CN110176787A - 一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制装置及方法，负荷虚拟同步机包括L型滤波器、三相整流电路、采样电路、直流侧电容、直流负荷、控制器和驱动保护电路；所述L型滤波器、三相整流电路、直流侧电容和直流负荷依次连接；采样电路和三相整流电路分别与滤波电感连接；控制器与驱动保护电路输入端以及采样电路输出端分别连接；驱动保护电路用于驱动三相整流电路。本发明将电网电流中的谐波含量叠加到负荷虚拟同步机的内环电流指令中，使负荷虚拟同步机具备了电网谐波电流补偿的能力。同时，本发明无需锁相环，更便于设计控制参数，解决了负荷侧无法为电网提供惯性和阻尼的问题。

Description

一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制装置及方法
技术领域
本发明涉及整流控制技术，具体涉及一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法和装置。
背景技术
目前，在海岛上开展独立的供电系统能够解决输电成本高，维护困难的问题。海岛上的国防与民用设施采用本地风/光/柴/储等分布式发电单元所构成的电源系统来保障持续供电。由于海岛上的新能源大多是以电力电子装备为接口接入供电系统的，电力电子设备的占比相对较高。因为缺乏惯性和阻尼，供电系统在运行过程中，会产生供电不足时的脱网问题。负荷虚拟同步发电机技术存在惯性和阻尼，近年来成为研究的热点，它是更加适用于负荷接入供电系统的控制策略。
负荷虚拟同步机(Virtual Synchronous Motor，VSM)主要是通过模拟同步电动机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使整流器从运行机制和外特性上都可与传统同步电动机相媲美，能够为以PWM整流器为接口的负荷提供阻尼和惯性。近年来，负荷虚拟同步机在电动汽车充电桩、变频器和高压直流输电方面的应用能为负荷介入电网提供惯性和阻尼。
负荷虚拟同步机由于引入了惯性和阻尼，提高了电网系统中的稳定性和负荷的灵活性。然而，与传统的整流器相比，在动态性能方面的性能有所降低。且在孤岛微网系统下，当系统存在非线性负荷时，传统的负荷虚拟同步机无法为PCC点滤出谐波电流。
发明内容
为了克服上述现有技术中负荷虚拟同步机无法补偿网侧电流谐波的不足，本发明提供一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法，先计算负荷虚拟同步机的相角和幅值，并根据相角和网侧三相电流，计算网侧的谐波电流，然后叠加到电流指令中，最后通过电流内环无差拍控制得到占空比，并控制负荷虚拟同步机中开关管的开断。本发明无需锁相环，更便于设计控制参数，提高了负荷虚拟同步机的对电网的主动支撑和适用能力，并使负荷虚拟同步机具备谐波电流补偿能力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制装置，包括L型滤波器、三相整流电路、采样电路、直流侧电容、直流负荷、控制器和驱动保护电路；所述L型滤波器与三相整流电路；所述三相整流电路与直流侧电容连接；所述直流侧电容和所述直流负荷连接；所述采样电路的输入端与L型滤波器和直流负荷连接；所述采样电路的输出端与控制器输入端连接；所述控制器与驱动保护电路输入端连接；所述驱动保护电路输出端用于驱动三相整流电路。
相应地，本发明还提供了一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法，包括以下步骤：
(1)采样负荷虚拟同步机直流侧的电压Udc，网侧三相电流ia、ib和ic和网侧三相电压uab、ubc；
(2)由三相线电压uab和ubc计算三相相电压ua、ub和uc；
(3)由网侧三相电流ia、ib和ic、网侧三相相电压ua、ub和uc和瞬时功率理论，计算瞬时有功功率Pe、无功功率Qe和网侧电压幅值的峰值Vpeak；
(4)由瞬时有功功率Pe计算负荷虚拟同步机的机械转矩Tset，计算公式为Te＝Pe/ωn，其中，ωn表示电网同步角速度；
(5)对直流侧电压Udc进行PI控制，得到负荷虚拟同步机的机械转矩Tset，其计算方式为Tset＝(Kdcp+Kdci/s)(Udc *-Udc)，其中，Kdcp直流侧电压的PI控制器的比例系数，Kdci表示PI控制器的积分系数；s表示拉普拉斯算子，s＝jω0，j表示虚部单位；Udc *表示直流侧电压给定值；Tset表示负荷虚拟同步机的机械转矩；
(6)由Tset计算负荷虚拟同步机的相角，计算方式为：其中，Dp表示阻尼系数；Dd表示频率-直流侧电压下垂系数；Te表示负荷虚拟同步机的电磁转矩；Tset表示负荷虚拟同步机的机械转矩。θ表示负荷虚拟同步机的相角；
(7)由网侧电压峰值Vpeak和无功功率Qe求出负荷虚拟同步机的输出电压幅值Em，计算方式为：Em＝(Dq(Un-Vpeak)+Qset-Qe)/Ks；其中，Em表示负荷虚拟同步机的输入电压幅值；Dq表示无功-电压下垂系数；Un表示负荷虚拟同步机的极端电压幅值额定值；K为励磁调节系数；Qset表示负荷虚拟同步机的输入电压指令值；Vpeak表示网侧相电压峰值；Qe表示负荷虚拟同步机的无功功率；
(8)从网侧电流ia、ib和ic，提取谐波含量iah、ibh和ich，其方式为：ia、ib和ic通过park变换，得到dq旋转坐标系下的分量id和iq。id、iq经LPF滤波后得到其基波分量idf和idf，最后将idf和iqf求逆park变换可得三相电流信号的基波分量iaf、ibf和icf。分别为被检测电流iaf、ibf和icf的基波分量。最后将检测到的三相电流信号减去基波电流信号可得谐波电流信号iah、ibh和ich；
(9)由负荷虚拟同步机的电压幅值和相角，计算负荷虚拟同步机内环电压的指令值，其计算方式为：
(10)根据负荷虚拟同步机的电压指令值和三相电流谐波瞬时值，计算电流指令的给定值
(11)根据电流的给定值、三相电流的采样值，做无差拍控制得到占空比其中，ΔT开关周期；L为滤波电感；da(k+1)，db(k+1)和dc(k+1)表示本控制周期下的占空比指令；Udc为直流侧的电压；ua(k)、ub(k)和uc(k)指的是存储的上一控制周期下的采样电压；ia*(k+1)、ib*(k+1)和ic*(k+1)是指的本控制周期的电流指令值；ia(k)、ib(k)和ic(k)为储存的上一控制周期的电流信号；
(12)根据占空比，控制负荷虚拟同步机中开关管的开断。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供了一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法，先计算负荷虚拟同步机的相角和幅值，并根据相角和网侧三相电流，计算网侧的谐波电流，然后叠加到电流指令中，最后通过电流内环无差拍控制得到占空比，并控制负荷虚拟同步机中开关管的开断。本发明无需锁相环，更便于设计控制参数，提高了负荷虚拟同步机的对电网的主动支撑和适用能力，并使负荷虚拟同步机具备谐波电流补偿能力。
本发明提供的技术方案可为以PWM整流器为接口接入配电网的负荷提供惯性和阻尼，从负荷侧增强电网的稳定性与可靠性；
本发明极大地简化了控制器参数设计的复杂性；
本发明使负荷虚拟同步机具备谐波电流补偿的能力。
附图说明
图1是本发明实施例中一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法的主电路图；
图2是本发明实施例中一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法的的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法，具体流程图如1所示，包括L型滤波器、三相整流电路、采样电路、直流侧电容、直流负荷、控制器和驱动保护电路；所述L型滤波器与三相整流电路；所述三相整流电路与直流侧电容连接；所述直流侧电容和所述直流负荷连接；所述采样电路的输入端与L型滤波器和直流负荷连接；所述采样电路的输出端与控制器输入端连接；所述控制器与驱动保护电路输入端连接；所述驱动保护电路输出端用于驱动三相整流电路。Lf表示滤波电感，Rlf为滤波电感Lf的电阻，Cf为滤波电容；Lg和Rg分别为线路的等效电感和电阻；Cd为直流侧电容；PCC为公共并网点；uab和ubc分别为公共并网点的线电压；ia、ib和ic分别为三相电感电流；Udc为三相整流电路直流侧电容两端电压；
如图2所示，本发明提供的一种备谐波电流补偿能力的负荷虚拟同步机的控制方法，包括以下步骤：
(1)采样负荷虚拟同步机直流侧的电压Udc，网侧三相电流ia、ib和ic和网侧三相电压uab、ubc；
(2)由三相线电压uab和ubc计算三相相电压ua、ub和uc；
(3)由网侧三相电流ia、ib和ic、网侧三相相电压ua、ub和uc和瞬时功率理论，计算瞬时有功功率Pe、无功功率Qe和网侧电压幅值的峰值Vpeak；
(4)由瞬时有功功率Pe计算负荷虚拟同步机的机械转矩Tset，计算公式为Te＝Pe/ωn，其中，ωn表示电网同步角速度；
(5)对直流侧电压Udc进行PI控制，得到负荷虚拟同步机的机械转矩Tset，其计算方式为Tset＝(Kdcp+Kdci/s)(Udc *-Udc)，其中，Kdcp直流侧电压的PI控制器的比例系数，Kdci表示PI控制器的积分系数；s表示拉普拉斯算子，s＝jω0，j表示虚部单位；Udc *表示直流侧电压给定值；Tset表示负荷虚拟同步机的机械转矩；
(6)由Tset计算负荷虚拟同步机的相角，计算方式为：其中，Dp表示阻尼系数；Dd表示频率-直流侧电压下垂系数；Te表示负荷虚拟同步机的电磁转矩；Tset表示负荷虚拟同步机的机械转矩。θ表示负荷虚拟同步机的相角；
(7)由网侧电压峰值Vpeak和无功功率Qe求出负荷虚拟同步机的输出电压幅值Em，计算方式为：Em＝(Dq(Un-Vpeak)+Qset-Qe)/Ks；其中，Em表示负荷虚拟同步机的输入电压幅值；Dq表示无功-电压下垂系数；Un表示负荷虚拟同步机的极端电压幅值额定值；K为励磁调节系数；Qset表示负荷虚拟同步机的输入电压指令值；Vpeak表示网侧相电压峰值；Qe表示负荷虚拟同步机的无功功率；
(8)从网侧电流ia、ib和ic，提取谐波含量iah、ibh和ich，其方式为：ia、ib和ic通过park变换，得到dq旋转坐标系下的分量id和iq。id、iq经LPF滤波后得到其基波分量idf和idf，最后将idf和iqf求逆park变换可得三相电流信号的基波分量iaf、ibf和icf。分别为被检测电流iaf、ibf和icf的基波分量。最后将检测到的三相电流信号减去基波电流信号可得谐波电流信号iah、ibh和ich；
(9)由负荷虚拟同步机的电压幅值和相角，计算负荷虚拟同步机内环电压的指令值，其计算方式为：
(10)根据负荷虚拟同步机的电压指令值和三相电流谐波瞬时值，计算电流指令的给定值
(11)根据电流的给定值、三相电流的采样值，做无差拍控制得到占空比其中，ΔT开关周期；L为滤波电感；da(k+1)，db(k+1)和dc(k+1)表示本控制周期下的占空比指令；Udc为直流侧的电压；ua(k)、ub(k)和uc(k)指的是存储的上一控制周期下的采样电压；ia*(k+1)、ib*(k+1)和ic*(k+1)是指的本控制周期的电流指令值；ia(k)、ib(k)和ic(k)为储存的上一控制周期的电流信号；
(12)根据占空比，控制负荷虚拟同步机中开关管的开断。

Claims (3)

1.一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制装置，其特征在于，包括L型滤波器、三相整流电路、采样电路、直流侧电容、直流负荷、控制器和驱动保护电路；所述L型滤波器与三相整流电路连接；所述三相整流电路与直流侧电容连接；所述直流侧电容和所述直流负荷连接；所述采样电路的输入端与L型滤波器、直流负荷连接；所述采样电路的输出端与控制器输入端连接；所述控制器与驱动保护电路输入端连接；所述驱动保护电路输出端用于驱动三相整流电路。
2.一种兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采样负荷虚拟同步机直流侧的电压Udc，网侧三相电流ia、ib和ic和网侧三相电压uab、ubc、uac；
2)由三相线电压uab、ubc计算三相相电压ua、ub和uc；
3)由网侧三相电流ia、ib和ic、网侧三相相电压ua、ub和uc和瞬时功率理论，计算瞬时有功功率Pe、无功功率Qe和网侧电压幅值的峰值Vpeak；
4)由瞬时有功功率Pe计算负荷虚拟同步机的机械转矩Te计算公式为Te＝Pe/ωn，其中，ωn表示电网同步角速度；
5)对直流侧电压Udc进行PI控制，得到负荷虚拟同步机的机械转矩指令指Tset，Tset＝(Kdcp+Kdci/s)(Udc *-Udc)，其中，Kdcp直流侧电压的PI控制器的比例系数，Kdci表示PI控制器的积分系数；s表示拉普拉斯算子，s＝jω0，j表示虚部单位；Udc *表示直流侧电压给定值；Tset表示负荷虚拟同步机的机械转矩；
6)由Tset计算负荷虚拟同步机的相角其中，Dp表示阻尼系数；Dd表示频率-直流侧电压下垂系数；Te表示负荷虚拟同步机的电磁转矩；Tset表示负荷虚拟同步机的机械转矩；
7)由网侧电压峰值Vpeak和无功功率Qe求出负荷虚拟同步机的输出电压幅值Em，Em＝(Dq(Un-Vpeak)+Qset-Qe)/Ks；其中，Em表示负荷虚拟同步机的输入电压幅值；Dq表示无功-电压下垂系数；Un表示负荷虚拟同步机的极端电压幅值额定值；K为励磁调节系数；Qset表示负荷虚拟同步机的输入电压指令值；Vpeak表示网侧相电压峰值；Qe表示负荷虚拟同步机的无功功率；
8)从网侧电流ia、ib和ic，提取谐波含量iah、ibh和ich；
9)由负荷虚拟同步机的电压幅值和相角，计算负荷虚拟同步机内环电压的指令值
10)根据负荷虚拟同步机的电压指令值和三相电流谐波瞬时值，计算电流指令的给定值
11)根据电流的给定值、三相电流的采样值，做无差拍控制得到占空比其中，ΔT为开关周期；L为滤波电感；da(k+1)，db(k+1)和dc(k+1)表示当前控制周期下的占空比指令；Udc为直流侧的电压；ua(k)、ub(k)和uc(k)指的是存储的上一控制周期下的采样电压；ia*(k+1)、ib*(k+1)和ic*(k+1)是指的当前控制周期的电流指令值；ia(k)、ib(k)和ic(k)为储存的上一控制周期的电流信号；
12)根据占空比，控制负荷虚拟同步机中开关管的开断。
3.根据权利要求2所述的兼具谐波补偿的负荷虚拟同步机控制方法，其特征在于，步骤8)的具体实现过程为：将ia、ib和ic通过park变换，得到dq旋转坐标系下的分量id和iq；id、iq经LPF滤波后得到其基波分量idf和idf，最后将idf和iqf求逆park变换得三相电流信号的基波分量iaf、ibf和icf；将检测到的三相电流信号减去基波电流信号得到谐波电流信号iah、ibh和ich。
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