CN111668859A - 一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种带不平衡负载功能的虚拟同步发电机控制方法及系统，包括：功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至电压电流双闭环控制器；励磁控制器输出内电势Ed和Eq至PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至电压电流双闭环控制器，然后经SVPWM调制生成PWM波。本发明采用了PI和PR的复合控制方法，实现电压外环给定为恒定值时VSG输出电压dq轴分量不含二倍频波动量；采用改进的功率直流分量提取方法，确保VSG控制环路的有功和无功功率为直流量；采用了改进的定子电气方程实现，确保其输出电压指令为直流量，解决了现有虚拟同步发电机离网带不平衡负载时输出电压畸变的问题。

Description

一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种具备带不平衡负载的虚拟同步机控制方法及系统。
背景技术
随着电网中新能源渗透率的提高，电力系统电力电子化趋势不可避免。相比于传统同步发电机，电力电子设备通常缺乏惯量和阻尼，其大量接入电网会进一步降低电网的旋转备用，从而威胁电网安全稳定运行。虚拟同步发电机VSG控制因其调频调压特性、转动惯量以及电压源特性而被广泛关注。VSG具备双模式运行功能，既可离网运行，也可并网运行，且可实现两者之间的无缝切换。然而，VSG离网运行时通常需要带不平衡负载，不平衡负载的接入会导致其输出电压出现严重的不平衡，使得敏感负载无法正常工作。因此，研究VSG不平衡负载条件下的控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备带不平衡负载的虚拟同步机控制方法及系统，用于解决现有技术中虚拟同步发电机离网带不平衡负载时输出电压畸变的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法，所述虚拟同步发电机VSG包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器；所述方法包括：
所述功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至所述电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流；
所述励磁控制器输出内电势Ed和Eq至所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至所述电压电流双闭环控制器；
所述电压电流双闭环控制器经过SVPWM调制生成PWM波以进行控制；
其中，通过提取虚拟同步发电机输出无功功率的直流分量Q，使得所述励磁控制器输出的内电势Ed的PI/PR复合控制电压外环给定为恒定值，以实现VSG输出电压三相平衡，其中Eq＝0；
通过提取虚拟同步发电机输出有功功率的直流分量P，使得所述功频控制器输出角频率仅含有直流分量。
进一步的，所述虚拟同步发电机的模型为：
Figure BDA0002555466720000021
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud_ref、uq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压的d、q轴分量，id_ref_PI、iq_ref_PI分别为虚拟同步发电机电压环PI控制器输出的定子电流的d、q指令，δ为虚拟同步发电机的功角。
进一步的，所述虚拟同步发电机的励磁控制器描述为：
Figure BDA0002555466720000022
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机的无功功率，ku为调压系数，uref为额定机端电压，um为机端电压幅值。
进一步的，所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块描述为：
Figure BDA0002555466720000031
式中：GPI(s)为PI控制器传递函数；
Figure BDA0002555466720000032
式中：id_ref_PR、iq_ref_PR分别为虚拟同步发电机电压外环PR控制器输出定子电流的d、q指令；GPR(s)为PR控制器传递函数。
进一步的，所述有功功率和无功功率由下式确定：
Figure BDA0002555466720000033
本发明的第二方面提供了一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统，包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器；
所述功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至所述电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流；
所述励磁控制器输出内电势Ed和Eq至所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至所述电压电流双闭环控制器，其中Eq＝0；
所述电压电流双闭环控制器经过SVPWM生成PWM波以进行控制；
其中，通过提取虚拟同步发电机输出无功功率的直流分量Q，使得所述励磁控制器输出的内电势Ed的PI/PR复合控制电压外环给定为恒定值，以实现VSG输出电压三相平衡，其中Eq＝0；
通过提取虚拟同步发电机输出有功功率的直流分量P，使得所述功频控制器输出角频率仅含有直流分量。进一步的，所述虚拟同步发电机的模型为：
Figure BDA0002555466720000041
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud_ref、uq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压的d、q轴分量，id_ref_PI、iq_ref_PI分别为虚拟同步发电机电压环PI控制器输出的定子电流d、q指令，δ为虚拟同步发电机的功角。
进一步的，所述虚拟同步发电机的励磁控制器描述为：
Figure BDA0002555466720000042
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机的无功功率，ku为调压系数，uref为额定机端电压，um为机端电压。
进一步的，所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块描述为：
Figure BDA0002555466720000043
式中：GPI(s)为PI控制器传递函数；
Figure BDA0002555466720000044
式中：id_ref_PR、iq_ref_PR分别为虚拟同步发电机电压外环PR控制器输出定子电流的d、q轴指令；GPR(s)为PR控制器传递函数。进一步的，所述有功功率和无功功率由下式确定：
Figure BDA0002555466720000051
综上所述，本发明提供了一种带不平衡负载功能的虚拟同步发电机控制方法及系统，所述系统包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器；所述方法包括：功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流；励磁控制器输出内电势Ed和Eq至PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至电压电流双闭环控制器；电压电流双闭环控制器经SVPWM调制生成PWM波。本发明的电压外环采用了PI和PR的复合控制方法，实现电压外环给定为恒定值时VSG输出电压dq轴分量不含二倍频波动量；采用了一种改进的功率直流分量提取方法，确保VSG控制环路的有功功率和无功功率为直流量；采用了一种改进的定子电气方程实现方法，确保定子电气方程输出电压指令为直流量。本发明提供的技术方案解决了现有技术中虚拟同步发电机离网带不平衡负载时输出电压畸变的问题。
附图说明
图1是本发明的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统原理框图；
图2是传统VSG带单相负载时输出三相线电压和A相电流仿真波形；
图3是加入不平衡电压控制后的三相线电压和A相电流仿真波形；
图4是传统VSG带单相负载时输出三相线电压和A相电流实验波形；
图5是加入不平衡电压控制后的三相线电压和A相电流实验波形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的第一方面提供了一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法，用于在虚拟同步发电机带不平衡负载时，输出三相电压波形是平衡的。
如图1所示，所述虚拟同步发电机VSG包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器。功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至所述电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流；励磁控制器输出内电势Ed和Eq至所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至所述电压电流双闭环控制器；电压电流双闭环控制器经过SVPWM调制生成PWM波以进行控制。
本发明采用PI和PR复合控制技术实现了机端电压的平衡控制，确保电压外环给定为恒定值时，可以实现VSG输出电压三相平衡。具体的，通过提取虚拟同步发电机输出无功功率的直流分量Q，使得所述励磁控制器输出的内电势Ed的PI/PR复合控制电压外环给定为恒定值，以实现VSG输出电压三相平衡，其中Eq＝0，使得无功环流输出励磁电压无二倍频波动。
针对不平衡负载条件下传统定子电气方程输出电压指令波动的问题，设计了一种改进的定子电气方程实现，可避免环路中引入低通滤波器和正负序分离算法，有效降低系统的复杂程度，易于工程化。
针对VSG带不平衡负载时输出功率含有二倍频波动分量问题，提出采用电压外环PI输出电流指令的有功无功功率直流分量提取方法，通过提取虚拟同步发电机输出有功功率的直流分量P，使得所述功频控制器输出角频率仅含有直流分量，可确保VSG有功环路输出频率无二倍频波动。
如图1所示功率控制器中，f为虚拟同步发电机的频率，f0为虚拟同步发电机的额定频率，ΔT为原动机产生的电磁转矩，Td为阻尼转矩，θ为电角度，T0为给定电磁转矩，1/s为积分。
进一步的，所述虚拟同步发电机的模型为：
Figure BDA0002555466720000071
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud_ref、uq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压的d、q轴分量，id_ref_PI、iq_ref_PI分别为虚拟同步发电机电压环PI控制器输出的定子电流d、q指令，δ为虚拟同步发电机的功角。
作为对虚拟同步发电机模型中电磁转矩计算方法的进一步改进，虚拟同步发电机的电磁转矩为：
Tm＝[Pref-kf(ω-ω0)]/ω (2)
其中ω为机端电压频率，ω0为机端电压额定角频率，kf为调频系数，Pref为有功功率指令。
作为对虚拟同步发电机中励磁控制器的进一步改进，所述虚拟同步发电机的励磁控制器描述为：
Figure BDA0002555466720000072
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机的无功功率，ku为调压系数，uref为额定机端电压，um为机端电压幅值。
进一步的，所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块描述为：
Figure BDA0002555466720000081
式中：GPI(s)为PI控制器传递函数；
Figure BDA0002555466720000082
式中：id_ref_PR、iq_ref_PR分别为虚拟同步发电机电压环PR控制器输出的定子电流d、q指令；GPR(s)为PR控制器传递函数。
进一步的，本发明采用了一种改进的功率直流分量提取方法，确保VSG控制环路的有功功率和无功功率为直流量，所述有功功率和无功功率由下式确定：
Figure BDA0002555466720000083
本发明的第二方面提供了一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统，包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器；功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至所述电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流；励磁控制器输出内电势Ed和Eq至所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至所述电压电流双闭环控制器，其中Eq＝0；电压电流双闭环控制器经过SVPWM生成PWM波以进行控制。其中，通过提取虚拟同步发电机输出无功功率的直流分量Q，使得所述励磁控制器输出的内电势Ed的PI/PR复合控制电压外环给定为恒定值，以实现VSG输出电压三相平衡，其中Eq＝0；通过提取虚拟同步发电机输出有功功率的直流分量P，使得所述功频控制器输出角频率仅含有直流分量。
基于上述介绍的方法和系统，通过如下的仿真实验和实验来验证本发明。
图2所示为传统VSG带单相负载时输出三相线电压和A相电流仿真波形，图3所示为加入不平衡电压控制后的三相线电压和A相电流仿真波形。由这两幅图可以看到，传统VSGAB相间带不平衡负载后，线电压不平衡且有畸变现象，加入不平衡控制算法后，VSG输出三相线电压平衡。
图4所示为传统VSG带单相负载时输出三相线电压和A相电流实验波形，图5所示为加入不平衡电压控制后的三相线电压和A相电流实验波形。由这两幅图可以看到，传统VSGAB相间带不平衡负载后，线电压不平衡现象，加入不平衡控制算法后，VSG输出三相线电压平衡。
综上所述，本发明提供了一种带不平衡负载功能的虚拟同步发电机控制方法及系统，所述系统包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器；所述方法包括：功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流；励磁控制器输出内电势Ed和Eq至PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至电压电流双闭环控制器；电压电流双闭环控制器生成PWM波以进行PWM控制。本发明的电压外环采用了PI和PR的复合控制方法，实现电压外环给定为恒定值时VSG输出电压dq轴分量不含二倍频波动量；采用了一种改进的功率直流分量提取方法，确保VSG控制环路的有功功率和无功功率为直流量；采用了一种改进的定子电气方程实现方法，确保定子电气方程输出电压指令为直流量。本发明提供的技术方案解决了现有技术中虚拟同步发电机离网带不平衡负载时输出电压畸变的问题。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机VSG包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器；所述方法包括：
所述功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至所述电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流；
所述励磁控制器输出内电势Ed和Eq至所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至所述电压电流双闭环控制器；
所述电压电流双闭环控制器经过SVPWM调制生成PWM波以进行控制；
其中，通过提取虚拟同步发电机输出无功功率的直流分量Q，使得所述励磁控制器输出的内电势Ed的PI/PR复合控制电压外环给定为恒定值，以实现VSG输出电压三相平衡，其中Eq＝0；
通过提取虚拟同步发电机输出有功功率的直流分量P，使得所述功频控制器输出角频率仅含有直流分量。
2.如权利要求1所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的模型为：
Figure FDA0002555466710000011
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud_ref、uq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压的d、q轴分量，id_ref_PI、iq_ref_PI分别为虚拟同步发电机电压环PI控制器输出的定子电流d、q指令，δ为虚拟同步发电机的功角。
3.如权利要求2所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的励磁控制器描述为：
Figure FDA0002555466710000021
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机的无功功率，ku为调压系数，uref为额定机端电压，um为机端电压幅值。
4.根据权利要求3所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块描述为：
Figure FDA0002555466710000022
式中：GPI(s)为PI控制器传递函数；
Figure FDA0002555466710000023
式中：id_ref_PR、iq_ref_PR分别为虚拟同步发电机电压外环PR控制器输出定子电流的d、q轴指令；GPR(s)为PR控制器传递函数。
5.根据权利要求4所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述有功功率和无功功率由下式确定：
Figure FDA0002555466710000024
6.一种带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，包括功频控制器、abc/dq变换、励磁控制器、PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块和电压电流双闭环控制器；
所述功频控制器输出电角度θ至所述abc/dq变换，经过dq变换输出ud、uq、iLd和iLq至所述电压电流双闭环控制器，ud、uq、iLd和iLq分别为机端d轴电压、q轴电压、d轴电感电流、q轴电感电流
所述励磁控制器输出内电势Ed和Eq至所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块，经PI/PR控制后输出d轴电流给定值Id_ref和q轴电流给定值Iq_ref至所述电压电流双闭环控制器，其中Eq＝0；
所述电压电流双闭环控制器经过SVPWM生成PWM波以进行控制；
其中，通过提取虚拟同步发电机输出无功功率的直流分量Q，使得所述励磁控制器输出的内电势Ed的PI/PR复合控制电压外环给定为恒定值，以实现VSG输出电压三相平衡，其中Eq＝0；
通过提取虚拟同步发电机输出有功功率的直流分量P，使得所述功频控制器输出角频率仅含有直流分量。
7.如权利要求6所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，所述虚拟同步发电机的模型为：
Figure FDA0002555466710000031
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud_ref、uq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压的d、q轴分量，id_ref_PI、iq_ref_PI分别为虚拟同步发电机电压环PI控制器输出的定子电流d、q指令，δ为虚拟同步发电机的功角。
8.如权利要求7所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，所述虚拟同步发电机的励磁控制器描述为：
Figure FDA0002555466710000041
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机的无功功率，ku为调压系数，uref为额定机端电压，um为机端电压。
9.根据权利要求8所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，所述PI/PR复合控制电压外环及定子电气模块描述为：
Figure FDA0002555466710000042
式中：GPI(s)为PI控制器传递函数；
Figure FDA0002555466710000043
式中：id_ref_PR、iq_ref_PR分别为虚拟同步发电机电压外环PR控制器输出定子电流的d、q轴指令；GPR(s)为PR控制器传递函数。
10.根据权利要求9所述的带不平衡负载的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，所述有功功率和无功功率由下式确定：
Figure FDA0002555466710000044
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吕志鹏: "虚拟同步发电机及其在微电网中的应用" *

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