基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法。它采用基于陷波器滤波的功率计算方法，以消除一阶低通滤波器响应速度慢、稳定性差、无法消除不平衡负载带来的二次谐波等问题，计算出的有功和无功总功率作为下垂控制的反馈输入，并对产生的不平衡电压采用比例积分加谐振控制的方法抑制一部分不平衡电压，同时，采用一种不平衡电压补偿控制器，来进一步消除不平衡分量。它既能补偿不平衡电压，又能保持多机并联良好的均流度，可广泛地用于不平衡负载条件下的微网逆变器控制，以保持其离网运行时的输出电压平衡，并能多台并联运行。
【专利说明】基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种不平衡电压补偿控制方法，尤其是一种基于虚拟同步机的不平衡 电压补偿控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，虚拟同步发电机技术作为微网逆变器的一种新型的发电模式，受到了学 者的大量关注。采用虚拟同步发电机技术的微网逆变器叫做虚拟同步发电机。虚拟同步发 电机（Virtual Synchronous Generator, VSG)需要运行在两种模式下，并网和孤岛并联运 行。
[0003] 微网中存在大量的不平衡负荷，这些不平衡负荷会严重影响VSG的输出电压供电 质量，引起输出电压不平衡，从而导致用电设备过电压等问题。为了达到良好的输出电压供 电质量，要求将输出电压的不平衡度控制在一定的范围之内，同时保持多机并联良好的功 率均分性能。
[0004] 为此，人们做出了各种努力，如题为"A grid-interfacing power quality compensator for three-phase three-wire microgrid applications，'，Li Y ff, Vilathgamuwa D M,Loh P C,《IEEE Transactions on Power Electronics》，2006,21 (4), 1021-1031( "应用于三相三线微网的并网功率质量补偿器"，《IEEE学报-电力电子期刊》， 2006年第21卷第4期1021?1031页）的文章；该文给出了一种控制电压不平衡度的解 决方案，是在供电端增加电能质量补偿装置APF(Active Power Filter)或者UPQC，这种控 制方案增加了额外的装置，成本较高。
[0005] 题为"Autonomous voltage unbalance compensation in an Islanded Droop-controlled microgrid，'，Savaghebi M, Jalilian A, Vasquez J C, et al,〈〈IEEE Transactions on Industrial Electronics》，2013,60(4)，1390-1402("应用于下垂控制 微网孤岛模式的不平衡电压自动补偿器"，《IEEE学报-工业电子期刊》，2013年第60卷第 4期1390?1402页）的文章；该文提出了一种谐振电压控制器来补偿不平衡电压，但是由 于没有考虑虚拟阻抗上的不平衡电压降落等影响，补偿效果较差。
[0006] 题为 "Voltage unbalance and harmonics compensation for islanded microgrid inverters"， Liu Q, Tao Y, Liu X, et al,《Power Electronics IET》，2014, 7(5),1055-1063( "孤岛微网逆变器的电压不平衡和谐波补偿控制"，《IET工程技术学 会-电力电子期刊》，2014年第7卷第5期1055?1063页）的文章；该文提出了采用多谐 振控制器来抑制电压不平衡，但其控制带宽较窄，当微网系统频率变化时补偿效果较差。
[0007] 题为 "A method of three-phase balancing in microgrid by photovoltaic generation system，'，Ho jo M, Iwase Y, Funabashi T, et al,《Power Electronics and Motion Control Conference2008.EPE-PEMC》，2008,13th. IEEE，2008, 2487-2491 ("光伏发 电微网系统中的三相平衡控制策略"，《第十三届电力电子与运动控制国际会议》，2008年第 13期2487?2491页）的文章；该文提出了采用注入负序电流的方法来补偿不平衡电压， 然而在严酷的条件下负序电流的注入会使得微网逆变器过流导致关机。
[0008] 综上所述，现有技术均未能解决在微网逆变器并联运行系统中，带不平衡负载时， 既能保证输出电压良好的平衡度又能保证孤岛运行时的逆变器并联均流问题。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对虚拟同步发电 机离网并联运行时，带不平衡负载的输出电压不平衡问题，提供一种既能补偿不平衡电压， 又能保持多机并联良好的均流度的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法。
[0010] 为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于虚拟同步机的不平衡电压 补偿控制方法包括微网逆变器输出电容电压的采集，特别是主要步骤如下：
[0011] 步骤1，先采集微网逆变器的输出电容电压m、桥臂侧电感电流Ila，Ilb，Ι 1ε 和输出电流ΙΜ，经过单同步旋转坐标变换得到输出电容电压dq的分量U。,、桥臂侧电感 电流dq的分量I ld，Ilq和输出电流dq的分量U I。,，再利用输出电容电压UM，U& U。。和桥 臂侧电感电流Ila，Ilb，h。，经过双同步旋转坐标变换得到电容电压的负序分量U CN_d，UCN_q和 电感电流的负序分量1_，;
[0012] 步骤2,根据步骤1中得到的输出电容电压dq的分量Ued, Ueq和输出电流dq的分 量U，I。,，经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率g和平均无功功 率δ;
[0013] 步骤3,根据步骤2中得到的平均有功功率ρ和微网逆变器给定的有功功率指令 PMf、微网逆变器给定的角频率指令ω Μ?，经过功角控制方程得到虚拟同步发电机的角频率 ω，对角频率ω积分得到虚拟同步机的矢量角Θ ;
[0014] 步骤4,根据步骤2中得到的平均无功功率Γ)和微网逆变器给定的无功功率指令 QMf、电压指令U Mf，经过无功控制方程得到虚拟同步机的端电压U# ;
[0015] 步骤5,先根据步骤4中得到的端电压U#和步骤1中得到的Ued，U。,，通过电压控 制方程得到电容电流指令信号/,，，再根据电容电流指令信号4弋和步骤1中的桥臂侧 电感电流dq的分量Ild，Ilq和输出电流dq的分量I。,，I。,，通过电流控制方程得到控制信号 Udl, Uql ；
[0016] 步骤6,根据步骤1中得到的电容电压的负序分量和电感电流的负序分 量1_，经过负序电压补偿控制方程得到控制信号U d2, uq2;
[0017] 步骤7,将步骤5和步骤6中得到的控制信号Udl，Uql和U d2, Uq2分别相加得到控制 信号ud，uq;
[0018] 步骤8,先根据步骤7中的控制信号Ud，Uq和步骤3中得到的矢量角Θ，经过单同 步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号u a，Ub，U。，再根据Ua，Ub，U。生成微网逆变器逆 变桥开关管的PWM控制信号。
[0019] 作为基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法的进一步改进：
[0020] 优选地，步骤2中的有功功率计算方程为
[0021]
【权利要求】
1. 一种基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，包括微网逆变器输出电容电压的 采集，其特征在于主要步骤如下： 步骤1，先采集微网逆变器的输出电容电压UM，U& U。。、桥臂侧电感电流Ila，Ilb，Ii。和输 出电流IM，经过单同步旋转坐标变换得到输出电容电压dq的分量U。,、桥臂侧电感电流 dq的分量I ld，Ilq和输出电流dq的分量U I。,，再利用输出电容电压UM，U& U。。和桥臂侧电 感电流Ila，Ilb，h。，经过双同步旋转坐标变换得到电容电压的负序分量U c_N_d，Uc_N_q和电感电 流的负序分量I w 1^ ; 步骤2,根据步骤1中得到的输出电容电压dq的分量1，Uq和输出电流dq的分量 1^1。,，经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率P和平均无功功率 β； 步骤3,根据步骤2中得到的平均有功功率声和微网逆变器给定的有功功率指令PMf、 微网逆变器给定的角频率指令ω#，经过功角控制方程得到虚拟同步发电机的角频率ω， 对角频率ω积分得到虚拟同步机的矢量角Θ ; 步骤4,根据步骤2中得到的平均无功功率3和微网逆变器给定的无功功率指令QMf、 电压指令UMf，经过无功控制方程得到虚拟同步机的端电压U# ; 步骤5,先根据步骤4中得到的端电压U#和步骤1中得到的U& U。,，通过电压控制方程 得到电容电流指令信号/χ，再根据电容电流指令信号?和步骤1中的桥臂侧电感电 流dq的分量Ild，Ilq和输出电流dq的分量U I。,，通过电流控制方程得到控制信号Udl，Uql ; 步骤6,根据步骤1中得到的电容电压的负序分量和电感电流的负序分量 ILN-d，ILN-q，经过负序电压补偿控制方程得到控制信号U d2, Uq2 ; 步骤7,将步骤5和步骤6中得到的控制信号Udl，Uql和Ud2, Uq2分别相加得到控制信号 Ud, Uq ； 步骤8,先根据步骤7中的控制信号Ud，U,和步骤3中得到的矢量角θ，经过单同步旋 转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号Ua，Ub，U。，再根据Ua，U b，U。生成微网逆变器逆变桥 开关管的PWM控制信号。
2. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，其特征是步骤 2中的有功功率计算方程为
其中，Q为谐振控制器品质因数、为陷波器需要滤除的谐波角频率、s为拉普拉斯算 子、τ为一阶低通滤波器的时间常数。
3. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，其特征是步骤 2中的无功功率计算方程为
其中，Q为谐振控制器品质因数、为陷波器需要滤除的谐波角频率、s为拉普拉斯算 子、τ为一阶低通滤波器的时间常数。
4. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，其特征是步骤 3中的功角控制方程为
其中，ωΜ?为微网逆变器给定有功功率指令PMf时的额定角频率、m为功角控制下垂系 数、J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量时间常数、为电网固定角频率。
5. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，其特征是步骤 4中无功控制方程为
其中，UMf为微网逆变器给定无功功率指令QMf时的额定输出电容电压、η为功角控制 下垂系数。
6. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，其特征是步骤 5中的电压控制方程为
其中，Κρ为比例控制系数、&为积分控制系数、&为谐振控制器比例系数。
7. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，其特征是步骤 5中的电流控制方程为
其中，K为比例控制系数。
8. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的不平衡电压补偿控制方法，其特征是步骤 6中的负序电压补偿控制方程为
其中，I为电压补偿系数、K2为电流补偿系数、L为微网逆变器桥臂侧电感值、τ为滤 波时间常数。
【文档编号】H02J3/16GK104218590SQ201410458076
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】张兴, 刘芳, 徐海珍, 石荣亮 申请人:合肥工业大学