CN117200355A - 一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,涉及虚拟同步机控制技术领域。所述融合控制方法包含电压源模式和电流源模式两种控制模式,并通过加权调制实现融合,具体包括采样并网三相电流和公共耦合点三相电压,虚拟同步机分别运行在电压源模式和电流源模式,电压源模式包括平均功率计算、有功控制、无功控制、电压闭环控制和电流闭环控制,电流源模式包括有功控制、无功控制、电流闭环控制,最后给定加权系数对两种模式得到的控制信号进行加权调制。本发明提出通过加权调制的方式,融合电压源模式和电流源模式的特性,提高虚拟同步机稳定性,实现SCR大幅波动时虚拟同步机的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟同步机控制技术领域,具体涉及一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法。
背景技术
虚拟同步机的控制模式主要有两种:电流源模式和电压源模式,电流源模式控制的虚拟同步机在强电网下具有较好的稳定性,而在弱电网以及极弱电网下稳定性较弱;相反的,电压源模式控制的虚拟同步机在弱电网甚至极弱电网下,稳定性较好,而在强电网下难以稳定运行。由于新能源发电的间歇性和波动性,短路比SCR将会产生大幅波动,此时,不管是采用电流源模式或者电压源模式,虚拟同步机均难以稳定运行。
针对SCR大幅波动条件下虚拟同步机稳定性问题,已有多篇学术论文以及专利进行了研究,例如:
1)李武华等人发表于2017年《中国电机工程学报》第37卷第2期上的《虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略》,在虚拟同步发电机的动态小信号模型的基础上分析导致谐振的原因是有功环与无功环的耦合效应,提出用虚拟阻尼的方法来抑制同步频率振荡。然而该方法对于电流源模式虚拟同步机的弱电网稳定性提升效果有限,在极弱电网下仍难以稳定。
2)李新等人发表于2018年《电网技术》第416卷第7期上的《具有暂态阻尼特性的虚拟同步发电机控制策略及无缝切换方法》,针对虚拟同步机虚拟阻尼系数的存在使得一次调频特性出现偏差,不利于频率调节与系统稳定的问题,提出加入虚拟暂态阻尼项消除一次调频与虚拟阻尼之间的耦合。然而该方法中暂态阻尼设计需要根据SCR变化而调整,因此不可避免的需要检测SCR,这在大规模系统中的难以应用。
3)高倩发表于2022年《合肥工业大学》的硕士学位论文《双模式光伏虚拟同步发电机(PV-VSG)及其关键技术研究》中提出一种电流源电压源双模式虚拟同步机控制策略,在弱电网下,当电流源模式虚拟同步机不能稳定并网时,平滑切换至电压源模式,实现虚拟同步机在SCR宽范围变化时的稳定运行。然而这种方法需要精准的SCR检测,而在实际系统中,SCR难以被准确测量。
4)中国专利文献CN112290561A于2021年1月29日公开的《基于虚拟并联电阻的虚拟同步机的LC谐振抑制方法》,通过虚拟并联电阻控制,在不增加额外硬件成本的前提下,抑制虚拟同步机LC谐振,改善虚拟同步机并网电能质量。然而该方法在弱电网下由于虚拟电阻的存在,会使得虚拟同步机端口电压降低,需要系统响应更多的无功功率维持电压,造成发电量损失。
综上所述,目前在现有技术中存在以下不足:
1.现有的电流源模式虚拟同步机控制难以在弱电网尤其是极弱电网下稳定运行,尽管有相应的措施提高弱电网稳定性,但是一方面会降低系统控制带宽,另一方面,在极弱电网下,稳定裕度仍难很低;
2.现有的电压源模式虚拟同步机控制在强电网下难以稳定,尽管通过虚拟阻抗等控制方式可以提高其稳定性,然而一方面,虚拟阻抗在弱电网下会造成端口电压降低,另一方面,虚拟阻抗值会受到SCR变化的影响,难以设计;
3.现有的双模式切换的方法,一方面需要SCR精确的在线测量,另一方面需要频繁的模式切换,这在大规模系统中应用十分困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为现有技术存在的单一虚拟同步机传统控制无法适应SCR大幅变化,而双模式切换控制在大规模系统中难以应用,虚拟同步机并网稳定性受到威胁的问题。具体的,电流源模式和电压源模式的稳定性具有一定的互补性,因此本发明通过调制波加权的方式,将两种模式融合为一种控制模式,过程中去除了锁相环控制。所提的融合控制无需SCR检测以及模式切换,可实现SCR大幅波动条件下虚拟同步机的稳定并网运行。
本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,应用该控制方法的虚拟同步机的拓扑结构包括直流侧电源、三相全桥逆变电路、RCL滤波器、电网阻抗和三相电网,所述三相全桥逆变电路、RCL滤波器、电网阻抗依顺序串联后接入三相电网;
所述融合控制方法包含电压源模式和电流源模式两种控制模式,并通过加权调制实现融合,步骤如下:
步骤1,采样虚拟同步机输出的并网三相电流iga,igb,igc和公共耦合点的三相电压upcca,upccb,upccc,并经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到并网电流αβ轴分量igα,igβ和公共耦合点电压αβ轴分量upccα,upccβ;
步骤2,根据并网电流αβ轴分量igα,igβ和公共耦合点电压αβ轴分量upccα,upccβ,经过平均功率计算方程得到有功并网功率Pe和无功并网功率Qe;
步骤3,根据有功并网功率Pe和无功并网功率Qe,经过电压源模式有功控制方程和电压源模式无功控制方程,得到虚拟同步机角频率ωv和电压源模式d轴电压指令信号udref;根据虚拟同步机角频率ωv计算得到虚拟同步机调制波相位角θ,θ=ωv/s,s为拉普拉斯算子;
步骤4,根据并网三相电流iga,igb,igc、公共耦合点三相电压upcca,upccb,upccc和虚拟同步机调制波相位角θ,经三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换得到虚拟同步机并网电流dq轴分量igd,igq和公共耦合点电压dq轴分量upccd,upccq;
步骤5,给定电压源模式q轴电压指令信号uqref,根据电压源模式d轴电压指令信号udref和公共耦合点电压dq轴分量upccd,upccq,经过电压源模式电压闭环控制方程得到电压源模式dq轴电流指令信号idref1,iqref1;
步骤6,根据虚拟同步机角频率ωv和公共耦合点电压d轴分量upccd,通过电流源模式有功控制方程和电流源模式无功控制方程计算得到电流源模式dq轴电流指令信号idref2,iqref2;
步骤7,根据并网电流dq轴分量igd,igq和电压源模式dq轴电流指令信号idref1,iqref1,经过电压源模式电流闭环控制方程得到电压源模式控制信号dq轴分量ud1,uq1;
步骤8,根据并网电流dq轴分量igd,igq和电流源模式dq轴电流指令信号idref2,iqref2,经过电流源模式电流闭环控制方程得到电流源模式控制信号dq轴分量ud2,uq2;
步骤9,给定加权系数n,并通过该加权系数n对电压源模式控制信号dq轴分量ud1,uq1和电流源模式控制信号dq轴分量ud2,uq2进行加权调制得到虚拟同步机控制信号dq轴分量ud,uq,其计算式分别为:
将虚拟同步机控制信号dq轴分量ud,uq经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换,得到三相静止坐标系下的虚拟同步机控制信号ua,ub,uc。
优选地,步骤2所述平均功率计算方程为:
式中,Tfilter1为平均功率计算低通滤波时间常数。
优选地,步骤3所述电压源模式有功控制方程和电压源模式无功控制方程分别为:
式中,Pset为虚拟同步机有功功率指令值,ωn为电网额定角频率,Dp为虚拟同步机有功阻尼系数,J为虚拟转动惯量,Qset为虚拟同步机无功功率指令值,VnAMP为电网额定电压幅值,Vd为上一控制周期公共耦合点电压d轴分量,Dq为虚拟同步机无功阻尼系数,K为虚拟同步机无功惯性系数。
优选地,步骤5所述电压源模式电压闭环控制方程为:
式中,Kvv_p为电压源模式电压闭环控制PI调节器的比例系数,Kvv_i为电压源模式电压闭环控制PI调节器的积分系数。
优选地,步骤6所述电流源模式有功控制方程和电流源模式无功控制方程的计算式为:
其中,Tfilter4为电流源模式公共耦合点电压低通滤波时间常数,Pref为虚拟同步机有功功率参考值,Qref为虚拟同步机无功功率参考值,其计算式分别为:
式中,Pset为虚拟同步机有功功率指令值,ωn为电网额定角频率,Dp为虚拟同步机有功阻尼系数,J为虚拟转动惯量,Tfilter2为电流源模式有功低通滤波时间常数,Tfilter3为电流源模式角频率低通滤波时间常数,Qset为虚拟同步机无功功率指令值,K为虚拟同步机无功惯性系数,Dq为虚拟同步机无功阻尼系数,VnAMP为电网额定电压幅值。
优选地,步骤7所述电压源模式电流闭环控制方程为:
式中,Kvc_p为电压源模式电流闭环控制PI调节器的比例系数,Kvc_i为电压源模式电流闭环控制PI调节器的积分系数。
优选地,步骤8所述电流源模式电流闭环控制方程为:
式中,Kcc_p为电流源模式电流闭环控制PI调节器的比例系数,Kcc_i为电流源模式电流闭环控制PI调节器的积分系数。
优选地,步骤9所述加权系数n处于大于0且小于1的范围。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1.本发明实施简单,相比于单独电压源模式或者电流源模式,具有更宽范围的稳定性,克服了SCR大幅波动时,虚拟同步机的稳定运行问题;
2.本发明无需进行系统短路比的检测,也无需进行频繁的模式切换,更有利于在大规模新能源发电系统中的应用;
3.本发明中加权系数n可调,n越大,虚拟同步机融合控制特性越接近电压源模式特性,n越小,越接近电流源模式特性。
附图说明
图1为本发明实施例中所采用的虚拟同步机拓扑结构图。
图2为采用电流源模式的虚拟同步机在SCR=1.9时公共耦合点A相电压uPCCa和并网A相电流iga的波形。
图3为采用电压源模式的虚拟同步机在SCR=10时公共耦合点A相电压uPCCa和并网A相电流iga的波形。
图4为采用本发明融合控制的虚拟同步机在SCR=1.5时公共耦合点A相电压uPCCa和并网A相电流iga的波形。
图5为采用本发明融合控制的虚拟同步机在SCR=15时公共耦合点A相电压uPCCa和并网A相电流iga的波形。
图6为本发明融合控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明所采用的并网逆变器的系统结构拓扑如图1所示。由图1可见,应用该控制方法的虚拟同步机的拓扑结构包括直流侧电源、三相全桥逆变电路、RCL滤波器、电网阻抗和三相电网,所述三相全桥逆变电路、RCL滤波器、电网阻抗依顺序串联后接入三相电网。
在图1上,Vdc为直流侧电源的直流侧电压,Zg为电网阻抗,Rg为电网阻抗Zg的阻性分量,Lg为电网阻抗Zg的感性分量。RCL滤波器包括滤波电感Lf、滤波电容Cf和阻尼电阻Rd。三相全桥逆变电路串接在直流侧电源Vdc和滤波电感Lf之间,滤波电感Lf的另一端接电网阻抗Zg,滤波电容Cf和阻尼电阻Rd并联接在滤波电感Lf和电网阻抗Zg之间,电网阻抗Zg接三相电网实现并网。
本实施例中,直流侧电压Vdc=770V,滤波电感Lf的电感值为0.9mH,滤波电容Cf的电容值为11.6 uF,阻尼电阻Rd的阻值为0.3Ω,电网阻抗Zg的阻性分量Rg为0Ω,电网阻抗Zg的感性分量Lg分别取12.2mH、2.31mH、15.4mH、1.54mH。
图6为本发明融合控制方法的流程图,由图6可见,本发明基于加权调制的虚拟同步机所述融合控制方法包含电压源模式和电流源模式两种控制模式,并通过加权调制实现融合,步骤如下:
步骤1,采样虚拟同步机输出的并网三相电流iga,igb,igc和公共耦合点的三相电压upcca,upccb,upccc,并经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到并网电流αβ轴分量igα,igβ和公共耦合点电压αβ轴分量upccα,upccβ。
步骤2,根据并网电流αβ轴分量igα,igβ和公共耦合点电压αβ轴分量upccα,upccβ,经过平均功率计算方程得到有功并网功率Pe和无功并网功率Qe。
在本实施例中,所述平均功率计算方程为:
式中,Tfilter1为平均功率计算低通滤波时间常数。
在本实施例中,Tfilter1=0.02s。
步骤3,根据有功并网功率Pe和无功并网功率Qe,经过电压源模式有功控制方程和电压源模式无功控制方程,得到虚拟同步机角频率ωv和电压源模式d轴电压指令信号udref;根据虚拟同步机角频率ωv计算得到虚拟同步机调制波相位角θ,θ=ωv/s,s为拉普拉斯算子。
在本实施例中,所述电压源模式有功控制方程和电压源模式无功控制方程分别为:
式中,Pset为虚拟同步机有功功率指令值,ωn为电网额定角频率,Dp为虚拟同步机有功阻尼系数,J为虚拟转动惯量,Qset为虚拟同步机无功功率指令值,VnAMP为电网额定电压幅值,Vd为上一控制周期公共耦合点电压d轴分量,Dq为虚拟同步机无功阻尼系数,K为虚拟同步机无功惯性系数。
在本实施例中,Pset=20kW,ωn=100π,Dp=22.5158,J=0.057,Qset=0kW,VnAMP=311V,Dq=918.3205,K=100。
步骤4,根据并网三相电流iga,igb,igc、公共耦合点三相电压upcca,upccb,upccc和虚拟同步机调制波相位角θ,经三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换得到虚拟同步机并网电流dq轴分量igd,igq和公共耦合点电压dq轴分量upccd,upccq。
步骤5,给定电压源模式q轴电压指令信号uqref,根据电压源模式d轴电压指令信号udref和公共耦合点电压dq轴分量upccd,upccq,经过电压源模式电压闭环控制方程得到电压源模式dq轴电流指令信号idref1,iqref1。
在本实施例中,所述电压源模式电压闭环控制方程为:
式中,Kvv_p为电压源模式电压闭环控制PI调节器的比例系数,Kvv_i为电压源模式电压闭环控制PI调节器的积分系数。
在本实施例中,Kvv_p=0.05,Kvv_i=120。
步骤6,根据虚拟同步机角频率ωv和公共耦合点电压d轴分量upccd,通过电流源模式有功控制方程和电流源模式无功控制方程计算得到电流源模式dq轴电流指令信号idref2,iqref2。
在本实施例中,所述电流源模式有功控制方程和电流源模式无功控制方程的计算式为:
其中,Tfilter4为电流源模式公共耦合点电压低通滤波时间常数,Pref为虚拟同步机有功功率参考值,Qref为虚拟同步机无功功率参考值,其计算式分别为:
式中,Tfilter2为电流源模式有功低通滤波时间常数,Tfilter3为电流源模式角频率低通滤波时间常数。
在本实施例中,Tfilter2=0.05s,Tfilter3=0.1s,Tfilter4=0.1s。
步骤7,根据并网电流dq轴分量igd,igq和电压源模式dq轴电流指令信号idref1,iqref1,经过电压源模式电流闭环控制方程得到电压源模式控制信号dq轴分量ud1,uq1。
在本实施例中,所述电压源模式电流闭环控制方程为:
式中,Kvc_p为电压源模式电流闭环控制PI调节器的比例系数,Kvc_i为电压源模式电流闭环控制PI调节器的积分系数。
在本实施例中,Kvc_p=4,Kvc_i=10。
步骤8,根据并网电流dq轴分量igd,igq和电流源模式dq轴电流指令信号idref2,iqref2,经过电流源模式电流闭环控制方程得到电流源模式控制信号dq轴分量ud2,uq2。
在本实施例中,所述电流源模式电流闭环控制方程为:
式中,Kcc_p为电流源模式电流闭环控制PI调节器的比例系数,Kcc_i为电流源模式电流闭环控制PI调节器的积分系数。
在本实施例中,Kcc_p=1,Kcc_i=270。
步骤9,给定加权系数n,并通过该加权系数n对电压源模式控制信号dq轴分量ud1,uq1和电流源模式控制信号dq轴分量ud2,uq2进行加权调制得到虚拟同步机控制信号dq轴分量ud,uq,其计算式分别为:
在本实施例中,所述加权系数n处于大于0且小于1的范围。
在本实施例中,加权系数n选取原则为使虚拟同步机能够稳定运行的SCR范围最大,取n=0.5。
将虚拟同步机控制信号dq轴分量ud,uq经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换,得到三相静止坐标系下的虚拟同步机控制信号ua,ub,uc。
步骤9生成的虚拟同步机控制信号ua,ub,uc经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号,经过驱动保护电路控制三相全桥并网逆变器功率器件的开通和关断。
为了佐证本发明的有益效果,对本发明进行了MATLAB/simulink仿真,仿真结果详见图2-图5,其中,横坐标均为时间(单位为秒),纵坐标分别为公共耦合点A相电压uPCCa和并网A相电流iga。
图2为Lg=12.2mH,即短路比SCR=1.9时电流源模式控制下uPCCa和iga的波形,图3为Lg=2.31mH,即SCR=10时电压源模式控制下uPCCa和iga的波形,图4为Lg=15.4mH,即SCR=1.5时采取本发明融合控制下uPCCa和iga的波形,图5为Lg=1.54mH,即SCR=15时采取本发明融合控制下uPCCa和iga的波形。
如图2所示,SCR=1.9时,电流源模式下的虚拟同步机无法稳定运行;如图3所示,SCR=10时,电压源模式下的虚拟同步机无法稳定运行;如图4和图5所示,当SCR=1.5和SCR=15时,本方案融合控制下的虚拟同步机均能稳定运行,可见本方案融合控制方法,能够大幅提高虚拟同步机在SCR变化条件下的稳定性。
Claims (8)
1.一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,应用该控制方法的虚拟同步机的拓扑结构包括直流侧电源、三相全桥逆变电路、RCL滤波器、电网阻抗和三相电网,所述三相全桥逆变电路、RCL滤波器、电网阻抗依顺序串联后接入三相电网;
其特征在于,所述融合控制方法包含电压源模式和电流源模式两种控制模式,并通过加权调制实现融合,步骤如下:
步骤1,采样虚拟同步机输出的并网三相电流iga,igb,igc和公共耦合点的三相电压upcca,upccb,upccc,并经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到并网电流αβ轴分量igα,igβ和公共耦合点电压αβ轴分量upccα,upccβ;
步骤2,根据并网电流αβ轴分量igα,igβ和公共耦合点电压αβ轴分量upccα,upccβ,经过平均功率计算方程得到有功并网功率Pe和无功并网功率Qe;
步骤3,根据有功并网功率Pe和无功并网功率Qe,经过电压源模式有功控制方程和电压源模式无功控制方程,得到虚拟同步机角频率ωv和电压源模式d轴电压指令信号udref;根据虚拟同步机角频率ωv计算得到虚拟同步机调制波相位角θ,θ=ωv/s,s为拉普拉斯算子;
步骤4,根据并网三相电流iga,igb,igc、公共耦合点三相电压upcca,upccb,upccc和虚拟同步机调制波相位角θ,经三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换得到虚拟同步机并网电流dq轴分量igd,igq和公共耦合点电压dq轴分量upccd,upccq;
步骤5,给定电压源模式q轴电压指令信号uqref,根据电压源模式d轴电压指令信号udref和公共耦合点电压dq轴分量upccd,upccq,经过电压源模式电压闭环控制方程得到电压源模式dq轴电流指令信号idref1,iqref1;
步骤6,根据虚拟同步机角频率ωv和公共耦合点电压d轴分量upccd,通过电流源模式有功控制方程和电流源模式无功控制方程计算得到电流源模式dq轴电流指令信号idref2,iqref2;
步骤7,根据并网电流dq轴分量igd,igq和电压源模式dq轴电流指令信号idref1,iqref1,经过电压源模式电流闭环控制方程得到电压源模式控制信号dq轴分量ud1,uq1;
步骤8,根据并网电流dq轴分量igd,igq和电流源模式dq轴电流指令信号idref2,iqref2,经过电流源模式电流闭环控制方程得到电流源模式控制信号dq轴分量ud2,uq2;
步骤9,给定加权系数n,并通过该加权系数n对电压源模式控制信号dq轴分量ud1,uq1和电流源模式控制信号dq轴分量ud2,uq2进行加权调制得到虚拟同步机控制信号dq轴分量ud,uq,其计算式分别为:
将虚拟同步机控制信号dq轴分量ud,uq经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换,得到三相静止坐标系下的虚拟同步机控制信号ua,ub,uc。
2.根据权利要求1所述的一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,其特征在于,步骤2所述平均功率计算方程为:
式中,Tfilter1为平均功率计算低通滤波时间常数。
3.根据权利要求1所述的一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,其特征在于,步骤3所述电压源模式有功控制方程和电压源模式无功控制方程分别为:
式中,Pset为虚拟同步机有功功率指令值,ωn为电网额定角频率,Dp为虚拟同步机有功阻尼系数,J为虚拟转动惯量,Qset为虚拟同步机无功功率指令值,VnAMP为电网额定电压幅值,Vd为上一控制周期公共耦合点电压d轴分量,Dq为虚拟同步机无功阻尼系数,K为虚拟同步机无功惯性系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,其特征在于,步骤5所述电压源模式电压闭环控制方程为:
式中,Kvv_p为电压源模式电压闭环控制PI调节器的比例系数,Kvv_i为电压源模式电压闭环控制PI调节器的积分系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,其特征在于,步骤6所述电流源模式有功控制方程和电流源模式无功控制方程的计算式为:
其中,Tfilter4为电流源模式公共耦合点电压低通滤波时间常数,Pref为虚拟同步机有功功率参考值,Qref为虚拟同步机无功功率参考值,其计算式分别为:
式中,Pset为虚拟同步机有功功率指令值,ωn为电网额定角频率,Dp为虚拟同步机有功阻尼系数,J为虚拟转动惯量,Tfilter2为电流源模式有功低通滤波时间常数,Tfilter3为电流源模式角频率低通滤波时间常数,Qset为虚拟同步机无功功率指令值,K为虚拟同步机无功惯性系数,Dq为虚拟同步机无功阻尼系数,VnAMP为电网额定电压幅值。
6.根据权利要求1所述的一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,其特征在于,步骤7所述电压源模式电流闭环控制方程为:
式中,Kvc_p为电压源模式电流闭环控制PI调节器的比例系数,Kvc_i为电压源模式电流闭环控制PI调节器的积分系数。
7.根据权利要求1所述的一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,其特征在于,步骤8所述电流源模式电流闭环控制方程为:
式中,Kcc_p为电流源模式电流闭环控制PI调节器的比例系数,Kcc_i为电流源模式电流闭环控制PI调节器的积分系数。
8.根据权利要求1所述的一种基于加权调制的虚拟同步机融合控制方法,其特征在于,步骤9所述加权系数n处于大于0且小于1的范围。
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