CN112271740A - 一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法及装置，属于变换器控制的技术领域。当虚拟同步机工作于不平衡电网时，在传统电压控制型虚拟同步机控制算法的基础上，提取负序电流信息，结合虚拟阻抗法，将负序电流信息合理地前馈至调制波形成新的调制波，将新的调制波经PWM调制后得到PWM脉冲对虚拟同步机进行控制。从而实现降低虚拟同步机交流侧的负序电流分量、平衡三相电流的目的，使三相桥臂工作状态尽可能平衡，以提高设备工作于不平衡电网下的可靠性。

Description

一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法及装置

技术领域

本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，还涉及一种应用此方法的虚拟同步机电流平衡装置。

背景技术

随着能源、气候环境问题的出现，各国都在寻求能源可持续发展的有效途径，以电力电子变换器为接口的分布式可再生能源大规模并网。“虚拟同步机”技术将电力电子装置特性模拟为同步电机，能有效解决分布式发电单元造成的电力系统惯性和阻尼缺失的问题，成为研究热点。

配电网实际运行中，在电网参数不对称，负载不平衡，短路故障等因素的影响下，会出现电压三相不平衡的工况。当并网点电压三相不平衡时，虚拟同步机产生不平衡的的三相电流，输出的有功和无功功率出现两倍工频的脉动。虚拟同步机并网输出的不平衡三相电流将加剧低压配电网的不平衡程度，影响线路及配电变压器的供电效率，严重时将导致电力线缆烧断、配电变压器烧毁的问题。因此，如何控制不平衡电网工况下的虚拟同步机，促使三相电流平衡，是一个有意义的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，提取虚拟同步机的负序电流，结合虚拟阻抗法，将负序电流前馈至调制波，达成抑制虚拟同步机交流侧负序电流分量、平衡三相电流的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，包括以下过程：

当虚拟同步机工作于不平衡电网时，采用电压控制型虚拟同步机控制算法生成对应的调制波；

提取虚拟同步机三相电流的负序分量；

结合虚拟阻抗法将负序分量电流转换成负序电压；

将负序电压前馈至调制波形成新的调制波；

将新的调制波经PWM调制后对虚拟同步机进行控制。

进一步的，所述虚拟同步机工作于不平衡电网的判断过程为：

获取电网电压的不平衡度；

将电网电压的不平衡度与预设阈值进行比较；

如果电网电压不平衡度大于预设阈值，则判断虚拟同步机工作于不平衡电网。

进一步的，所述获取电网电压的不平衡度，包括：

提取电网电压的正序分量；

计算电网电压的正序分量与电网额定电压的比值；

根据电网电压的正序分量与电网额定电压的比值，计算得到电网电压的不平衡度。

进一步的，所述提取电网电压的正序分量，包括：

将三相电网电压转换成其在αβ坐标系下的分量；

将αβ坐标系下的分量提取出滞后90度相位的分量；

根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量；

将αβ坐标系下的正序分量变换为三相电网电压在dq坐标系下的正序分量；

根据dq坐标系下的正序分量，计算得到电网电压的正序分量。

进一步的，所述根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量，包括：

计算得三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量公式为：

其中，u_α ^P和u_β ^P为三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量，u_α和u_β为αβ坐标系下的分量，e^-j90u_α和e^-j90u_β为滞后90度相位的分量。

进一步的，所述提取虚拟同步机三相电流的负序分量，包括：

将虚拟同步机三相电流转换成其在αβ坐标系下的分量；

将αβ坐标系下的分量提取出滞后90度相位的分量；

根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得到三相电流在αβ坐标系下的正序分量；

将αβ坐标系下的正序分量变换成在abc坐标系下的正序分量；

根据虚拟同步机三相电流和abc坐标系下的正序分量，计算得到abc坐标系下的负序分量。

进一步的，所述根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得到三相电流在αβ坐标系下的正序分量，包括

计算得到三相电流在αβ坐标系下的正序分量i_α ^P和i_β ^P公式为：

i_α和i_β为αβ坐标系下的分量，e^-j90°i_α和e^-j90°i_β为滞后90度相位的分量。

进一步的，所述结合虚拟阻抗法将负序分量电流转换成负序电压，包括：

使用比例环节模拟虚拟电阻，使用微分环节模拟虚拟电感，将负序分量电流与虚拟阻抗相乘转换成负序电压。

进一步的，所述将负序电压前馈至调制波形成新的调制波，包括

新的调制波可由式(18)给出：

式中，

是采用电流平衡方法后得到的新调制波，

是电压控制型虚拟同步机算法得到的调制波，M_f为虚拟电感，i_f为虚拟励磁电流，ω为虚拟转速，θ是调制波的相位角，

是新调制波的补偿环节，

为负序分量电流，R_v为虚拟电阻，L_v为虚拟电感。

相应的，本发明还提供了一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡装置，包括：

传统控制模块，用于采用电压控制型虚拟同步机控制算法生成对应的调制波；

负序电流提取模块，用于提取虚拟同步机三相电流的负序分量；

负序电压转换模块，用于结合虚拟阻抗法将负序分量电流转换成负序电压；

调制波获取模块，用于将负序电压前馈至调制波形成新的调制波；

调制控制模块，用于将新的调制波经PWM调制后对虚拟同步机进行控制。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过对称分量法和广义二积分法(SOGI)有效提取负序电流，将负序电流信息通过虚拟阻抗前馈至调制波，将新的调制波经PWM调制后得到PWM脉冲对虚拟同步机进行控制，抑制负序电流分量，促使虚拟同步机三相电流平衡。

附图说明

图1是虚拟同步机的主电路拓扑结构；

图2是虚拟同步机负序电流分量的提取框图；

图3是采用电流平衡算法的虚拟同步机控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种应用于不平衡电网工况下的虚拟同步机电流平衡方法。控制对象是采用虚拟同步机技术的三相PWM整流器(附图1给出了三相PWM整流器的电路拓扑)，三相PWM整流器采用传统电压控制型虚拟同步机控制算法(附图3(不包含虚线框)给出了传统电压控制型虚拟同步机的控制框图)，通过对称分量法和广义二积分法(SOGI)有效提取负序电流，将负序电流信息通过虚拟阻抗前馈至调制波，抑制负序电流分量，促使虚拟同步机三相电流平衡。

本发明的适用对象是工作于不平衡电网工况下的虚拟同步机，控制方法主要分为三个步骤。首先，计算电网电压的不平衡度，当电网电压的不平衡度达到预设阈值时，启用电流平衡算法。否则，不启用电流平衡算法，节省CPU开支。其次，综合采用对称分量法和广义二积分法(SOGI)，提取虚拟同步机三相负序电流(附图2给出了电流负序分量的提取框图)。最后，将提取到的负序电流通过虚拟阻抗前馈至电压指令中，生成新的调制波，从而实现对负序电流的抑制，促使虚拟同步机三相电流平衡。

实施例1

本发明的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，包括以下过程：

如图1所示，虚拟同步机采用L型滤波的三相全桥PWM整流器电路拓扑，整个系统由电网电压、交流输入阻抗、三相整流桥和负载四部分组成。u_a、u_b、u_c为电网电压，L_s和R_s分别是虚拟同步机的滤波电感和滤波电感的等效电阻，i_a、i_b、i_c为虚拟同步机的三相电流，Q₁～Q₆为6个含反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，e_a、e_b、e_c为虚拟同步机的变换器侧电压，C为直流侧稳压电容，R为负载电阻，V_o为直流侧输出电压。

首先采用传统的电压控制型虚拟同步机控制算法，将三相全桥PWM整流器电路等效控制成同步电动机。首先做如下的电路等效：将u_a、u_b、u_c等效为同步电动机的端电压，将R_s和L_s等效为同步电动机定子绕组的电阻和电感，将e_a、e_b、e_c等效为同步电动机由于转子转动产生的反电动势。

为模拟同步电动机的转子惯性和励磁调节原理，在三相全桥PWM整流器的控制中分别引入表达式(1)和(2)：

式中，J为虚拟惯量，T_e为虚拟电磁转矩，T_m为虚拟机械转矩，D_p为虚拟阻尼，ω为虚拟转速，ω_g为电网角频率，M_f为虚拟电感，i_f为虚拟励磁电流，M_fi_f为虚拟励磁磁链，K为无功调节系数，Q_ref为虚拟同步机的无功功率参考值，Q为虚拟同步机实际发出的无功功率，

表示虚拟转速对时间的微分，

表示虚拟励磁磁链对时间的微分。

在三相全桥PWM整流器的控制中分别引入以上公式，从而使三相全桥PWM整流器具备同步电动机相类似的转子惯性和励磁调节机理。

为充分模拟同步电机的电磁暂态关系，由式(3)计算虚拟同步机的虚拟电磁转矩：

为简化表达，式(3)采用了向量方程。其中

由电流传感器采样得到，上标T表示向量的转置；

θ是调制波的相位角，由对ω的积分得到；＜·,·＞表示向量的内积运算。

控制中虚拟同步机实际发出的有功功率P和无功功率Q由式(4)和式(5)进行计算：

P＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c (4)

虚拟同步机实际发出的有功功率P和无功功率Q是电压控制型虚拟同步机算法中闭环控制时所需要采用的反馈量。M_fi_f是由式(2)、(5)所述的表达式进行闭环控制而来，ω和

是由式(1)、(3)、(4)所述的表达式进行闭环控制而来。

最后，通过式(6)计算虚拟同步机控制中所需的调制波。

式中

分别是A、B、C相的调制波，即等效的同步电动机的反电动势。将调制波送入PWM调制环节进行调制，得到PWM脉冲，即可实现附图3(不包含虚线框)所示的传统的虚拟同步机控制算法。图3中包含有功环、无功环、核心计算环节和电流平衡控制环节。有功环、无功环和核心计算环节用以实现传统的虚拟同步机控制算法，使三相PWM整流电路表现出类似同步电动机的阻尼和惯量特征。

在传统虚拟同步机控制的基础上，加入电流平衡算法，以实现虚拟同步机在不平衡电网工作下的三相电流平衡，提升其工作在不平衡电网工况下的稳定性和可靠性。具体步骤如下：

步骤S1，首先需判断虚拟同步机是否工作于不平衡电网工况。

将电网电压的不平衡度与预设阈值进行比较，如果电网电压不平衡度大于预设阈值，则启用电流平衡算法，抑制虚拟同步机三相电流的负序分量，促使三相电流平衡。若电网电压不平衡度小于预设阈值，则不启用电流平衡算法，节省CPU开支。预设阈值是经验值，在一般的中低压配电网中，允许的电压幅值波动相对于标准值为10％。但是此阈值的设置较为灵活，若希望电流平衡算法在电压不平衡度较小时就启用以保证较好的三相电流平衡度，也可以减小此阈值。本发明实施例中预设阈值可设定为0.1。

其中，电网电压不平衡度的计算为：首先提取电网电压的正序分量(U^P)，而后计算其与电网额定电压(U_N)的比值，进而可计算得到电网电压的不平衡度为

电网额定电压一般取为311V。

电网电压的正序分量的提取方法为，首先将由电压传感器采集到的三相电网电压(u_a、u_b、u_c)进行3/2变换，转换成其在αβ坐标系下的分量u_α和u_β。然后将u_α和u_β分别通过广义二积分法(SOGI)提取出滞后于它们90度相位的分量e^-j90°u_α和e^-j90°u_β，进而可计算得三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量u_α ^P和u_β ^P，分别为：

将u_α ^P和u_β ^P进行dq变换可得三相电网电压在dq坐标系下的正序分量u_d ^P和u_q ^P，最终可计算得到电网电压的正序分量U^P为：

其中3/2变换矩阵T_3/2和dq变换矩阵T_dq分别为：

其中θ_g为电网电压相位角，可由锁相环(PLL)得到。

当电网电压不平衡度大于预设阈值时，启用电流平衡算法。

步骤S2，提取虚拟同步机三相电流的负序分量。

如附图2所示，图中的虚线方框为两个广义二积分器，其中k为广义二积分器的阻尼调节系数，ω为谐振角频率。将由电流传感器采集得到的三相电流(i_a、i_b、i_c)进行3/2变换，转换成其在αβ坐标系下的分量i_α和i_β。然后将i_α和i_β分别通过广义二积分法(SOGI)提取出滞后于它们90度相位的分量e^-j90°i_α和e^-j90°i_β，进而可计算得三相电流在αβ坐标系下的正序分量i_α ^P和i_β ^P，分别为：

将i_α ^P和i_β ^P进行2/3变换可得三相电流在abc坐标系下的正序分量i_a ^P、i_b ^P和i_c ^P。用初始的三相电流i_a、i_b、i_c分别与其正序分量相减，最终可得三相电流的负序分量i_a ^N、i_b ^N和i_c ^N。

步骤S3，结合虚拟阻抗法，将负序电流信息前馈至调制波。

因为要前馈的变量是电流性质的，而调制波是电压性质的变量，因而需要将电流乘以电阻与电感将其性质转换为电压进行前馈。得到虚拟同步机三相电流的负序分量后，采用虚拟阻抗法(使用比例环节模拟虚拟电阻，使用微分环节模拟虚拟电感)，将负序分量电流与虚拟阻抗相乘，转换成负序电压，从而将负序分量电流信息前馈至调制波处，实现附图3中的虚线方框部分。

电流与电阻和电感相作用，在s域中具有如下的表达式：i(R_v+sL_v)，其中i是电流，R_v表示虚拟电阻，L_v表示虚拟电感，它们分别具备比例和微分的表达形式，在实际的控制中，即采用比例环节和微分环节来模拟这种虚拟的电阻和虚拟的电感的作用。

则新的调制波可由式(18)给出：

式中

是采用电流平衡方法后得到的新调制波。

是由传统的电压控制型虚拟同步机算法得到的调制波，

是新调制波的补偿环节，其中

R_v为虚拟电阻，L_v为虚拟电感。

在实施过程中，R_v初始数值可选为三相全桥PWM整流器电路中等效电阻R_s的大小，L_v初始数值可选为滤波电感L_s的大小，然后在此基础上通过一定的实验调试，适当调整R_v和L_v的大小以达到较好的电流平衡效果。

证明分析：

对于附图1所示的虚拟同步机的主电路拓扑，以a相为例，在s域中具有如下的电路关系：

同时，在不平衡电网下，电压、电流存在负序分量：

其中，含‘P’上标表示正序分量，含‘N’上标表示负序分量，则式(14)可改写为式(16)：

进一步地，可得电流的正序分量为：

由式(17)可知，通过有效地提取电流的负序分量，并将负序电流通过虚拟阻抗前馈至调制波，则网侧电流的负序分量可得到大程度的抑制。

综上所述，本发明综合采用对称分量法和广义二积分法，提取虚拟同步机的负序电流。进而结合虚拟阻抗法，将负序电流前馈至调制波，将新的调制波经PWM调制后得到PWM脉冲对虚拟同步机进行控制。最终达成抑制虚拟同步机交流侧负序电流分量、平衡三相电流的目的，从而提升虚拟同步机工作于不平衡电网工况下的稳定性和可靠性。

实施例2

相应的，本发明还提供了一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡装置，包括：

传统控制模块，用于采用电压控制型虚拟同步机控制算法对虚拟同步机进行控制，获得对应的调制波；

负序电流提取模块，用于提取虚拟同步机三相电流的负序分量；

负序电压转换模块，用于结合虚拟阻抗法将负序分量电流转换成负序电压；

调制波获取模块，用于将负序电压前馈至调制波形成新的调制波；

调制控制模块，用于将新的调制波经PWM调制后对虚拟同步机进行控制。

本发明中的各模块，采用实施例1中方法来实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，包括以下过程：

虚拟同步机工作于不平衡电网时，采用电压控制型虚拟同步机控制算法生成对应的调制波；

提取虚拟同步机三相电流的负序分量；

结合虚拟阻抗法将负序分量电流转换成负序电压；

将负序电压前馈至调制波形成新的调制波；

将新的调制波经PWM调制后对虚拟同步机进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述虚拟同步机工作于不平衡电网的判断过程为：

获取电网电压的不平衡度；

将电网电压的不平衡度与预设阈值进行比较；

如果电网电压不平衡度大于预设阈值，则判断虚拟同步机工作于不平衡电网。

3.根据权利要求2所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述获取电网电压的不平衡度，包括：

提取电网电压的正序分量；

计算电网电压的正序分量与电网额定电压的比值；

根据电网电压的正序分量与电网额定电压的比值，计算得到电网电压的不平衡度。

4.根据权利要求3所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述提取电网电压的正序分量，包括：

将三相电网电压转换成其在αβ坐标系下的分量；

将αβ坐标系下的分量提取出滞后90度相位的分量；

根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量；

将αβ坐标系下的正序分量变换为三相电网电压在dq坐标系下的正序分量；

根据dq坐标系下的正序分量，计算得到电网电压的正序分量。

5.根据权利要求4所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量，包括：

计算得三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量公式为：

其中，u_α ^P和u_β ^P为三相电网电压在αβ坐标系下的正序分量，u_α和u_β为αβ坐标系下的分量，e^-j90°u_α和e^-j90°u_β为滞后90度相位的分量。

6.根据权利要求1所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述提取虚拟同步机三相电流的负序分量，包括：

将虚拟同步机三相电流转换成其在αβ坐标系下的分量；

将αβ坐标系下的分量提取出滞后90度相位的分量；

根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得到三相电流在αβ坐标系下的正序分量；

将αβ坐标系下的正序分量变换成在abc坐标系下的正序分量；

根据虚拟同步机三相电流和abc坐标系下的正序分量，计算得到abc坐标系下的负序分量。

7.根据权利要求6所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述根据αβ坐标系下的分量和滞后90度相位的分量，计算得到三相电流在αβ坐标系下的正序分量，包括

计算得到三相电流在αβ坐标系下的正序分量i_α ^P和i_β ^P公式为：

i_α和i_β为αβ坐标系下的分量，e^-j90°i_α和e^-j90°i_β为滞后90度相位的分量。

8.根据权利要求1所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述结合虚拟阻抗法将负序分量电流转换成负序电压，包括：

使用比例环节模拟虚拟电阻，使用微分环节模拟虚拟电感，将负序分量电流与虚拟阻抗相乘转换成负序电压。

9.根据权利要求1所述的一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡方法，其特征是，所述将负序电压前馈至调制波形成新的调制波，包括

新的调制波可由式(18)给出：

式中，

是采用电流平衡方法后得到的新调制波，

是电压控制型虚拟同步机算法得到的调制波，M_f为虚拟电感，i_f为虚拟励磁电流，ω为虚拟转速，θ是调制波的相位角，

是新调制波的补偿环节，

为负序分量电流，R_v为虚拟电阻，L_v为虚拟电感。

10.一种应用于不平衡电网下的虚拟同步机电流平衡装置，其特征是，包括：

传统控制模块，用于采用电压控制型虚拟同步机控制算法生成对应的调制波；

负序电流提取模块，用于提取虚拟同步机三相电流的负序分量；

负序电压转换模块，用于结合虚拟阻抗法将负序分量电流转换成负序电压；

调制波获取模块，用于将负序电压前馈至调制波形成新的调制波；

调制控制模块，用于将新的调制波经PWM调制后对虚拟同步机进行控制。

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