CN116316850A - 一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦方法及其系统 - Google Patents
一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦方法及其系统，所述方法：虚拟同步发电机在接入中低压配电网络时，线路的阻感特性和功角的波动使得VSG输出功率存在强耦合，造成功率控制产生误差，极大影响了并网质量和输电稳定。本发明通过分析线路阻抗比所造成的VSG功率耦合机理，并具体分析了功角在功率解耦控制中的重要性，提出了一种基于虚拟负阻抗和电流动态补偿无功偏差的改进型解耦方法。适用于VSG并网运行时，时常出现给定功率变化、电网频率波动的情况，极易造成输出功率超调或缺额的工况。
Description
技术领域
本发明涉及三相电力电子逆变器控制方法，具体涉及一种基于虚拟负阻抗以及电流补偿的虚拟同步发电机的功率解耦策略及其控制系统。
背景技术
由于能源短缺现象逐渐全球化，以经济持续增长兼顾保护生态为核心的可持续发展理念得到了肯定与发展，基于光伏、风能等可再生能源的分布式发电机被纳入了常规电力系统中，虽然具备响应速度快、效率高的优点，但与高压网络中强大的电网支撑不同，电力电子器件并不具备抑制扰动的能力，大量接入会使得微电网系统总惯性系数和总转动惯量下降。在此背景下，虚拟同步发电机技术以其优于传统矢量控制以及强鲁棒性的特点开始受到学者们的青睐。
当VSG连接到中低压网络中时，电网阻抗往往呈现阻感性，阻抗比往往较大，存在功率耦合问题。其次，VSG有功环中加入了虚拟惯量控制，导致VSG在运行过程中有功功率会产生振荡，在逆变器发生扰动时，振荡会通过有功环和无功环的耦合关系在两个环路之间传递，加剧耦合程度，增加分布式系统并网的难度。
为了解决阻抗比过高带来的功率耦合问题，许多文献提出了改进的下垂控制策略，但是在VSG并网运行时，时常出现给定功率变化、电网频率波动的情况，使VSG难以满足运行性能指标。目前对于VSG功率耦合问题已取得一些研究成果，其中虚拟阻抗策略由于其经济和实用性得到广泛关注，相较于传统的固定虚拟阻抗，目前更为灵活的虚拟阻抗策略更能解决特殊工况下的动态耦合问题，但是绝大部分策略都忽略了功角的影响，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于虚拟负阻抗与电流动态补偿相结合的控制方法，首先通过简化VSG并网模型，分析了线路阻抗比造成输出功率耦合的原因，并研究了VSG在给定输出功率突变时功角的变化趋势，凸显了考虑VSG功角影响功率解耦效果的必要性，引入虚拟负阻抗来削弱系统阻抗，通过电流实时补偿功率环中有功振荡引起的无功偏差，大大削弱了有功环和无功环之间的耦合关系。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦方法，所述方法包括：
S1：将VSG三相输出电压信号以及公共端输出三相电压、电流信号分别经过Clark变换转换至αβ两相静止坐标系上；
S2：采用基于两相静止坐标的双环控制的算法对上述输出信号进行信号调制；
S3：通过VSG输出角速度与额定角速度之差、VSG角速度及其变化率的变量进行反馈控制；
S4：针对并网期间VSG功率强耦合的情况，简化VSG并网模型，列出VSG有功、无功功率与线路阻抗比以及功角的关系；
S5：引入虚拟负阻抗，利用虚拟负阻抗环节中的虚拟电阻来抵消线路中存在的阻性成分，并加入虚拟电感使得VSG等效输出阻抗更偏于感性；
S6：将电流补偿引入双环控制中,在不改变功率环的作用下，通过改变电流的值来实时补偿有功振荡引起的无功偏差，大大削弱了有功环和无功环的耦合关系，提高了系统的稳定性。
进一步，S2中所述双环控制其中电压环采用准谐振调节器抑制谐波分量，电流环采用比例调节器以加快系统响应速度。
进一步，S3中所述引入VSG输出角速度与额定角速度之差、VSG角速度及其变化率变量，综合考虑了暂态期间功角影响下系统各参数的变化，保证了控制的准确性。
进一步，S4中所述列出VSG有功、无功功率与线路阻抗比以及功角的关系是基于忽略电压电流闭环控制下的简化并网模型，通过线性化分析量化了线路阻抗比和功角引发功率耦合的程度。
进一步，S5中引入虚拟负阻抗，改变了输出阻抗的阻感比例，同时对参数的选择进行了区间化取值。
进一步，S6中针对功角引起的功率耦合，采用重构的功率环耦合回路，利用电流实时补偿有功振荡引起的无功偏差，保证了解耦的可靠性。
本发明的一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦系统，所述系统包括：
分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载、功率计算模块、VSG控制算法模块、双环控制模块、虚拟负阻抗模块、电流补偿自适应模块；其中由分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载连接构成VSG控制系统的主电路；分布式电源输出的直流信号经过逆变器调制转变为交流信号，经过滤波器滤波后的电压、电流信号经过功率计算模块输出有功功率及无功功率，再将其送入VSG控制算法模块，输出调制电压波，然后经过虚拟负阻抗模块的修正送入双环控制模块，根据输入电压和电流自适应补偿模块两个反馈环节影响SVPWM的调制波，从而控制VSG端口输出电压，实现系统的精准控制。
进一步，所述VSG控制算法模块，包括电压、电流模拟信号采样模块、AD转换模块、瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、调制波合成模块，最终得到三相电压调制波信号；
其中电压、电流模拟信号采样模块通过对主电路电压电流实时采样再经过AD转换模块得到数字信号，通过瞬时功率计算模块得到VSG输出有功、无功功率，经过有功控制环、无功控制环的调制，得到VSG输出电压的幅值和相位，经过虚拟阻抗反馈修正得到调制信号，经过调制波合成模块得到最终的三相电压调制波信号。
进一步，所述VSG控制算法模块数学模型为：
式中Pset和Qset为有功和无功功率指令的给定值；P和Q为VSG输出的有功和无功功率；ωn为VSG额定角频率；ω为VSG输出电压的角频率；δ为功角；J和K分别为有功环和无功环的惯性系数；Dq为无功-电压下垂系数；Dp为有功-频率下垂系数；Eref为输出电压额定幅值；Em为VSG输出电压幅值；E为VSG输出虚拟内电势。
进一步，所述虚拟负阻抗模块与电流补偿自适应调节模块，其中有功环和无功环输出的电压经过虚拟负阻抗模块的电压修正再进入双环控制模块，从而输出矫正后的调制波，电流补偿自适应调节模块与VSG控制算法模块、双环控制模块相结合，针对系统中角速度及其变化率、角速度与额定值之差的变化情况，对参数进行自适应控制；
其中电流补偿自适应调节模块的数学模型为：
当有功突变时引发的无功偏差为：
ΔQ＝G1(s)Δid+G2(s)Δiq
式中K为无功环的惯性系数；Dq为无功-电压下垂系数；Kpδ、Kpe、Kqδ、Kqe为有功环和无功环之间的耦合系数；Vd和Vq分别为输出电压在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量；Δid和Δiq分别为输出电流在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量的变化值。
为实现解耦，d轴和q轴电流的补偿方程A1和A2分别为：
ΔQ*＝[A1(s)Δid+A2(s)Δiq]Gq(s)
式中ΔQ*为dq轴电流补偿的功率；ΔQ为有功突变引起的无功偏差；Gq(s)为无功环的增益函数；Δid和Δiq分别为输出电流在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量的变化值。
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、本发明双环控制模块采用电压外环、电流内环控制算法，适用于大部分常用逆变器控制算法的底层控制，例如下垂控制、VSG等，且无需改变主控制算法结构；无需考虑信号调制过程中引入的相移和时延现象，保证了系统响应的快速和准确。
2、本发明所提方法着重解决逆变电源的功率耦合问题，尤其是对于VSG系统。其中对于线路阻抗比较高的并网系统，可以有效抑制有功环和无功环之间的耦合程度，对于给定有功功率变化以及电网频率波动等特殊工况，功率耦合也被有效抑制，提高了系统的稳定性。
3、本发明所提方法分析了阻抗比和功角对功率耦合的影响。通过简化等效模型，量化了耦合关系，并对其取值进行了区间化控制，综合考虑了阻抗比和功角对有功环和无功环之间的影响，大大提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的VSG控制下的分布式逆变电源系统框图；
图2为本发明的VSG控制算法框图；
图3为本发明的双环控制算法框图；
图4为本发明的具备虚拟负阻抗的双环控制框图；
图5为本发明的重构的功率环单输入单输出耦合回路框图；
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。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
VSG算法控制下的分布式逆变电源系统框图如图1所示，所述分布式逆变电源系统包括：分布式能源、Q1-Q6组成的三相逆变桥、逆变器侧电感L和滤波电容C构成LC滤波器、负载、VSG控制算法模块、双环控制模块以及SVPWM模块。其中VSG控制模块如图2所示，由瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、调制波合成模块组成，采用传感器测量负载公共端输出三相电压和电流瞬时量，计算瞬时功率并给定VSG功率，通过VSG有功环、无功环以及三相电压信号合成模块得到VSG输出电压信号，并经过双环控制模块对信号进行处理，最终通过SVPWM模块产生PWM信号控制逆变器开关管的动作。
一方面，在实际系统中，由于控制器延时的影响，输出的信号并不能实时精确地跟踪给定值，所以上述虚拟阻抗参数的设计需要将系统控制参数纳入考虑范围。本发明所采用的是dq旋转坐标系下进行前馈解耦控制的电压电流双环系统，其中电压外环采用P控制器，电流内环采用PI控制器，在双闭环控制系统中加入虚拟阻抗环节。
可得VSG输出电压为：
Ugdq＝Ginv(s)Egdq-Z(s)idq (1)
其中Ginv(s)逆变器的增益；Egdq为逆变器输出电压；idq为VSG输出电流；Z(s)为VSG等效输出阻抗的传递函数，其具体表达式为：
其中，Rv和Lv为虚拟电阻和虚拟电感值；R1和L1为滤波器的电阻和电感值；C为滤波电容值；Kp1为电压外环P控制器系数；Kp2、KI2为电流内环PI控制器的系数；KPWM为脉冲宽度调制在数控系统时延下的增益。
可以发现，系统特征方程与虚拟阻抗参数无关，虚拟阻抗参数的选择仅会影响功率解耦的效果，对系统控制环路的稳定性没有影响，所以虚拟电阻取值可以不局限于正值，负值也同样可取。且伴随着Rv增大，系统等效输出阻抗更偏向于阻性，阻抗角随着阻抗的增大而减小。另一方面，加入Lv后系统的等效输出阻抗与阻抗角都随着Lv的增大而增大，等效输出阻抗更偏向于感性。由此本发明采用虚拟负阻抗的策略，利用虚拟负阻抗环节中的虚拟电阻来抵消线路中存在的阻性成分，并加入虚拟电感使得VSG等效输出阻抗更偏于感性，线路阻抗比因此变得很小无限趋于0，达到解决线路阻抗比过高引起功率耦合问题的目的。
另一方面，VSG控制区别于其他逆变器控制算法的地方就在于它通过模拟SG的惯量和阻尼，使逆变器拥有SG的运行特性。当有功功率指令给定值发生变化时，VSG有功环一次调频功能开始作用，具体表现为输出电压的频率发生扰动。为量化功角在功率解耦控制中的影响，对VSG有功环控制方程进行线性化分析：
式中Pset为有功功率指令的给定值；P为VSG输出的有功功率；ωn为VSG额定角频率；ω为VSG输出电压的角频率；δ为功角；J为有功环惯性系数；Dp为有功-频率下垂系数。
由于已引入虚拟负阻抗方法将逆变器输出阻抗设计为纯感性，即忽略阻抗比对功率的影响，不考虑VSG控制中电压电流闭环控制和有功无功的相互影响，在稳态工作点进行拉普拉斯变换，可得有功指令与VSG频率之间的传递函数为：
式中E和V分别为VSG内电势和电网侧电压；X为VSG和电网之间的等效电感。ωn为VSG额定角频率；δ0为稳态工作点的功角；J为有功环惯性系数；Dp为有功-频率下垂系数。
可以看出，当有功功率指令跃迁或骤降时，将会直接导致VSG频率的急剧变化，功角作为逆变器输出频率的积分量变化更为明显，倘若有功环和无功环之间存在强耦合，两个控制环之间振荡的传递会增加功率控制的难度。因此功角的变化会影响系统输出有功无功的耦合程度，不可忽略。
经过虚拟负阻抗环节，此时线路上传输的有功功率和无功功率表达式为：
式中P、Q分别为线路输出的有功和无功功率；E和V分别为VSG内电势和电网侧电压；X为VSG和电网之间的等效电感；δ为功角。
通过对VSG稳态工作点进行小信号分析，可得：
式中ΔP、ΔQ、Δδ、ΔE分别对应稳态工作点附近的小信号扰动分量，Kpδ、Kpe、Kqδ、Kqe为有功环和无功环之间的耦合系数。
从理想控制角度来考虑，PQ应该分别被VSG输出电压的频率和幅值独立控制，事实情况是PQ作为被控变量同时受到功角和输出电压幅值两个扰动分量的影响。
由于VSG运行在并网条件下，VSG输出电压需与网侧电压频率幅值相等、相位一致才能稳定并网，且在系统到达稳态时，电网侧频率值波动也很小，ΔE很小，因此Kpe耦合支路对有功功率的输出影响极小，为简化分析，即认为无功功率的变化不会引起有功功率的偏差。可当有功功率的指令发生扰动时，输出电压的频率会发生变化，功角作为频率的积分量变化会很大，再通过Kqδ耦合支路影响无功功率的输出，使其大幅度偏离稳态工作点，这是有功、无功动态耦合的主要原因。考虑到功率耦合问题主要体现在有功功率对无功功率的影响，从这个角度出发，当系统发生扰动时，仅需要补偿有功功率突变对无功功率造成的耦合影响即可。
通过重构的功率环单输入单输出耦合回路，可以得到当有功功率指令给定值发生突变时，由ΔPset引起的输出无功功率的偏差值ΔQ为：
ΔQ＝G(s)ΔPset (9)
式中G(s)为ΔPset到ΔQ的增益函数，ΔPset为有功功率指令的变化值；ΔQ为ΔPset引起的输出无功功率的偏差值；根据图5可求得有功功率给定值与输出有功功率之间的关系，则G(s)和ΔPset的表达式分别为：
式中ΔPset为有功功率指令的变化值；ΔP为VSG输出的有功功率的变化值；ωn为VSG额定角频率；J和K分别为有功环和无功环的惯性系数；Dp为有功-频率下垂系数；Dq为无功-电压下垂系数；Gp(s)为有功环的增益函数；Kpδ、Kpe、Kqδ、Kqe为有功环和无功环之间的耦合系数。
基于瞬时功率理论，可得：
式中ΔPset为有功功率指令的变化值；ωn为VSG额定角频率；J为有功环的惯性系数；Dp为有功-频率下垂系数；Gp(s)为有功环的增益函数；Vd和Vq分别为输出电压在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量；Δid和Δiq分别为输出电流在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量的变化值。
由式(11)可以发现ΔPset可由dq轴电流表示，根据式(9)可以看出ΔPset引起的无功功率的偏量ΔQ也可由dq轴电流表示，这给有功无功解耦提供了一个思路，即引用dq轴电流来补偿有功突变时引发的无功偏差。综合上式，可得：
ΔQ＝G1(s)Δid+G2(s)Δiq (12)
式中K为无功环的惯性系数；Dq为无功-电压下垂系数；Kpδ、Kpe、Kqδ、Kqe为有功环和无功环之间的耦合系数；Vd和Vq分别为输出电压在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量；Δid和Δiq分别为输出电流在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量的变化值。
为实现解耦，只需保证通过dq轴电流补偿的功率ΔQ*和有功突变引起的无功偏差ΔQ互相抵消即可：
ΔQ*＝[A1(s)Δid+A2(s)Δiq]Gq(s) (14)
ΔQ*+ΔQ＝0 (15)
式中ΔQ*为dq轴电流补偿的功率；ΔQ为有功突变引起的无功偏差；Gq(s)为无功环的增益函数；Δid和Δiq分别为输出电流在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量的变化值。
因此，当有功给定指令突变时，无功功率受到耦合的影响产生偏差，需要根据瞬时功率理论重新估算稳定工作点，修正无功功率补偿量，快速跟踪并更新补偿环节，实现实时无功补偿，保证解耦的可靠性。
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 (10)
1.一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：将VSG三相输出电压信号以及公共端输出三相电压、电流信号分别经过Clark变换转换至αβ两相静止坐标系上；
S2：采用基于两相静止坐标的双环控制的算法对上述输出信号进行信号调制；
S3：通过VSG输出角速度与额定角速度之差、VSG角速度及其变化率的变量进行反馈控制；
S4：针对并网期间VSG功率强耦合的情况，简化VSG并网模型，列出VSG有功、无功功率与线路阻抗比以及功角的关系；
S5：引入虚拟负阻抗，利用虚拟负阻抗环节中的虚拟电阻来抵消线路中存在的阻性成分，并加入虚拟电感使得VSG等效输出阻抗更偏于感性；
S6：将电流补偿引入双环控制中,在不改变功率环的作用下，通过改变电流的值来实时补偿有功振荡引起的无功偏差，大大削弱了有功环和无功环的耦合关系，提高了系统的稳定性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中所述双环控制其中电压环采用准谐振调节器抑制谐波分量，电流环采用比例调节器以加快系统响应速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中所述引入VSG输出角速度与额定角速度之差、VSG角速度及其变化率变量，综合考虑了暂态期间功角影响下系统各参数的变化，保证了控制的准确性。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S4中所述列出VSG有功、无功功率与线路阻抗比以及功角的关系是基于忽略电压电流闭环控制下的简化并网模型，通过线性化分析量化了线路阻抗比和功角引发功率耦合的程度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S5中引入虚拟负阻抗，改变了输出阻抗的阻感比例，同时对参数的选择进行了区间化取值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S6中针对功角引起的功率耦合，采用重构的功率环耦合回路，利用电流实时补偿有功振荡引起的无功偏差，保证了解耦的可靠性。
7.一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦系统，其特征在于，所述系统包括：
分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载、功率计算模块、VSG控制算法模块、双环控制模块、虚拟负阻抗模块、电流补偿自适应模块；其中由分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载连接构成VSG控制系统的主电路；分布式电源输出的直流信号经过逆变器调制转变为交流信号，经过滤波器滤波后的电压、电流信号经过功率计算模块输出有功功率及无功功率，再将其送入VSG控制算法模块，输出调制电压波，然后经过虚拟负阻抗模块的修正送入双环控制模块，根据输入电压和电流自适应补偿模块两个反馈环节影响SVPWM的调制波，从而控制VSG端口输出电压，实现系统的精准控制。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述VSG控制算法模块，包括电压、电流模拟信号采样模块、AD转换模块、瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、调制波合成模块，最终得到三相电压调制波信号；
其中电压、电流模拟信号采样模块通过对主电路电压电流实时采样再经过AD转换模块得到数字信号，通过瞬时功率计算模块得到VSG输出有功、无功功率，经过有功控制环、无功控制环的调制，得到VSG输出电压的幅值和相位，经过虚拟阻抗反馈修正得到调制信号，经过调制波合成模块得到最终的三相电压调制波信号。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述VSG控制算法模块数学模型为：
式中Pset和Qset为有功和无功功率指令的给定值；P和Q为VSG输出的有功和无功功率；ωn为VSG额定角频率；ω为VSG输出电压的角频率；δ为功角；J和K分别为有功环和无功环的惯性系数；Dq为无功-电压下垂系数；Dp为有功-频率下垂系数；Eref为输出电压额定幅值；Em为VSG输出电压幅值；E为VSG输出虚拟内电势。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述虚拟负阻抗模块与电流补偿自适应调节模块，其中有功环和无功环输出的电压经过虚拟负阻抗模块的电压修正再进入双环控制模块，从而输出矫正后的调制波，电流补偿自适应调节模块与VSG控制算法模块、双环控制模块相结合，针对系统中角速度及其变化率、角速度与额定值之差的变化情况，对参数进行自适应控制；
其中电流补偿自适应调节模块的数学模型为：
当有功突变时引发的无功偏差为：
ΔQ＝G1(s)Δid+G2(s)Δiq
式中K为无功环的惯性系数；Dq为无功-电压下垂系数；Kpδ、Kpe、Kqδ、Kqe为有功环和无功环之间的耦合系数；Vd和Vq分别为输出电压在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量；Δid和Δiq分别为输出电流在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量的变化值。
为实现解耦，d轴和q轴电流的补偿方程A1和A2分别为：
ΔQ*＝[A1(s)Δid+A2(s)Δiq]Gq(s)
式中ΔQ*为dq轴电流补偿的功率；ΔQ为有功突变引起的无功偏差；Gq(s)为无功环的增益函数；Δid和Δiq分别为输出电流在dq坐标系下d轴和q轴的稳态分量的变化值。
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| CN202310323768.1A CN116316850A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 一种基于虚拟负阻抗以及电流动态补偿的虚拟同步发电机的功率解耦方法及其系统 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117937523A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-26 | 四川大学 | 基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统及方法 |
| CN118523341A (zh) * | 2024-07-24 | 2024-08-20 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 新能源-储能发电系统的暂态无功电压控制方法及系统 |
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