CN111193291B - 一种适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制方法，属于虚拟同步机控制技术领域。方法为：步骤一，计算逆变器输出的正序基波有功功率和正序基波无功功率；步骤二、利用虚拟调速控制环路得到逆变器输出电压的相位指令；步骤三、利用虚拟励磁控制环路得到逆变器输出电压的幅值指令，结合相位指令得到参考电压；步骤四、在电压环中加入虚拟阻抗控制采用正序虚拟阻抗控制对有功功率和无功功率解耦；步骤五、对步骤四的参考电流值修正，设置系数N协调控制功率波动和电流质量；步骤六、设置系数k用以选取参考电流，得到电流环的实际参考电流值；步骤七、采样电感电流，利用电流环对电流参考值与所述电感电流进行准PR控制得到调制信号。

Description

一种适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制方法，属于虚拟同步机控制技术领域。

背景技术

随着电网中分布式电源(Distributed Generators,DG)渗透率的提高，DG发电间歇性与电力电子装置接口低惯性和欠阻尼的特点，使得电网较传统电网而言更易受到外界环境的干扰，不利于电网的安全稳定运行。为解决分布式电源大规模接入电网造成的稳定性问题，相关学者提出虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator，VSG)的控制方法。VSG控制通过模拟同步发电机的工作原理，使得逆变器具有与同步发电机相似的调频调压外特性，能够为电网提供一定的惯性和频率支撑。

目前，关于虚拟同步机的控制方法大部分是针对理想的工况(电网三相电压平衡或三相负载平衡)展开相关的研究，而实际运行中，电网电压的不对称跌落以及单相负载的接入等因素都会使逆变器工作在不平衡的工况下，目前针对不平衡工况下的逆变器以及VSG控制方法，通常采用功率-电流的控制方法，即通过功率计算电流的参考值，对电流质量和功率波动等问题进行改善。但是这些方法都是基于电流源型的逆变器和VSG而言的，而电流源型的VSG只适用于DG渗透率较低的并网环境，无法为系统提供电压和频率支撑。

发明内容

本发明针对现有适用于不平衡条件下的逆变器VSG控制方法无法为系统提供电压和频率支撑问题，提出一种适用于不平衡工况的复合型VSG控制方法，该方法既能提高逆变器在电网电压不平衡工况下的运行性能，又可以保证不改变VSG电压源控制的基本属性，为系统提供电压和频率支撑。所采取的技术方案如下：

一种适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制方法，所述控制方法包括：

步骤一、利用采样逆变器输出三相电压u_oa、u_ob、u_oc和三相电流i_oa、i_ob、i_oc作为采样信号，然后分别利用正负序分离模块和Clarke变换对所述采样信号进行正负序分离和Clarke变换处理，再通过瞬时功率计算获得逆变器输出的正序基波有功功率

和正序基波无功功率

步骤二、VSG控制主要包括虚拟励磁控制和虚拟调速控制两部分，利用VSG控制中的虚拟调速控制环路模拟同步发电机有功调频的下垂特性以及为适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制系统提供惯性和阻尼的机械特性，根据虚拟同步机实际输出电压的基波频率f、给定的参考频率f_ref以及给定的有功功率参考值P*，通过下垂方程得到虚拟机械功率P_m；然后结合步骤一中所述正序基波有功功率

以及机械运动方程得到VSG输出电压的相位指令θ；

步骤三、利用VSG控制中的虚拟励磁控制环路模拟同步发电机无功调压的下垂特性，根据虚拟同步机实际输出正序基波电压幅值

参考电压幅值U_n、参考无功功率Q*以及步骤一所述正序基波无功功率

通过下垂控制中的无功-电压控制方程得到VSG输出电压的幅值指令E，再结合步骤二中得到的相位指令θ得到参考电压

步骤四、在电压环中加入虚拟阻抗控制，采用正序虚拟阻抗控制对有功功率和无功功率进行解耦；然后将经过虚拟阻抗控制后的参考电压u_ref和虚拟同步机实际输出电压u_oαβ的差值经过准PR控制得到电流参考值i_Lref；

为了实现有功功率和无功功率的解耦，同时为了保证经过虚拟阻抗控制后的参考电压u_ref仍然是平衡的电压，本发明方法采用的是正序虚拟阻抗控制，即经过虚拟阻抗的电流只需其正序基波分量。

步骤五、对步骤四中的参考电流值i_Lref进行修正，根据复功率定义，得到有功功率波动、无功功率波动和不平衡电流与负序电流之间的关系，并利用权重方式统一所述有功功率波动、无功功率波动和不平衡电流这三种控制目标下的负序电流参考值，然后将所述三种控制目标下的负序电流参考值与正序电流相加得到新的电流参考值i′_Lref；

步骤六、为了在实现并网电压不平衡下的功率波动和电流质量的协调控制的同时，提高逆变器带不平衡负载的能力。结合步骤四中的电流参考值i_Lref以及步骤五中修正后的电流参考值i′_Lref，通过设置系数k得到电流环的实际参考电流值为

其中，系数k的取值为0或1；

步骤七、采样电感电流i_Lαβ，并利用电流环对步骤六中得到的电流参考值

与所述电感电流i_Lαβ进行准PR控制得到调制波

然后经过SVPWM模块得到开关驱动信号，进而用于驱动开关管。

进一步地，步骤一获得所述正序基波有功功率

和正序基波无功功率

的具体公式如下：

其中，u_oα、u_oβ和i_oα、i_oβ分别是逆变器输出电压和电流，上标“+”表示正序分量。

进一步地，步骤二中所述的VSG虚拟调速控制环路，首先根据虚拟同步机实际输出电压的频率f、给定的参考频率f_ref以及给定的有功功率参考值P*，通过下垂方程得到虚拟机械功率P_m的具体公式如下：

P_m＝P^*+k_f(f_ref-f) (2)

然后结合步骤一得到的正序基波有功功率，根据机械运动方程得到虚拟同步发电机输出电压的相位指令θ的具体公式如下：

θ＝∫ωdt (4)

其中，J为转子转动惯量，D为阻尼系数，ω表示逆变器输出电压的参考角频率；ω₀表示给定的角频率，k_f表示有功下垂系数。

进一步地，步骤三所述的VSG虚拟励磁控制环路，根据虚拟同步机实际输出正序电压幅值

参考电压幅值U_n与参考无功功率Q*得到虚拟同步发电机输出电压的幅值指令E，具体公式如下：

其中，k_p、k_i为PI参数；

然后，通过下式得到参考电压

其中，E_aref、E_bref和E_cref分别表示a相，b相和c相参考电压。

进一步地，步骤四中所述电压环中加入虚拟阻抗控制，系统输出方程修正为：

其中，Z_v为虚拟阻抗，电流采用正序分量的电流

是为了保证修正后的参考电压u_ref是平衡的。

进一步地，步骤五所述参考电流值i_Lref进行修正的具体过程为：通过对系数N的设置分别实现有功功率无波动，无功功率无波动和输出电流平衡三种控制目标，并且通过对系数N的优化选取可达到最优的性能指标；参考电流的统一修正表达式如下：

其中，i_α、i_β分别表示为α，β轴向的电流；u_α和u_β分别表示为α，β轴向的电压；上标“+”表示正序分量，上标“-”表示负序分量，N的取值范围为[-1，1]，且N为-1，1，0时分别对应三种控制目标下的参考电流值。

进一步地，步骤六中所述的参考电流的选取，为提高VSG在孤岛下带不平衡负载的能力，通过对系数k的设置来进行参考电流的选取，表达式如下：

其中，i_Lref为步骤五修正前的参考电流值，i′_Lref为步骤五中修正后的参考电流值，

实际的参考电流值。

本发明有益效果：

本发明提出的适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制方法在考虑不平衡条件下的逆变器VSG控制时，不仅实现了并网电压不平衡时功率和电流质量的改善，还保证VSG电压源控制的属性，为系统提供频率和电压支撑。具体有益效果包括：

(1)复合型VSG控制方法在并网电压不平衡条件下，可以分别实现输出电流平衡、有功功率无波动和无功功率无波动三种控制目标。同时，三种控制目标的切换可实现连续平滑无冲击，不需要控制模式的切换，此外，还可以通过优化算法对系数N进行选取，实现逆变器输出性能最优。

(2)本发明方法不改变VSG电压源控制的基本属性，能为系统提供电压和频率支撑，并且通过对系数k的设置，能进一步提高逆变器孤岛运行时带不平衡负载的能力。

(3)本发明方法保留了VSG原有的控制结构；能够免去传统不平衡控制中正负序环路的单独控制环节，减少了PI/准PR控制器的数量；在静止坐标系下进行，无需前馈解耦以及Park变换环节，大大简化了控制结构，易于工程实现。

附图说明

图1为基于VSG控制的逆变器拓扑结构图；

图2为传统的VSG控制算法框图；

图3为复合型VSG控制方法的总体控制框图；

图4为功率计算和VSG控制部分的原理图；

图5为电压环控制部分的原理图；

图6为电流环控制部分的原理图；

图7为不平衡电网电压下采用传统VSG控制方法的仿真结果图，其中，(a)为逆变器输出电压和电流整体波形图，(b)为逆变器输出有功和无功功率波形图；

图8为不平衡电网电压下采用复合型VSG控制方法的仿真结果图，其中，(a)为逆变器输出电压和电流波形图，(b)为逆变器输出有功和无功功率波形图；

图9为VSG电压支撑能力验证的仿真结果图，其中，(a)为不同运行工况下的逆变器输出电压电流波形图，(b)为逆变器由并网切换到离网时的波形图，(c)为负载变化时的波形图，(d)为负载由平衡切换到不平衡时的波形图，(e)为负载由不平衡恢复到平衡时的波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

图1是基于VSG控制的逆变器拓扑结构以及总体控制方法，这说明本发明方法立足于三相逆变器。图2是传统的VSG控制算法框图。本发明提供的适用于不平衡电网及负载条件下的复合型虚拟同步发电机控制方法，其总体控制框图如图3所示，主要包括三个部分：功率计算和VSG控制，电压环和电流环。具体包括以下步骤:

步骤一、功率计算和VSG控制部分如图4所示，将采样获得的逆变器输出电压u_oa、u_ob、u_oc和电流i_oa、i_ob、i_oc信号进行处理，通过正负序分离模块得到输出电压和电流的正负序分量，然后计算正序基波有功功率

和正序基波无功功率

计算公式如下:

式中，上标“+”表示正序基波分量，上标“-”表示负序基波分量。

步骤二、虚拟调速控制为VSG功率外环中的有功控制环路，逆变器输出电压的基波频率f与给定的参考频率f_ref作差，然后乘以有功下垂系数k_f，再与有功功率的参考指令P*相加得到虚拟机械功率P_m。具体公式如下：

P_m＝P^*+k_f(f_ref-f) (2)

该步骤中，为了模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，在VSG的有功功率环路加入式(3)所示的机械运动方程，通过虚拟机械功率P_m和正序基波有功功率

的差值以及参考角频率ω₀得到虚拟同步机的输出电压的角频率ω，进而根据式(4)得到逆变器输出电压的相位θ。

θ＝∫ωdt (4)

式中：J为转子转动惯量，D为阻尼系数。

步骤三、虚拟励磁控制为VSG的无功调压控制环路。将无功功率参考值Q*与逆变器实际输出的正序基波无功功率

作差，乘以无功下垂系数n加到给定的电压幅值U_n上，成为新的参考给定，再与VSG实际输出正序基波电压的幅值

作差，经过PI环节得到参考电压的幅值E。具体计算如下：

式中，k_p，k_i分别为PI控制的比例和积分系数。

结合步骤二中得到逆变器输出电压的相位θ，再通过下式得到参考电压

步骤四、电压环控制部分如图5所示，为了实现功率的解耦，在电压环中加入虚拟阻抗控制，且为了保证经过虚拟阻抗控制后的参考电压仍然是平衡的三相电压，本发明方法采用正序虚拟阻抗控制，即电流值只取正序基波分量。系统输出特性方程修正为：

式中，u_ref为修正后的参考电压，Z_v为虚拟阻抗值，

为电流i_oαβ的正序基波分量。

然后，修正后的参考电压u_ref和逆变器实际输出电压u_oαβ经过准PR控制后得到电流参考值i_Lref，准PR控制的表达式如下：

式中，k_pu，k_ru分别为电压环准PR控制的比例和谐振系数，ω_c为截止频率，ω_r为谐振频率，本发明方法中的谐振频率ω_r取314rad/s。

步骤五、如图6所示，在电流环中对参考电流i_Lref进行修正，首先，分析负序电流值与不平衡电流以及功率波动的关系，基于复功率定义得到不平衡条件下瞬时有功和无功功率的表达式如下：

式中，P和Q分别为瞬时有功和无功功率平均值；P_c2和P_s2为有功功率的按余弦和正弦分布的功率波动幅值，Q_c2和Q_s2为无功功率按余弦和正弦分布的功率波动幅值。

其中，在αβ坐标系下的功率振荡分量可表示为：

控制目标一：有功功率无波动

由式(10)可以看出，k₁＝k₂＝0时，P_c2＝P_s2＝0，即此时有功功率振荡得到抑制，此时的负序电流值可表示为：

控制目标二：无功功率无波动

由式(11)可以看出，k₃＝k₄＝0时，Q_c2＝Q_s2＝0，此时无功功率振荡得以抑制，此时的负序电流值可表示为：

控制目标三：输出电流平衡

为了保证逆变器输出电流平衡，只需保证输出电流无负序分量，即此时的负序电流值为：

通过式(12)，(13)和(14)可以看出不同的负序电流值可实现不同的控制目标。进一步，根据权重的思想，引入优化系数，对上述三种目标下的负序电流值进行统一，从而实现电流质量和功率波动的连续协调控制。将统一后的负序电流分量与正序电流分量相加即可得到修正后的统一参考电流表达式，其表达式如下:

式中，N的取值范围为[-1，1]，且N为-1，1，0时分别对应上面三种目标下的参考电流值。

通过上述的功率分析，对电流环的参考电流值进行修正，提高逆变器在不平衡电网电压下的运行性能。从图6中可以看出，参考电流值i_Lref通过正负序分离模块提取正序分量后，再经过式(15)计算可得到修正后的参考电流值i′_Lref。

步骤六、为了在改善并网电压不平衡下系统运行性能的同时，提高逆变器在孤岛运行条件下带不平衡负载的能力。通过下式进行参考电流的选取。

式中，当k＝0时，

此时能够通过对N的设置实现功率波动和电流质量的连续协调控制，从而提高系统在并网电压不平衡下的运行性能；当k＝1时,

此时能够保证VSG输出平衡的三相电压，从而提高系统在孤岛下带不平衡负载的能力。

步骤七、将步骤六中得到的

与实际采样得到的电感电流i_Lαβ作差经过电流环的准PR控制，得到调制信号

电流环的准PR控制器表达式如下：

式中，k_pi，k_ri分别为电流环准PR控制的比例和谐振系数，ω_c为截止频率，ω_r为谐振频率。

该步骤中，调制信号

经过SVPWM模块得到开关驱动信号，进而驱动开关管。

为进一步详细说明本发明方法的正确性和可行性，结合具体的实例对本发明方法进行仿真验证。该实例中的仿真参数为：直流电压U_dc为700V，输出滤波电感为8mH，滤波电容为4.7uF，线路阻抗为2mH，电网额定电压有效值为220V。

图7是采用传统VSG控制方法时的仿真结果，其中，图7(a)是逆变器输出电压和电流整体波形，图7(b)是逆变器输出有功和无功功率波形。仿真工况设置为：0～0.8s，电网电压为额定电压，0.8s～1.5s，电网电压单相跌落(A相电压幅值由311跌落到250V)。

图8是采用本发明方法的仿真结果波形，其中，图8(a)是逆变器输出电压和电流波形，图8(b)是逆变器输出有功和无功功率波形。仿真工况设置为：0～0.8s，电网电压为额定电压，0.8s～2.5s，电网电压单相跌落。0.8～1.4s采用平衡电流控制，1.4～2s采用有功功率无波动控制，2～2.5s采用无功功率无波动控制。

图7和图8的仿真结果显示，在电网条件正常即电网电压为额定的三相电压时，采用本发明的复合型VSG控制方法和传统的VSG方法时，系统的运行情况一致，即本发明所提的复合型VSG控制方法在电网正常条件下正常运行。当电网电压发生单相跌落时，采用传统的VSG控制方法，逆变器输出电流出现严重的不平衡，且逆变器输出有功功率和无功功率波动幅值大；采用复合型VSG控制方法时，逆变器输出电流的不平衡程度减轻，有功和无功功率的波动幅值也减小。

进一步由图8可以看出，本发明方法所提的复合型VSG控制方法能分别实现输出电流平衡、有功功率无波动、无功功率无波动三种控制目标。三种控制目标的实现只需要对系数N进行设置即可。此外，三种控制目标的切换不存在任何的冲击，也就是说在该控制方法下，能实现三种控制目标的连续协调控制。

图9是为了验证复合型VSG控制方法仍具有电压支撑能力的仿真结果。仿真总时长为2.5s，0.5s前系统并网运行，0.5s后系统离网运行。图9(b)显示逆变器由并网切换到离网状态时，系统仍正常运行。图9(c)显示逆变器在孤岛运行时如果负载变化，逆变器输出电压保持恒定。由图9(b)和(c)可以说明本发明所提的复合型VSG控制方法使得逆变器保留了其电压支撑的能力。图9(d)显示负载不平衡时，逆变器输出电压保持不变，即输出平衡的三相电压，由此说明复合型VSG控制方法提高了逆变器孤岛运行条件下带不平衡负载的能力。

综上，该实例证明了本发明方法可以有效解决不平衡电网条件下有功功率波动，无功功率波动以及输出电流不平衡等问题，并且该发明不改变VSG电压源控制的基本属性，在逆变器孤岛运行时具有电压支撑能力，提高了逆变器孤岛下带不平衡负载的能力。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种适用于不平衡条件下复合型虚拟同步机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

步骤一、利用采样逆变器输出三相电压u_oa、u_ob、u_oc和三相电流i_oa、i_ob、i_oc作为采样信号，然后分别利用正负序分离模块和Clarke变换对所述采样信号进行正负序分离和Clarke变换处理，再通过瞬时功率计算获得逆变器输出的正序基波有功功率P_e ⁺和正序基波无功功率

步骤二、利用VSG控制中的虚拟调速控制环路模拟同步发电机有功调频的下垂特性以及为系统提供惯性和阻尼的机械特性，根据虚拟同步机实际输出电压的基波频率f、给定的参考频率f_ref以及给定的有功功率参考值P^*，通过下垂方程得到虚拟机械功率P_m；然后结合步骤一中所述正序基波有功功率P_e ⁺，以及机械运动方程得到VSG输出电压的相位指令θ；

步骤三、利用VSG控制中的虚拟励磁控制环路模拟同步发电机无功调压的下垂特性，根据虚拟同步机实际输出正序基波电压幅值

参考电压幅值U_n、参考无功功率Q^*以及步骤一所述正序基波无功功率

通过下垂控制中的无功-电压控制方程得到VSG输出电压的幅值指令E，再结合步骤二中得到的相位指令θ得到参考电压

所述的VSG虚拟励磁控制环路，根据虚拟同步机实际输出正序电压幅值

参考电压幅值U_n与参考无功功率Q^*得到虚拟同步发电机输出电压e_ref的幅值指令E，具体公式如下：

其中，k_p、k_i为PI参数；n为无功下垂系数；

然后，通过下式得到参考电压

其中，E_aref、E_bref和E_cref分别表示a相，b相和c相参考电压；

步骤四、在电压环中加入虚拟阻抗控制，采用正序虚拟阻抗控制对有功功率和无功功率进行解耦；然后将经过虚拟阻抗控制后的参考电压u_ref和虚拟同步机实际输出电压u_αβ的差值经过准PR控制得到电流参考值i_Lref；

所述电压环中加入虚拟阻抗控制，系统输出方程修正为：

其中，Z_v为虚拟阻抗，电流采用正序分量的电流

是为了保证修正后的参考电压u_ref是平衡的；

步骤五、对步骤四中的参考电流值i_Lref进行修正，根据复功率定义，得到有功功率波动、无功功率波动和不平衡电流与负序电流之间的关系，并利用权重方式统一所述有功功率无波动，无功功率无波动和输出电流平衡这三种控制目标下的负序电流参考值，然后将所述三种控制目标下的负序电流参考值与正序电流相加得到新的电流参考值i'_Lref；

所述参考电流值i_Lref进行修正的具体过程为：通过对系数N的设置分别实现有功功率无波动，无功功率无波动和输出电流平衡三种控制目标，并且通过对系数N的优化选取可达到最优的性能指标；参考电流的统一修正表达式如下：

其中，i_α、i_β分别表示为α，β轴向的电流；u_α和u_β分别表示为α，β轴向的电压；上标“+”表示正序分量，上标“-”表示负序分量，N的取值为{-1，0，1}，且N为-1，1，0时分别对应三种控制目标下的参考电流值；

步骤六、结合步骤四中的电流参考值i_Lref以及步骤五中修正后的电流参考值i'_Lref，通过设置系数k得到电流环的实际参考电流值为

其中，系数k的取值为0或1；

当k＝0时，

此时能够通过对N的设置实现功率波动和电流质量的连续协调控制，从而提高系统在并网电压不平衡下的运行性能；当k＝1时,

此时能够保证VSG输出平衡的三相电压，从而提高系统在孤岛下带不平衡负载的能力；

步骤七、采样电感电流i_Lαβ，并利用电流环对步骤六中得到的电流参考值

与所述电感电流i_Lαβ进行准PR控制得到调制波

然后经过SVPWM模块得到开关驱动信号，进而用于驱动开关管。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，步骤一获得所述正序基波有功功率P_e ⁺和正序基波无功功率

的具体公式如下：

其中，u_oα、u_oβ和i_oα、i_oβ分别是逆变器输出电压和电流，上标“+”表示正序分量。

3.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，步骤二中所述的VSG虚拟调速控制环路，首先根据虚拟同步机实际输出电压的频率f、给定的参考频率f_ref以及给定的有功功率参考值P^*，通过下垂方程得到虚拟机械功率P_m的具体公式如下：

P_m＝P^*+k_f(f_ref-f) (2)

然后结合步骤一得到的正序基波有功功率，根据机械运动方程得到虚拟同步发电机输出

电压e_ref的相位指令θ的具体公式如下：

θ＝∫ωdt (4)

其中，J为转子转动惯量，D为阻尼系数，ω表示逆变器输出电压的参考角频率；ω₀表示给定的角频率，k_f表示有功下垂系数。

4.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，步骤六中所述实际参考电流值的选取公式如下:

其中，i_Lref为步骤五修正前的参考电流值，i′_Lref为步骤五中修正后的参考电流值，

实际的参考电流值。

Images