电网电压不平衡时基于虚拟同步发电机的多目标优化控制方法与流程

本发明属于分布式发电技术领域，涉及一种电网电压多目标优化控制方法。

背景技术：

随着电力系统中分布式逆变电源装机容量的增加，同步发电机装机容量比例相对下降，导致电力系统中旋转备用容量及转动惯量也相应减小，对电网的安全稳定运行带了严峻挑战。因此，要求并网运行的分布式逆变电源不仅能够向电网提供能源，还应具备一定的电网电压幅值和频率的支撑能力，以增强电网运行的稳定性。vsg控制技术，通过模拟同步发电机的工作原理、有功调频及无功调压特性，使得分布式逆变电源从运行机制和外特性上与传统同步发电机相似，能够为电网提供一定的惯性和阻尼支撑。

针对以上问题，常规的控制方法有外特性为受控电流源的电流型vsg控制技术、外特性为受控电压源的电压型vsg控制技术。其中电流型vsg控制不能为电力系统提供电压和频率支撑，只适用于分布式电源渗透率较低的电网环境下的并网运行；电压型vsg适用于渗透率较高的弱电网环境下并网运行机及孤岛模式下的应用。以上针对vsg的研究都是基于理想电网条件下，但实际电网中常出现电压跌落、三相不平衡和谐波畸变等瞬态、稳态故障，基于传统vsg控制的将导致逆变器输出电流三相不平衡，同时输出有功及无功功率将出现两倍电网基波频率的波动；在对传统vsg控制技术改进后，仍然无法达到对输出电流平衡、有功或无功功率无波动等多目标优化控制的目的。

技术实现要素：

本发明的目的为解决在电网电压不平衡情况下，实现输出电流平衡、有功或无功功率无波动等多目标优化控制，提出一种电网电压不平衡时基于虚拟同步发电机(vsg)的多目标优化控制技术。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种电网电压不平衡时基于虚拟同步发电机的多目标优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用平衡电流vsg控制得到dq坐标系下的基准正、负序电流指令值；

(2)基准正、负序电流指令值再结合电网电压不平衡参数，得到实现电流三相平衡、有功功率或无功功率无波动三个单一控制目标时，并网逆变器dq坐标系下正、负序电流指令值，进而得到各单一目标下的正、负序输出电流指令修正值；

(3)引入优化系数，对各单一目标下的正、负序输出电流指令修正值参数进行统一，进一步得到可实现多目标优化的正、负序输出电流指令修正值；

(4)使用多目标优化的正、负序输出电流指令修正值分别对并网逆变器dq坐标系下基准正、负序电流指令值进行修正，得到dq坐标下修正后的正、负序电流指令值；

(5)对dq坐标下修正后的正、负序电流进行跟踪，通过调节优化系数，实现了输出电流三相平衡，输出有功或无功功率恒定等的多目标控制，进而实现了控制并网逆变器输出性能最优。

进一步，步骤(1)所述的利用平衡电流vsg控制得到dq坐标系下的基准正、负序电流指令值的方法为：

(1-1)基于不平衡电网电压下，并网逆变器输出瞬时复功率可表示为：

式(1)中上标“^”表示共轭，上标“+”表示正序分量，上标“-”表示负序分量，下标“dqp”表示正向同步旋转dq坐标分量，下标“dqn”表示反向同步旋转dq坐标分量，eαβ为αβ坐标下电网电压矢量，iαβ为αβ坐标下输出电流矢量，为正转同步旋转dq坐标系下正序电网电压矢量，为反转同步旋转dq坐标系下负序电网电压矢量，为正转同步旋转dq坐标系下正序输出电流矢量，反转同步旋转dq坐标系下负序输出电流矢量。

(1-2)根据式(1)瞬时有功、无功功率分别表示为：

式中，p0、q0为有功及无功功率平均值，pcos2、qcos2为按余弦分布功率波动的最大值，psin2、qsin2为按正弦分布功率波动的最大值。

(1-3)式(2)中的p0、q0、pcos2、qcos2、psin2、qsin2的值表示为：

式(3)中，e、i分别为电网电压矢量e和电流矢量i的瞬时值。

(1-4)输出电流三相平衡时，通过式(2)、(3)得到dq坐标系下的基准正、负序电流指令值为：

式(4)中，下标“dp”表示正向同步旋转d轴分量，下标“qp”表示正向同步旋转q坐标分量，下标“dn”表示反向同步旋转d轴分量，下标“qn”表示反向同步旋转q坐标分量。

进一步，步骤(2)所述的采用基准正序电流指令值再结合电网电压不平衡参数，得到实现电流三相平衡、有功功率或无功功率无波动三个单一控制目标下，并网逆变器dq坐标系下正、负序电流指令值，进而得到正、负序输出电流指令修正值的方法为：

(2-1)平衡电流vsg控制中，利用功率给定值通过有功-频率、无功-电压控制，得到逆变器侧输出电压幅值u和相位角θ，再结合电网电压正序分量、线路总电感内阻及总电感计算得到正序电流指令值，由于电流平衡时，负序电流分量为零，所以正负序电流指令值等价于式(4)中的正负序电流参考值，为：

(2-2)消除有功功率波动时，基准正序电流指令值结合不平衡参数得到正、负序电流指令值为：

式中：kqd、kdd为电网电压不平衡参数，

(2-3)消除无功功率波动时，基准正序电流指令值结合不平衡参数得到正、负序电流指令值为：

式中：kqd、kdd为电网电压不平衡参数，

(2-4)因平衡电流目标下无需对平衡电流vsg的电流指令值进行修正，所以，正、负序输出电流指令修正值为：

(2-5)通过对比式(5)与式(6)，可得在电网不平衡参数固定时，有功功率恒定的电流正、负序指令值与平衡电流vsg的电流指令值之间存在固定关系，正、负序输出电流指令修正值为：

式(9)中：上标“～”表示电流分量修正值，为平衡电流vsg控制得到的正序电流指令值，

(2-6)同理，利用式(5)与式(7)，可得无功功率恒定时，正、负序输出电流指令修正值为：

式(10)中：上标“～”表示电流分量修正值，为平衡电流vsg控制得到的正序电流指令值，

进一步，步骤(3)所述的引入优化系数，对各单一目标下的正、负序输出电流指令修正值参数进行统一，进一步得到可实现多目标优化的正、负序输出电流指令修正值的方法为；

(3-1)通过比较式(8)、式(9)与式(10)发现，在实现不同控制目标时，正序、负序电流指令修正值存在统一的形式为：

式中，λ为优化系数，λ∈[-1,1]。当λ＝1时，可以实现抑制输出瞬时有功功率二倍电网频率波动控制目标，当λ＝-1时，可以实现抑制输出瞬时无功功率两倍电网频率波动，当λ＝0时，可实现输出电流三相平衡。同时，当λ∈(0,1)时，可以协同抑制瞬时有功功率及三相电流平衡；当λ∈(-1,0)时，可以协同抑制瞬时无功功率及三相电流平衡。

进一步，步骤(5)所述的分别对dq坐标下修正后的正、负序电流进行跟踪，实现了输出电流三相平衡，输出有功或无功功率恒定的控制目标，通过调节优化系数，进而实现了控制并网逆变器输出性能最优的方法为：

(5-1)平衡电流vsg控制中，调节优化系数λ＝0，需对电流正、负序分量指令值分别进行跟踪，将正负序电流指令分别送入正、负序前馈解耦pi控制环，得到dq坐标下的正负序电压调制信号，再将其转换为abc坐标下的电压调制信号，经过正弦脉宽调制后驱动开关管通断，从而得到对应的逆变器侧输出三相电压，实现逆变器输出电流平衡。

(5-2)有功功率恒定vsg控制中，调节优化系数λ＝1，通过对修正后的电流指令值进行跟踪，即可实现有功功率恒定的控制目标。

(5-3)无功功率恒定vsg控制中，调节优化系数λ＝-1，通过对修正后的电流指令值进行跟踪，即可实现无功功率恒定的控制目标。

(5-4)调节优化系数λ∈(0,1)时，可以协同抑制瞬时有功功率波动及平衡三相电流。

(5-5)调节优化系数λ∈(-1,0)时，可以协同抑制瞬时无功功率波动及平衡三相电流。

本发明的特点及有益效果：

(1)改进后的vsg控制策略，不改变vsg控制结构，保留vsg原有的控制特性，同时不依赖线路参数，且无需控制模式的切换，易于工程实现。

(2)电网电压不平衡时基于vsg的多目标优化控制策略，利用平衡电流vsg控制得到dq坐标系下的基准正、负序电流指令，再结合电网电压不平衡参数，计算不同控制目标下，并网逆变器正、负序电流指令值，进而得到各单一目标下的正、负序输出电流指令修正值，引入优化系数，对各单一目标下的正、负序输出电流指令修正值参数进行统一，即得到可实现多目标优化的正、负序输出电流指令修正值，分别对正、负序电流进行跟踪，实现三相电流平衡、有功或无功功率无波动的控制目标，通过调节优化系数，进而实现了控制并网逆变器输出性能最优。当电网三相电压平衡时,利用多目标优化控制技术得到电流指令值与传统vsg控制相同，同时电网电压不平衡参数都为零，因此在电网电压平衡时，改进后的控制策略对系统不造成影响。

附图说明

附图1为vsg控制逆变器整体框图。

附图2系统控制流程图。

附图3为vsg控制框图。

附图4平衡电流vsg控制电流指令计算框图。

附图5引入优化系数后正、负序电流指令修正值计算。

附图6改进vsg电流正负序内环控制结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本发明是在电网电压不平衡时基于虚拟同步发电机的多目标优化控制技术，主要在电网电压不平衡时，忽略滤波电容c的作用，由有功功率给定值p*和无功功率给定值q*通过vsg控制算法得到逆变器输出端口电压的幅值及相位角，经过电流指令计算模块及电流控制环后，得到三相调制波，再经过正弦脉宽调制产生脉冲驱动开关管通断，得到相应的逆变器侧输出三相电压，调节优化系数，实现控制并网逆变器输出性能最优的控制目标。

如图2所示，本发明实施例的控制方法包括以下步骤：

1、采样获得逆变器侧输出三相电流iabc和三相电网电压eabc，通过式(1)功率计算得到逆变器输出有功、无功功率测量值pe、qe。

式(1)中θ^*为电网相位。

2、如图3所示，并网模式下，在vsg有功-频率控制中，引入虚拟惯性和阻尼环节，通过有功功率给定值与实际值的差值实现虚拟机械转矩输出，从而调节逆变器侧输出电压相位角θ。

3、vsg无功-电压控制目的是模拟同步发电机励磁调节功能，根据无功功率给定值与参考值的差值调整逆变器侧电压幅值u。

4、利用电压幅值u和相位角θ合成abc坐标系下逆变器侧参考电压u^*，其值由下式决定：

5、以同步发电机定子电气方程为原型，忽略滤波电容c作用，建立逆变器输出端口电压与电流关系，如式(3)：

式中，l和r是从逆变器到电网之间的总电感和总电阻,下标“abc”表示abc坐标系下的分量。

6、将逆变器侧三相输出电压u^*采用电网电压d轴定向进行dq分解，dq坐标系下电压与电流关系的如式(4)(5):

式中，上标*表示各量的参考值或指令值，为dq坐标系下的电流指令值，分别为参考电压u^*采用电网电压d轴定向进行dq分解，得到的dq轴分量；ed、eq为电网电压的dq轴分量，y为阻抗矩阵，x为感抗，x＝ωl。

相角表示vsg控制虚拟转子角速度ω与电网电角速度ωg差值的积分，表达式为式(6)。

7、如图4所示为电流指令计算框图。逆变器侧三相参考电压u*采用电网电压d轴定向进行dq分解得到正序分量由于u^*为三相平衡电压，其负序分量为0，输出电流正序分量指令值计算如式(7)：

式中y为阻抗矩阵、为电网电压正序dq分量。

8、通过计算对比，得出三种不同情况下的的电流正、负序指令值与平衡电流vsg的电流指令值之间存在固定关系，进而得到各单一目标下的正、负序输出电流指令修正值。

9、根据图5所示，引入优化系数，对各单一目标下的正、负序输出电流指令修正值参数进行统一，进一步得到可实现多目标优化的正、负序输出电流指令修正值。

10、利用修正值对并网逆变器dq坐标系下基准正、负序电流指令进行修正，得到dq坐标下修正后的正、负序电流指令值。

11、根据图6所示，采用前馈解耦pi控制进行电流跟踪，将dq坐标系下的电流指令值送入电流控制环，得到dq坐标系下的调制电压，再将此调制电压转换到abc坐标后送入正弦脉宽调制环节，得到pwm控制信号。

12、通过调节优化系数，实现了输出电流三相平衡，输出有功或无功功率恒定等的多目标控制，进而实现了控制并网逆变器输出性能最优。