基于虚拟同步发电机的不平衡电压控制方法与流程

本发明涉及一种发电机控制技术，特别涉及一种基于虚拟同步发电机的不平衡电压控制方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，全球能源危机和环境问题的日益加强。同时，煤、石油等传统能源对环境的污染加重，因此，针对新能源合理应用的分布式发电得到越来越多的关注。由于大多数分布式能源都要通过逆变器接入电网，所以逆变器控制技术的研究显得尤为重要。伴随着更多的控制方法的研究与应用，一些更为先进的控制策略被逐步应用在系统中。其中，智能控制更是被越来越广泛的应用。

虚拟同步发电机，是在基于电力电子逆变器并网的分布式发电系统中，借助配备的储能环节，并采用适当的并网逆变器控制算法，使基于并网逆变器的分布式电源从外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性，从而改善分布式系统的稳定性。

大部分控制都是在电网平衡条件下进行的，未考虑不平衡条件。电网实际运行时，电网不平衡现象经常发生，若在逆变器控制策略设计过程中，未对不平衡情况进行设计。若电网发生不平衡现象，会使逆变器性能下降，严重时会导致逆变器损坏。其中，电网三相不平衡是逆变器设计中主要考虑的方面

当电网出现不平衡时，不平衡的电网电压会使逆变器输出电压也同样出现不平衡情况，使输出电压含有负序分量，从而影响三相逆变器的正常运行。通过抑制负序电压分量来使电压达到平衡。

技术实现要素：

本发明是针对电网不平衡影响三相逆变器的正常运行的问题，提出了一种基于虚拟同步发电机的不平衡电压控制方法，在虚拟同步发电机的基础上，在离网条件下对l型滤波器提供一种平衡电压控制方法，该方法在原有虚拟同步发电机控制方法的基础上，提出一种负序电压控制策略。该方法可以使系统在不平衡的条件下迅速有效地达到平衡。

本发明的技术方案为：一种基于虚拟同步发电机的不平衡电压控制方法，虚拟同步发电机三相并网逆变器包括直流电压源u、三相逆变器、l滤波器、检测l滤波器输出端电压的电压检测器、检测三相逆变器输出电流的电流检测器、虚拟励磁机、虚拟电动机、功率检测器、虚拟同步发电机算法模块、电压正负序分离模块及pwm驱动模块，直流电压源电压进入三相逆变器，经过转换产生交流电压，产生的电压送入l滤波器，滤波后输出并网端，系统控制方法具体如下：

通过虚拟励磁机、虚拟电动机及功率检测器计算出实时有功功率和无功功率，送入虚拟同步发电机算法模块，通过计算转换实时有功功率得到虚拟同步发电机的机械转矩，机械转矩与转动惯量通过数学关系计算出电网的同步角速度和同步发电机的机械角速度；实时无功功率通过计算得到参考电压；

l滤波器后的电压检测信号ua,ub,uc送入电压正负序分离模块，通过正负序分离分离结构，将电压ua,ub,uc分成正序电压分量u^p和负序电压分量uⁿ，再分别对正负序电压分量进行处理；

正序分量处理：将两相旋转坐标系下的电压正序分量与参考电压做差，所得的值经过pi处理之后作为参考电流与三相逆变器输出的实时电流的正序分量i^p进行比较处理；

负序分量处理：将两相旋转坐标系下的电压负序分量与参数零做差，所得的值经过pi处理之后得到参考电流与三相逆变器输出的实时电流的负序分量iⁿ进行比较处理；

正负序电压分量处理得到的结果再由两相坐标系转换到三相坐标系，转换后输出信号再送入spwm模块中，由spwm模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制逆变器开关的接通与关断，从而控制并网逆变器系统。

本发明的有益效果在于：本发明基于虚拟同步发电机的不平衡电压控制方法，与现有的离网不平衡电压控制方法相比，本发明采用电压正负序分离的方法解决电网不平衡状态下不平衡电压的控制，能够使不平衡电压得到有效的抑制，从而使电网恢复平衡；本发明提出控制方法，拥有控制精度高，响应速度快等优点，可推广到其它单相或者三相并网逆变器的控制方法当中。

附图说明

图1为本发明基于虚拟同步发电机三相并网逆变器不平衡电压控制方法的整体结构框图；

图2为本发明负序电压控制策略框图；

图3为本发明平衡电压控制仿真图。

具体实施方式

如图1为本发明提出的一种在离网状态下，基于虚拟同步发电机三相并网逆变器不平衡电压控制方法的整体结构框图，系统主要包括直流电压源u、三相逆变器、l滤波器、检测l滤波器输出端电压的电压检测器、检测三相逆变器输出电流的电流检测器、虚拟励磁机、虚拟电动机、功率检测器、虚拟同步发电机算法模块、电压正负序分离模块及pwm驱动模块。直流电压源提供700v的电压，进入三相逆变器，经过转换产生交流电压，产生的电压送入l滤波器，滤波后输出并网端。通过虚拟励磁机、虚拟电动机及功率检测器计算出实时有功功率和无功功率，送入虚拟同步发电机算法模块，通过计算转换实时有功功率得到虚拟同步发电机的机械转矩，机械转矩与转动惯量通过数学关系计算出电网的同步角速度和同步发电机的机械角速度(也就是电气角速度)；实时无功功率通过相关计算得到参考电压。然后，l滤波器后的电压检测信号ua,ub,uc送入电压正负序分离模块，通过正负序分离分离结构，将电压ua,ub,uc分成正序电压分量u^p和负序电压分量uⁿ，再分别对正负序电压分量进行处理；将两相旋转坐标系下的电压正序分量与参考电压做差，所得的值经过pi处理之后作为参考电流与三相逆变器输出的实时电流的正序分量i^p比较处理；再对负序分量进行处理，与正序分量相似，但实验目的为控制电压的负序分量为零，因此，负序分量与参数零做差，所得的值经过pi处理之后得到参考电流与三相逆变器输出的实时电流的负序分量iⁿ进行比较处理；得到的结果再由两相坐标系到三相坐标系转换。最后转换后输出信号再送入spwm模块中，由spwm模块输出开关驱动信号，该信号经过驱动电路后控制逆变器开关的接通与关断，从而控制并网逆变器系统。

为说明本发明的正确性和可行性，对一台l型三相并网逆变器系统进行仿真验证。仿真参数为：直流电压源电压700v，电网电压有效值220v，spwm的开关频率为15khz，l型滤波器参数为l1＝10mh。

虚拟同步发电机将有功、无功功率转化为虚拟同步发电机的电势电压向量为

其中θ＝∫ωdt(ω为同步发电机的机械角速度)为虚拟同步发电机的相位。可实现在三相电网电压平衡时向电网注入恒定的功率，并可为电网提供惯性和阻尼支持。

电动势u可分解为正序分量、负序分量和零序分量，且采用无中线连接的三相桥式逆变器，因此不考虑零序电动势的影响

其中u^p、uⁿ分别为正负序分量的峰值，αup、αun分别为正负序电动势的初相角。

两相旋转坐标系下三相不平衡时逆变器输出瞬时功率为：

式中p0、p1、p2分别表示有功功率的平均值、余弦谐波峰值和正弦谐波峰值，q0、q1、q2分别表示无功功率的平均值、余弦谐波峰值和正弦谐波峰值；d相旋转坐标系下有功电压和电流为q相旋转坐标系下有功电压和电流为d相旋转坐标系下无功电压和电流为q相旋转坐标系下无功电压和电流为因此，只要处理掉负序电压分量，功率平衡也能解决。

因此，在不平衡电网电压下，平衡电压的控制方案如图2。

图3为采用抑制电压负序分量策略后得到的平衡电压控制波形。从图中可以看出，在电网电压三相不平衡时，逆变器输出的电压仍保持三相对称。其负序分量得到抑制。从而可以得出，加入负序电压控制之后，vsg可以输出平衡的三相电压。