CN113394828A - 一种基于电压二次调节的改进vsg并联控制方法 - Google Patents

一种基于电压二次调节的改进vsg并联控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于多虚拟同步发电机并联带载运行技术，具体涉及一种基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，该方法在并联VSG系统的无功‑电压下垂控制环节采用PI调节器使VSG输出无功功率与传输阻抗解耦，并在无功‑电压下垂控制环节中增加一个电压补偿信号，使PI调节器稳态时输入为0；在输出电压幅值参考值上增加一个基于PI调节器的电压二次调节，使系统稳定时负载工作在额定电压条件下；引入基于并联环流的自适应虚拟阻抗，通过虚拟同步发电机输出电流幅值做差后取绝对值并反馈到虚拟阻抗环节。能实现多VSG功率均分且负载工作在额定电压下，抑制并联瞬间输出电流突变。实现环流抑制，改善系统动态响应且对系统稳态不产生影响。

Description

一种基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法
技术领域
本发明属于多虚拟同步发电机并联运行技术领域，特别涉及一种基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法。
背景技术
虚拟同步发电机(VSG)的基本思想在于通过控制使得并网逆变器模拟同步发电机的特性，即惯性、阻尼特性、一次调频特性和一次调压特性，利用其转动惯量和阻尼特性来抑制电网频率、电压的快速波动或负载的波动。多VSG带载运行可以提高能源的利用率及系统的可靠性。
传统的虚拟同步发电机技术是在输出阻抗近似为纯感性以及忽略线路阻抗的条件下实现功率解耦，经过参数的合理设置然后实现VSG间功率均分。针对低压微网中由于逆变器间的等效输出阻抗和输电线路阻抗的差异，使得采用传统虚拟同步发电机(VSG)控制的多逆变器并联功率均分及环流抑制效果较差的问题，往往采用在无功-电压输出控制器中引入一个积分环节来实现无功功率输出与传输阻抗间的解耦，并在积分环节前引入一个负载电压反馈环节可以减小负载电压的波动，使负载电压能够稳定在正常范围内。然后在虚拟阻抗环节中引入无功功率反馈来实现虚拟阻抗的自适应调节。这类控制实现了功率均分且具有环流抑制能力，但是无法使负载工作在额定电压条件下，且引入无功功率反馈的虚拟阻抗在稳态时会存在一个较大值，增大传输阻抗的电压降落。
而申请号为CN201310517616.1名称为“一种具有二次调频调压特性的逆变器下垂控制方法”的发明专利和申请号为CN201510628811.0名称为“具有二次调压调频功能的同步逆变器控制系统”的发明专利，都是在无功-电压环串入PI调节器，由于无功-电压环本身已经有了积分器，这会导致两个积分器串联，从而影响负载电压的调节速度。申请号为CN201810081860.0名称为“一种虚拟同步发电机控制方法”的发明专利和申请号为CN201811175117.8名称为“基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制方法“的发明专利，其虚拟复阻抗主要是用来改变系统阻抗比从而实现系统输出功率解耦。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使负载工作在额定电压下的并联VSG功率均分的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，控制方法包括无功-电压下垂控制环节、PI调节器、电压补偿信号、电压二次调节器以及基于并联环流的自适应虚拟阻抗；在并联VSG系统的无功-电压下垂控制环节采用PI调节器使VSG输出无功功率与传输阻抗解耦，并在无功-电压下垂控制环节中增加一个电压补偿信号，使PI调节器稳态时输入为0；在输出电压幅值参考值上增加一个基于PI调节器的电压二次调节，使系统稳定时负载工作在额定电压条件下；引入基于并联环流的自适应虚拟阻抗，通过虚拟同步发电机输出电流幅值做差后取绝对值并反馈到虚拟阻抗环节。
在上述基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法中，具体实现包括：
无功-电压下垂控制环节用于根据参考无功功率与输出无功功率做差乘以下垂控制系数生成电压调节信号并与电压补偿信号共同作用生成新的电压调节信号，发送至PI调节器；
PI调节器用于接收新的电压调节信号并生成电压幅值参考信号与电压二次调节器生成的负载电压补偿信号相加，生成新的电压幅值参考信号；
基于并联环流的自适应虚拟阻抗模块用于接收新的电压幅值参考信号，并通过虚拟电阻和虚拟电感模拟出一个虚拟电压降，得到新的电压参考信号。
在上述基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法中，所述电压补偿信号的实现包括以下步骤：
S1、根据无功-电压下垂控制环节中PI调节器稳态时输入为0，构造无功下垂方程加电压补偿信号ΔE为0，(Qref-Qe)Dq+ΔE＝0，式中Qref、Qe、Dq分别为VSG无功功率参考值、输出无功功率、无功-电压下垂系数；
S2、根据稳态时
Figure BDA0003138660390000021
其中n为并联VSG的台数，n为正整数，将Qe代入式(Qref-Qe)Dq+ΔE＝0中，得到
Figure BDA0003138660390000022
在上述基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法中，基于并联环流的自适应虚拟阻抗的具体方法如下：
测得并联VSG输出电流幅值将其做差得到并联环流IH，然后将IH取绝对值并乘以反馈系数kI加入到基于并联环流的自适应虚拟阻抗中用来提高并联VSG系统的瞬时传输阻抗，抑制虚拟同步发电机并联瞬间的电流冲击，改善系统动态响应，减小稳态时对并联VSG系统产生影响。
与现有技术相比，本发明改善了因在积分环节之前引入负载电压反馈而导致的负载无法工作在额定电压下，并且改善了因引入无功功率反馈的自适应虚拟阻抗在稳态时增大传输阻抗上的压降，原理简单，易于实现，能够实现多VSG功率均分且负载工作在额定电压下，以及抑制并联瞬间输出电流突变，能够实现环流抑制，既改善了系统的动态响应又对系统的稳态不产生影响。
附图说明
图1为本发明一个实施例2两台VSG并联运行示意图；
图2为本发明一个实施例1的改进后的无功-电压控制框图；
图3为本发明一个实施例1的基于环流反馈的自适应虚拟阻抗框图；
图4为本发明一个实施例2的两台VSG的输出功率波形图；
图5是本发明一个实施例2的负载电压波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1：本实施例1的目的在于克服现有技术中在积分器前引入负载电压反馈导致负载无法工作在额定电压下，引入无功反馈的自适应虚拟阻抗在稳态时会增大传输阻抗压降的问题，提供一种基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，使系统稳态时，负载能够工作在额定电压条件下，并且能够实现多VSG无功功率均分，以及通过引入基于并联环流的自适应虚拟阻抗来有效改善系统动态响应而不会对系统稳态产生影响。
本实施例1是通过以下技术方案来实现的，一种基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，如图2所示，包括无功-电压下垂控制环节、PI调节器、电压补偿信号、电压二次调节器以及基于并联环流的自适应虚拟阻抗；通过在无功-电压环增加PI调节器使输出无功功率与传输阻抗解耦，并在无功-电压环中增加一个电压补偿信号，保证PI调节器稳态时输入保持为0，从而输出无功只与虚拟同步发电机的容量有关，实现无功功率的均匀分配。并且在输出电压幅值参考值上增加一个使用PI调节器的负载电压反馈环节，以便系统稳定时，负载能工作在额定电压条件下。最后引入了基于并联环流的自适应虚拟阻抗，通过虚拟同步发电机输出电流幅值做差后取绝对值然后反馈到虚拟阻抗环节，用来提高瞬时感抗，可以抑制并联瞬间输出电流突变，能够实现环流抑制，改善系统的动态响应并且对系统的稳态不产生影响。
并且，无功-电压下垂控制环节用于根据参考无功功率与输出无功功率做差乘以下垂控制系数生成电压调节信号并与电压补偿信号共同作用生成新的电压调节信号，发送至PI调节器；PI调节器用于接收电压调节信号并生成电压幅值参考信号并与电压二次调节器生成的负载电压补偿信号相加，生成新的电压幅值参考信号；基于并联环流的自适应虚拟阻抗模块用于接收电压参考信号，并通过虚拟电阻和虚拟电感模拟出一个虚拟电压降，得到新的电压参考信号。
而且，PI调节器串联在无功-下垂方程之后用于使虚拟同步发电机输出无功功率与传输阻抗解耦。
而且，增加电压补偿信号使稳态时PI调节输入为0，与无功-下垂控制环节共同作用生成信号输入PI调节器。
而且，负载电压二次调节用于补偿PI调节器输出的电压输出参考信号，使系统稳定时负载能工作在额定电压下。
该方法根据PI调节器输入为0从而使VSG输出功率与传输阻抗解耦，在PI调节器前增加一个电压补偿环节使稳态时输入为0；在PI调节器输出的电压幅值参考信号上引入电压二次调节对电压幅值参考信号进行修正，使负载能够工作在额定电压下；引入基于环流的自适应虚拟阻抗，使并联瞬间环流大，虚拟阻抗增大，稳态时，环流小，虚拟阻抗小，能够有效减小VSG并联系统传输阻抗上的电压降，并改善系统动态响应。
电压补偿信号的实现包括以下步骤：
S1，根据无功-电压环中PI调节器稳态输入为0，构造无功下垂方程加电压补偿信号ΔE为0，(Qref-Qe)Dq+ΔE＝0，式中Qref、Qe、Dq分别为VSG无功功率参考值、输出无功功率、无功-电压下垂系数；
S2，根据稳态时
Figure BDA0003138660390000051
将Qe代入式(Qref-Qe)Dq+ΔE＝0中，得到
Figure BDA0003138660390000052
考虑到VSG中途并入系统可能会导致的电流冲击以及环流问题，通过直接引入与系统环流相关的自适应虚拟阻抗，增大并联瞬间的系统阻抗，并且稳态时，环流最小，虚拟阻抗最小，可以有效减小稳态时虚拟阻抗导致的系统传输阻抗上的电压降落。
基于并联环流的自适应虚拟阻抗的具体方法如下：
如图3所示，测得VSG1和VSG2的输出电流幅值I1、I2，将其做差得到并联环流
Figure BDA0003138660390000053
然后将IH取绝对值并乘以反馈系数用来加入到虚拟感抗中用来提高系统的瞬时传输阻抗，抑制虚拟同步发电机并联瞬间的电流冲击，改善系统动态响应，并且在稳态时不对系统产生影响。
本实施例1通过在积分器后并联负载电压调节模块，然后在无功-电压环节中串入一个电压补偿模块，确保系统稳定时，积分器输入为0。本发明能够在系统容量相等时，实现功率的均匀分配。还考虑VSG中途并入系统可能会导致的电流冲击以及环流问题，通过直接引入与系统环流相关的自适应虚拟阻抗，增大并联瞬间的系统阻抗，并且稳态时，环流最小，虚拟阻抗最小，可以有效减小稳态时虚拟阻抗导致的系统传输阻抗上的电压降落。
实施例2：
本实施例2讨论两台VSG并联，也可应用于多VSG并联系统中。本实施例2的VSG并联运行示意图如图1所示，分别包括VSG控制模块，基于环流的自适应虚拟阻抗模块，如图3所示，电压电流双闭环模块，PWM发生器模块以及系统外电路。VSG的输出功率与参考功率做差经过VSG控制器得到参考电压幅值Vref和角度θ，然后将其送入基于环流反馈的自适应虚拟阻抗环节中，得到新的电压参考值U*并将其送入电压电流双闭环控制器中，改善电压电流质量，电压电流双闭环控制器输出调制波控制PWM发生器的通断进而控制逆变器输出电压电流。本实施例2的VSG控制器中的无功-电压模块采用PI调节器使VSG输出无功功率与传输阻抗解耦，由下垂控制方程和电压补偿信号的到电压调节信号，电压调节信号和电压二次调节模块相加得到电压幅值参考值，使负载能够工作在额定电压。本发明采用的基于环流反馈的自适应虚拟阻抗模块是将VSG控制器得到的电压参考值经过一个虚拟的阻抗环节，以增大系统的传输阻抗及使系统近似呈纯感性，通过引入了环流反馈以增加瞬时感抗，可以抑制并联瞬间冲击电流，改善系统的动态响应且减小稳态时对系统产生的影响。
传统的多VSG的并联无功均分方法是在无功-电压下垂控制环中增加一个积分器并引入负载电压反馈，通过积分器稳态输入为0的思想使VSG输出功率与传输阻抗解耦并通过负载电压反馈使得积分器稳态输入为0，并且负载能够工作在正常的电压范围内，因为引入了负载电压反馈使得负载无法工作在额定电压条件下。如图2所示，本实施例2增加了电压补偿环节来代替负载电压反馈使稳态时积分器输入为0，并且通过增加电压二次调节器使负载能够工作在额定电压下。应当理解的是，本实施例2未详细阐述的部分均属于现有技术。
本实施例2的方法可由图1直接实现，其有效性通过MATLAB数字仿真得到验证。本实施例2与传统方法一样均采用了积分器用来使VSG输出无功功率与传输阻抗间解耦，但传统方法无电压二次调节模块，无法使负载工作在额定电压状态。初始时刻由VSG1独立带负载运行，0.1s时VSG2进行预同步，0.2s时，VSG2并入母线实现并联带负载运行，0.4s突增一倍的有功和无功负载。图4显示了本实施例2控制方法的功率均分效果，可以精确地使多VSG之间实现功率均分。如图5所示，在系统稳态时，负载能够工作在额定电压。由此可见本实施例2能够实现负载工作在额定电压下的无功均分。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，其特征在于：控制方法包括无功-电压下垂控制环节、PI调节器、电压补偿信号、电压二次调节器以及基于并联环流的自适应虚拟阻抗；在并联VSG系统的无功-电压下垂控制环节采用PI调节器使VSG输出无功功率与传输阻抗解耦，并在无功-电压下垂控制环节中增加一个电压补偿信号，使PI调节器稳态时输入为0；在输出电压幅值参考值上增加一个基于PI调节器的电压二次调节，使系统稳定时负载工作在额定电压条件下；引入基于并联环流的自适应虚拟阻抗，通过虚拟同步发电机输出电流幅值做差后取绝对值并反馈到虚拟阻抗环节。
2.根据权利要求1所述基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，其特征在于：具体实现包括：
无功-电压下垂控制环节用于根据参考无功功率与输出无功功率做差乘以下垂控制系数生成电压调节信号并与电压补偿信号共同作用生成新的电压调节信号，发送至PI调节器；
PI调节器用于接收新的电压调节信号并生成电压幅值参考信号与电压二次调节器生成的负载电压补偿信号相加，生成新的电压幅值参考信号；
基于并联环流的自适应虚拟阻抗模块用于接收新的电压幅值参考信号，并通过虚拟电阻和虚拟电感模拟出一个虚拟电压降，得到新的电压参考信号。
3.根据权利要求1所述基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，其特征在于：所述电压补偿信号的实现包括以下步骤：
S1、根据无功-电压下垂控制环节中PI调节器稳态时输入为0，构造无功下垂方程加电压补偿信号ΔE为0，(Qref-Qe)Dq+ΔE＝0，式中Qref、Qe、Dq分别为VSG无功功率参考值、输出无功功率、无功-电压下垂系数；
S2、根据稳态时
Figure FDA0003138660380000011
其中n为并联VSG的台数，n为正整数，将Qe代入式(Qref-Qe)Dq+ΔE＝0中，得到
Figure FDA0003138660380000012
4.根据权利要求1所述基于电压二次调节的改进VSG并联控制方法，其特征在于：基于并联环流的自适应虚拟阻抗的具体方法如下：
测得并联VSG输出电流幅值将其做差得到并联环流IH，然后将IH取绝对值并乘以反馈系数kI加入到基于并联环流的自适应虚拟阻抗中用来提高并联VSG系统的瞬时传输阻抗，抑制虚拟同步发电机并联瞬间的电流冲击，改善系统动态响应，减小稳态时对并联VSG系统产生影响。
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