程需要进行微分运算，容易引入额外的谐波分量，并且使响应时间变慢。因而，应对电网存在谐波的情况，有必要找到合适的并网电流谐波抑制方法，使之既在全频域内改善输出电流质量，又不会受到微分运算的影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，解决传统VSG谐波抑制方法只针对特定次谐波或需要进行微分运算的问题，容易引入额外的谐波分量，并且使响应时间变慢。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，包括：
步骤1：加入基于改进的双二次广义积分的电感电流参考值算法；
步骤2：将电网电压的全前馈控制过程进行的微分运算用惯性积分环节替代；
步骤3：最后依据VSG的特性选择相应的电流调节器实现电流跟踪。
步骤1：首次将基于改进的双二次广义积分的电感电流参考值算法加入，使电感电流跟踪的参考值谐波含量更小，入网电流的谐波分量得到很大抑制，VSG等效模型表明，含谐波时的电网电压可以分解成基波分量和谐波分量，基于双二次广义积分(DSOGI)的方法延时小、动态性能好，增加此模块不会给整个控制环节带来明显影响，在电网电压含多次谐波时，基于DSOGI-QSG的基波正序分离方法会受到谐波的影响，原有的基础上加入了谐波消除模块，消除各次谐波对基波分量提取的影响。
步骤2：LCL并网逆变器采用改进电感电流参考值策略仅能消除电网电压对并网点电流的部分影响，需要找出适合于逆变器侧电流反馈LCL并网逆变器的电网电压前馈策略，以消除电网电压对并网点电流的影响，适合将电网电压信号前馈到实际控制系统中的位置只能是在电流调节器前和电流调节器后，A和B为待定的传递函数,其表达式为：
Figure GDA0003920120160000021
传递函数A和B中含有微分运算，容易引入额外的谐波分量，所以本步骤2将微分环节s用惯性积分环节代替，使之起到相同的效果，惯性积分环节传递函数表达式为：
Figure GDA0003920120160000031
其中m为近似系数，
在对电感电流参考值进行谐波抑制的改进后，通过电网电压前馈控制对谐波进行进一步的抑制，在进一步的控制中，在本步骤2加入经过替代后的特定传递函数之后，减小微分运算给系统带来的额外的谐波分量和响应时间，消除了电网电压对并网点电流谐波含量的影响。
步骤3：在对电流参考值和电压反馈值进行跟踪时，电流调节器起到重要的作用，其对控制系统的响应时间，复杂程度都有一定程度的影响；
对于基于电网电压定向的矢量控制方法，当电网电压含有谐波等干扰时，就会直接影响电网电压基波矢量相位角的检测，从而影响此方法矢量定向的准确度及控制性能，为了抑制电网电压对矢量定向及控制性能的影响，传统的改进方式可以采用基于虚拟磁链定向的矢量控制，其磁链矢量的位置角计算公式如下：
Figure GDA0003920120160000032
VSG所生成的参考相位与基于虚拟磁链定向的矢量控制所得到的相位基本吻合，而VSG所生成的参考相位是模拟同步发电机所必需的一个环节，这个参考相位不仅可以用来生成参考电压，在坐标变换时同样可以使用，本步骤3将VSG所生成的参考相位用于坐标变换，省去了上述基于虚拟磁链定向的矢量控制的环节，使控制系统更加简单，采用典型的PI调节器结合VSG生成的参考相位的方法，来实现对交流电流的无静差控制。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，将改进的基于双二次广义积分法用于提取电网电压测量值的基波正序分量，使得电感电流参考值谐波分量大大降低；将电网电压的全前馈控制过程需要进行的微分运算用惯性积分环节替代，消除了微分环节可能引入的额外的谐波分量，不会影响到系统的响应时间。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为VSG控制框图；
图2为VSG控制下并网逆变器模型；
图3为电网电压和逆变器侧电流反馈控制方案的等效模型；
图4为基于SOGI-QSG的自适应滤波器；
图5为D(s)与增益k的变化关系bode图；
图6为改进的基于DSOGI-QSG的基波正序分量提取原理框图；
图7为电网电压前馈控制框图；
图8为基于虚拟磁链定向的矢量控制的矢量图；
图9为虚拟磁链的算法框图；
图10为基于虚拟磁链定向和VSG生成参考相位对比图。
具体实施方式
如图1所示的VSG控制框图，由Pref、Qref通过VSG控制算法得到参考电压的幅值及相位角，输出电压参考指令。对于基于LCL型滤波器的并网逆变器，其VSG控制下系统模型可用图2等效，其中u0、uC、uPCC、ug分别为并网逆变器输出电压、电容电压、并网点电压和电网电压；iL和ig分别为并网逆变器侧输出电流和电网侧输出电流；L1、L2、R1、R2、C分别为LCL滤波器电感、滤波器电感内阻和电容；ZG为电网阻抗；ZVSG为虚拟同步发电机的等效输出阻抗。
图3中，ugc和iLc分别为电网电压测量值和逆变器侧电流测量值。根据图3所示控制框图，得到系统闭环传递函数：
ig＝Gi(s)iref+Gg(s)ug (1)
其中
Figure GDA0003920120160000041
由此可见，采用逆变器侧电流iL反馈的LCL并网逆变器并网点电流ig一方面受电感电流参考值iref影响，另一方面受电网电压ug影响。实际运行情况下，电网电压中含有一定的谐波时，电网电压可以分解为基波分量和谐波分量。相应的，电感电流参考值受电网电压影响，含有基波分量和谐波分量；同时，电网电压对入网电流的扰动分量中也同样包含谐波分量，这直接使并网点电流ig中含有大量的谐波，如果控制参数或滤波参数设计不当，电网电流的质量可能会低于某些标准的规定，不利于系统的稳定运行。对此，需要分别从改进电感电流参考值和消除电网电压影响两个方面对控制策略进行改进。由于功率环带宽较低，从VSG功率外环输出电压参考值e只含有基波正序分量，从iref的表达式可以看出电感电流参考值与电网电压测量值ugc有直接关系。所以，对于电感电流参考值的改进，需要提取出电网电压测量值的基波分量，从而计算出无谐波影响的电感电流参考值；对于电网电压ug的改进，需要在控制环内加入特定的反馈环节，从而消除ug对输出电流的影响。
常用的基波正序分量提取方法中，基于双二次广义积分(DSOGI)的方法延时小、动态性能好，增加此模块不会给整个控制环节带来明显影响。故本发明将选用改进的DSOGI来提取电网电压基波正序分量，计算电感电流参考值。如图4所述的基于二阶广义积分器的正交信号发生器(SOGI-QSG)原理框图，其中v为输入量，v’和qv’为信号发生器的两个输出量，v’和v的基波正序分量幅值相等，相位相同，qv’和v的幅值相等，但其相位滞后90°。
正交信号发生器中k值取值判断：由图4可知，SOGI-QSG系统的传递函数为：
Figure GDA0003920120160000051
由图5波德图可见，k值越小，滤波效果越好，但是响应速度变慢，所以，根据实际折中考虑滤波效果与响应时间，选取
Figure GDA0003920120160000052
改进的基波正序分量提取原理框图如图6所示。由于在电网电压含多次谐波时，基于DSOGI-QSG的基波正序分离方法会受到谐波的影响，所以在图6中加入了谐波消除模块，消除各次谐波对基波分量提取的影响。其中，修正系数中的n值为谐波最高次数。
由式(1)可知，LCL并网逆变器采用改进电感电流参考值策略仅能消除电网电压对并网点电流的部分影响，因此需要找出适合于逆变器侧电流反馈LCL并网逆变器的电网电压前馈策略，以消除电网电压对并网点电流的影响。从图3可以看出，适合将电网电压信号前馈到实际控制系统中的位置只能是在电流调节器前和电流调节器后，如图7所示，其中A和B为待定的传递函数。
由图7可得：
ig＝Gi(s)iref+Ggf(s)ug (3)
其中
Figure GDA0003920120160000061
如要彻底消除电网电压对电网电流的影响，则须满足：
Figure GDA0003920120160000062
传递函数A和B中含有微分运算，容易引入额外的谐波分量，所以本发明考虑将微分环节s用惯性积分环节代替，使之起到相同的效果。惯性积分环节传递函数如式(5)，其中m为近似系数。
Figure GDA0003920120160000063
根据参考坐标系选择的不同，其控制设计主要分为基于同步旋转坐标系及基于静止坐标系的两种结构的控制设计。基于同步旋转坐标系的控制设计而言，采用经典的PI调节器即可实现交流信号的无静差控制；而对于基于静止坐标系的控制设计而言，可采用比例谐振(PR)调节器。PI调节器和PR调节器的传递函数GPI(s)和GPR(s)分别为：
Figure GDA0003920120160000064
Figure GDA0003920120160000065
对于三相VSG的并网控制而言，采用基于同步旋转坐标系的控制设计十分方便，并且相对PR调节器而言，PI调节器的设计与整定比较容易。另外，相对静止坐标系下的并网控制而言，基于同步旋转坐标系的控制设计具有有功分量和无功分量的解耦特性。

Claims (3)

1.一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，其特征在于，包括：
步骤1：加入基于改进的双二次广义积分的电感电流参考值算法；
步骤2：将电网电压的全前馈控制过程进行的微分运算用惯性积分环节替代，LCL并网逆变器采用改进电感电流参考值策略仅能消除电网电压对并网点电流的影响，需要找出适合于逆变器侧电流反馈LCL并网逆变器的电网电压前馈策略，以消除电网电压对并网点电流的影响，适合将电网电压信号前馈到实际控制系统中的位置只能是在电流调节器前和电流调节器后，A和B为待定的传递函数,其表达式为：
Figure FDA0003920120150000011
L1为LCL滤波器电感、R1为滤波器电感内阻，C为滤波器电容，KPWM为逆变器的等效增益；
传递函数A和B中含有微分运算，容易引入额外的谐波分量，所以本步骤2将微分环节s用惯性积分环节代替，使之起到相同的效果，惯性积分环节传递函数表达式为：
Figure FDA0003920120150000012
其中m为近似系数，
在对电感电流参考值进行谐波抑制的改进后，通过电网电压前馈控制对谐波进行抑制，在控制中，在本步骤2加入经过替代后的传递函数之后，减小微分运算给系统带来的额外的谐波分量和响应时间，消除了电网电压对并网点电流谐波含量的影响；
步骤3：最后依据VSG的特性选择相应的电流调节器实现电流跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，其特征在于，所述的步骤1：首次将基于改进的双二次广义积分的电感电流参考值算法加入，使电感电流跟踪的参考值谐波含量更小，入网电流的谐波分量得到抑制，VSG等效模型表明，含谐波时的电网电压能分解成基波分量和谐波分量，基于双二次广义积分DSOGI的方法延时小、动态性能好，增加此模块不会给整个控制环节带来明显影响，在电网电压含多次谐波时，基于DSOGI-QSG的基波正序分离方法会受到谐波的影响，原有的基础上加入了谐波消除模块，消除各次谐波对基波分量提取的影响。
3.根据权利要求1所述的一种应对电网谐波的改进VSG控制策略，其特征在于，所述的步骤3：在对电流参考值和电压反馈值进行跟踪时，电流调节器起到重要的作用，其对控制系统的响应时间，复杂程度都有影响；
对于基于电网电压定向的矢量控制方法，当电网电压含有谐波干扰时，就会直接影响电网电压基波矢量相位角的检测，从而影响此方法矢量定向的准确度及控制性能，为了抑制电网电压对矢量定向及控制性能的影响，传统的改进方式能采用基于虚拟磁链定向的矢量控制，其磁链矢量的位置角计算公式如下：
Figure FDA0003920120150000021
VSG所生成的参考相位与基于虚拟磁链定向的矢量控制所得到的相位吻合，而VSG所生成的参考相位是模拟同步发电机所必需的一个环节，这个参考相位不仅能用来生成参考电压，在坐标变换时同样能使用，本步骤3将VSG所生成的参考相位用于坐标变换，省去了上述基于虚拟磁链定向的矢量控制的环节，使控制系统更加简单，采用典型的PI调节器结合VSG生成的参考相位的方法，来实现对交流电流的无静差控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110556830B (zh) * 2019-08-26 2021-09-24 深圳市慧能互联科技有限公司 一种有源电力滤波器锁相方法
CN112821825B (zh) * 2020-12-31 2022-10-04 华北水利水电大学 一种提高双馈风电场高电压穿越能力的无功控制方法
CN113241765B (zh) * 2021-05-25 2022-10-04 合肥工业大学 并网逆变器全等效并联电阻有源阻尼控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10257674A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Mitsubishi Electric Corp モデリング方法、予測方法及び系統安定化制御方法
CN106684921A (zh) * 2017-03-20 2017-05-17 重庆大学 基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10257674A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Mitsubishi Electric Corp モデリング方法、予測方法及び系統安定化制御方法
CN106684921A (zh) * 2017-03-20 2017-05-17 重庆大学 基于虚拟同步发电机的逆变器二次调频控制电路

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