CN113258603B - 基于孤岛状态下vsg的二阶线性自抗扰控制系统及控制方法 - Google Patents

基于孤岛状态下vsg的二阶线性自抗扰控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统及控制方法，利用瞬时功率计算单元计算出虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)的瞬时输出功率；二阶线性自抗扰单元采用独立采样的方法采集VSG的系统输出ω，并将ω作为反馈信号输入到二阶线性自抗扰单元中；二阶线性自抗扰单元输出VSG的角速度修正值，将修正值输出到有功环中；信号合成单元接收有功环和无功环的输出，进行三相电压信号合成；最后，经过双环控制单元和空间矢量脉宽调制单元将得到的参考电压进行空间矢量脉宽调制SVPWM，产生控制逆变器的脉冲信号，对逆变器进行控制。

Description

基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于分布式发电微网控制领域，尤其是基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统及控制方法。
背景技术
近年来，由于环境污染的紧迫性和地球资源的紧缺性，分布式发电技术的应用变得越来越广泛，其原因是微电网技术能够安全可靠的就地供电，同时也解决了偏远地区的供电问题，它取代了以化石燃料作为发电能源的发电厂，而是采用太阳能、风能等清洁能源，并结合电力电子设备组成新能源发电系统。并网逆变器作为新能源与大电网的接口，常规的并网逆变器由于缺少惯性和阻尼特性，当面对微网孤岛负载突增或电网频率扰动时，对系统的输出频率的影响都非常的大，严重时造成系统解列，元器件损坏。
为了解决以上传统逆变器的问题，虚拟同步发电机技术应运而生，即通过先进的控制算法模拟同步发电机的机电暂态特性，使其具有同步发电机的动静态特性。传统的虚拟同步发电机(VSG)控制采用下垂控制作为一次调频，通过改变系统的指定输入功率来实现一次调频，但是值得关注的是，在孤岛状态下，当系统突增负载时，一次调频无法实现系统频率的无差调节，因此必须介入二次调频环节。已有大量文献提出采用积分反馈的控制方法实现系统的二次调频，但是当带不同负载时，需重新调节参数，且其反应速度和控制精度并不理想。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统及控制方法，采用二阶线性自抗扰控制算法来代替积分环节，以实现更好的频率无差调节。
本发明所采用的技术方案如下：
基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统，包括瞬时功率计算单元、二阶线性自抗扰单元、有功环、无功环、信号合成单元、双环控制单元和空间矢量脉宽调制单元；所述瞬时功率计算单元接收VSG的三相电压Uabc和电流Iabc并计算出VSG的瞬时输出功率；
二阶线性自抗扰单元采用独立采样的方法采集VSG的系统输出角速度ω，并将ω作为反馈信号输入到二阶线性自抗扰单元中；二阶线性自抗扰单元经过计算后将得到VSG的角速度修正值ω'N，将ω'N输出到有功环中；
有功环接收瞬时功率计算单元输出的瞬时输出功率和二阶线性自抗扰单元输出的角速度修正值；无功环接收瞬时功率计算单元输出的瞬时输出功率；
信号合成单元接收有功环和无功环的输出，进行三相电压信号合成；
双环控制单元采用电压外环和电流内环控制，得到电压参考值Uref；
空间矢量脉宽调制单元将得到的参考电压进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生控制逆变器的脉冲信号，对逆变器进行控制。
进一步，有功环内设有一阶低通滤波器，利用一阶低通滤波器分别对有功功率进行滤波处理；抑制VSG输入功率中的倍频功率；
进一步，S2中二阶线性自抗扰单元包括线性扩张状态观测器和线性误差反馈；
基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制方法，包括如下步骤：
S1、采用独立采样的方法采集VSG的角速度；将其输入到二阶线性自抗扰单元中；
S2、将VSG的额定角速度输入到二阶线性自抗扰单元中；二阶线性自抗扰单元内计算得到VSG的角速度修正值ω'N；并将ω'N输入到VSG的有功环中；
S3、利用有功环中的一阶低通滤波器对VSG的瞬时功率Pout进行滤波处理；
S4、利用VSG控制算法中的有功环和无功环，基于计算得到的VSG角速度修正值计算得到Um,经过双闭环控制后得到参考电压Uref；
S5、将得到的参考电压进行空间矢量脉宽调制SVPWM，产生控制逆变器的脉冲信号，进而对逆变器进行控制。
进一步，线性扩张状态观测器表示为：
λ(s)＝s3+β1s2+β2s+β3
其中，y为系统控制对象的输出，z1、z2和z3分别是受控对象的输出、输出的导数值和集中扰动的估计值；和/>分别为z1、z2和z3的一阶微分；β1、β2和β3为观测器增益，b0为系统增益，u为LADRC控制系统的输出，即VSG的角速度修正值；λ(s)是线性扩张状态观测器的特征方程，s是微分算子。
进一步，线性误差反馈表示为：
其中，v为LADRC控制系统的输入，即VSG的额定角速度；kp，kd均为控制器待定参数，分别表示为kp＝ωc 2，kd＝2ξωc，ωc为控制器带宽，ξ为阻尼比。
进一步，一阶低通滤波器对输入有功环的Pout进行滤波处理表示为：
其中，Pe是低通滤波后的电磁功率，τp是LPF的时间常数。
进一步，有功环基于所接收的给定有功功率Pset、Pe和角速度修正值ω，N，计算输出相位角θ的方法为：基于VSG的转子二阶数学模型计算输出相位角θ：
其中，J为VSG的转动惯量；D为阻尼系数；Tm、Te、TD分别为VSG的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；Pm、Pe分别为机械功率和电磁功率，Pm＝Pset+kf(ωN-ω)，Pset为VSG的给定功率，kf为下垂系数；ω和ωN分别为VSG的系统输出角速度和额定角速度。
进一步，无功环接收瞬时无功功率Qout、额定电压Vn和给定无功功率Qset，输出调制电压幅值E的方法为：其中，V、VN分别为VSG的系统输出电压和电压额定值；Qset、Qout分别为VSG的无功功率给定值和输出无功功率；Dq为无功电压的调差系数，k为积分系数。
进一步，信号合成单元基于有功环输出的θ和无功环输出的E，进行三相电压信号合成得到三相调制电压Um，具体为：其中，θabc为三相电压的相位角。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于VSG的二阶线性自抗扰控制系统及方法，采用传统的三相三线制逆变器的拓扑结构，利用一阶低通滤波器抑制倍频分量，并将二阶线性自抗扰控制算法与VSG控制算法相结合，并根据VSG的二次调频原理，实现了对VSG孤岛运行发生功率突增、突减时系统频率的二次调节，完成频率的无差调节，提高了系统运行的稳定性。
附图说明
图1是本申请虚拟同步发电机的二阶线性自抗扰控制系统框图；
图2是本申请向有功环引入一阶低通滤波器的示意图；
图3是本申请二阶线性自抗扰控制结构框图；
图4是本申请基于VSG有功环的二阶线性自抗扰控制结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统如图1所示，包括瞬时功率计算单元、二阶线性自抗扰单元(LADRC)、有功环、无功环、信号合成单元、双环控制单元和空间矢量脉宽调制单元(SVPWM)；
瞬时功率计算单元接收VSG的三相电压Uabc和电流Iabc，并根据下式计算出VSG的瞬时输出有功功率Pout和无功功率Qout，并且将Pout和Qout分别输入有功环和无功环；
式中uα、uβ、iα、iβ分别为三相电压Uabc和电流Iabc经过abc-αβ变换得到的。
二阶线性自抗扰单元如图3、4所示，包括线性扩张状态观测器(linear extendedstate observer，LESO)和线性误差反馈(linear law state error feedback，LSEF)；
建立线性扩张状态观测器(LESO)：
式中，y为系统控制对象的输出；z1、z2和z3分别是受控对象的输出、输出的导数值和集中扰动的估计值；和/>分别为z1、z2和z3的一阶微分；β1、β2和β3为观测器增益，通过调节β1、β2和β3即可实现对系统变量的实时追踪，即z1→y，/>b0为系统增益，u为LADRC控制系统的输出。
LESO的特征方程为：
λ(s)＝s3+β1s2+β2s+β3 (3)
选取理想特征方程λ(s)＝(s+ω0)3，则有
其中，ω0为观测器带宽；s是微分算子。
以LESO的输出构成LSEF：
其中，b0为系统增益；v为LADRC控制系统的输入，即VSG的额定角速度；u为LADRC控制系统的输出，即VSG的角速度修正值；kp，kd均为控制器待定参数，分别表示为kp＝ωc 2，kd＝2ξωc，ωc为控制器带宽，ξ为阻尼比。
二阶线性自抗扰单元采用独立采样的方法采集VSG的系统输出角速度ω，并将ω作为反馈信号输入到二阶线性自抗扰单元中；二阶线性自抗扰单元经过计算后将得到VSG的角速度修正值ω'N，将ω'N输出到有功环中。
如图2，有功环内设有一阶低通滤波器(LPF)，利用一阶低通滤波器分别对Pout进行滤波处理，过程如下：
其中，Pe是低通滤波后的电磁功率，Pout是功率计算模块计算的瞬时功率，τp是LPF的时间常数。
通过在有功环内引入一阶低通滤波器(LPF)，可以抑制VSG输入功率中的倍频功率。
有功环基于所接收的给定有功功率Pset、Pe和角速度修正值ω'N，计算输出相位角θ，即根据VSG的转子二阶数学模型，具体为：
式中：J为VSG的转动惯量；D为阻尼系数；Tm、Te、TD分别为VSG的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；θ等效为VSG的相位角，ω和ωN分别为VSG的系统输出角速度和额定角速度，Pm、Pe分别为机械功率和电磁功率，t为时间变量。
其中：
Pm＝Pset+kf(ωN-ω) (7)
式中，Pset为VSG的给定功率，kf为下垂系数。
无功环接收瞬时无功功率Qout、额定电压Vn和给定无功功率Qset，输出调制电压幅值E，具体为：
式中，V、VN分别为VSG的系统输出电压和电压额定值；Qset、Qout分别为VSG的无功功率给定值和输出无功功率；Dq为无功电压的调差系数，k为积分系数。
信号合成单元基于有功环输出的θ和无功环输出的E，进行三相电压信号合成得到三相调制电压Um，具体为：
其中，θabc为三相电压的相位角。
双环控制单元采用电压外环和电流内环控制，进一步提高Um对电压信号Uabc的追踪，最终得到电压参考值Uref。
空间矢量脉宽调制单元将得到的参考电压进行空间矢量脉宽调制SVPWM，产生控制逆变器的脉冲信号，对逆变器进行控制。
基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制方法，包括如下步骤：
S1、采用独立采样的方法采集VSG的角速度；将其输入到二阶线性自抗扰单元(LADRC)中；
S2、将VSG的额定角速度输入到二阶线性自抗扰单元(LADRC)中；二阶线性自抗扰单元内计算得到VSG的角速度修正值ω'N；并将ω'N输入到VSG的有功环中；
S3、利用有功环中的一阶低通滤波器对VSG的瞬时功率Pout进行滤波处理；
S4、利用VSG控制算法中的有功环和无功环，基于计算得到的VSG角速度修正值计算得到Um,经过双闭环控制后得到参考电压Uref；
S5、将得到的参考电压进行空间矢量脉宽调制SVPWM，产生控制逆变器的脉冲信号，进而对逆变器进行控制。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统的控制方法，其特征在于，所述基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统，包括瞬时功率计算单元、二阶线性自抗扰单元、有功环、无功环、信号合成单元、双环控制单元和空间矢量脉宽调制单元；所述瞬时功率计算单元接收VSG的三相电压Uabc和电流Iabc并计算出VSG的瞬时输出功率；二阶线性自抗扰单元包括线性扩张状态观测器和线性误差反馈；二阶线性自抗扰单元采用独立采样的方法采集VSG的系统输出角速度ω，并将ω作为反馈信号输入到二阶线性自抗扰单元中；二阶线性自抗扰单元经过计算后将得到VSG的角速度修正值ω’N，将ω’N输出到有功环中；有功环接收瞬时功率计算单元输出的瞬时输出有功功率和二阶线性自抗扰单元输出的角速度修正值；无功环接收瞬时功率计算单元输出的瞬时输出无功功率；信号合成单元接收有功环和无功环的输出，进行三相电压信号合成；双环控制单元采用电压外环和电流内环控制，得到参考电压Uref；空间矢量脉宽调制单元将得到的参考电压进行空间矢量脉宽调制SVPWM，产生控制逆变器的脉冲信号，对逆变器进行控制；有功环内设有一阶低通滤波器，利用一阶低通滤波器分别对有功功率进行滤波处理；抑制VSG输入功率中的倍频功率；
所述方法包括如下步骤：
S1、采用独立采样的方法采集VSG的角速度；将其输入到二阶线性自抗扰单元中；
S2、将VSG的额定角速度输入到二阶线性自抗扰单元中；二阶线性自抗扰单元内计算得到VSG的角速度修正值ω’N；并将ω’N输入到VSG的有功环中；
S3、利用有功环中的一阶低通滤波器对VSG的瞬时输出有功功率Pout进行滤波处理；
S4、利用VSG控制算法中的有功环和无功环，基于计算得到的VSG角速度修正值计算得到Um,经过双闭环控制后得到参考电压Uref；
S5、将得到的参考电压进行空间矢量脉宽调制SVPWM，产生控制逆变器的脉冲信号，进而对逆变器进行控制；
线性扩张状态观测器表示为：
λ(s)＝s3+β1s2+β2s+β3
其中，y为系统控制对象的输出，z1、z2和z3分别是受控对象的输出、输出的导数值和集中扰动的估计值；和/>分别为z1、z2和z3的一阶微分；β1、β2和β3为观测器增益，b0为系统增益，u为LADRC控制系统的输出，即VSG的角速度修正值；λ(s)是线性扩张状态观测器的特征方程，s是微分算子；
线性误差反馈表示为：
其中，v为LADRC控制系统的输入，即VSG的额定角速度；kp，kd均为控制器待定参数，分别表示为kp＝ωc 2，kd＝2ξωc，ωc为控制器带宽，ξ为阻尼比；
一阶低通滤波器对输入有功环的Pout进行滤波处理表示为：其中，Pe是低通滤波后的电磁功率，τp是LPF的时间常数；
有功环基于所接收的给定有功功率Pset、Pe和角速度修正值ω’N，计算输出相位角θ的方法为：基于VSG的转子二阶数学模型计算输出相位角θ：
其中，J为VSG的转动惯量；D为阻尼系数；Tm、Te、TD分别为VSG的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；Pm、Pe分别为机械功率和电磁功率，Pm＝Pset+kf(ωN’-ω)，Pset为VSG的给定功率，kf为下垂系数；ω和ω’N分别为VSG的系统输出角速度和角速度修正值。
2.根据权利要求1所述的一种基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统的控制方法，其特征在于，无功环接收瞬时无功功率Qout、额定电压Vn和给定无功功率Qset，输出调制电压幅值E的方法为：其中，V、VN分别为VSG的系统输出电压和电压额定值；Qset、Qout分别为VSG的无功功率给定值和输出无功功率；Dq为无功电压的调差系数，k为积分系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于孤岛状态下VSG的二阶线性自抗扰控制系统的控制方法，其特征在于，信号合成单元基于有功环输出的θ和无功环输出的E，进行三相电压信号合成得到三相调制电压Um，具体为：其中，θabc为三相电压的相位角。
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