CN114172189B - 一种不平衡电网下虚拟同步发电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡电网下虚拟同步发电机的控制方法，属于基于分布式发电的新能源技术领域。基于理想工况的VSG的研究方法并不适用于存在输出电流不平衡和功率振荡等问题的电网电压不对称的情况。在分析不对称工况下VSG的运行机理后，提出了一种新的控制策略。该方法通过舍去电压负序分量并且控制电流的负序分量，以同时解决电流不平衡和功率振荡两种问题。另外，提出了一种电网电压前馈控制，抑制了在电网电压跌落和恢复瞬间所产生的冲击电流。

Description

一种不平衡电网下虚拟同步发电机的控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电的新能源技术领域，具体涉及一种电网电压不平衡工况下的控制策略。

背景技术

传统化石能源所带来的环境问题和能源危机成为了现阶段困扰人们的一大问题，基于可再生能源的分布式发电(DGs)受到广泛关注。新能源发电设备的大量并网减轻了电网的运行负担，然而，当电网发生不对称电压跌落时，新能源发电装置将出现输出电流三相不对称以及功率振荡的情况，大量并网逆变器出现该情况会严重影响电网的电能质量，造成并网设备大面积脱网，引发重大灾害。因此需对不平衡工况下的新能源发电装置的控制策略进行改进。

发明内容

为了解决上述不平衡工况下产生的问题，本发明提供一种不平衡电网下虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)的控制改进措施。在电网电压跌落时，将不平衡工况下的控制策略加入到电压外环与电流内环间，在电网电压不平衡瞬间，加入电网电压前馈控制策略，用来调节由VSG和电网响应速度不同而产生的d轴电流的差值。改进虚拟同步发电机的有功和无功功率控制环，使其在不平衡工况下的虚拟内电势的幅值以及频率不变，从而使整个控制环路在切换瞬间能够维持稳定而不发生功率和输出电流的波动。

本发明的技术方案为：一种不平衡电网下虚拟同步发电机的控制方法，在电网电压不平衡的条件下，通过对电网电压电流负序分量的控制，实现同时解决输出电流不对称和功率的二倍频振荡的问题。

进一步，所述的电压电流负序分量的控制加在电压外环和电流内环中，具体为：

采用二倍频陷波器BPF将电压负序分量消去，电压正序分量输入电压外环进行控制，得到正序电流的参考值；用二阶广义积分器SOGI分离电流的正负序分量，正序分量代入电流内环进行PI控制，将0作为负序电流的参考值，采用比例-谐振控制对电流的负序分量进行控制。

进一步，二倍频陷波器BPF和二阶广义积分器SOGI表达式分别如下：

式中，ω_c为陷波角频率，此处为2倍电网频率；Q为品质因数，其大小影响陷波器的响应速度和滤波性能，Q越小，响应越快，Q越大，滤波性能越好，此处Q值取0.707；k_r为谐振系数，其特性与Q类似。

进一步，在电压外环控制中加入了电网电压前馈控制，以抑制暂态冲击电流；电网电压跌落瞬间，VSG由于具有虚拟惯性，其输出电压受机电时间常数影响缓慢变换，因此采用电网电压前馈来抑制冲击电流，具体为：

采集电网电压作为控制环节的参考电压，VSG的输出电压作为跟随，进行准比例谐振控制，使输出电压能够更快速跟随电网电压，从而减小输出电压与电网电压的差值；前馈控制所得电流与电压外环控制所得电流累加作为电流内环的正序电流参考值，电压跌落瞬间引起d轴电流参考值的突变，产生冲击电流，通过电网电压前馈控制来抑制冲击电流。

进一步，还包括，该控制方法会引起功率的平均值发生变化这一问题，提出如下控制改进方法：

将虚拟同步发电机数学模型等式左边的值等效为0，令P_set-P_e＝0，VSG的输出角频率ω跟随额定角频率ω_n，并乘以有功下垂系数，其结果经惯性环节后即得到角频率输出值ω，然后通过积分环节，得到VSG输出虚拟内电势的相位角θ，该控制方法可以令ω与ω_n保持一致，使得输出频率永远为额定频率，实现锁频功能；同理无功功率控制环的等式左边为零，由于等式右边为一个微分环节，从而可以实现输出内电势的幅值E_m保持不变，将此输出值送入电压电流双环，在检测到电网电压跌落时，开关S₁、S₂动作，切换至上述控制方法，使得有功功率环和无功功率环锁住频率和幅值不变。

本发明提出的控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，能够同时实现输出电流平衡和抑制功率振荡。

2、该发明采用的恒定内电势的角频率与幅值固定不变，可以有效地缩短电压跌落时的暂态时间，使系统在电网电压平衡与不平衡之间的切换更加稳定。

3、该发明所采用的电网电压前馈控制，能够有效减缓d轴电流参考值的变化，从而达到抑制冲击电流的效果。

附图说明

图1 VSG的拓扑结构

图2改进后电压电流双闭环控制

图3功率环改进措施

图4冲击电流抑制措施

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，该不平衡电网下VSG的控制改进策略包括输出三相电流平衡和消除功率振荡；平衡电流采用分离负序电流进行控制的方法；消除功率振荡采用消去电压的负序分量并与平衡电流的方法相结合，具体包括：

在电网电压不平衡的条件下，d-q坐标系下的电压和电流可以分解成正序和负序分量，如式(1)

式中，上标“+”和“-”分别表示正序分量和负序分量，j表示虚数单位，v_dq和i_dq分别表示d-q坐标系下电压和电流的d轴分量和q轴分量，v_d为d轴电压分量，v_q为q轴电压分量，i_d为d轴电流分量，i_q为q轴电流分量。

根据瞬时功率理论，VSG的输出有功功率P_e和无功功率Q_e可以表示为：

其中，v_od和v_oq表示d-q坐标系下输出电压的d-q轴分量，i_od和i_oq表示d-q坐标系下输出电流的d-q轴分量。

将式(1)代入(2)，可求得：

其中，P₀、Q₀分别为瞬时有功功率和无功功率的平均值，P_c2、P_s2分别为有功功率余弦分量和正弦分量的功率波动幅值，Q_c2、Q_s2分别为无功功率余弦分量和正弦分量的功率波动幅值。将式(3)展开，得到式(4)：

通过分析(3)和(4)不难发现，电网电压不平衡时，电压和电流在d-q坐标系下的负序分量会引起功率的2倍频振荡。并且由于负序电流的存在，VSG的输出电流也会受其影响而产生不平衡。为了保证并网的稳定性，VSG的输出端电压必须保持不平衡以跟随电网电压，此时由于控制的变量有限，难以同时满足电流平衡和功率恒定的控制目标。

为了计算不平衡工况d-q坐标系下的正负序分量，假设A、B、C三相电压分别跌落至λp.u，μp.u，νp.u。此时可将三相电压相量表示为：

其中，V为电压幅值，V_a、V_b、V_c分别为三相电压相量。

根据Park变换，可以得到d-q坐标系下的表达式：

式中，θ为电压的相角，和/>分别为电网电压不平衡时dq坐标系中的正序和负序分量矩阵，表示为：

从(7)中不难看出，d-q坐标系下的正序分量为一个直流量，受电压幅值和电网不平衡度的影响；负序分量是一个2倍工频的交流量，振荡幅度与电网不平衡度相关。同理，d-q坐标系下电流的正负序分量也与之类似。

有功功率和无功功率的余弦分量和正弦分量，是由d-q坐标系下电压负序分量和电流负序分量引起的。要实现同时满足输出电流平衡和消除电压振荡的控制目标，只需满足下式：

按照这种控制目标，直接舍去负序电压，将正序电压代入(2)中进行计算。但是，由于不平衡工况下有功功率与无功功率的平均值中也存在电压和电流的负序分量，因此会导致功率的平均值也发生改变，从而会影响VSG内电势的角频率ω与幅值E_m。

进一步的，所述的一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，将电压电流的正负序分离加在控制环内，用二倍频陷波器将电压负序分量消去，电压正序分量输入电压外环进行控制，得到正序电流的参考值；用二阶广义积分器(SOGI)分离电流的正负序分量，正序分量代入电流内环进行PI控制；将0作为负序电流的参考值，采用PR控制对电流的负序分量进行控制。

进一步的，所述的一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，为抑制电网电压不平衡时产生的冲击电流，采用了电网电压前馈控制来实现。将电网电压与VSG的输出电压进行比例谐振控制，用以抑制d轴电流的变化量。

进一步的，所述的一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，将电网电压前馈控制所得的电流参考值，累加值电压控制环所得的电流参考值，如图4所示。

进一步的，所述的一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，VSG的输出电压按机电时间常数变化，而电网电压的变化是瞬时的，因此在不平衡发生瞬间两个电压会有较大的差值，从而在使得控制环中d轴电流发生突变。采用电网电压前馈可以有效减少d轴电压的突变。

进一步的，所述的一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，维持内电势的角频率与幅值固定不变，使电网发生电压跌落时，电压电流控制环不受功率控制环的影响，具体包括：

建立虚拟同步发电机的数学模型：

其中，P_set和Q_set分别为有功功率给定和无功功率给定；P_e和Q_e分别为实际的输出有功功率和无功功率；D_p和D_q为阻尼系数和电压下垂系数；J和K分别为有功回路和无功回路的惯性系数；ω_n和ω_v分别为电网的额定角频率和实际角频率；V_n，V_o和E_m分别为额定电压的幅值，输出电压幅值和内电势电压的幅值。

进一步的，在电网电压不平衡时，将瞬时有功功率P_e的值赋给给定值，即令P_set＝P_e，此时由于ω_v≈ω_n，从而可以认为式(1)左边为0，实现锁频功能。同样，为了实现E_m恒定，将等式(1)中无功环的表达式左侧置零，将式(9)变成如下：

式(10)能够保证在电网电压跌落期间的E_m不变，ω_v与ω_n保持一致，以此确保通过正序电压计算的平均功率不影响VSG控制算法的输出。

参见图1至图4，一种不平衡电网下VSG的控制改进措施，在电压外环与电流内环间加入正负序分量控制以及电网电压前馈控制，对功率控制环进行改进，维持内电势的角频率和幅值不变。

传统VSG的主要拓扑结构如图1所示，主电路主要为：VSG直流侧的电压V_dc，可以认为是一个常数；并网逆变器的桥臂的中点电压e_a，e_b，e_c；LC型滤波器L_f和C_f；VSG输出的三相电流i_Labc；VSG的输出端三相电压v_oabc；并网三相电流i_oabc；电网侧的电感L_g；电网电压v_gabc。控制回路包括：坐标变换模块，功率计算模块，VSG控制算法模块，电压电流双闭环模块，空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)模块。

直流电源V_dc产生的直流电经三相全桥并网逆变器进行逆变，得到的桥臂中点电压e_a、e_b、e_c，再经过LC滤波电路得到VSG输出电压和并网电流，进行Park变换到d-q坐标下，得v_dq和i_dq，根据式(2)得到瞬时功率P_e和Q_e。

VSG控制算法表达式为(9)。经有功功率控制环得出VSG内电势的相角θ，将其作为Park变换的相角；经无功功率控制环得出内电势的电压幅值E_m，将其作为电压控制环d轴的参考电压，0作为q轴的参考电压。VSG的输出电压v_odq跟随参考电压进行比例控制，得到电流控制环的参考电流i_{dq_ref}。电流控制环中，采用比例积分控制，并带有前馈解耦模块，与输出电压相叠加得出控制环节的输出值v*_dq。再经过Clark逆变换送入SVPWM后，产生调制型信号来控制逆变器开关管Q₁-Q₆的导通和关断。

图2为改进后的控制框图。改进后系统可以在保证输出的电流三相平衡的同时满足无功率的二倍频振荡，具体实施如下：

在前文分析后，结合式(4)可以看出：有功功率和无功功率的余弦分量和正弦分量，是由d-q坐标系下电压负序分量和电流负序分量引起的。然而，只消除功率振荡时无法保证无法消除功率振荡。要实现同时满足输出电流平衡和输出恒定功率这两种控制目标必须满足式(8)。

为求解电压与电流的负序分量，本文采用二倍频陷波器(BPF)和二阶广义积分器(SOGI)来实现，其表达式分别如下：

式中，ω_c为陷波角频率，此处为2倍电网频率；Q为品质因数，其大小影响陷波器的响应速度和滤波性能，Q越小，响应越快，Q越大，滤波性能越好，此处Q值取0.707；k_r为谐振系数，其特性与Q类似。

通过二倍频陷波器，可以消除电压的负序分量，使控制回路中只保留电压的正序分量；通过二阶广义积分器，来实现电流的正负序分离，使其分开控制。

控制框图如图2所示，具体为：将VSG的无功控制环节数出的内电势幅值E_m作为电压控制环d轴的参考电压，0作为q轴的参考电压，采用输出电压的正序分量进行比例控制，得到正序的电流指令值；同时将传统电流环作为正序电流控制环，正序电流指令作为电流环的参考值，正序输出电流作为跟随，通过比例-积分(PI)环节和前馈解耦环节对正序电流进行控制，并且将0作为负序电流控制环的参考值，对负序电流进行比例-谐振(PR)控制，从而达到消除负序电流，平衡输出电流的目的。

针对上文提到的该控制方法会引起功率的平均值发生变化这一问题，提出如下控制改进。具体控制框图如图3。

将虚拟同步发电机数学模型等式左边的值等效为0，令P_set-P_e＝0，VSG的输出角频率ω跟随额定角频率ω_n，并乘以有功下垂系数，其结果经惯性环节后即得到角频率输出值ω，然后通过积分环节，得到VSG输出虚拟内电势的相位角θ，该控制方法可以令ω与ω_n保持一致，使得输出频率永远为额定频率，实现锁频功能；同理无功功率控制环的等式左边为零，由于等式右边为一个微分环节，从而可以实现输出内电势的幅值E_m保持不变。将此输出值送入电压电流双环。在检测到电网电压跌落时，开关S₁、S₂动作，切换至上述控制方法。使得有功功率环和无功功率环锁住频率和幅值不变。

图4为一种新的抑制冲击电流的方法。为了电压跌落瞬间造成的d轴电流的冲击，在控制环节中加入输出电压对电网电压的跟踪控制，采集电网电压作为控制环节的参考电压，VSG的输出电压为跟随，进行准比例谐振控制，使输出电压能够更快速跟随电网电压，并将得到的控制电流参考值累加到参考电流指令作为正序电流环的参考指令。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种不平衡电网下虚拟同步发电机的控制方法，其特征在于：在电网电压不平衡的条件下，通过对电网电压电流负序分量的控制，实现同时解决输出电流不对称和功率的二倍频振荡的问题；

所述的电压电流负序分量的控制加在电压外环和电流内环中，具体为：

采用二倍频陷波器BPF将电压负序分量消去，电压正序分量输入电压外环进行控制，得到正序电流的参考值；用二阶广义积分器SOGI分离电流的正负序分量，正序分量代入电流内环进行PI控制，将0作为负序电流的参考值，采用比例-谐振控制对电流的负序分量进行控制；

二倍频陷波器BPF和二阶广义积分器SOGI表达式分别如下：

式中，ω_c为陷波角频率，此处为2倍电网频率；Q为品质因数，其大小影响陷波器的响应速度和滤波性能，Q越小，响应越快，Q越大，滤波性能越好，此处Q值取0.707；k_r为谐振系数，其特性与Q类似；

在电压外环控制中加入了电网电压前馈控制，以抑制暂态冲击电流；电网电压跌落瞬间，VSG由于具有虚拟惯性，其输出电压受机电时间常数影响缓慢变化，因此采用电网电压前馈来抑制冲击电流，具体为：

采集电网电压作为控制环节的参考电压，VSG的输出电压作为跟随，进行准比例谐振控制，使输出电压能够更快速跟随电网电压，从而减小输出电压与电网电压的差值；前馈控制所得电流与电压外环控制所得电流累加作为电流内环的正序电流参考值，电压跌落瞬间引起d轴电流参考值的突变，产生冲击电流，通过电网电压前馈控制来抑制冲击电流；

针对该控制方法会引起功率的平均值发生变化这一问题，提出如下控制改进方法：

建立虚拟同步发电机的数学模型：

其中，P_set和Q_set分别为有功功率给定和无功功率给定；P_e和Q_e分别为实际输出的有功功率和无功功率；D_p和D_q分别为阻尼系数和电压下垂系数；J和K分别为有功回路和无功回路的惯性系数；ω_n和ω_v分别为电网的额定角频率和实际角频率；V_n，V_o和E_m分别为额定电压的幅值，输出电压幅值和内电势电压的幅值；

将虚拟同步发电机数学模型等式左边的值等效为0，令P_set-P_e＝0，VSG的实际角频率ω_v跟随额定角频率ω_n，并乘以有功下垂系数，其结果经惯性环节后即得到实际角频率ω_v，然后通过积分环节，得到VSG输出虚拟内电势的相位角θ，该控制方法可以令ω_v与ω_n保持一致，使得实际角频率永远为额定角频率，实现锁频功能；

同样，为了实现E_m恒定，将等式(9)中无功功率环的表达式左侧置零，将式(9)变成如下：

式(10)能够保证在电网电压跌落期间的E_m不变，ω_v与ω_n保持一致，以此确保通过正序电压计算的平均功率不影响VSG控制算法的输出；

将输出值E_m送入电压电流双环，在检测到电网电压跌落时，开关S₁、S₂动作，切换至上述控制方法，通过有功功率环和无功功率环锁住频率和幅值，使频率和幅值不变；

其中，通过开关S₁能够实现有功功率环与P_set或P_e之间的切换连接，通过开关S₂能够实现无功功率环的接入或断开。