CN110048451A - 一种非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法 - Google Patents
一种非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，属于能源电力领域。本发明中所述控制方法，包括以下步骤：（一）、设置多台虚拟同步机并联，且处于孤岛运行模式下，通过虚拟同步机的逆变器双闭环控制，以保证多台虚拟同步机在孤岛运行模式下自身维持稳定的能力；（二）、在正负序有效分离的基础上，在电压电流双闭环控制中引入负序虚拟阻抗，实现抑制负序环流且提升电能质量的目标，优化系统在非对称工况下的稳定运行能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，属于能源电力领域。
背景技术
在大力提倡可在生能源发展的今天，分布式能源(Distributed EnergyResources，DERs) 在能源系统中所占比例不断增大，微电网(Microgrid，MG)的概念得以提出。
但在非对称工况下，由于MG运行模式的多样性会导致系统的电能质量问题趋于复杂。尤其当MG处于与主电源断开的孤岛模式下，其输出电能质量受到其本身连接负荷的影响较大。在多台运行的情况下，内部的单相负荷的接入以及连接线路参数的不完全匹配使得电能质量问题层出不穷。
有鉴于此，在申请号为201510980415.4的专利文献中公开了三相不平衡下双H桥MMC 结构的无功补偿装置及其控制方法。
综上所述，在非对称工况下，如何保证MG在孤岛运行模式下灵活稳定运行，成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，其特点在于：所述控制方法，包括以下步骤：
(一)、设置多台虚拟同步机并联，且处于孤岛运行模式下，通过虚拟同步机的逆变器双闭环控制，以保证多台虚拟同步机在孤岛运行模式下自身维持稳定的能力；
(二)、在正负序有效分离的基础上，在负序控制环路中引入负序虚拟阻抗，通过合理地设置负序虚拟阻抗值，实现抑制负序环流且提升电能质量的目标，优化系统在非对称工况下的稳定运行能力。
进一步地，逆变器采用虚拟同步机电压电流双闭环的控制方法如下：
(1)将采集的逆变器并网点电压电流信号经过功率计算引入虚拟同步机控制模块；
采用的虚拟同步机控制模块包括，虚拟同步机本体控制、转速调节和励磁调节；虚拟同步机本体控制、转速调节和励磁调节协调运作，实现逆变器输出信号模拟同步机的特性；
虚拟同步机本体控制方程如下：
其中，Jv(kg/m2)表示虚拟惯性值，Dv表示虚拟阻尼因子，E0表示的反电动势幅值与系统输出的电压值，当系统达到稳态时，输入的功率Pm与采样计算的实际功率Pe相等；
转速调节方程如下：
Pm＝Kp(ω*-ω)+P*
其中，P*表示设定的有功功率给定值，Kp表示下垂功频系数，ω*表示设定的系统空载频率给定值；
励磁调节方程如下：
Eo＝Kq(Qe-Q*)-U*
其中，Q*表示设定的无功功率的给定值，Qo表示采样计算的实际的无功功率，U*表示设定的输出电压的给定值，Kq表示下垂电压系数；
(2)经过虚拟同步机控制模块调节后的电压值输入后续的电压电流双闭环控制模块；
(3)在正负序有效分离的基础上，在负序控制环路中引入负序虚拟阻抗，通过合理地设置负序虚拟阻抗值，使总输出阻抗成比例分配。
进一步地，减小参数不均衡带来的影响，实现抑制负序环流且提升电能质量的目标，优化系统在非对称工况下的稳定运行能力。
进一步地，将惯量与阻尼引入控制中，使得系统内整体的惯性水平上升，从而提升了系统的稳定效应。
进一步地，经过电压环的调节，实现对输出电压值的跟踪；经过电流环的调节，实现系统动态响应速度的提升。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
1、采用虚拟同步机控制技术，提升系统整体的惯性水平，在孤岛运行模式下，保证系统的运行稳定，提升抗负载扰动能力。
2、在非对称工况下，通过在虚拟同步机控制的基础上，引入负序虚拟阻抗的概念，实现系统负序环流的抑制和逆变器输出电能质量的提升。
附图说明
图1为本发明实施例中的VSG控制逆变器整体框图。
图2为本发明实施例中的孤岛逆变器并联等效电路图。
图3为本发明实施例中的孤岛逆变器并联运行负序等效结构图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1至图3所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若用引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本实施例中的非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，包括以下步骤：
(一)、设置多台虚拟同步机并联，且处于孤岛运行模式下，通过虚拟同步机的逆变器双闭环控制，以保证多台虚拟同步机在孤岛运行模式下自身维持稳定的能力；
(二)、在正负序有效分离的基础上，在电压电流双闭环控制中引入负序虚拟阻抗，实现抑制负序环流且提升电能质量的目标，优化系统在非对称工况下的稳定运行能力。
本实施例中的逆变器采用虚拟同步机电压电流双闭环的控制方法如下：
(1)将采集的逆变器并网点电压电流信号经过功率计算引入虚拟同步机控制模块；
采用的虚拟同步机控制模块包括，虚拟同步机本体控制、转速调节和励磁调节；虚拟同步机本体控制、转速调节和励磁调节协调运作，实现逆变器输出信号模拟同步机的特性；
虚拟同步机本体控制方程如下：
其中，Jv(kg/m2)表示虚拟惯性值，Dv表示虚拟阻尼因子，E0表示的反电动势幅值与系统输出的电压值，当系统达到稳态时，输入的功率Pm与采样计算的实际功率Pe相等；
转速调节方程如下：
Pm＝Kp(ω*-ω)+P*
其中，P*表示设定的有功功率给定值，Kp表示下垂功频系数，ω*表示设定的系统空载频率给定值；
励磁调节方程如下：
Eo＝Kq(Qe-Q*)-U*
其中，Q*表示设定的无功功率的给定值，Qo表示采样计算的实际的无功功率，U*表示设定的输出电压的给定值，Kq表示下垂电压系数；
(2)经过虚拟同步机控制模块调节后的电压值输入后续的电压电流双闭环控制模块；
(3)在正负序有效分离的基础上，在负序控制环路中引入负序虚拟阻抗；
其中，表示未引入负序虚拟阻抗时逆变器输出阻抗，G(s)表示输出电压与输出电流之间的传递函数。
本实施例中，将惯量与阻尼引入控制中，使得系统内整体的惯性水平上升，从而提升了系统的稳定效应。
本实施例中，经过电压环的调节，实现对输出电压值的跟踪；经过电流环的调节，实现系统动态响应速度的提升。
下面以两台逆变器并联运行为例，在孤岛模式下逆变器并联运行等效结构图如图2所示。
其中，Z1，Z2分别表示两台逆变器的总体输出阻抗(逆变器自身的输出阻抗与连接线路阻抗相加)，ZL表示接入的负载阻抗，U0∠0°表示并联交流母线电压，E1∠δ1以及E2∠δ2分别表示逆变器1、2的输出电压；δ1、δ2分别表示两台逆变器的未接负载时的电压相角与母线电压相角之间的差值。
在理想的对称运行工况下，逆变器之前的电势差为0。在实际运行时，各个子系统输出电压要始终保持一直是比较难以实现的。因此，需要在传统的控制方法上进行改进。
在非对称工况下，由于连接线路阻抗的不一致，导致整个支路的总阻抗不一致，这就是负序环流产生的根本原因。
为了削弱负序环流的影响，与传统的等效结构图图2相比，采用了引入负序虚拟阻抗的方式，如图3所示。其中，表示系统1、2连接的等效线路阻抗。
其中，用表示引入负序虚拟阻抗后的逆变器负序总输出阻抗，可以定义为：
其中，表示未引入负序虚拟阻抗时逆变器输出阻抗，G(s)表示输出电压与输出电流之间的传递函数。
此时，可得到改进后的负序电流比为：
其中，ZN i1、ZN i2分别表示改进后的逆变器1、2负序总输出阻抗，Zg1、Zg2分别表示线路阻抗。
由于实际连接的线路阻抗为定值，需要通过改变负序虚拟阻抗值进而调整逆变器的总负序输出阻抗大小。将负序阻抗之和成比例分配，进而实现调整逆变器的负序输出电流的目的。此外，引入负序虚拟阻抗补偿后，逆变器并网点输出电压的不平衡度也随之降低，系统输出的电能质量随之提升。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法，包括以下步骤：
(一)、设置多台虚拟同步机并联，且处于孤岛运行模式下，通过虚拟同步机的逆变器双闭环控制，以保证多台虚拟同步机在孤岛运行模式下自身维持稳定的能力；
(二)、在正负序有效分离的基础上，在负序控制环路中引入负序虚拟阻抗，通过合理地设置负序虚拟阻抗值，实现抑制负序环流且提升电能质量的目标，优化系统在非对称工况下的稳定运行能力。
2.根据权利要求1所述的非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，其特征在于：逆变器采用虚拟同步机电压电流双闭环的控制方法如下：
(1)将采集的逆变器并网点电压电流信号经过功率计算引入虚拟同步机控制模块；
采用的虚拟同步机控制模块包括，虚拟同步机本体控制、转速调节和励磁调节；虚拟同步机本体控制、转速调节和励磁调节协调运作，实现逆变器输出信号模拟同步机的特性；
虚拟同步机本体控制方程如下：
其中，Jv(kg/m2)表示虚拟惯性值，Dv表示虚拟阻尼因子，E0表示的反电动势幅值与系统输出的电压值，当系统达到稳态时，输入的功率Pm与采样计算的实际功率Pe相等；
转速调节方程如下：
Pm＝Kp(ω*-ω)+P*
其中，P*表示设定的有功功率给定值，Kp表示下垂功频系数，ω*表示设定的系统空载频率给定值；
励磁调节方程如下：
Eo＝Kq(Qe-Q*)-U*
其中，Q*表示设定的无功功率的给定值，Qo表示采样计算的实际的无功功率，U*表示设定的输出电压的给定值，Kq表示下垂电压系数；
(2)经过虚拟同步机控制模块调节后的电压值输入后续的电压电流双闭环控制模块；
(3)在正负序有效分离的基础上，在负序控制环路中引入负序虚拟阻抗；
其中，ZN o(s)表示未引入负序虚拟阻抗时逆变器输出阻抗，G(s)表示输出电压与输出电流之间的传递函数。
3.根据权利要求1所述的非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，其特征在于：将惯量与阻尼引入控制中，使得系统内整体的惯性水平上升，从而提升了系统的稳定效应。
4.根据权利要求1所述的非对称工况下多台虚拟同步机的负序环流抑制系统的控制方法，其特征在于：经过电压环的调节，实现对输出电压值的跟踪；经过电流环的调节，实现系统动态响应速度的提升。
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