CN111030139A - 基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法，应用该控制方法的虚拟同步发电机的并网拓扑结构包括直流侧电源、直流侧滤波电容C_in、并网逆变器、LC滤波器、串补电容、线路电感和电网。逆变器的控制结构通过在无内环虚拟同步机结构的发波环节之前在三相坐标系下引入逆变器内侧滤波电感电流比例反馈以实现虚拟电阻，从而解决虚拟同步机接入串补电网的不稳定问题，显著提升了并网稳定性，提升了新能源发电经济性和可靠性。

Description

基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法

技术领域

本发明属于分布式发电及电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法。

背景技术

随着新能源发电渗透率的提升，并网逆变器接入公共电网的稳定性问题得到了广泛关注。传统的电流控制型逆变器由于控制结构简单，能快速进行MPPT，经济高效等优点得到了广泛优点。但是电流控制型逆变器大规模接入电网时，容易引起不稳定问题，因此，虚拟同步机技术应运而生。

虚拟同步机技术能够模拟传统同步发电机的阻尼和惯性，并对电网提供频率和电压支撑，现有的研究表明当大规模新能源发电设备接入电网时，加入一定比例的虚拟同步机有利于并网系统的稳定。但是在实际工程中常常为了提升线路的功率传输能力而加入串联补偿设备，虚拟同步机接入电网容易引发不稳定问题。

由此，新能源发电接入串补电网的稳定性问题成了一个亟待研究的问题。关于这个问题，现有国内外的研究方案主要集中风力发电中，而风力发电通常采用电流控制型逆变器。

目前，对于新能源发电接入电网的稳定性，已有多篇学术论文进行分析并提出解决方案，例如：

1、题为“下垂控制三相逆变器阻抗建模与并网特性分析”，《中国电机工程学报》，2019年第16期4846～4854页的文章。该文利用谐波线性化方法建立了下垂控制型逆变器的输出阻抗，并据此进行了逆变器并网稳定性分析。发现了下垂控制型逆变器在接入极弱电网时容易引发不稳定问题，并提出了虚拟阻抗方法来提高下垂控制型逆变器接入极弱电网时的稳定性，但并未涉及虚拟同步机接入串弱电网的稳定性问题，且未对虚拟阻抗大小进行探究。

2、题为“电网对称故障下虚拟同步发电机建模与改进控制”，《中国电机工程学报》，2017年第2期403～411页的文章。该文建立了钟庆昌教授提出的无内环虚拟同步机模型，发现了无内环虚拟同步机在电网对称故障时，无法抑制短路电流的问题，并提出了在αβ坐标系下的虚拟电阻策略来解决故障电流过大问题。但论文中并未讨论虚拟同步发电机接入串补电网时的稳定性问题。

3、中国发明专利文献(公开号CN 105429170 A)于2016年3月23日公开的《一种基于可调虚拟阻抗的微网逆变器下垂控制方法》，本发明提出了一种基于下垂控制的自适应虚拟阻抗策略用来更好的进行微网系统中的无功功率均分。但本发明并未采用虚拟阻抗策略来解决并网系统的不稳定问题。

4、中国发明专利文献(公开号CN 109120001 A)于2019年1月1日公开的《基于虚拟电阻的双馈风电场并网系统次同步震荡抑制方法》，本发明提出了一种基于PQ控制的虚拟电阻策略用来解决风力发电接入串补电网的不稳定问题，但本发明并未涉及虚拟同步机接入串补电网的不稳定问题。

综合以上文献，现有的虚拟电阻控制方法存在以下不足：

1、现有的虚拟电阻方法主要是用来解决微电网中的无功功率均分问题，极少用虚拟电阻来解决稳定性问题；

2、现有的虚拟电阻方案主要应用在有内环的控制结构中，对于无内环系统的虚拟电阻方案也主要存在于αβ坐标系中，具有一定的复杂度；

3、对于无内环虚拟同步发电机接入串补电网的稳定性问题没有研究，且没有解决方案。

发明内容

本发明提出了一种基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法，应用该抑制方法的虚拟同步发电机的控制能够保证逆变器在串补电网下的稳定运行。

本发明的目的是这样实现的。本发明提出一种基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法，通过在无内环虚拟同步发电机控制的发波环节引入逆变器内侧滤波电感电流的比例反馈，从而实现虚拟电阻，进而解决虚拟同步发电机接入串补电网的不稳定问题。

具体的，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法，应用该抑制方法的虚拟同步发电机的拓扑结构包括直流侧电源、直流侧滤波电容C_in、并网逆变器、LC滤波器、串补电路和电网；所述直流侧电源与直流侧滤波电容C_in并联，直流侧滤波电容C_in与并网逆变器并联，并网逆变器输出经过LC滤波器进行滤波后经过串补电容和线路电感接入电网；

本控制方法的步骤如下：

步骤1，将LC滤波器中的电容和电感分别记为逆变器侧滤波电容和逆变器侧滤波电感，采样逆变器侧滤波电容相电压U_a,U_b,U_c，采样逆变器的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c；

步骤2，根据步骤1得到的逆变器侧滤波电容相电压U_a,U_b,U_c，通过三相电压到两相静止坐标系电压变换公式得到静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β；根据步骤1得到的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c，通过三相电流到两相静止坐标系电流变换公式得到静止坐标系逆变器侧滤波电感两相电流I_α,I_β；

所述输出三相电压到两相静止坐标系电压变换公式为：

所述输出三相电流到两相静止坐标系电流变换公式为：

步骤3，根据步骤2得到的静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β和静止坐标系逆变器侧滤波电感两相电流I_α,I_β，通过功率计算公式得到逆变器输出有功功率P和逆变器输出无功功率Q；

所述功率计算公式为：

P＝U_αI_α+U_βI_β

Q＝U_βI_α-U_αI_β

步骤4，根据步骤2得到的逆变器静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β，通过两相静止坐标系到两相旋转坐标系公式得到逆变器侧滤波电容电压dq轴分量U_q，U_d，通过单同步坐标系锁相环锁相公式得到电容电压相角θ”，其中q轴为无功轴，d轴为有功轴；

所述两相静止坐标系到两相旋转坐标系公式为：

U_d＝cosθ'×U_α+sinθ'×U_β

U_q＝-sinθ'×U_α+cosθ'×U_β

所述q轴电压锁相公式为：

其中，θ'是上一个周期电容电压相角，k_{p_spll}是单同步坐标系锁相环比例调节器系数，k_{i_spll}为单同步坐标系锁相环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子；

步骤5，根据步骤3计算出的逆变器输出有功功率P，通过有功功率环计算公式得到虚拟同步发电机调制角度θ；根据步骤3计算出的逆变器输出无功功率Q和步骤4计算出的逆变器侧滤波电容电压d轴分量U_d，通过无功功率环计算公式得到虚拟同步发电机调制电压幅值U_ref；

所述有功功率环计算公式为：

所述无功功率环计算公式为：

其中P_ref为有功功率参考值，ω₀为基波角频率，D_p为有功阻尼系数，J为虚拟转动惯量，U_{d_ref}为逆变器侧滤波电容电压d轴参考电压，Q_set为无功功率参考值，D_q是无功自拟系数，K为无功惯性系数；

步骤6，先根据步骤5得到的虚拟同步发电机调制电压幅值U_ref和虚拟同步发电机调制角度θ，通过VSG调制波计算公式得到虚拟同步发电机a、b、c相初始调制电压U_{a_ref}'，U_{b_ref}'，U_{c_ref}'，再根据虚拟同步发电机a、b、c相初始调制电压U_{a_ref}'，U_{b_ref}'，U_{c_ref}'和步骤1得到的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c，通过虚拟电阻公式得到虚拟同步发电机a、b、c相调制电压U_{a_ref}，U_{b_ref}，U_{c_ref}；

所述VSG调制波计算公式为：

U_{a_ref}'＝U_ref×cos(θ)

所述虚拟电阻公式为：

U_{a_ref}＝U_{a_ref}'-I_a×R_virtual

U_{b_ref}＝U_{b_ref}'-I_b×R_virtual

U_{c_ref}＝U_{c_ref}'-I_c×R_virtual

其中，R_virtual为虚拟电阻阻值；

步骤7，将步骤6计算得到的a、b、c相调制电压U_{a_ref}，U_{b_ref}，U_{c_ref}经过调制发波控制逆变器开关管的通断，从而使得电能逆变到交流侧。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明考虑了无内环虚拟同步发电机接入串补电网的不稳定问题，并采用虚拟电阻方案提升系统稳定性；

2、本发明在三相坐标系下进行虚拟电阻，控制结构简单；

3、本发明相对于传统的接入低通滤波器的串补电网谐振抑制方法能更大的提升稳定裕度，效果更明显；

附图说明

图1为涉及本发明的虚拟同步发电机的并网拓扑结构图。

图2为本发明基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法的控制框图。

图3为无虚拟电阻方案的虚拟同步机控制逆变器并网电压波形。

图4为无虚拟电阻方案的虚拟同步机控制逆变器并网电流波形。

图5为基于虚拟电阻的虚拟同步机控制逆变器并网电压波形。

图6为基于虚拟电阻的虚拟同步机控制逆变器并网电压波形。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例进行具体的描述。

图1为涉及本发明的虚拟同步发电机的并网拓扑结构图。。由该图可见，包括直流侧电源V_dc、直流侧滤波电容C_in、并网逆变器、LC滤波器、串补电路和电网。所述直流侧电源与直流侧滤波电容C_in并联，直流侧滤波电容C_in与并网逆变器并联，并网逆变器输出经过LC滤波器进行滤波后经过串补电路接入电网。将所述LC滤波器中的电容和电感分别记为逆变器侧滤波电容和逆变器侧滤波电感。在图1中，V_dc为直流电压源电压，L_f为逆变器侧滤波电感，C_f为逆变器侧滤波电容，L_g为线路电感，C_g为串补电容。

具体参数如下：逆变器额定输出线电压为380V/50Hz，直流侧滤波电容C_in＝15mF，逆变器侧滤波电感L_f＝0.56mH，逆变器侧滤波电容C_f＝270uF，逆变器额定容量为100kVA，线路电感L_g＝0.92mH，串补电容C_g＝22mF。

图2是本发明图2为本发明基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法的控制框图。由该图可见，本发明所述控制方法的步骤如下：

步骤1，采样逆变器侧滤波电容相电压U_a,U_b,U_c，采样逆变器的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c。

步骤2，根据步骤1得到的逆变器侧滤波电容相电压U_a,U_b,U_c，通过三相电压到两相静止坐标系电压变换公式得到静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β；根据步骤1得到的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c，通过三相电流到两相静止坐标系电流变换公式得到静止坐标系逆变器侧滤波电感两相电流I_α,I_β。

所述输出三相电压到两相静止坐标系电压变换公式为：

所述输出三相电流到两相静止坐标系电流变换公式为：

步骤3，根据步骤2得到的静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β和静止坐标系逆变器侧滤波电感两相电流I_α,I_β，通过功率计算公式得到逆变器输出有功功率P和逆变器输出无功功率Q。

所述功率计算公式为：

P＝U_αI_α+U_βI_β

Q＝U_βI_α-U_αI_β

步骤4，根据步骤2得到的逆变器静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β，通过两相静止坐标系到两相旋转坐标系公式得到逆变器侧滤波电容电压dq轴分量U_q，U_d，通过单同步坐标系锁相环锁相公式得到电容电压相角θ”，其中q轴为无功轴，d轴为有功轴。

所述两相静止坐标系到两相旋转坐标系公式为：

U_d＝cosθ'×U_α+sinθ'×U_β

U_q＝-sinθ'×U_α+cosθ'×U_β

所述q轴电压锁相公式为：

其中，θ'是上一个周期电容电压相角，k_{p_spll}是单同步坐标系锁相环比例调节器系数，k_{i_spll}为单同步坐标系锁相环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子。在本实施例中，k_{p_spll}＝1.4，k_{i_spll}＝300。

步骤5，根据步骤3计算出的逆变器输出有功功率P，通过有功功率环计算公式得到虚拟同步发电机调制角度θ；根据步骤3计算出的逆变器输出无功功率Q和步骤4计算出的逆变器侧滤波电容电压d轴分量U_d，通过无功功率环计算公式得到虚拟同步发电机调制电压幅值U_ref。

所述有功功率环计算公式为：

所述无功功率环计算公式为：

其中P_ref为有功功率参考值，ω₀为基波角频率，D_p为有功阻尼系数，J为虚拟转动惯量，U_{d_ref}为逆变器侧滤波电容电压d轴参考电压，Q_set为无功功率参考值，D_q是无功自拟系数，K为无功惯性系数。在本实施例中ω₀＝100π，D_p＝50，J＝0.057，U_{d_ref}＝311，Q_set＝0，D_q＝3210，K＝71。

步骤6，先根据步骤5得到的虚拟同步发电机调制电压幅值U_ref和虚拟同步发电机调制角度θ，通过VSG调制波计算公式得到虚拟同步发电机a、b、c相初始调制电压U_{a_ref}'，U_{b_ref}'，U_{c_ref}'，再根据虚拟同步发电机a、b、c相初始调制电压U_{a_ref}'，U_{b_ref}'，U_{c_ref}'和步骤1得到的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c，通过虚拟电阻公式得到虚拟同步发电机a、b、c相调制电压U_{a_ref}，U_{b_ref}，U_{c_ref}。

所述VSG调制波计算公式为：

U_{a_ref}'＝U_ref×cos(θ)

所述虚拟电阻公式为：

U_{a_ref}＝U_{a_ref}'-I_a×R_virtual

U_{b_ref}＝U_{b_ref}'-I_b×R_virtual

U_{c_ref}＝U_{c_ref}'-I_c×R_virtual

其中，R_virtual为虚拟电阻阻值，本实施例中R_virtual＝0.05。

步骤7，将步骤6计算得到的a、b、c相调制电压U_{a_ref}，U_{b_ref}，U_{c_ref}经过调制发波控制逆变器开关管的通断，从而使得电能逆变到交流侧。

图3、图4分别为无虚拟电阻的虚拟同步发电机机控制方法接入短路比为5、串补度为0.5的串弱电网并网电压波形和并网电流波形，由图3和图4可以看出此时并网系统不稳定，电压和电流都出现了谐振现象，说明虚拟同步机接入串补电网确实存在不稳定问题。

图5、图6分别为本发明所提方案，即基于虚拟电阻的虚拟同步机控制方法接入短路比5、串补度为0.5的串弱电网并网电压波形和并网电流波形。由图5和图6可以看出并网电压、电流波形良好。其中并网电流在初始阶段的冲击是由于没有预同步造成的，但在实际工程中都必须采用预同步策略，所以在实际实现中不会出现该冲击电流。这两幅图可以证明本发明所提虚拟电阻的方案确实能解决虚拟同步机接入串补电网的不稳定问题。

Claims (1)

1.一种基于虚拟同步发电机的串补电网谐振抑制方法，应用该抑制方法的虚拟同步发电机的拓扑结构包括直流侧电源、直流侧滤波电容C_in、并网逆变器、LC滤波器、串补电路和电网；所述直流侧电源与直流侧滤波电容C_in并联，直流侧滤波电容C_in与并网逆变器并联，并网逆变器输出经过LC滤波器进行滤波后经过串补电容和线路电感接入电网；

其特征在于，本控制方法的步骤如下：

步骤1，将LC滤波器中的电容和电感分别记为逆变器侧滤波电容和逆变器侧滤波电感，采样逆变器侧滤波电容相电压U_a,U_b,U_c，采样逆变器的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c；

步骤2，根据步骤1得到的逆变器侧滤波电容相电压U_a,U_b,U_c，通过三相电压到两相静止坐标系电压变换公式得到静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β；根据步骤1得到的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c，通过三相电流到两相静止坐标系电流变换公式得到静止坐标系逆变器侧滤波电感两相电流I_α,I_β；

所述输出三相电压到两相静止坐标系电压变换公式为：

所述输出三相电流到两相静止坐标系电流变换公式为：

步骤3，根据步骤2得到的静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β和静止坐标系逆变器侧滤波电感两相电流I_α,I_β，通过功率计算公式得到逆变器输出有功功率P和逆变器输出无功功率Q；

所述功率计算公式为：

P＝U_αI_α+U_βI_β

Q＝U_βI_α-U_αI_β

步骤4，根据步骤2得到的逆变器静止坐标系逆变器侧滤波电容两相电压U_α,U_β，通过两相静止坐标系到两相旋转坐标系公式得到逆变器侧滤波电容电压dq轴分量U_q，U_d，通过单同步坐标系锁相环锁相公式得到电容电压相角θ”，其中q轴为无功轴，d轴为有功轴；

所述两相静止坐标系到两相旋转坐标系公式为：

U_d＝cosθ'×U_α+sinθ'×U_β

U_q＝-sinθ'×U_α+cosθ'×U_β

所述q轴电压锁相公式为：

其中，θ'是上一个周期电容电压相角，k_{p_spll}是单同步坐标系锁相环比例调节器系数，k_{i_spll}为单同步坐标系锁相环积分调节器系数，s为拉普拉斯算子；

步骤5，根据步骤3计算出的逆变器输出有功功率P，通过有功功率环计算公式得到虚拟同步发电机调制角度θ；根据步骤3计算出的逆变器输出无功功率Q和步骤4计算出的逆变器侧滤波电容电压d轴分量U_d，通过无功功率环计算公式得到虚拟同步发电机调制电压幅值U_ref；

所述有功功率环计算公式为：

所述无功功率环计算公式为：

其中P_ref为有功功率参考值，ω₀为基波角频率，D_p为有功阻尼系数，J为虚拟转动惯量，U_{d_ref}为逆变器侧滤波电容电压d轴参考电压，Q_set为无功功率参考值，D_q是无功自拟系数，K为无功惯性系数；

步骤6，先根据步骤5得到的虚拟同步发电机调制电压幅值U_ref和虚拟同步发电机调制角度θ，通过VSG调制波计算公式得到虚拟同步发电机a、b、c相初始调制电压U_{a_ref}'，U_{b_ref}'，U_{c_ref}'，再根据虚拟同步发电机a、b、c相初始调制电压U_{a_ref}'，U_{b_ref}'，U_{c_ref}'和步骤1得到的逆变器侧滤波电感相电流I_a,I_b,I_c，通过虚拟电阻公式得到虚拟同步发电机a、b、c相调制电压U_{a_ref}，U_{b_ref}，U_{c_ref}；

所述VSG调制波计算公式为：

U_{a_ref}'＝U_ref×cos(θ)

所述虚拟电阻公式为：

U_{a_ref}＝U_{a_ref}’-I_a×R_virtual

U_{b_ref}＝U_{b_ref}’-I_b×R_virtual

U_{c_ref}＝U_{c_ref}’-I_c×R_virtual

其中，R_virtual为虚拟电阻阻值；

步骤7，将步骤6计算得到的a、b、c相调制电压U_{a_ref}，U_{b_ref}，U_{c_ref}经过调制发波控制逆变器开关管的通断，从而使得电能逆变到交流侧。

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