CN112186748A - 基于虚拟同步阻尼控制的三相锁相环及交流微电网暂态稳定性提升方法 - Google Patents

基于虚拟同步阻尼控制的三相锁相环及交流微电网暂态稳定性提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟同步阻尼控制的三相锁相环控制结构，在三相锁相环控制结构中的PI控制过程中增加了一个频率偏差反馈通道，将PI输出的频率偏差作为反馈信号输送回PI控制器的输入端。本发明还提出一种基于虚拟同步阻尼控制的交流微电网暂态稳定性提升方法，交流微电网中的电网跟随转换器的控制器基于d‑q同步旋转坐标系而设计，其中，Park变换及其逆变换的旋转角度θpll由三相锁相环控制结构观测微电网的母线端电压所得。能够在不改变锁相环稳态性能的情况下，增加锁相环的等效阻尼，进而降低暂态过程的超调量，提高交流微电网的暂态稳定性。

Description

基于虚拟同步阻尼控制的三相锁相环及交流微电网暂态稳定 性提升方法
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟同步阻尼控制的三相锁相环及交流微电网暂态稳定性提升方法，属于微电网领域中的暂态稳定控制技术。
背景技术
近年来随着分布式可再生能源的发展，交流微电网技术取得了巨大的突破。不同于传统的由同步发电机主导的电力系统，交流微电网是一种典型的电力电子主导的电力系统，其动态特性发生了巨大的变化。电力电子器件的低惯性和低过载容量给交流微电网的稳定性带来了严重挑战，进而极大地影响了交流微电网的可靠高效地运行。
交流微电网的稳定性可分为小信号稳定性和暂态稳定性。目前小信号稳定性的研究成果已比较丰富，但如果微电网受到较大干扰，乃至于切换控制结构时，小信号稳定性分析将不再适用，需要采用暂态稳定性的分析方法。可是目前的暂态稳定性分析主要集中在单机无穷大母线系统，电网被视为恒压源，其动态特性大幅度简化。然而，对于孤岛状态下的交流微电网，系统电压由电网支撑转换器提供，它们的控制结构将在大扰动下切换。因此系统电压是时变的，不能建模为恒压源；此外，电网跟随转换器也会受到影响，它们之间将形成非常复杂的非线性相互作用。因此，现有的研究成果并不适用于孤岛状态下的交流微电网的稳定性技术分析。
本发明针对此问题，提出一种基于虚拟同步阻尼控制的交流微电网暂态稳定性提升技术，能够在不改变锁相环稳态性能的情况下，增加锁相环的等效阻尼，进而降低暂态过程的超调量，提高交流微电网的暂态稳定性。所述的孤岛交流微电网系统由电网支撑转换器、电网跟随转换器以及负载组成，它们可以通过交流母线连接到一起。在正常状态下，电网支撑转换器相当于电压源，电网跟随转换器相当于功率源，而在故障状态下，两者都相当于电流源。所述的改进结构为：在传统的PLL控制器中，增加了一个频率偏差反馈通道。所述的改进拓扑不会影响现有的控制结构以及锁相环的稳态性能，但在暂态过程中，虚拟同步阻尼控制能够增加系统的等效阻尼，可以增加暂态过程中的额外能量耗散，从而有利于增强交流微电网系统的暂态稳定性。
发明内容
锁相环本质上是一种输出能够跟踪上输入信号相位角的闭环系统，至少包含3个结构，即鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。其中鉴相器检测输入信号与输出信号的相位差，产生对应于该相位差的误差电压信号。环路滤波器滤除误差电压中的高频噪声以增加锁相环系统的稳定性，得到的电压控制信号输入压控振荡器中，使输出信号的频率和相位得到调整，从而逐渐与输入信号同步。传统的电力系统中采用三相锁相环，三相电压变换至同步旋转的直流量Ud、Uq的过程为锁相环中的鉴相器部分，比例积分器(PI控制)则为锁相环中的环路滤波器，积分器则相当于压控振荡器。
本发明旨在提出一种基于虚拟同步阻尼控制的锁相环控制结构，该结构为在传统的锁相环控制结构中的PI控制过程中增加了一个频率偏差反馈通道，将PI输出的频率偏差作为反馈信号输送回PI控制器的输入端，如附图3(b)所示。该改进拓扑不会影响现有的控制结构以及锁相环的稳态性能。
本发明还提出了一种基于上述锁相环控制结构的交流微电网暂态稳定性提升方法，所述的孤岛交流微电网系统由与交流母线连接的电网支撑转换器、电网跟随转换器以及负载组成。其中，电网跟随转换器的控制策略如图2(b)所示，相应控制器是基于d-q同步旋转坐标系而设计的，Park变换及其逆变换的旋转角度θpll由锁相环观测微电网的母线端电压所得。这种锁相环控制结构可在微电网的稳定性分析与控制方面发挥重要的作用，在暂态过程中能够增加系统的等效阻尼，可以增加暂态过程中的额外能量耗散，从而有利于增强交流微电网系统的暂态稳定性。
本发明的优点有：
(1)本发明能够增强孤岛交流微电网系统的暂态稳定性。
(2)本发明不会影响锁相环控制器的稳态性能。
附图说明
图1为孤岛交流微电网的拓扑结构图；
图2为交流微电网的控制框图；
图3为改进前后的PLL的控制结构图。图中，vtabc表示交流母线的三相电压，vtd和vtq分别表示三相电压经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，kPpll和kIpll分别是锁相环的PI控制器的比例系数和积分系数，Δω为角频率偏差量，ω*为额定角频率，ωpll为锁相环观测到的角频率，θpll为锁相环的观测相角，Dvir为PI控制器增加的频率偏差反馈系数，即系统增加的虚拟同步阻尼；
图4为交流微电网中只有两个转换器，没有虚拟同步阻尼控制的情况下，遭遇大干扰时系统的动态特性。其中图(a)为故障电阻ZD＝1Ω时系统的动态特性，图(b)为故障电阻ZD＝3mH时系统的动态特性。其中vt代表交流母线的三相电压，iv,dq表示电网支撑转换器的三相电感电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。is,dq表示电网跟随转换器的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。δ表示锁相环观测的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差；
图5为交流微电网中只有两个转换器，存在虚拟同步阻尼控制的情况下，遭遇大干扰时系统的动态特性。其中图(a)为故障电阻ZD＝1Ω时系统的动态特性，图(b)为故障电阻ZD＝3mH时系统的动态特性。其中vt代表交流母线的三相电压，iv,dq表示电网支撑转换器的三相电感电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。is,dq表示电网跟随转换器的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。δ表示锁相环观测的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差；
图6为交流微电网中拥有四个转换器，没有虚拟同步阻尼控制且故障电阻ZD＝3mH的情况下，遭遇大干扰时系统的动态特性。图(a)为转换器#0和#1的动态响应特性，其中vt代表交流母线的三相电压，iv,dq表示电网支撑转换器的三相电感电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。δ1表示转换器#1的锁相环观测到的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差，is1,dq表示转换器#1的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。图(b)为转换器#2和#3的动态响应特性。其中δ2表示转换器#2的锁相环观测到的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差，is2,dq表示转换器#2的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。δ3表示转换器#3的锁相环观测到的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差，is3,dq表示转换器#3的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。；
图7为交流微电网中拥有四个转换器，存在虚拟同步阻尼控制且故障电阻ZD＝3mH的情况下，遭遇大干扰时系统的动态特性。图(a)为转换器#0和#1的动态响应特性，其中vt代表交流母线的三相电压，iv,dq表示电网支撑转换器的三相电感电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。δ1表示转换器#1的锁相环观测到的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差，is1,dq表示转换器#1的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。图(b)为转换器#2和#3的动态响应特性。其中δ2表示转换器#2的锁相环观测到的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差，is2,dq表示转换器#2的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。δ3表示转换器#3的锁相环观测到的交流母线电压相角与交流母线电压的实际相角之间的相角差，is3,dq表示转换器#3的三相输出电流经过Park变换后所得的d、q两轴的直流分量，其中a曲线代表d轴直流分量，b曲线代表q轴直流分量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
图1为孤岛交流微电网的典型拓扑结构。储能为系统提供电压支撑，可以看做电网支撑转换器；光伏等分布式电源为系统提供功率支撑，可以看作电网跟随转换器。电网支撑转换器、电网跟随转换器以及负载可以连接到交流母线上，形成一个统一的整体。
图2(a)为电网支撑转换器的控制框图，直流侧电源电压为vbat，经过DC/AC转换后变成三相交流电，通过一个LC滤波器，其电感为Lv，电容为Cv。该控制器基于d-q同步坐标系而设定，θv是Park变换的旋转角度。正常状态下，控制通道切换到“0”，输出电压vt可跟随给定的参考电压值，电网支撑转换器相当于一个电压源；故障状态下，控制通道切换到“1”，输出电流的幅值被限定以避免过流，电网支撑转换器相当于一个电流源。
图2(b)为电网跟随转换器的控制框图。前端的DC/DC转换器实现功率控制，DC/AC转换器可以控制直流电压以及输出电流。交流侧接有一个LCL滤波器，其电感和电容分别为L1,L2和C。该控制器同样是基于d-q同步坐标系而设定，θpll是Park变换的旋转角度，它通过PLL锁相获得。正常状态下，控制通道切换到“0”，电网跟随转换器可以输出指定的功率，相当于一个功率源；故障状态下，控制通道切换到“1”，输出电流的幅值被限定以避免过流，电网跟随转换器相当于一个电流源。
图3(a)为PLL的控制结构框图，图3(b)在此基础上，增加了一个频率偏差反馈通道，稳态情况下，频率偏差△ω＝0，因此虚拟同步阻尼控制不会影响锁相环的稳态性能。但是，暂态情况下，虚拟同步阻尼控制可以增加系统的等效阻尼，可以增加暂态过程中的额外能量耗散，从而有利于增强交流微电网系统的暂态稳定性。
实验案例一：交流微电网中只有两个转换器，加入虚拟同步阻尼控制前后的实验波形对比结果。
该实验中只有两个转换器，即一个电网支撑转换器和电网跟随转换器。额定交流母线电压的幅值为311V，频率为50Hz，正常状态下的系统负载为ZL＝2Ω。在0.4s以前，系统运行在正常状态下。0.4s——0.9s期间，系统遭受大干扰，运行在故障状态下，等效于系统负载ZL额外并联了一个故障阻抗ZD。0.9s以后，系统恢复到正常状态下。电网生成转换器和电网跟随转换器的相关控制参数如表1和表2所示。
表1电网生成转换器的相关控制参数
Figure BDA0002697722740000071
表2电网跟随转换器的相关控制参数
Figure BDA0002697722740000072
图4为没有虚拟同步阻尼控制的情况下的实验结果。图4(a)展示了故障电阻ZD＝1Ω对系统动态特性的影响，可以看出在暂态过程中，系统依然能够保持稳定。遭遇干扰后，电网支撑转换器和电网跟随转换器的输出电流iv,dq和is,dq都是收敛的，系统电压vt也能够恢复到初始水平。但可以看出，相角差δ有明显的超调。
图4(b)展示了故障电阻ZD＝3mH对系统动态特性的影响。由图可见，暂态过程中系统处于不稳定状态。电流和电压的震荡都非常明显，相角差δ发散了，这意味着系统已经失去了同步的能力。
图5展示了添加虚拟同步阻尼控制后的实验结果。通过图5(a)和图5(b)，可以看出添加虚拟同步阻尼控制后，暂态过程中，系统遭受阻性干扰和感性干扰的情况下均可以保持稳定。与图4(a)和图4(b)比较可以验证，所提出的控制措施是合理有效的。
实验案例二：交流微电网中有四个转换器，加入虚拟同步阻尼控制前后的实验波形对比结果。
为了更有效地验证虚拟同步阻尼控制这一方法的有效性，研究了包含4个转换器的交流微电网，其中包括1个电网支撑转换器(#0)和3个电网跟随转换器(#1，#2，#3)。相应的控制措施仍保持不变，只是电网跟随转换器#1，#2，#3的最大电流分别变成了50A，30A和20A.
图6展示了没有虚拟同步阻尼控制时，系统遭受感性扰动时(ZD＝3mH)的动态响应特性图。可以看出，暂态过程中，系统难以维持平衡。交流母线电压和三个转换器的输出电流均出现了震荡现象，三个转换器的相角差δ1，δ2和δ3都发散，显而易见，他们都失去了同步的能力。
图7展示了加上虚拟同步阻尼控制时，系统遭受感性扰动时(ZD＝3mH)的动态响应特性图。与图6进行比较，可以发现各电气量(交流母线电压，转换器的输出电流和相角差)在暂态过程中依然能够维持稳定。
综上所述，本发明提出了一种基于虚拟同步阻尼控制锁相环控制结构，该锁相环控制结构应用于微电网系统中，能有效提升交流微电网暂态稳定性，所述的改进结构在传统的PLL控制器中，增加了一个频率偏差反馈通道。所述的改进拓扑不会影响现有的控制结构以及锁相环的稳态性能，但在暂态过程中，虚拟同步阻尼控制能够增加系统的等效阻尼，可以增加暂态过程中的额外能量耗散，从而有利于增强交流微电网系统的暂态稳定性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于虚拟同步阻尼控制的三相锁相环控制结构，其特征在于，在三相锁相环控制结构中的PI控制过程中增加了一个频率偏差反馈通道，将PI输出的频率偏差作为反馈信号输送回PI控制器的输入端。
2.一种基于权利要求1所述三相锁相环控制结构的交流微电网暂态稳定性提升方法，其特征在于，所述的孤岛交流微电网系统由与交流母线连接的电网支撑转换器、电网跟随转换器以及负载组成。所述电网跟随转换器的控制器基于d-q同步旋转坐标系而设计，其中，Park变换及其逆变换的旋转角度θpll由权利要求1所述三相锁相环控制结构观测微电网的母线端电压所得。
3.根据权利要求2所述的交流微电网暂态稳定性提升方法，其特征在于，所述电网支撑转换器是为系统提供电压支撑的储能装置等，所述电网跟随转换器是为系统提供功率支撑的光伏等分布式电源。
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