CN110048439A - 一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,首先,在建立VSG线频平均小信号模型时,为避免VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替,平均值计算消除了2fline处的波动;然后对建立的VSG线频平均小信号模型进行解耦设计,消除功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合,因为这给系统分析和参数设计带来了困难;最后,进行有功、无功功率闭环控制器参数设计。该控制方案抑制了VSG瞬时输出功率出现频率为2fline的波动。同时,在线频平均小信号模型基础上给出了有功和无功功率控制解耦的条件,并提出了一种简易参数设计流程。

Description

一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域,尤其涉及一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方案。
背景技术
分布式发电系统(distributed generation,DG)中并网逆变器担负着向电网馈送高质量电能和对电网支持等任务。当DG功率占比增大之后,对电网稳定性有重要影响。按照模拟传统同步发电机的思路,虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术被提出,以控制并网逆变器来模拟同步发电机行为,从而实现DG对电网的有效支撑。当负载或电网电压不平衡时,VSG的输出将出现两倍于线路频率fline的脉动,这对重要负载是不利的。故VSG的功率闭环带宽应远小于2fline以衰减输出脉动。同时,其他一些传统的控制要求,例如系统稳定性和鲁棒性,以及动态性能,也应考虑在VSG参数设计中。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方案整个控制方案由有功控制和无功控制实现,在有功控制中引入了P-ω下垂机制,同时利用积分项引入了虚拟惯性,在无功控制中引入了Q-V下垂机制,同样,虚拟惯性由积分项实现。当逆变器带不平衡负载或并网电压不平衡时,VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,并反映在电压参考的频率和幅值上,使得VSG的电容电压波形失真。为了避免这个问题,有功和无功功率闭环必须设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一
一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤1、建立VSG线频平均小信号模型,在建立VSG线频平均小信号模型时,为避免VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替,平均值计算消除了2fline处的波动;
步骤2、对建立的VSG线频平均小信号模型进行解耦设计,消除功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合;
步骤3、进行有功、无功功率闭环控制器参数设计。
在上述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,所述步骤1具体包括:
为避免逆变器带不平衡负载或并网电压不平衡时,VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,有功和无功功率闭环必须设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制。故在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替,即有功和无功功率在半个周期Tline/2内的平均值,平均值计算消除了2fline处的波动。
在建立的有功和无功功率控制器的小信号模型中,有功和无功功率控制器可等效为比例环节加一阶低通滤波环节,比例环节和一阶低通滤波环节分别对应下垂系数和积分项,反映了下垂机制和虚拟惯性。
在上述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,所述步骤2具体包括:
由于建立的VSG小信号模型中有功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合,这给系统分析和参数设计带来了困难,需进行解耦设计。
如果满足有功率回路的开环增益Tp(s)和无功率回路的开环增益Tq(s)的相角裕度PM大于30°和短路比ISC/In(In为标称电流,ISC是PCC处短路电流)不小于10,则可忽略耦合效应。忽略耦合效应后,有功和无功功率回路的控制参数可独立设计,大大简化了设计过程。通常,可以通过调整有功和无功功率回路的控制参数来满足前一个条件,对于后一个条件,VSG是始终满足的。
在上述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,有功功率闭环控制器参数设计是在有功功率闭环控制器中,需确定积分系数Kip和下垂系数Dp。通常,Dp由相关电网标准决定,而Kip则由控制性能决定。较小Kip可得到较低fpL(控制器中一阶低通滤波器环节的转折频率),从而对2fline脉动具有更好衰减。但当fpL减小时,由一阶低通滤波器引入的相位滞后增加,导致有功功率闭环控制器PM减小,系统稳定性降低。因此,需折衷选取Kip。在截止频率fpc处的有功功率闭环增益幅值为1。
具体包括:
步骤4.1、确定有功功率闭环增益。通常,PM需要在30°至70°范围内,以实现良好的动态响应和鲁棒性,定义ap为2fline处有功功率闭环增益的幅值要求,设置ap≤0.1以确保2fline处的脉动衰减。
步骤4.2、根据限制,绘出Kip作为fpc的函数曲线,确定最大截止频率fpcmax和最小截止频率fpcmin
步骤4.3、在步骤4.2的基础上选择合适的fpc。为了提高系统的动态性能,尽量在满足要求的前提下选择较大的fpc。确定fpc后,Kip也随之确定。
在上述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,无功功率闭环控制器参数设计是在无功功率闭环控制器中,需要确定积分系数Kiq和下垂系数Dq。通常,Dq由相关电网标准决定,而Kiq则由控制性能决定。与有功功率闭环控制器分析类似,随着Kiq的减小,无功功率闭环控制器中一阶低通滤波器环节的转折频率fqL减小,对2fline脉动有更好衰减,以及更低的PM和更慢的动态响应。故需折衷选择Kiq。无功功率闭环控制器中只有一阶低通滤波器,滤波器引入的最大相位滞后为-90°,这意味着最小PM为90°,即始终满足PM限制,只需考虑2fline处脉动衰减要求以及动态性能即可。Kiq的上限为Kiqmax,Kiq无下限限制,因为PM总是符合要求的。然而,当Kiq减小时fqL减小,这会影响系统的动态性能,因此Kiq不应该太小。在实际中,通常选择Kiq略小于Kiqmax,以确保较好的衰减、鲁棒性和动态性能。无功功率闭环控制器参数设计步骤与有功功率控制器类似,此处不再赘述。
在上述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,VSG线频平均小信号模型中将有功和无功功率闭环设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制,在此基础上,分析了VSG有功功率和无功功率控制闭环耦合效应和解耦条件,并提出了一种简单的VSG参数设计方法,综合考虑了系统稳定裕度,两倍线频脉动衰减和动态性能要求。
本发明的有益效果:该方案避免了当逆变器带不平衡负载或并网电压不平衡时,VSG瞬时输出功率出现频率为2fline的波动,导致VSG的电容电压波形失真的问题。同时,在线频平均小信号模型基础上给出了有功和无功功率控制解耦的条件,并提出了一种简易参数设计流程。
附图说明
图1为本发明一个实施例设计的VSG控制框图。
图2为本发明一个实施例设计的VSG线频平均小信号模型。
图3为本发明一个实施例的忽略耦合项时的VSG线频平均小信号模型有功功率闭环控制器。
图4为本发明一个实施例的忽略耦合项时的VSG线频平均小信号模型无功功率闭环控制器。
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线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方案,该方案通过建立VSG线频平均小信号模型,使得VSG的有功和无功功率闭环控制带宽远小于线路频率的两倍,以对电网或负载不平衡工况下出现的两倍线频脉动进行抑制。具体方案如下:
VSG线频平均小信号模型建立,有功功率和无功功率闭环解耦以及VSG控制器参数设计。其控制方法包括以下步骤:首先,在建立VSG线频平均小信号模型时,为避免VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替,平均值计算消除了2fline处的波动;然后对建立的VSG线频平均小信号模型进行解耦设计,消除功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合,因为这给系统分析和参数设计带来了困难;最后,进行有功、无功功率闭环控制器参数设计。
在上述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方案中,所述控制方法的具体步骤如下:
(1)、VSG线频平均小信号模型:
为避免逆变器带不平衡负载或并网电压不平衡时,VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,有功和无功功率闭环必须设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制。故在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替,即有功和无功功率在半个周期Tline/2内的平均值,平均值计算消除了2fline处的波动。
在建立的有功和无功功率控制器的小信号模型中,有功和无功功率控制器可等效为比例环节加一阶低通滤波环节,比例环节和一阶低通滤波环节分别对应下垂系数和积分项,反映了下垂机制和虚拟惯性。
(2)、有功功率和无功功率闭环解耦:
由于建立的VSG小信号模型中有功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合,这给系统分析和参数设计带来了困难,需进行解耦设计。
如果满足有功率回路的开环增益Tp(s)和无功率回路的开环增益Tq(s)的相角裕度PM大于30°和短路比ISC/In(In为标称电流,ISC是PCC处短路电流)不小于10,则可忽略耦合效应。忽略耦合效应后,有功和无功功率回路的控制参数可独立设计,大大简化了设计过程。通常,可以通过调整有功和无功功率回路的控制参数来满足前一个条件,对于后一个条件,VSG是始终满足的。
(3)、VSG控制器参数设计:
有功功率闭环控制器参数设计:在有功功率闭环控制器中,需确定积分系数Kip和下垂系数Dp。通常,Dp由相关电网标准决定,而Kip则由控制性能决定。较小Kip可得到较低fpL(控制器中一阶低通滤波器环节的转折频率),从而对2fline脉动具有更好衰减。但当fpL减小时,由一阶低通滤波器引入的相位滞后增加,导致有功功率闭环控制器PM减小,系统稳定性降低。因此,需折衷选取Kip。在截止频率fpc处的有功功率闭环增益幅值为1。
有功功率闭环控制器的参数设计过程如下。
步骤1):确定有功功率闭环增益。通常,PM需要在30°至70°范围内,以实现良好的动态响应和鲁棒性,定义ap为2fline处有功功率闭环增益的幅值要求,设置ap≤0.1以确保2fline处的脉动衰减。
步骤2):根据限制,绘出Kip作为fpc的函数曲线,确定最大截止频率fpcmax和最小截止频率fpcmin
步骤3):在步骤2)的基础上选择合适的fpc。为了提高系统的动态性能,尽量在满足要求的前提下选择较大的fpc。确定fpc后,Kip也随之确定。
无功功率闭环控制器参数设计:在无功功率闭环控制器中,需要确定积分系数Kiq和下垂系数Dq。通常,Dq由相关电网标准决定,而Kiq则由控制性能决定。与有功功率闭环控制器分析类似,随着Kiq的减小,无功功率闭环控制器中一阶低通滤波器环节的转折频率fqL减小,对2fline脉动有更好衰减,以及更低的PM和更慢的动态响应。故需折衷选择Kiq。无功功率闭环控制器中只有一阶低通滤波器,滤波器引入的最大相位滞后为-90°,这意味着最小PM为90°,即始终满足PM限制,只需考虑2fline处脉动衰减要求以及动态性能即可。Kiq的上限为Kiqmax,Kiq无下限限制,因为PM总是符合要求的。然而,当Kiq减小时fqL减小,这会影响系统的动态性能,因此Kiq不应该太小。在实际中,通常选择Kiq略小于Kiqmax,以确保较好的衰减、鲁棒性和动态性能。无功功率闭环控制器参数设计步骤与有功功率控制器类似,此处不再赘述。
在上述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方案中,VSG线频平均小信号模型中将有功和无功功率闭环设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制,在此基础上,分析了VSG有功功率和无功功率控制闭环耦合效应和解耦条件,并提出了一种简单的VSG参数设计方法,综合考虑了系统稳定裕度,两倍线频脉动衰减和动态性能要求。
下面结合附图对本本发明进行具体说明。
本发明包括以下步骤:
(一)、VSG控制框图:如图1所示,三相电压源型逆变器经由LC滤波器连接到公共耦合点PCC(Point of Common Coupling),其中L1为滤波电感,Cf为滤波电容,Zg为PCC处的并网阻抗。v和v是αβ轴电容电压,i和i是αβ轴注入电网的电流,P和Q分别为VSG输出有功和无功功率。
有功功率参考值Pref由设定值Pset和下垂值Pdroop组成。其中Pdroop由电容电压角频率ω和标称角频率ωn并结合下垂系数Dp计算得到,其中ω是由锁相环计算得到的。VSG中引入了P-ω下垂机制,同时积分项Kip/s同时引入了虚拟惯性。无功功率控制器的工作原理类似于有功功率控制器,同样引入了Q-V下垂机制,虚拟惯性由积分项Kiq/s实现。
引入αβ坐标系下的电容电压控制器,可使电容电压精确地跟踪电压参考值。电容电压控制器的输出给PWM生成模块得到开关器件Q1至Q6的驱动脉动。通过适当地设计电容电压控制闭环,电容电压可以准确地跟踪电压参考。
(二)、VSG线频平均小信号模型:如图2所示,有功和无功功率控制器可等效为比例环节加一阶低通滤波环节,比例环节和一阶低通滤波环节分别对应图1中下垂系数和积分项,对应反映了下垂机制和虚拟惯性。图1中的电容电压控制闭环,包括电压参考值计算、电容电压控制器,PWM生成模块和LC滤波器,可被认为是功率环中的前向通路跟随器。从图2中的VSG小信号模型框图可看出,有功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合,这给系统分析和参数设计带来了困难,需进行解耦设计。
(三)、忽略耦合项时的VSG线频平均小信号模型有功功率闭环控制器:如图3所示,忽略耦合效应后图2中VSG线频平均小信号模型可简化为图3。
(四)、忽略耦合项时的VSG线频平均小信号模型无功功率闭环控制器:如图4所示,忽略耦合效应后图2中VSG线频平均小信号模型可简化为图4。
本实施例的控制方法包括以下几个环节,首先,进行VSG线频平均小信号建模,为避免逆变器带不平衡负载或并网电压不平衡时,VSG瞬时输出功率出现频率为2fline的波动,引起VSG的电容电压波形失真。有功和无功功率闭环必须设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制。故在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替。有功和无功功率控制器可等效为比例环节加一阶低通滤波环节,比例环节和一阶低通滤波环节分别对应下垂系数和积分项,对应反映了下垂机制和虚拟惯性。然后,进行解耦设计,如果满足有功率回路的开环增益Tp(s)和无功率回路的开环增益Tq(s)的相角裕度PM大于30°和短路比ISC/In(In为标称电流,ISC是PCC处短路电流)不小于10,则可忽略耦合效应。忽略耦合效应后,有功和无功功率回路的控制参数可独立设计,大大简化了设计过程。通常,可以通过调整有功和无功功率回路的控制参数来满足前一个条件,对于后一个条件,VSG是始终满足的。最后,进行VSG控制器参数设计确定积分系数Kip和Kiq来满足满足有功率回路的开环增益Tp(s)和无功率回路的开环增益Tq(s)的相角裕度PM大于30°的要求。
为验证以上实施例所述一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方案的效果,搭建了10kVA三相逆变器原理样机进行测试。逆变器由六个IGBT模块(CM100DY-24NF)构成,驱动器选型为M57962L。电压量由LV25-P传感器测量,电流则采用LA55-P传感器测量。电量由AD采样芯片MAXIM-1324ECM采样。VSG算法基于DSP芯片实现,有功和无功功率在DSP中计算后通过DA转换芯片输出。采用可编程交流电源模拟电网,可任意设置电压频率和幅值,以测试VSG的动态性能。
原理样机参数
仿真结果:具有较优良的稳态和动态性能,输出有功和无功功率能准确地跟踪设定值并具有较小的超调量,VSG对负载阶跃变化的响应很快。同时,VSG输出电压频率和幅值随输出有功和无功功率的增加而减小,反映了VSG的P-ω和Q-V下垂特性。
本方案对电网或负载不平衡工况下出现的两倍线频脉动进行了抑制,分析了VSG有功功率和无功功率控制闭环耦合效应和解耦条件,并提出了一种简单的VSG参数设计方法,综合考虑了系统稳定裕度,两倍线频脉动衰减和动态性能要求。
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 (6)

1.一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤1、建立VSG线频平均小信号模型,在建立VSG线频平均小信号模型时,为避免VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替,平均值计算消除了2fline处的波动;
步骤2、对建立的VSG线频平均小信号模型进行解耦设计,消除功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合;
步骤3、进行有功、无功功率闭环控制器参数设计。
2.如权利要求1所述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,其特征是,所述步骤1具体包括:
为避免逆变器带不平衡负载或并网电压不平衡时,VSG瞬时输出功率将出现频率为2fline的波动,有功和无功功率闭环必须设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制;故在设计VSG低带宽功率闭环时,对瞬时功率值采用其低频平均值代替,即有功和无功功率在半个周期Tline/2内的平均值,平均值计算消除了2fline处的波动;
在建立的有功和无功功率控制器的小信号模型中,有功和无功功率控制器可等效为比例环节加一阶低通滤波环节,比例环节和一阶低通滤波环节分别对应下垂系数和积分项,反映了下垂机制和虚拟惯性。
3.如权利要求1所述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,其特征是,所述步骤2具体包括:
由于建立的VSG小信号模型中有功功率回路和无功功率回路存在固有的耦合,这给系统分析和参数设计带来了困难,需进行解耦设计;
如果满足有功率回路的开环增益Tp(s)和无功率回路的开环增益Tq(s)的相角裕度PM大于30°和短路比ISC/In(In为标称电流,ISC是PCC处短路电流)不小于10,则可忽略耦合效应;忽略耦合效应后,有功和无功功率回路的控制参数可独立设计,大大简化了设计过程;通常,可以通过调整有功和无功功率回路的控制参数来满足前一个条件,对于后一个条件,VSG是始终满足的。
4.如权利要求1所述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,其特征是,有功功率闭环控制器参数设计是在有功功率闭环控制器中,需确定积分系数Kip和下垂系数Dp;通常,Dp由相关电网标准决定,而Kip则由控制性能决定;较小Kip可得到较低fpL(控制器中一阶低通滤波器环节的转折频率),从而对2fline脉动具有更好衰减;但当fpL减小时,由一阶低通滤波器引入的相位滞后增加,导致有功功率闭环控制器PM减小,系统稳定性降低;因此,需折衷选取Kip;在截止频率fpc处的有功功率闭环增益幅值为1;
具体包括:
步骤4.1、确定有功功率闭环增益;通常,PM需要在30°至70°范围内,以实现良好的动态响应和鲁棒性,定义ap为2fline处有功功率闭环增益的幅值要求,设置ap≤0.1以确保2fline处的脉动衰减;
步骤4.2、根据限制,绘出Kip作为fpc的函数曲线,确定最大截止频率fpcmax和最小截止频率fpcmin
步骤4.3、在步骤4.2的基础上选择合适的fpc;为了提高系统的动态性能,尽量在满足要求的前提下选择较大的fpc;确定fpc后,Kip也随之确定。
5.如权利要求1所述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,其特征是,无功功率闭环控制器参数设计是在无功功率闭环控制器中,需要确定积分系数Kiq和下垂系数Dq;通常,Dq由相关电网标准决定,而Kiq则由控制性能决定;与有功功率闭环控制器分析类似,随着Kiq的减小,无功功率闭环控制器中一阶低通滤波器环节的转折频率fqL减小,对2fline脉动有更好衰减,以及更低的PM和更慢的动态响应;故需折衷选择Kiq;无功功率闭环控制器中只有一阶低通滤波器,滤波器引入的最大相位滞后为-90°,这意味着最小PM为90°,即始终满足PM限制,只需考虑2fline处脉动衰减要求以及动态性能即可;Kiq的上限为Kiqmax,Kiq无下限限制,因为PM总是符合要求的;然而,当Kiq减小时fqL减小,这会影响系统的动态性能,因此Kiq不应该太小;在实际中,通常选择Kiq略小于Kiqmax,以确保较好的衰减、鲁棒性和动态性能。
6.如权利要求1所述的一种基于线频平均小信号模型的虚拟同步发电机控制方法,其特征是,VSG线频平均小信号模型中将有功和无功功率闭环设计成在2fline处具有足够低的闭环增益,以对功率波动进行抑制,在此基础上,分析了VSG有功功率和无功功率控制闭环耦合效应和解耦条件,并提出了一种简单的VSG参数设计方法,综合考虑了系统稳定裕度,两倍线频脉动衰减和动态性能要求。
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