CN110649636B - 抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法及虚拟同步发电机控制装置 - Google Patents

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Abstract

抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法及虚拟同步发电机控制装置，该虚拟同步发电机控制装置包括直流稳压控制单元，虚拟惯性控制单元，虚拟阻尼控制单元，电流内环矢量控制单元和PWM信号调制单元；直流稳压控制单元的输出端与虚拟惯性控制单元的输入端连接，虚拟惯性控制单元的输出端与电流内环矢量控制单元的输入端连接，电流内环矢量控制单元的输出端与PWM信号调制单元的输入端连接，虚拟阻尼控制单元与虚拟惯性控制单元形成自闭环。本发明所涉的抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置可以实现不增加额外损耗和硬件成本就可抑制多电飞机直流电力系统电压振荡。

Description

抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法及虚拟同步发电 机控制装置
技术领域
本发明涉及多电飞机直流电力系统的电压振荡抑制技术领域，尤其指一种用于抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法及虚拟同步发电机控制装置及方法。
背景技术
由于新能源的间歇性和波动性，电力电子化电力系统易于遭受扰动时发生电压或频率波动现象。目前，在多电飞机电力系统中存在一种电压振荡现象，该现象产生的主要原因包括：电力电子变换器的低惯性和弱阻尼特性，功率变换器与直流网络的动态交互作用导致直流电压在额定值附近上下波动。
目前，在抑制多电飞机直流电力系统电压振荡方面，大多采用在变流器直流侧并联安装直流滤波器，或者在直流线路上串联直流电抗器，又或者通过陷波器的方法抑制直流侧电压电流谐振。然而，这些方法都存在很大的弊端：前两种方法不仅大大增加了硬件成本和系统体积和额外的硬件功率损耗，而且不能完全抑制直流侧谐振现象，并且由于增加的LC元件可能激发出新的频率点的振荡；而第三种方法其本质思想是通过回路整形的思想将直流网络阻抗频率响应特性的峰值压低进而抑制谐振，然而，它只能对特定频率次的谐振进行抑制，并且有可能增大其他频率点的谐振激发的可能性，另外，由于实际工程中的直流网络频率响应很难估计，并不能确定固有频率，因此，在实现上可行性不高。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法及虚拟同步发电机控制装置，以实现不增加额外损耗和硬件成本就可抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置包括：直流稳压控制单元，用于控制该多电飞机直流电力系统的直流稳压；虚拟惯性控制单元，用于提供直流网络的惯性；虚拟阻尼控制单元，用于提供直流网络的阻尼；电流内环矢量控制单元，用于为PWM调制信号单元提供所需交流调制信号；PWM信号调制单元，用于为变流器的IGBT提供所需脉冲信号；
所述直流稳压控制单元的输出端与虚拟惯性控制单元的输入端连接，所述虚拟惯性控制单元的输出端与电流内环矢量控制单元的输入端连接，所述电流内环矢量控制单元的输出端与PWM信号调制单元的输入端连接，所述虚拟阻尼控制单元与虚拟惯性控制单元形成自闭环。
进一步地，所述直流稳压控制单元包括第一采样单元和电压外环PI控制器，所述第一采样单元与电压外环PI控制器的输入端连接，所述电压外环PI控制器的输出端与虚拟惯性控制单元连接，所述第一采样单元采集变流器直流侧集中电容两端的电压信号，所述电压外环PI控制器将第一采样单元采集的电压信号与直流电压给定参考值信号相减，获得作为第一输出信号的直流稳压有功信号。
进一步地，所述虚拟惯性控制单元的输入端分别与电压外环PI控制器、第二采样单元、虚拟阻尼控制单元的输出端连接，所述虚拟惯性控制单元的输出端分别与电流内环矢量控制单元、虚拟阻尼控制单元的输入端连接，所述第二采样单元采集变流器直流电流信号，所述虚拟惯性控制单元将直流稳压有功信号、变流器直流电流信号以及虚拟阻尼控制单元获得的第三输出信号相叠加，获得第二输出信号，所述第二输出信号与直流电压给定参考值信号经过虚拟阻尼控制单元获得第三输出信号。
再进一步地，所述电流内环矢量控制单元包括第三采样单元、第四采样单元、变流器交流阻抗模型和电流内环PI控制器，所述第三采样单元采集变流器交流电流信号并获得d轴有功电流信号，所述第四采样单元采集变流器交流电压信号并获得其幅值，所述第二输出信号与交流电压信号的幅值叠加至变流器交流阻抗模型获得作为第四输出信号的电流内环矢量控制的参考电流信号，所述参考电流信号与d轴有功电流信号相减后送入电流内环PI控制器中，与交叉解耦前馈信号、电压前馈信号相叠加，获得dq轴下的调制电压信号ed*和eq*，再用dq/abc变换模块将调制电压信号ed*和eq*转换为三相交流调制信号eabc*，并作为第五输出信号传送给PWM调制信号单元。
更进一步地，所述第三采样单元包括电流互感器和abc/dq变换模块，所述电流互感器采集变流器交流电流信号，所述abc/dq变换模块将变流器交流电流信号变换为d轴有功电流信号和q轴无功电流信号。
优选地，所述第一输出信号满足如下控制规律：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Δiref为第一输出信号，即直流稳压有功信号，PI是电压外环PI控制器，ΔVref是直流电压给定参考值，ΔVdc是第一采样单元采集的直流电容电压。
作为本发明的另一面，采用前述虚拟同步发电机控制装置抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法，包括如下步骤：
步骤一，控制直流网络直流电压以及各变流器端子的有功功率分配，并获得第一输出信号；
步骤二，用虚拟惯性控制单元改善直流网络的惯性，获得第二输出信号；
步骤三，用虚拟阻尼控制单元改善直流网络的阻尼，获得第三输出信号；
步骤四，用第四采样单元采集变流器交流电压信号并获得其幅值，将第二输出信号与交流电压信号的幅值叠加至变流器交流阻抗模型，获得作为第四输出信号的电流内环矢量控制的参考电流信号；
步骤五，用第三采样单元采集变流器交流电流信号并获得其d轴有功电流信号，将步骤四中得到的参考电流信号和d轴有功电流信号相减后送入电流内环PI控制器中，与交叉解耦前馈信号、电压前馈信号相叠加，获得dq轴下的调制电压信号ed*和eq*，再用dq/abc变换模块将调制电压信号ed*和eq*转换为作为第五输出信号的三相交流调制信号eabc*。
步骤六，将第五输出信号送入PWM调制信号单元，以触发变流器的IGBT。
进一步地，在步骤一中，通过第一采样单元采集变流器直流侧集中电容两端的电压信号，由电压外环PI控制器将第一采样单元采集的电压信号与直流电压给定参考值信号相减，获得作为第一输出信号的直流稳压有功信号。
进一步地，在步骤二中，通过第二采样单元采集变流器直流电流信号，由虚拟惯性控制单元将直流稳压有功信号、变流器直流电流信号以及虚拟阻尼控制单元获得的第三输出信号相叠加，获得第二输出信号。
更进一步地，在步骤三中，所述第二输出信号与直流电压给定参考值信号经过虚拟阻尼控制单元获得第三输出信号。
与现有技术相比，本发明提出了一种适用于抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法及虚拟同步发电机控制装置。本发明通过虚拟惯性控制实现了不增加额外损耗和硬件成本的来抑制多电飞机电力系统直流侧电压振荡的目的，其一方面减少了系统成本和额外损耗，另一方面可对所有频段的谐振进行阻尼抑制，效果好，使得在不增加额外投资成本的情况下，对直流侧出现的电压振荡现象进行完全抑制。其抑制振荡的本质机理是增强了直流网络的惯性和阻尼，避免了阻抗交互作用。
附图说明
图1为电流内环矢量控制的原理图；
图2为本发明所涉抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置的结构框图；
图3为本发明所涉抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置的原理图；
图4为图4中VSG的局部放大图；
图5为本发明所涉直流稳压控制单元的结构框图；
图6为本发明所涉虚拟惯性控制单元和虚拟阻尼控制单元形成自闭环的结构框图；
图7为本发明所涉电流内环矢量控制单元的结构框图；
图8为本发明所涉抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法的流程图；
图9为本发明所涉虚拟同步发电机控制装置为多电飞机电力系统直流网络增加的等效阻尼和等效惯性原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
在介绍本发明之前，先介绍本发明所应用之多电飞机直流电力系统（MEA）的结构，多电飞机直流电力系统包括新能源分布式发电单元，储能，光伏单元，AC/DC变流器单元，DC/DC变流器单元，柔性电力电子负荷，直流网络等。请参考图1,模块1为PI控制器用于调节变流器（VSC）直流电压，模块2为dq轴交叉解耦项，模块3为电流内环控制前馈项，模块4为park变换模块。
图2为本发明所涉的多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置的结构示意图，该装置包括直流稳压控制单元、虚拟惯性控制单元、虚拟阻尼控制单元、电流内环矢量控制单元和PWM信号调制单元。接下来详细说明以上各部分的具体结构及工作原理。
直流稳压控制单元，用于控制该多电飞机直流电力系统的直流稳压，如图2和图5所示，直流稳压控制单元包括第一采样单元和电压外环PI控制器，第一采样单元与电压外环PI控制器的输入端连接，电压外环PI控制器的输出端与虚拟惯性控制单元连接，第一采样单元通过电压互感器采集变流器直流侧集中电容两端的电压信号，电压外环PI控制器将第一采样单元采集的电压信号与直流电压给定参考值信号相减，获得作为第一输出信号的直流稳压有功信号，该第一输出信号满足如下控制规律：
Figure 587887DEST_PATH_IMAGE002
其中，Δiref为第一输出信号，即直流稳压有功信号，PI是电压外环PI控制器，ΔVref是直流电压给定参考值，ΔVdc是第一采样单元采集的直流电容电压。
虚拟惯性控制单元，用于提供直流网络的惯性，改善频率响应特性，如图2和图6所示，虚拟惯性控制单元的输入端分别与电压外环PI控制器、第二采样单元、虚拟阻尼控制单元的输出端连接，虚拟惯性控制单元的输出端分别与电流内环矢量控制单元、虚拟阻尼控制单元的输入端连接，第二采样单元通过电流互感器采集变流器直流电流信号，虚拟惯性控制单元将直流稳压有功信号、变流器直流电流信号以及虚拟阻尼控制单元获得的第三输出信号相叠加，获得第二输出信号。
虚拟阻尼控制单元，用于增强直流网络的阻尼，削弱谐振峰，改善频率响应特性，如图2和图6所示，虚拟阻尼控制单元与虚拟惯性控制单元形成自闭环，第二输出信号与直流电压给定参考值信号经过虚拟阻尼控制单元获得第三输出信号，增强了直流网络的阻尼。
电流内环矢量控制单元，用于为PWM调制信号单元提供所需交流调制信号，如图2和图7所示，电流内环矢量控制单元包括第三采样单元、第四采样单元、变流器交流阻抗模型（用于获得电流内环参考值信号）和电流内环PI控制器，第三采样单元通过电流互感器采集变流器交流电流信号，并利用abc/dq变换模块将变流器交流电流信号变换为d轴有功电流信号和q轴无功电流信号，第四采样单元通过电压互感器采集变流器交流电压信号，并用PLL锁相环模块进行锁相，以获得abc/dq变换模块所需基准相位，再利用abc/dq变换模块将采集的交流电压信号转换为d轴和q轴电压信号并获得其幅值，第二输出信号与交流电压信号的幅值叠加至变流器交流阻抗模型获得作为第四输出信号的电流内环矢量控制的参考电流信号，参考电流信号与d轴有功电流信号相减后送入电流内环PI控制器中，与交叉解耦前馈信号、电压前馈信号相叠加，获得dq轴下的调制电压信号ed*和eq*，再用dq/abc变换模块将调制电压信号ed*和eq*转换为三相交流调制信号eabc*，并作为第五输出信号传送给PWM调制信号单元。
PWM调制信号单元，用于为VSC的IGBT提供所需脉冲信号，PWM调制信号单元与电流内环PI控制器的输出端连接。
图8示出的采用上述实施方式中的虚拟同步发电机控制装置抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的的方法，包括如下步骤：
步骤一，通过第一采样单元采集变流器直流侧集中电容两端的电压信号，由电压外环PI控制器将第一采样单元采集的电压信号与直流电压给定参考值信号相减，获得作为第一输出信号的直流稳压有功信号；
步骤二，通过第二采样单元采集变流器直流电流信号，由虚拟惯性控制单元将直流稳压有功信号、变流器直流电流信号以及虚拟阻尼控制单元获得的第三输出信号相叠加，获得第二输出信号；
步骤三，将第二输出信号与直流电压给定参考值信号经过虚拟阻尼控制单元获得第三输出信号；
步骤四，用第四采样单元采集变流器交流电压信号并获得其幅值，将第二输出信号与交流电压信号的幅值叠加至变流器交流阻抗模型，获得作为第四输出信号的电流内环矢量控制的参考电流信号；
步骤五，用第三采样单元采集变流器交流电流信号并获得其d轴有功电流信号，将步骤四中得到的参考电流信号和d轴有功电流信号相减后送入电流内环PI控制器中，与交叉解耦前馈信号、电压前馈信号相叠加，获得dq轴下的调制电压信号ed*和eq*，再用dq/abc变换模块将调制电压信号ed*和eq*转换为作为第五输出信号的三相交流调制信号eabc*。
步骤六，将第五输出信号送入PWM调制信号单元，以触发变流器的IGBT。
图3所示为前述多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置的原理图，从该图3中不难得出，直流侧电流小信号与直流电容电压小信号的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
由上式，G’(s)和G(s)的关系为：
Figure 505027DEST_PATH_IMAGE004
由上式可得图9的本质物理模型，即多电飞机直流电力系统引入虚拟同步发电机控制装置的物理本质，显然，本发明中的虚拟惯性单元相当于在直流网络中并联一个虚拟的电容，增加了直流网络的惯性，惯性的增加有利于振荡频率的降低和振荡幅值的降低，而虚拟阻尼控制相当于在直流网络中并联一个虚拟的电阻，增强了直流网络的阻尼，削弱了谐振峰，提高了稳定性。显然，虚拟阻尼和虚拟惯性的引入，有利于提高直流网络的惯性和阻尼，增强了系统的稳定性。
由此可见，本发明所涉的抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法及虚拟同步发电机控制装置通过虚拟惯性和虚拟阻尼控制实现了不增加额外损耗和硬件成本的来抑制多电飞机电力系统直流侧电压的振荡的目的，其一方面减少系统成本和额外损耗，另一方面可对所有频段的谐振进行阻尼抑制，效果好，无需对多电飞机电力系统各个部分的参数进行精确测量或估计，使得在不增加额外投资成本的情况下，对直流侧出现的电压振荡现象进行完全抑制，增强了直流电网的阻尼和惯性。本发明不仅适用于多电飞机电力系统，还可拓展适用于其他任意拓扑的交直流系统。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
（1）无需直流滤波器或直流电抗器，减小了系统体积，通过VSG控制可实现直流电压振荡分量的完全抑制。
（2）本发明的虚拟同步发电机控制不仅可以阻尼多电飞机电力系统的电压振荡，还可为多电飞机增强惯性和阻尼，增强系统稳定裕度。本发明VSG控制并未改变传统矢量控制的结构，仅仅在原有双环控制中级联了一个自闭环的VSG控制，增强了控制系统的鲁棒性。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (6)

1.抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置，其特征在于包括：直流稳压控制单元，用于控制该多电飞机直流电力系统的直流稳压；虚拟惯性控制单元，用于提供直流网络的惯性；虚拟阻尼控制单元，用于提供直流网络的阻尼；电流内环矢量控制单元，用于为PWM调制信号单元提供所需交流调制信号；PWM信号调制单元，用于为变流器的IGBT提供所需脉冲信号；
所述直流稳压控制单元的输出端与虚拟惯性控制单元的输入端连接，所述虚拟惯性控制单元的输出端与电流内环矢量控制单元的输入端连接，所述电流内环矢量控制单元的输出端与PWM信号调制单元的输入端连接，所述虚拟阻尼控制单元与虚拟惯性控制单元形成自闭环；
所述直流稳压控制单元包括第一采样单元和电压外环PI控制器，所述第一采样单元与电压外环PI控制器的输入端连接，所述电压外环PI控制器的输出端与虚拟惯性控制单元连接，所述第一采样单元采集变流器直流侧集中电容两端的电压信号，所述电压外环PI控制器将第一采样单元采集的电压信号与直流电压给定参考值信号相减，获得作为第一输出信号的直流稳压有功信号；
所述虚拟惯性控制单元的输入端分别与电压外环PI控制器、第二采样单元、虚拟阻尼控制单元的输出端连接，所述虚拟惯性控制单元的输出端分别与电流内环矢量控制单元、虚拟阻尼控制单元的输入端连接，所述第二采样单元采集变流器直流电流信号，所述虚拟惯性控制单元将直流稳压有功信号、变流器直流电流信号以及虚拟阻尼控制单元获得的第三输出信号相叠加，获得第二输出信号，所述第二输出信号与直流电压给定参考值信号经过虚拟阻尼控制单元获得第三输出信号；
所述电流内环矢量控制单元包括第三采样单元、第四采样单元、变流器交流阻抗模型和电流内环PI控制器，所述第三采样单元采集变流器交流电流信号并获得d轴有功电流信号，所述第三采样单元包括电流互感器和abc/dq变换模块，所述电流互感器采集变流器交流电流信号，所述abc/dq变换模块将变流器交流电流信号变换为d轴有功电流信号和q轴无功电流信号，所述第四采样单元采集变流器交流电压信号并获得其幅值，所述第二输出信号与交流电压信号的幅值叠加至变流器交流阻抗模型获得作为第四输出信号的电流内环矢量控制的参考电流信号，所述参考电流信号与d轴有功电流信号相减后送入电流内环PI控制器中，与交叉解耦前馈信号、电压前馈信号相叠加，获得dq轴下的调制电压信号ed*和eq*，再用dq/abc变换模块将调制电压信号ed*和eq*转换为三相交流调制信号eabc*，并作为第五输出信号传送给PWM调制信号单元。
2.根据权利要求1所述的抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的虚拟同步发电机控制装置，其特征在于：所述第一输出信号满足如下控制规律：
Δiref＝PI(ΔVref-ΔVdc)；
其中，Δiref为第一输出信号，即直流稳压有功信号，PI是电压外环PI控制器，ΔVref是直流电压给定参考值，ΔVdc是第一采样单元采集的直流电容电压。
3.采用权利要求1或2中任意一项所述虚拟同步发电机控制装置抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法，包括如下步骤：
步骤一，控制直流网络直流电压以及各变流器端子的有功功率分配，并获得第一输出信号；
步骤二，用虚拟惯性控制单元改善直流网络的惯性，获得第二输出信号；
步骤三，用虚拟阻尼控制单元改善直流网络的阻尼，获得第三输出信号；
步骤四，用第四采样单元采集变流器交流电压信号并获得其幅值，将第二输出信号与交流电压信号的幅值叠加至变流器交流阻抗模型，获得作为第四输出信号的电流内环矢量控制的参考电流信号；
步骤五，用第三采样单元采集变流器交流电流信号并获得其d轴有功电流信号，将步骤四中得到的参考电流信号和d轴有功电流信号相减后送入电流内环PI控制器中，与交叉解耦前馈信号、电压前馈信号相叠加，获得dq轴下的调制电压信号ed*和eq*，再用dq/abc变换模块将调制电压信号ed*和eq*转换为作为第五输出信号的三相交流调制信号eabc*;
步骤六，将第五输出信号送入PWM调制信号单元，以触发变流器的IGBT。
4.根据权利要求3所述的抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法，其特征在于：在步骤一中，通过第一采样单元采集变流器直流侧集中电容两端的电压信号，由电压外环PI控制器将第一采样单元采集的电压信号与直流电压给定参考值信号相减，获得作为第一输出信号的直流稳压有功信号。
5.根据权利要求4所述的抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法，其特征在于：在步骤二中，通过第二采样单元采集变流器直流电流信号，由虚拟惯性控制单元将直流稳压有功信号、变流器直流电流信号以及虚拟阻尼控制单元获得的第三输出信号相叠加，获得第二输出信号。
6.根据权利要求5所述的抑制多电飞机直流电力系统电压振荡的方法，其特征在于：在步骤三中，所述第二输出信号与直流电压给定参考值信号经过虚拟阻尼控制单元获得第三输出信号。
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