CN110556880B - 一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统 - Google Patents

一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统 Download PDF

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CN110556880B CN201910938123.2A CN201910938123A CN110556880B CN 110556880 B CN110556880 B CN 110556880B CN 201910938123 A CN201910938123 A CN 201910938123A CN 110556880 B CN110556880 B CN 110556880B
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Abstract

本发明属于电力电子装置控制技术领域，涉及一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统。首先获取虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；再给定无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压
Figure DDA0002221557340000011
同时设定q轴初始参考电压
Figure DDA0002221557340000012
然后，预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod；根据d轴初始参考电压
Figure DDA0002221557340000013
得到电压控制环参考指令
Figure DDA0002221557340000014
根据q轴初始参考电压
Figure DDA0002221557340000015
减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令
Figure DDA0002221557340000016
最后根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令。本发明显著改善了有功功率输出无功功率输出之间的耦合问题，降低了逆变器的容量需求。

Description

一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法 及系统
技术领域
本发明属于电力电子装置控制技术领域，更具体地，涉及一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭，风能、太阳能等分布式能源受到了广泛的关注。近年来，国内建立了以电力电子变换器为接口的大型新能源电站，致使电力系统惯量降低，对电网稳定运行造成不利影响。传统同步电机具有对电网天然友好的优势，其转动惯量和阻尼特性能在维持电网稳定运行方面起重要作用。据此，学者提出了虚拟同步发电机的概念，虚拟同步机可实现与传统同步发电机在内部机理和外部特性上的等效。
虚拟同步发电机是通过下垂控制实现对于有功功率和无功功率的控制，然而，下垂控制以功率解耦为前提，当虚拟同步机的输出阻抗不表现为纯感性时，有功和无功不能实现独立控制，会发生有功功率回路和无功功率回路之间的耦合。这对分布式电源的并网控制、有功无功的出力分配、系统的稳定运行等产生了不利影响。
学术界认为线路感性成分越大越有利于解耦，故采用虚拟电感以获得感性主导的线路。然而，感性主导的线路并不意味着输出电压与电网电压之间的相位差非常小且其影响可忽略。长久以来人们对于虚拟电感在功率解耦中所起作用的认识并不充分，实际上，经研究发现虚拟电感的投入并非越大越好，且虚拟电感对功率耦合的改善能力有限，无法做到完全解耦。因此，针对虚拟同步发电机存在的功率耦合问题，本发明提出了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统，显著改善了有功分量与无功分量间的耦合影响，同时降低了对VSC的容量需求。
发明内容
针对现有技术中虚拟同步发电机的功率耦合会影响其输出功率的控制精度、动态响应以及系统稳定性的问题，提出了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统，显著改善了有功功率回路和无功功率回路之间的耦合问题，缓解了电网无功缺额，降低了对逆变器的容量需求。
本发明提供了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法，包括以下步骤：
(1)获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和有功功率环给出的功角θ′，经派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，再根据虚拟同步发电机功率计算表达式得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；
(2)给定无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000021
同时设定q轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000022
(3)预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod；
(4)根据d轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000023
得到电压控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000024
根据q轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000025
减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000026
(5)根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令。
进一步地，步骤(1)中所述虚拟同步发电机功率计算表达式为：
Figure BDA0002221557320000031
其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗。
进一步地，所述无功功率环的惯性方程表达式为：
Figure BDA0002221557320000032
有功功率环的惯性方程表达式为：
Figure BDA0002221557320000033
其中Dq是无功功率环下垂系数，V为输出电压，Vn为额定电压，Jq为无功功率环惯性系数，Pref为有功功率参考值，Dp是有功功率环下垂系数，ωn为额定角频率，Jp为有功功率环惯性系数。
进一步地，步骤(4)包括：
(401)电压控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000034
和
Figure BDA0002221557320000035
经电压控制环生成电流控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000036
和
Figure BDA0002221557320000037
(402)电流控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000038
和
Figure BDA0002221557320000039
经电流控制环生成SVPWM调制控制电压
Figure BDA00022215573200000310
和
Figure BDA00022215573200000311
(403)SVPWM调制控制电压
Figure BDA00022215573200000312
和
Figure BDA00022215573200000313
经SVPWM生成SVPWM驱动波。
本发明还提供了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制系统，包括：
(1)输出功率获取模块：用于获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和有功功率环给出的功角θ′，经派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，根据虚拟同步发电机功率计算表达式得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；
(2)参考电压生成模块；用于根据给定的无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg，再经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000041
同时设定q轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000042
(3)前馈补偿模块：用于预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod，并利用所述前馈电压调整电压控制环参考指令；
(4)SVPWM控制模块：用于根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令。
进一步地，所述虚拟同步发电机功率计算表达式为：
Figure BDA0002221557320000043
其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗。
进一步地，所述无功功率环的惯性方程表达式为：
Figure BDA0002221557320000044
有功功率环的惯性方程表达式为：
Figure BDA0002221557320000045
进一步地，所述前馈补偿模块根据前馈电压调整电压控制环参考指令包括：根据d轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000046
得到电压控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000047
根据q轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000048
减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000049
进一步地，所述SVPWM控制模块生成SVPWM控制指令包括：
电压控制环参考指令
Figure BDA00022215573200000410
和
Figure BDA00022215573200000411
经电压控制环生成电流控制环参考指令
Figure BDA00022215573200000412
和
Figure BDA00022215573200000413
电流控制环参考指令
Figure BDA00022215573200000414
和
Figure BDA00022215573200000415
经电流控制环生成SVPWM调制控制电压
Figure BDA00022215573200000416
和
Figure BDA00022215573200000417
SVPWM调制控制电压
Figure BDA0002221557320000051
和
Figure BDA0002221557320000052
经SVPWM生成SVPWM驱动波。
本发明还提供了一种虚拟同步发电机，使用上述控制系统。
本发明具有如下有益效果：
(1)通过使用电压前馈补偿控制，改善了虚拟同步机d、q轴的耦合问题，该解耦控制方法显著改善了有功分量与无功分量间的耦合影响，降低了对VSC的容量需求。
(2)采用三环控制，增大了系统阻尼，提高了系统的稳定性，使系统具有更大的稳定裕度，同时具备控制精度与跟踪性好等优点，取得了较强的鲁棒性和良好的动、静态性能。
附图说明
图1为根据本发明实施方式的虚拟同步发电机主拓扑及控制图；
图2为根据本发明实施方式的虚拟同步发电机小信号模型的框图；
图3为根据本发明实施方式的ΔPvsg和ΔQvsg之间关系的框图；
图4为根据本发明实施方式的ΔPvsg和ΔQvsg关系的简化框图；
图5为根据本发明实施方式的带电压前馈等效感抗的并网VSG系统的等效电路图；
图6为采用虚拟电感进行解耦的拓扑图；
图7为采用虚拟电感进行解耦的仿真结果；
图8为根据本发明实施方式的Q轴电压前馈解耦仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先对虚拟同步发电机的拓扑进行说明。参见图1，该拓扑包括三相电压源逆变器1、LCL滤波器2、电网3和虚拟同步发电机控制器4，其中虚拟同步发电机控制器4包括有功功率环401、无功功率环402、电压控制环403和电流控制环404。其中，Vdc是逆变器直流侧电压源，机侧电感L1和滤波电容Cf以及网侧电感L2组成逆变器的输出滤波器，Rline是电网线路电阻，Lline是电网线路电感，Uabc为三相电网电压。eaebec是逆变器输出的桥臂电压，Vabc是滤波电容电压(也即输出电压)，iabc是流过网侧电感的网侧电流。
基于上述虚拟同步发电机的拓扑，本发明实施例提供了一种虚拟同步发电机功率解耦控制方法，根据电压控制环的参考值调整电压源型逆变器(VSC)的有功功率输出，从而显著降低功率耦合。首先根据并网所需输出电压的频率、相位、幅值条件，设计有功调频控制环与无功调压控制环，然后基于电压前馈补偿控制方法，调整电压环的参考值，经电压外环电流内环生成SVPWM控制指令，实现虚拟同步发电机有功功率与无功功率的解耦。
该方法具体包括以下步骤：
(1)通过电压、电流霍尔传感器获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc，以及由有功功率环所给的功角θ′；
其中，三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和功角θ′可以同时获取，也可以分开获取，本发明实施例对此不做限制；
(2)利用派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，实际共Vd、Vq、Iod、Ioq、Id、Iq六路数值；
(3)利用功率计算得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；虚拟同步发电机功率计算表达式为：
Figure BDA0002221557320000071
其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗；
(4)给定无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000072
同时设定q轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000073
有功功率环的惯性方程表达式为：
Figure BDA0002221557320000074
无功功率环的惯性方程表达式为：
Figure BDA0002221557320000075
其中Dq是无功功率环下垂系数，V为输出电压，Vn为额定电压，Jq为无功功率环惯性系数，Pref为有功功率参考值，Dp是有功功率环下垂系数，ωn为额定角频率，Jp为有功功率环惯性系数；
(5)预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod；
(6)根据d轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000076
得到电压控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000077
利用q轴初始参考电压
Figure BDA0002221557320000078
减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令
Figure BDA0002221557320000079
(7)电压控制环参考指令
Figure BDA00022215573200000710
和
Figure BDA00022215573200000711
经电压环生成电流控制环参考指令
Figure BDA00022215573200000712
和
Figure BDA00022215573200000713
(8)电流控制环参考指令
Figure BDA00022215573200000714
和
Figure BDA00022215573200000715
经电流控制环生成SVPWM调制控制电压
Figure BDA00022215573200000716
和
Figure BDA00022215573200000717
(9)SVPWM调制控制电压
Figure BDA00022215573200000718
和
Figure BDA00022215573200000719
经SVPWM生成SVPWM驱动波输入虚拟同步发电机，从而输出功率。
下面参阅附图2-5，对本发明的解耦原理进行说明：
图2所示为本发明实施方式的虚拟同步发电机小信号模型的框图，回路①所示即为前馈补偿回路，其中c1为前馈系数。虚拟同步发电机模型的功率计算表达式为
Figure BDA0002221557320000081
在平衡点处进行小信号分析可得：
Figure BDA0002221557320000082
其中，
Figure BDA0002221557320000083
其中zt包括zg和Xv，γ′c＝θzt+θ′，下标0代表平衡态。当k12＝k21＝0时，ΔPvsg和ΔQvsg各自分别仅与Δθ和ΔV相关，从而有功功率和无功功率的输出可用于独立控制θ′和V。
图3是ΔPvsg和ΔQvsg关系的小信号框图，回路①为考虑了相角差影响，回路②③为考虑了电压摄动影响，回路⑤为前馈补偿。图4是在图3基础上作进一步简化得到的框图，回路①为考虑了相角差影响，回路②为考虑了电压摄动影响，回路③为前馈补偿。此时，
Figure BDA0002221557320000084
f3＝Dqf2c1。根据功率解耦条件，使
Figure BDA0002221557320000085
则可得最优前馈系数
Figure BDA0002221557320000086
图5为本发明实施方式的带电压前馈等效感抗的并网VSG系统的等效电路图，功率计算公式为
Figure BDA0002221557320000091
io为输出电流，在这个过程中，感抗只吸收无功功率，不吸收有功功率。
以下是本发明实施例的具体参数设置：
表1虚拟同步发电机系统参数
Figure BDA0002221557320000092
图6和图7分别为现有技术中通过引入虚拟电感进行解耦的拓扑图和对应的仿真结果，Xv为虚拟电感对应的感抗。由仿真结果可知，最佳虚拟电感约0.15，此时能对功率耦合有所改善。但当Xv偏离最优值时，功率耦合开始变得严重。而且，当Xv＝0.4时与Xv＝0的条件相比，稳定状态下的Qvsg更小，说明过大的虚拟电感甚至会引起更严重的功率耦合，偏离引入虚拟电感的最初目的。同时，更为严重的耦合意味着VSC吸收更多的无功功率以及电网输出更多的无功功率。结果，VSC的容量需求会增大，电网的无功缺额也会更严重。
图8为根据本发明实施方式的Q轴电压前馈解耦仿真结果。由仿真结果可知，无论电网的等效阻抗Xg如何，Qvsg在稳定状态下始终接近于零。说明本发明的方法利用Q轴成功阻塞了图2中的耦合通道k21，实现了功率解耦。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和有功功率环给出的功角θ'，经派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，再根据虚拟同步发电机功率计算表达式得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；
(2)给定无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压
Figure FDA0002860568950000011
同时设定q轴初始参考电压
Figure FDA0002860568950000012
(3)预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod，其中iod通过所述派克变换得到；
(4)根据d轴初始参考电压
Figure FDA0002860568950000013
得到电压控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000014
根据q轴初始参考电压
Figure FDA0002860568950000015
减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000016
(5)根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令；
步骤(1)中所述虚拟同步发电机功率计算表达式为：
Figure FDA0002860568950000017
其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无功功率环的惯性方程表达式为：
Figure FDA0002860568950000021
有功功率环的惯性方程表达式为：
Figure FDA0002860568950000022
其中Dq是无功功率环下垂系数，V为输出电压，Vn为额定电压，Jq为无功功率环惯性系数，Pref为有功功率参考值，Dp是有功功率环下垂系数，ωn为额定角频率，Jp为有功功率环惯性系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：
(401)电压控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000023
和
Figure FDA0002860568950000024
经电压控制环生成电流控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000025
和
Figure FDA0002860568950000026
(402)电流控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000027
和
Figure FDA0002860568950000028
经电流控制环生成SVPWM调制控制电压
Figure FDA0002860568950000029
和
Figure FDA00028605689500000210
(403)SVPWM调制控制电压
Figure FDA00028605689500000211
和
Figure FDA00028605689500000212
经SVPWM生成SVPWM驱动波。
4.一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制系统，其特征在于，包括：
(1)输出功率获取模块：用于获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和有功功率环给出的功角θ'，经派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，根据虚拟同步发电机功率计算表达式得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；
(2)参考电压生成模块；用于根据给定的无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg，再经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压
Figure FDA00028605689500000213
同时设定q轴初始参考电压
Figure FDA00028605689500000214
(3)前馈补偿模块：用于预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod，并利用所述前馈电压调整电压控制环参考指令；
(4)SVPWM控制模块：用于根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令；
所述虚拟同步发电机功率计算表达式为：
Figure FDA0002860568950000031
其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述无功功率环的惯性方程表达式为：
Figure FDA0002860568950000032
有功功率环的惯性方程表达式为：
Figure FDA0002860568950000033
其中Dq是无功功率环下垂系数，V为输出电压，Vn为额定电压，Jq为无功功率环惯性系数，Pref为有功功率参考值，Dp是有功功率环下垂系数，ωn为额定角频率，Jp为有功功率环惯性系数。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述前馈补偿模块根据前馈电压调整电压控制环参考指令包括：根据d轴初始参考电压
Figure FDA0002860568950000034
得到电压控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000035
根据q轴初始参考电压
Figure FDA0002860568950000036
减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000037
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述SVPWM控制模块生成SVPWM控制指令包括：
电压控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000041
和
Figure FDA0002860568950000042
经电压控制环生成电流控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000043
和
Figure FDA0002860568950000044
电流控制环参考指令
Figure FDA0002860568950000045
和
Figure FDA0002860568950000046
经电流控制环生成SVPWM调制控制电压
Figure FDA0002860568950000047
和
Figure FDA0002860568950000048
SVPWM调制控制电压
Figure FDA0002860568950000049
和
Figure FDA00028605689500000410
经SVPWM生成SVPWM驱动波。
8.一种虚拟同步发电机，其特征在于，使用上述权利要求4-7任一项所述的系统。
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