CN110112792A - 一种快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略，在常规虚拟同步机控制的基础上，提出了一种改进的虚拟同步机控制结构，可以在电网电压对称跌落时屏蔽虚拟同步机的无功‑电压下垂特性和功率误差，降低电网电压跌落带来的负面影响。同时，本发明提出了一种新的电流参考值计算方法，可以在低电压穿越时抑制过电流并向电网快速提供无功功率支撑。本发明方法无需模式切换算法，可以抑制电网电压跌落导致的电流冲击，并向电网快速提供无功支撑，同时还可以根据电网需求灵活分配有功和无功功率，使并网逆变器的容量得到充分利用。

Description

一种快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略。
背景技术
随着风电、光伏等分布式电源在电力系统中所占比例的不断提高，电力系统电力电子化特征明显。分布式电源主要通过并网逆变器接入电网，相比传统同步发电机，并网逆变器具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和阻尼等不足，这对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。为此，国内外学者提出了虚拟同步发电机(VSG)技术，可使并网逆变器模拟传统同步发电机的运行机理，使并网逆变器具有与传统同步发电机相似的运行特性，实现分布式电源的友好接入并提高电力系统的稳定性，常规的VSG系统结构如图1所示。目前对于VSG的研究大多都是针对电网电压正常的工况，对VSG低电压穿越(LVRT)运行的问题鲜有研究；在电网实际运行过程中，配电网容易因短路故障发生电压跌落的现象，因此研究虚拟同步机的低电压穿越控制策略具有重要的意义。
VSG虽然优势明显，但其对外呈现电压源型外特性，这限制了VSG对电流的控制能力，同时VSG控制算法中的积分环节导致其电压调节速度较慢，难以对电网故障做出快速响应。当前的VSG在电网电压暂降时会产生严重的过电流，导致设备损坏或脱网，且其难以提供可控的无功功率支撑，无法协助电网电压的恢复。
针对VSG在电网电压跌落故障下的改进控制策略，陈天一等人在文献[基于模式平滑切换的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法[J].电网技术,2016,40(07):2134-2140.]中提出了基于模式平滑切换的VSG低电压穿越控制方法，该方法的思路是在电网故障期间将VSG控制切换为传统低电压穿越控制，在故障恢复后再切换为VSG控制；由于低电压穿越期间VSG控制的输出电压的幅值、频率、相位和传统低电压穿越控制的输出电压存在不确定差异，在控制模式切换时可能导致暂态电流冲击，因此该控制策略提出一种让VSG控制输出电压在低电压穿越期间跟随传统低电压穿越控制输出电压的算法来实现控制模式的平滑切换，但该低电压穿越控制策略的不足是需要额外的模式切换算法保证控制模式的平滑过渡，且在运行模式切换时可能存在电流和功率振荡。
X.Nie等人在文献[A low-voltage ride-through strategy for three-phasedistributed generation inverters during voltage sags,2016IEEE 8thInternational Power Electronics and Motion Control Conference(IPEMC-ECCEAsia),Hefei,2016,pp.933-938.]中提出不需切换算法的附加电流环低电压穿越控制策略，该控制策略根据电网电压和功率指令计算出电流指令值，再通过电流环实现对并网逆变器的控制，但该控制策略的不足是在低电压穿越期间系统无法向电网提供无功功率支撑。
K.Shi等人在文献[Low-voltage ride through control strategy of virtualsynchronous generator based on the analysis of excitation state,in IETGeneration,Transmission&Distribution,vol.12,no.9,pp.2165-2172,May 2018.]中提出从同步发电机励磁状态的角度分析和解决VSG的低电压穿越问题，该控制策略通过改进VSG的结构使VSG在低电压穿越时保持在欠励磁状态以减小暂态冲击电流，并在电流环中添加无功补偿模块使系统可以向电网提供无功功率支撑，但该方法的不足是无法实现低电压穿越期间有功功率和无功功率的灵活分配。
因此，研究一种无需控制模式切换算法、能够在电网电压跌落时快速提供无功功率支撑且可以根据电网需求灵活调节有功和无功功率的VSG低电压穿越控制策略具有重要的意义。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其无需切换算法，能够在电网电压跌落时快速提供无功功率支撑，且可以根据电网需求灵活调节有功和无功功率。
一种快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略，包括如下步骤：
(1)采集并网逆变器的三相电网电压ugabc和三相电网电流igabc并计算出虚拟同步机输出的有功功率P和无功功率Q；
(2)根据有功功率P和无功功率Q计算出虚拟同步机输出电势的幅值E和相位角θ；
(3)利用相位角θ分别对三相电网电压ugabc和三相电网电流igabc进行旋转坐标变换，对应得到d-q坐标系下的电网电压矢量ugdq和电网电流矢量igdq；
(4)根据电网电压矢量ugdq计算出电网电压幅值Ug，进而根据电网电压幅值Ug实时检测电网电压状态；
(5)根据电网电压状态计算出电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *；
(6)根据电网电流参考值和反馈值，通过电网电流控制环计算得到并网逆变器的调制电压矢量udq；
(7)利用相位角θ对调制电压矢量udq进行旋转坐标变换，得到α-β坐标系下的调制电压矢量uαβ，进而利用SVPWM算法构造出一组PWM信号以对并网逆变器中的功率开关器件进行控制。
进一步地，所述步骤(1)中通过以下公式计算虚拟同步机输出的有功功率P和无功功率Q；
P＝-(ugaiga+ugbigb+ugcigc)
其中：uga、ugb、ugc分别为三相电网电压ugabc对应a、b、c三相的相电压，iga、igb、igc分别为三相电网电流igabc对应a、b、c三相的相电流。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算虚拟同步机输出电势的幅值E和相位角θ；
θ＝∫ωdt
其中：P*为给定的有功功率参考值，Q*为给定的无功功率参考值，Dp为虚拟同步机的阻尼系数，ω*为电网的电角速度额定值，ω为电网的电角速度实际值，J为虚拟同步机的虚拟转动惯量，K为模拟励磁调节的惯性系数，t为时间。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式分别对三相电网电压ugabc和三相电网电流igabc进行旋转坐标变换；
其中：uga、ugb、ugc分别为三相电网电压ugabc对应a、b、c三相的相电压，iga、igb、igc分别为三相电网电流igabc对应a、b、c三相的相电流，ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量，igd、igq分别为电网电流矢量igdq的d轴分量和q轴分量。
进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算电网电压幅值Ug；
其中：ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量。
进一步地，所述步骤(5)的具体实现方法为：当电网电压正常情况下，通过以下公式计算电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *；
当电网电压跌落情况下，通过以下公式计算电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *，以实现快速的无功功率支撑；
其中：R为并网逆变器网侧LCL滤波器的等效电阻，L为并网逆变器网侧LCL滤波器的等效电感，ω为电网的电角速度实际值，P1和Q1分别为低电压穿越期间虚拟同步机输出的有功功率设定值和无功功率设定值，Ign为电网额定电流的幅值，k为电网故障时电网电流所允许相对于电网额定电流的最大倍数，ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量。
进一步地，所述步骤(6)中通过以下公式计算并网逆变器的调制电压矢量udq；
其中：ud、uq分别为调制电压矢量udq的d轴分量和q轴分量，igd、igq分别为电网电流矢量igdq的d轴分量和q轴分量，ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量，ω为电网的电角速度实际值，L为并网逆变器网侧LCL滤波器的等效电感，PI()表示PI控制器的传递函数，ud'为igd *-igd的差值输入至PI控制器对应的输出结果，uq'为igq *-igq的差值输入至PI控制器对应的输出结果。
进一步地，所述步骤(7)中通过以下公式对调制电压矢量udq进行旋转坐标变换；
其中：ud、uq分别为调制电压矢量udq的d轴分量和q轴分量，uα、uβ分别为调制电压矢量uαβ的d轴分量和q轴分量。
本发明在常规虚拟同步机控制的基础上，提出了一种改进的虚拟同步机控制结构，可以在电网电压对称跌落时屏蔽虚拟同步机的无功-电压下垂特性和功率误差，降低电网电压跌落带来的负面影响。同时，本发明提出了一种新的电流参考值计算方法，可以在低电压穿越时抑制过电流并向电网快速提供无功功率支撑。本发明方法无需模式切换算法，可以抑制电网电压跌落导致的电流冲击，并向电网快速提供无功支撑，同时还可以根据电网需求灵活分配有功和无功功率，使并网逆变器的容量得到充分利用。
本发明所提出的控制思想，不仅可以应用于并网逆变器的虚拟同步机控制策略，还可以与其他控制对象如双馈风力发电机相结合形成虚拟同步机低电压控制策略。其控制思想具有较广泛的适用性。
附图说明
图1为并网逆变器的基本结构示意图。
图2为本发明控制方法的系统实现原理示意图。
图3为本发明虚拟同步机低电压穿越控制系统在电网电压对称跌落50％情况下不输出有功功率的响应波形图；其中，Ugabc为三相电网电压，Igabc为三相电网电流，P为有功功率，Q为无功功率。
图4为本发明虚拟同步机低电压穿越控制系统在电网电压对称跌落50％情况下输出有功功率为500W的响应波形图；其中，Ugabc为三相电网电压，Igabc为三相电网电流，P为有功功率，Q为无功功率。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明虚拟同步机低电压穿越控制策略的系统实现如图2所示，系统包括主电路和控制回路；主电路包括并网逆变器1、LCL滤波器2、用于检测电网三相电压的电压霍尔传感器3、用于检测电网三相电流的电流霍尔传感器4；控制回路包括有功和无功功率计算模块5、三相静止/两相旋转坐标变换模块6、电网电压幅值计算模块7、电网故障检测模块8、虚拟同步机算法模块9、电网电压正常时电网电流参考值计算模块10、电网电压跌落时电网电流参考值计算模块11、电网电流控制环12、Park反变换模块13、SVPWM信号发生器14、有功功率反馈值选择开关15、无功功率反馈值选择开关16、电网电流参考值选择开关17。
如图2所示，本发明快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略，包括以下步骤：
(1)利用三个电压霍尔传感器3采集电网三相电压信号ugabc；利用三相电流霍尔传感器4采集电网三相电流信号igabc。
(2)将采集得到的三相电网电压信号ugabc和三相电网电流信号igabc经过有功和无功功率计算模块5，得到虚拟同步机输出的有功功率P和无功功率Q；有功功率和无功功率计算表达式为：
P＝-(ugaiga+ugbigb+ugcigc)
(3)将计算得到的有功功率P和无功功率Q作为反馈值，与有功功率参考值P*、无功功率参考值Q*、电角度参考值ω*通过虚拟同步机算法模块9计算得到虚拟同步机输出电势的幅值E和相位角θ；虚拟同步机的算法表达式为：
θ＝∫ωdt
(4)将采集得到的三相电网电压信号ugabc、三相电网电流信号igabc和相位角θ经三相静止/两相旋转坐标变换模块6，得到两相旋转d-q坐标系下的电网电压矢量ugdq和电网电流矢量igdq；三相静止/两相旋转坐标变换的表达式为：
(5)将步骤(4)得到的电网电压矢量ugdq经电网电压幅值计算模块7，得到电网电压幅值信号Ug，并将电网电压幅值信号Ug输入电网故障检测模块8，实时检测电网电压状态；电网电压幅值信号Ug的计算公式为：
电网故障检测模块8实时将电网电压幅值与预设的标准电网电压幅值对比。在本例中，当电网电压幅值高于标准电网电压幅值的95％时，电网故障检测模块判断此时电网电压状态正常；当电网电压幅值低于标准电网电压幅值的95％时，电网故障检测模块判断此时发生电网电压跌落故障。
当电网电压检测结果为电网电压正常时：
(6)将计算得到的虚拟同步机输出电势幅值E和电网电压矢量ugdq经电网电流参考值计算模块10，计算得到电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *；电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *的计算表达式为：
当电网电压检测结果为电网电压跌落时：
(6)使有功功率反馈值选择开关15选择有功功率参考值P*作为有功功率反馈值，无功功率反馈值选择开关16选择无功功率参考值Q*作为无功功率反馈值。根据电网需求设定低电压穿越期间虚拟同步机输出的有功功率P1，与电网电压幅值、电网电压矢量经电网电流参考值计算模块11计算出电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *，并使电网电流参考值选择开关17选择电网电流参考值计算模块11的输出作为电网电流参考值。电网电压跌落时电网电流参考值的计算表达式为：
(7)将计算得到的电网电流参考值igdq *和电网电流igdq，经过电网电流控制环12计算得到并网逆变器的调制电压矢量udq；电网电流控制环的计算表达式为：
(8)将计算得到的调制电压矢量udq和相位角θ经Park反变换模块13，得到两相静止α-β坐标系下的调制电压矢量uαβ，然后将调制电压矢量uαβ作为SVPWM信号产生模块14的参考值，调制得到并网逆变器的开关信号Sa、Sb、Sc，将得到的开关信号Sa、Sb、Sc经过驱动模块驱动开关器件，实现电网电压跌落时的虚拟同步机低电压穿越控制策略；Park反变换表达式为：
参见图3，在本发明虚拟同步机低电压穿越控制策略下，本实施方式控制电网电压在1.5s时对称跌落50％并持续625ms，设定低电压穿越期间系统输出的有功功率P1＝0，电网电流允许最大倍数k＝1.4。在低电压穿越期间，电网电流无冲击且在稳态时被限制为电网电流额定值的1.4倍，且系统可以快速发出无功功率以支撑电网电压，整体控制效果十分理想。
参见图4，本实施方式控制电网电压在1.5s时对称跌落50％并持续625ms，设定低电压穿越期间系统输出的有功功率P1＝500W，电网电流允许最大倍数k＝1.4。在低电压穿越期间，电网电流无冲击且在稳态时被限制为电网电流额定值的1.4倍，且系统可以快速发出无功功率以支撑电网电压，整体控制效果十分理想，该结果说明本发明控制策略可以实现低电压穿越期间有功功率和无功功率的灵活分配。
综上所述，本发明可实现快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略在无需控制模式切换算法的前提下，可以实现在电网电压对称跌落时抑制电流冲击且限制稳态电网电流，并可快速向电网提供无功功率支撑以协助电网电压恢复，且该控制策略可根据电网需求灵活分配有功功率和无功功率，充分利用并网逆变器容量。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速无功支撑的虚拟同步机低电压穿越控制策略，包括如下步骤：
(1)采集并网逆变器的三相电网电压ugabc和三相电网电流igabc并计算出虚拟同步机输出的有功功率P和无功功率Q；
(2)根据有功功率P和无功功率Q计算出虚拟同步机输出电势的幅值E和相位角θ；
(3)利用相位角θ分别对三相电网电压ugabc和三相电网电流igabc进行旋转坐标变换，对应得到d-q坐标系下的电网电压矢量ugdq和电网电流矢量igdq；
(4)根据电网电压矢量ugdq计算出电网电压幅值Ug，进而根据电网电压幅值Ug实时检测电网电压状态；
(5)根据电网电压状态计算出电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *；
(6)根据电网电流参考值和反馈值，通过电网电流控制环计算得到并网逆变器的调制电压矢量udq；
(7)利用相位角θ对调制电压矢量udq进行旋转坐标变换，得到α-β坐标系下的调制电压矢量uαβ，进而利用SVPWM算法构造出一组PWM信号以对并网逆变器中的功率开关器件进行控制。
2.根据权利要求1所述的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其特征在于：所述步骤(1)中通过以下公式计算虚拟同步机输出的有功功率P和无功功率Q；
P＝-(ugaiga+ugbigb+ugcigc)
其中：uga、ugb、ugc分别为三相电网电压ugabc对应a、b、c三相的相电压，iga、igb、igc分别为三相电网电流igabc对应a、b、c三相的相电流。
3.根据权利要求1所述的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算虚拟同步机输出电势的幅值E和相位角θ；
θ＝∫ωdt
其中：P*为给定的有功功率参考值，Q*为给定的无功功率参考值，Dp为虚拟同步机的阻尼系数，ω*为电网的电角速度额定值，ω为电网的电角速度实际值，J为虚拟同步机的虚拟转动惯量，K为模拟励磁调节的惯性系数，t为时间。
4.根据权利要求1所述的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式分别对三相电网电压ugabc和三相电网电流igabc进行旋转坐标变换；
其中：uga、ugb、ugc分别为三相电网电压ugabc对应a、b、c三相的相电压，iga、igb、igc分别为三相电网电流igabc对应a、b、c三相的相电流，ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量，igd、igq分别为电网电流矢量igdq的d轴分量和q轴分量。
5.根据权利要求1所述的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其特征在于：所述步骤(4)中通过以下公式计算电网电压幅值Ug；
其中：ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量。
6.根据权利要求1所述的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其特征在于：所述步骤(5)的具体实现方法为：当电网电压正常情况下，通过以下公式计算电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *；
当电网电压跌落情况下，通过以下公式计算电网电流参考值的d轴分量igd *和q轴分量igq *，以实现快速的无功功率支撑；
其中：R为并网逆变器网侧LCL滤波器的等效电阻，L为并网逆变器网侧LCL滤波器的等效电感，ω为电网的电角速度实际值，P1和Q1分别为低电压穿越期间虚拟同步机输出的有功功率设定值和无功功率设定值，Ign为电网额定电流的幅值，k为电网故障时电网电流所允许相对于电网额定电流的最大倍数，ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量。
7.根据权利要求1所述的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其特征在于：所述步骤(6)中通过以下公式计算并网逆变器的调制电压矢量udq；
其中：ud、uq分别为调制电压矢量udq的d轴分量和q轴分量，igd、igq分别为电网电流矢量igdq的d轴分量和q轴分量，ugd、ugq分别为电网电压矢量ugdq的d轴分量和q轴分量，ω为电网的电角速度实际值，L为并网逆变器网侧LCL滤波器的等效电感，PI()表示PI控制器的传递函数，ud'为igd *-igd的差值输入至PI控制器对应的输出结果，uq'为igq *-igq的差值输入至PI控制器对应的输出结果。
8.根据权利要求1所述的虚拟同步机低电压穿越控制策略，其特征在于：所述步骤(7)中通过以下公式对调制电压矢量udq进行旋转坐标变换；
其中：ud、uq分别为调制电压矢量udq的d轴分量和q轴分量，uα、uβ分别为调制电压矢量uαβ的d轴分量和q轴分量。
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