CN110190633A - 不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法 - Google Patents

不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，包括获取虚拟同步机的输出电势和输出相角并计算虚拟同步机在三相静止坐标下的电压合成指令；计算虚拟同步机的负序电流指令信号；计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号；得到负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号；将负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号与虚拟同步机的电压合成指令求和并通过高频PWM调制得到虚拟同步机的控制量。本发明通过改变负序电流指令中的调节系数，不改变虚拟同步机电压源属性且可以实现输出有功功率恒定、输出无功功率恒定或者输出电流对称正弦等多样化的控制目标，而且可靠性高、相对简单且控制效果相对较好。

Description

不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法
技术领域
本发明具体涉及一种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法。
背景技术
基于逆变器的分布式电源在电力系统中的装机容量正在迅速发展。
与传统同步发电机特性相差异，逆变器缺乏转动惯量或阻尼特性，随着分布式电源渗透水平的提高，其低惯性和欠阻尼特性影响着电网动态性能和稳定性能。增加虚拟惯量是提高电网稳定性的一种有效手段，虚拟同步机是在传统同步发电机的理论基础上，借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制逆变器，使得逆变器在机理上和外特性上与同步发电机类似，具备虚拟惯性和阻尼。目前，将同步发电机特性应用于电力电子变流器实现方式已有不同的控制模型，主要有：欧洲虚拟同步方案、德国虚拟同步机方案、Synchronverter方案、GEC 方案等等。
典型的三相三线制虚拟同步机拓扑结构如图1所示。图1中，Udc为直流侧电压；ea、eb和ec为虚拟同步机的内电势；ua、ub和uc为虚拟同步机的输出端电压；ia、ib和ic为虚拟同步机输出至电网的三相电流；L、C和R分别为虚拟同步机的滤波电感、滤波电容和阻尼电阻；Lg和Rg为电网的等效线路电感和电阻； uga、ugb和ugc为电网电压。
虚拟同步机模拟同步发电机的控制框图如图2所示。图2中：Pref和Qref分别为虚拟同步机有功和无功指令，Pe和Qe分别为虚拟同步机输出的有功和无功值。J为旋转惯量，K为电压激励系数，Dp和Dq分别为有功功率和无功功率阻尼系数，ω为虚拟同步机输出角频率，ω0为额定角频率，E为虚拟同步机输出电势，θ为虚拟同步机输出相角，Enom和Erms分别为额定电压幅值和输出电压幅值。其核心控制算法如下式所示：
通过模拟同步发电机的原理得到虚拟同步机的电压指令，可实现在三相电网电压平衡时向电网注入恒定的有功功率和无功功率，并为电网提供惯性和阻尼支持。
然而上述模拟同步发电机控制模型主要是针对理想电网电压条件下提出的。配电网电压受过载、启动电机和不对称故障等许多因素的影响存在电压不平衡。不平衡电压下虚拟同步机传输至电网的有功无功功率为
上式中和表示虚拟同步机输出功率中的直流分量，Pc2、Ps2、Qc2和Qs2表示虚拟同步机输出功率中的振荡分量幅值，直流分量和振荡分量幅值可分别计算如下
其中，和为虚拟同步机输出端正序电压的dq轴分量，和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量，和为虚拟同步机输出正序电流的dq 轴分量，和为虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量。
以上分析表明，当电网电压中存在负序分量时，虚拟同步机至电网的有功无功传输功率中将存在2倍电网频率的功率波动，采用常规的虚拟同步机控制将导致逆变器无法正常运行。
在传统的逆变器控制方法中，一些学者采用正序和负序双同步旋转坐标系控制策略，通过正负序解耦的方式对输出电流中的正序分量和负序分量的分别进行控制，实现不同的控制目标。部分学者提出了基于静止坐标系的控制策略，如标题为不平衡电压下并网逆变器的功率波动抑制与电流平衡协调控制方法 (中国电机工程学报，2017(23):第6981-6987页)的文献中提出一种静止坐标系无锁相环控制策略，实现不平衡电网电压下并网逆变器功率/电流质量协调控制。
但是虚拟同步机控制结构与传统逆变器控制结构存在差异，主流的虚拟同步机控制技术主要采用电压控制，而传统的逆变器主要采用电流控制，因此已有的不平衡控制难以直接应用于虚拟同步机控制策略中。为此，一些学者提出将虚拟同步机电压指令转换成电流指令后，再与不平衡控制控制方法相结合。标题为Comprehensive control strategyof virtual synchronous generator under unbalanced voltage conditions(IETGeneration,Transmission&Distribution，2018(7):1621-1630页)的文献中利用虚拟同步机控制得到电压指令信号计算得到基准正序电流指令值，结合电网电压不平衡参数以及瞬时功率数学模型，得到不同控制目标下，并网逆变器正、负序电流指令值，并分别对正、负序电流指令进行跟踪控制，实现相应控制目标。但上述方法实现过程较为复杂，并且将电压源属性改变成电流源属性是否会对虚拟同步机的运行特性产生影响仍然有待进一步检验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高、相对简单且控制效果相对较好的不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法。
本发明提供的这种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，包括如下步骤：
S1.获取虚拟同步机的输出电势和输出相角，计算得到虚拟同步机在三相静止坐标下的电压合成指令；
S2.获取虚拟同步机输出端的正序电压dq轴分量、输出端的负序电压dq 轴分量和输出正序电流的dq轴分量，从而计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号；
S3.根据虚拟同步机负序电流指令信号与虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量，计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号；
S4.将步骤S3得到的负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号变换到三相静止坐标，从而得到负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号；
S5.将步骤S4得到的负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号与虚拟同步机的电压合成指令求和，最终通过高频PWM调制得到虚拟同步机的控制量。
步骤S1所述的计算得到虚拟同步机在三相静止坐标下的电压合成指令，具体为采用正序分量产生的有功功率和无功功率计算虚拟同步机输出的有功和无功值，并采用正序电压幅值计算虚拟同步机输出电势。
步骤S2所述的计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号，具体为采用如下算式计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号和
式中和为虚拟同步机输出端正序电压的dq轴分量；和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量；和为虚拟同步机输出正序电流的dq轴分量。 kn为调节系数且取值范围为[-1,1]。
步骤S3所述的计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号，具体为采用如下算式计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号和
式中ω为虚拟同步机输出角频率，L为虚拟同步机输出滤波电感，F(s)为二阶陷波器且ωn为陷波角频率且取值为2倍基波角频率，ξωn为陷波器的截止频率；和为虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量；kp和 ki分别为PI控制器的比例系数和积分常数；和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量；和为步骤S1计算得到的虚拟同步机的负序电流指令信号。
本发明提供的这种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，实现简单，通过改变负序电流指令中的调节系数，在不改变虚拟同步机电压源属性的同时，可以实现输出有功功率恒定、输出无功功率恒定或者输出电流对称正弦等多样化的控制目标，而且本发明方法的可靠性高、相对简单且控制效果相对较好。
附图说明
图1为现有技术的虚拟同步机的主电路结构。
图2为现有技术的典型虚拟同步机的控制方法流程示意图。
图3为本发明方法的虚拟同步机控制方法示意图。
图4为本发明方法的虚拟同步机控制方法的方法流程示意图。
图5为典型虚拟同步机控制在不平衡电压下的仿真电流和功率波形。
图6为本发明方法的平衡电流控制在不平衡电压下的仿真电流和功率波形。
图7为本发明的有功恒定控制在不平衡电压下的仿真电流和功率波形。
图8为本发明的无功恒定控制在不平衡电压下的仿真电流和功率波形。
具体实施方式
如图3所示为本发明方法的虚拟同步机控制方法示意图：本发明的虚拟同步机控制方法在典型虚拟同步机的控制支路的基础上并联了一条负序电流控制支路，其中正序分量采用电压控制模式，使逆变器在正序域具有同步发电机的输出外特性，增加系统虚拟惯量和阻尼特性，虚拟同步机输出的有功和无功值采用正序分量产生的有功功率和无功功率计算，虚拟同步机输出电势采用正序电压幅值计算；
负序分量采用电流控制模式，本文采用负序同步旋转坐标系下的PI控制进行负序电流控制，假定负序电流指令信号为和则电流控制器在负序同步旋转坐标系下的控制形式为：
式中kp和ki分别为PI控制器参数，在负序同步旋转坐标系下采用PI控制可以实现负序分量的无稳态误差跟踪，考虑正序分量在负序同步旋转坐标系将转换成2倍工频角频率信号，为避免正负序控制耦合影响，可采用二阶陷波器滤除掉2次谐波分量。陷波器的表达式为
式中ωn为陷波角频率，取值为2倍基波角频率，ξωn为截止频率；
采用二阶陷波器后，电流控制支路对正序分量的增益为零，主要控制输出电流中的负序分量；而电压控制支路采用正序功率进行计算，输出电压指令为正序成分，主要控制输出电流中的正序分量，而对负序分量的控制增益可等效为零，因此电压控制和电流控制相互之间无耦合影响，对输出电流中的正负序分量可分别进行独立控制。
由于本发明的虚拟同步机控制方法中，正负序电流控制相互独立，借鉴传统并网逆变器在不平衡电压下的控制策略，可以设计虚拟同步机的负序电流指令，通过负序电流控制支路单独对输出电流中的负序分量进行控制，实现多样化的控制目标。
当电流质量是虚拟同步机的最主要的关注指标时，可采用平衡电流控制，即令
由于电流控制支路的作用，虚拟同步机注入电网的电流分量是对称的正序电流分量，但负序电压与正序电流相互作用会使得有功功率和无功功率中的振荡分量仍然存在，无法被消除。
当电池储能系统采用虚拟同步机控制策略时，控制有功功率恒定可以抑制由于电压三相不平衡所带来的直流侧电压波动，基本原理是控制有功功率振荡分量幅值Pc2、Ps2为零，由振荡分量幅值表达式可以得到负序电流指令信号可以计算为
当控制有功功率恒定时，负序电流指令可以通过正负序电压分量和正序电流分量计算得到，在本专利发明的虚拟同步机控制方法中，正序电流分量由电压控制支路独立控制，正序电流分量可直接检测虚拟同步机输出电流中的正序分量获得。需要指出的是，根据当有功功率恒定时，无功功率波动依然存在，且波动幅值将大于电流平衡控制时的波动幅值。
对于需要提供无功支撑的场合，控制无功功率恒定可以为电网提供稳定的无功功率支撑，相类似，控制目标是无功功率振荡分量幅值Qc2、Qs2为零，可以得到负序电流指令信号可以计算
上式中，正序电流分量同样可直接检测虚拟同步机输出电流中正序分量获得。在此控制策略中，有功功功率波动幅值将大于电流平衡控制时的有功功率波动幅值。
在有功恒定控制策略和无功恒定控制策略中，负序电流指令信号刚好是相反的，因此，上述三种策略可以采用一种通用的负序电流指令信号表达式，即
上式中，kn为调节系数，取值范围[-1,1]，当kn取值为-1时，可实现有功恒定控制，此时无功功率波动较大。随着kn取值增大，无功功率波动减小，而有功功率波动增大。当kn取值为0时，可实现平衡电流控制，功率波动幅值处于中间状态。当kn继续增大，取值为1时，无功功率波动为零，可实现无功恒定的控制目标。上述分析表明，通过选取合理的调节系数kn，可以实现不平衡电压下虚拟同步机灵活的功率控制，满足不同场合的应用需求。
通过上述的分析可知，本发明提供的这种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，其控制流程图如图4所示，具体包括：
S1.获取虚拟同步机的输出电势和输出相角，计算得到虚拟同步机在三相静止坐标下的电压合成指令；具体为采用正序分量产生的有功功率和无功功率计算虚拟同步机输出的有功和无功值，并采用正序电压幅值计算虚拟同步机输出电势；
S2.获取虚拟同步机输出端的正序电压dq轴分量、输出端的负序电压dq 轴分量和输出正序电流的dq轴分量，从而计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号；具体为采用如下算式计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号和
式中和为虚拟同步机输出端正序电压的dq轴分量；和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量；和为虚拟同步机输出正序电流的dq轴分量。kn为调节系数且取值范围为[-1,1]；
S3.根据虚拟同步机负序电流指令信号与虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量，计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号；具体为采用如下算式计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号和
式中ω为虚拟同步机输出角频率，L为虚拟同步机输出滤波电感，F(s)为二阶陷波器且ωn为陷波角频率且取值为2倍基波角频率，ξωn为陷波器的截止频率；和为虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量； kp和ki分别为PI控制器的比例系数和积分常数；和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量；和为步骤S1计算得到的虚拟同步机的负序电流指令信号；
S4.将步骤S3得到的负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号变换到三相静止坐标，从而得到负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号；
S5.将步骤S4得到的负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号与虚拟同步机的电压合成指令求和，最终通过高频PWM调制得到虚拟同步机的控制量。
图5～图8为在PSIM软件平台的仿真结果，仿真时长共2.5s，有功和无功指令分别设定为20kW和0kVA，其中1s前电网电压三相平衡，系统正常工作； 1—2s A相电压发生跌落，电压幅值跌落50V，系统在不平衡工况下工作；2s后电网电压恢复正常。
图5给出了采用典型虚拟同步机控制的三相输出电流波形和功率波形。采用典型虚拟同步机控制时，当电网电压发生不平衡故障时，输出电流中存在很大的负序分量，有功功率和无功功率同时存在较大幅度的功率振荡，振荡幅度达到5000VA。
加入平衡电流控制的三相输出电流波形和功率波形如图6所示，当加入负序电流控制支路后，虚拟同步机可以输出平衡的三相电流，显著提高输出电流电能质量。同时，由于负序电流被抑制，相比传统虚拟同步机控制，有功功率和无功功率的功率振荡幅度均减小。
图7和图8分别为采用有功恒定控制策略和无功恒定控制策略的三相输出电流波形和功率波形。通过合理设计负序电流指令，有功功率或无功功率的2 倍工频振荡可以被有效抑制，与理论分析结果一致，同时当电网电压恢复正常运行，有功无功的输出均与典型虚拟同步机控制相同，表明了本文所提混合电压电流控制策略在正常工况下同样适用。
上述仿真结果证明本专利提供的这种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，实现简单，通过改变负序电流指令中的调节系数，在不改变虚拟同步机电压源属性的同时，可以实现输出有功功率恒定、输出无功功率恒定或者输出电流对称正弦等多样化的控制目标。
本专利受到湖南省自然科学基金青年项目(2019JJ50006)的支持。

Claims (4)

1.一种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，包括如下步骤：
S1.获取虚拟同步机的输出电势和输出相角，计算得到虚拟同步机在三相静止坐标下的电压合成指令；
S2.获取虚拟同步机输出端的正序电压dq轴分量、输出端的负序电压dq轴分量和输出正序电流的dq轴分量，从而计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号；
S3.根据虚拟同步机负序电流指令信号与虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量，计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号；
S4.将步骤S3得到的负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号变换到三相静止坐标，从而得到负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号；
S5.将步骤S4得到的负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号与虚拟同步机的电压合成指令求和，最终通过高频PWM调制得到虚拟同步机的控制量。
2.根据权利要求1所述的不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，其特征在于步骤S1所述的计算得到虚拟同步机在三相静止坐标下的电压合成指令，具体为采用正序分量产生的有功功率和无功功率计算虚拟同步机输出的有功和无功值，并采用正序电压幅值计算虚拟同步机输出电势。
3.根据权利要求2所述的不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，其特征在于步骤S2所述的计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号，具体为采用如下算式计算得到虚拟同步机的负序电流指令信号和
式中和为虚拟同步机输出端正序电压的dq轴分量；和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量；和为虚拟同步机输出正序电流的dq轴分量，kn为调节系数且取值范围为[-1,1]。
4.根据权利要求3所述的不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，其特征在于步骤S3所述的计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号，具体为采用如下算式计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号和
式中ω为虚拟同步机输出角频率，L为虚拟同步机输出滤波电感，F(s)为二阶陷波器且ωn为陷波角频率且取值为2倍基波角频率，ξωn为陷波器的截止频率；和为虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量；kp和ki分别为PI控制器的比例系数和积分常数；和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量；和为步骤S1计算得到的虚拟同步机的负序电流指令信号。
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