一种虚拟同步发电机零电压穿越控制系统及控制方法与流程

本发明属于多功能逆变器控制技术领域，具体涉及一种虚拟同步发电机控制系统及控制方法。

背景技术：

由于分布式能源的大量接入，传统的并网发电系统已不能满足分布式发电系统的需求，逆变器成为分布式并网发电系统的主要设备，如此带来的问题是大量的电子设备给电力系统的稳定运行在一定程度上造成了威胁。为了传承传统同步发电机的阻尼和惯性大的特点，国内外学者将虚拟同步机算法引入到逆变器中，即模拟同步发电机的机电特性，故出现了虚拟同步发电机的研究。国内外学者在虚拟同步发电机领域已做了很多研究，包括结构改进、参数设计、同调等值等，但是在低电压穿越技术方面研究甚少，由于分布式能源的渗透率逐渐增加，在电网电压跌落时如若切出电网，势必对电力系统的稳定运行造成极大危害，所以低电压穿越技术要求在电网电压跌落时，要使系统仍能维持并网运行直到电网电压恢复，而零电压穿越是低电压穿越的一个极限，如果能满足零电压穿越势必满足低电压穿越技术要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种虚拟同步发电机控制系统及控制方法，不仅可以为电网提供良好的惯性和阻尼支撑，灵活参与系统的调频调压，还可以在电网电压跌落时向电网迅速提供无功功率，具备低电压穿越能力。

本发明提供一种虚拟同步发电机零电压穿越控制系统，包括：三相全桥逆变器、第一阶滤波器、第二阶滤波器、电流正负序分离单元、电压正负序分离单元、电压幅值检测单元、vsg控制单元、pi调节单元和spwm调制单元；

三相全桥逆变器、第一阶滤波器和第二阶滤波器依次连接；电流正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电流并进行dq变换和正负序电流的分离；电压正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电压并进行dq变换和正负序电压的分离；电压幅值检测单元用于检测负序电压的幅值并根据检测结果选取输入到vsg控制单元的有功功率参考值和无功功率参考值；vsg控制单元采集并网点的频率、有功功率、无功功率和瞬时电压计算获得电网相位角和励磁电动势，电网相位角和励磁电动势经三相合成后得出vsg输出电压，vsg输出电压经过dq变换，得到d轴电压和q轴电压；d轴电压和经正负序分离后的瞬时d轴电压做差，q轴电压和经正负序分离后的瞬时q轴电压做差，再分别经过pi调节获得d轴参考电流和q轴参考电流；d轴参考电流和经正负序分离后的瞬时d轴电流做差，q轴参考电流和经正负序分离后的瞬时q轴电流做差，再分别经过pi调节获得d轴端电压和q轴端电压；d轴端电压和q轴端电压经坐标变换转换为三相端电压后经过spwm调制返回给三相全桥逆变器。

本发明提供一种虚拟同步发电机零电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采集经滤波后的瞬时电压和瞬时电流；

步骤2：对瞬时电压进行dq变换和正负序电压分离，对瞬时电流进行dq变换和正负序电流分离；

步骤3：检测负序电压的幅值并根据检测结果判断是对称故障或非对称故障，进而选取有功功率参考值和无功功率参考值；

步骤4：采集并网点的频率、有功功率、无功功率和瞬时电压，并根据选取的功功率参考值和无功功率参考值计算获得电网相位角和励磁电动势；

步骤5：电网相位角和励磁电动势经三相合成和dq变换，得到d轴电压和q轴电压；

步骤6：d轴电压和经正负序分离后的瞬时d轴电压做差，q轴电压和经正负序分离后的瞬时q轴电压做差，再分别经过pi调节获得d轴参考电流和q轴参考电流；

步骤7：d轴参考电流和经正负序分离后的瞬时d轴电流做差，q轴参考电流和经正负序分离后的瞬时q轴电流做差，再分别经过pi调节获得d轴端电压和q轴端电压；

步骤8：d轴端电压和q轴端电压经坐标变换转换为三相端电压后经过spwm调制返回给三相全桥逆变器。

本发明提供的一种虚拟同步发电机控制系统及控制方法，是在传统虚拟同步发电机结构的基础上，增加电压检测环节，并针对不同故障类型设计不同的控制策略，达到电网电压跌落时快速抑制过电流并提供无功功率，以实现电网电压跌落时系统不切出电网仍能维持并网运行。

本设计主要包含以下几部分内容：首先改进传统的虚拟同步发电机结构，增加电压检测环节，采用降阶谐振调节器法对故障中的正负序分量进行分离，通过判断负序电压幅值的大小来判定是对称故障还是非对称故障。然后分别设计对称故障和不对称下的控制策略，采用基于正序电压直接前馈的方法快速抑制由于电网电压跌落引起的过电流，同时根据低电压穿越技术要求来提供相应的无功功率。对于非对称故障设计负序电流的抑制环节。通过以上内容，本发明实现了电网电压跌落瞬间快速抑制过电流和迅速补偿无功功率等零电压穿越技术要求，零电压穿越是低电压穿越的极限情况，若能实现零电压穿越势必满足低电压穿越技术要求。

建立在传统的虚拟同步发电机控制策略的基础上，不仅弥补了逆变器低惯性、低阻尼的缺点，还可以在电网电压跌落时，可维持系统不脱网运行，为系统快速提供无功支撑，以使电网电压迅速恢复重新达到并网运行状态。

附图说明

图1为本发明的一种虚拟同步发电机控制系统的拓扑结构图；

图2为本发明的正负序分离的控制框图；

图3为本发明的基于电压前馈的控制框图；

图4为本发明所参照的低电压穿越技术要求图。

具体实施方式

图1为本发明的一种虚拟同步发电机控制系统的拓扑结构图，包括：三相全桥逆变器1、第一阶滤波器2、第二阶滤波器3、电流正负序分离单元4、电压正负序分离单元5、电压幅值检测单元6、vsg控制单元7、第一pi调节单元8、第二pi调节单元9和spwm调制单元10。

三相全桥逆变器1、第一阶滤波器2和第二阶滤波器3依次连接。第一阶滤波器2包括三个电感，具有去除电流纹波的作用。第二阶滤波器3由电感和电容构成，电容的作用是滤除输出电流中的高频交流成分，电感的作用是去除并网电流中的谐波成分。

当电网电压跌落时，通过电流正负序分离单元4采集经第二阶滤波器3滤波后的瞬时电流并进行dq变换和正负序电流的分离，分离出瞬时d轴正序电流和瞬时q轴正序电流。通过电压正负序分离单元5采集经第二阶滤波器3滤波后的瞬时电压并进行dq变换和正负序电压的分离，分离出瞬时d轴正序电压和瞬时q轴正序电压。

电压幅值检测单元6用于检测负序电压的幅值并根据检测结果选取输入到vsg控制单元7的有功功率参考值和无功功率参考值。vsg控制单元7采集并网点的频率f、有功功率p0、无功功率q0和瞬时电压uabc计算获得电网相位角θ和励磁电动势u，电网相位角θ和励磁电动势u经三相合成后得出vsg输出电压uabc，vsg输出电压uabc经过dq变换，得到d轴电压ud和q轴电压uq；d轴电压ud和经正负序分离后的瞬时d轴电压ud++ud-做差，q轴电压uq和经正负序分离后的瞬时q轴电压uq++uq-做差，再分别经第一pi调节获得d轴参考电流id和q轴参考电流iq；d轴参考电流id和经正负序分离后的瞬时d轴电流id++id-做差，q轴参考电流iq和经正负序分离后的瞬时q轴电流iq++iq-做差，再分别经过第二pi调节获得d轴端电压ud^*和q轴端电压uq^*；d轴端电压ud^*和q轴端电压uq^*经坐标变换转换为三相端电压后经过spwm调制单元10返回给三相全桥逆变器1。

当电压幅值检测单元6检测出负序电压的幅值接近零时，则可判断为对称故障，有功功率的参考值接入2点，无功功率的参考值接入1点，有功功率参考值和无功功率参考值，根据下式计算：

其中，qmax为无功功率最大值，s为视在功率，pref为有功功率参考值，uinv为三相全桥逆变器输出电压，ug为电网电压，θ为电网相位角，x为线路阻抗；

当检测出负序电压的幅值远大于零时，则可判断为非对称故障，有功功率的参考值接入3点，无功功率的参考值接入2点，然后为系统提供相应地无功功率，有功功率参考值和无功功率参考值，根据下式计算：

其中，p0为有功功率，为经正负序分离后的瞬时d轴正序电压，为经正负序分离后的瞬时q轴正序电压。

本发明的一种虚拟同步发电机零电压穿越控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采集经滤波后的瞬时电压和瞬时电流；

步骤2：对瞬时电压进行dq变换和正负序电压分离，对瞬时电流进行dq变换和正负序电流分离；

图2为本发明的正负序分离的控制框图，本发明采用降阶谐振调节器(简称ror)分离。ror调节器能够快速精确地分离出正负序分量，且实现比较灵活简单。如图2中k是ror调节器地增益系数，决定正负序分离地速度。

降阶谐振调节器的传递函数为：

步骤3：检测负序电压的幅值并根据检测结果判断是对称故障或非对称故障，进而选取有功功率参考值和无功功率参考值；所述步骤3具体为：

当电压幅值检测单元检测出负序电压的幅值接近零时，则可判断为对称故障，有功功率参考值和无功功率参考值，根据下式计算：

其中，qmax为无功功率最大值，s为视在功率，pref为有功功率参考值，uinv为三相全桥逆变器输出电压，ug为电网电压，θ为电网相位角，x为线路阻抗；

当检测出负序电压的幅值远大于零时，则可判断为非对称故障，有功功率参考值和无功功率参考值，根据下式计算：

其中，p0为有功功率，为经正负序分离后的瞬时d轴正序电压，为经正负序分离后的瞬时q轴正序电压。

步骤4：采集并网点的频率、有功功率、无功功率和瞬时电压，并根据选取的功功率参考值和无功功率参考值计算获得电网相位角和励磁电动势；

步骤5：电网相位角和励磁电动势经三相合成和dq变换，得到d轴电压和q轴电压；

步骤6：d轴电压和经正负序分离后的瞬时d轴电压做差，q轴电压和经正负序分离后的瞬时q轴电压做差，再分别经过pi调节获得d轴参考电流和q轴参考电流；

步骤7：d轴参考电流和经正负序分离后的瞬时d轴电流做差，q轴参考电流和经正负序分离后的瞬时q轴电流做差，再分别经过pi调节获得d轴端电压和q轴端电压；

步骤8：d轴端电压和q轴端电压经坐标变换转换为三相端电压后经过spwm调制返回给三相全桥逆变器。

图3为本发明的基于电压前馈的控制框图，电压前馈的引入可以加快系统反应速度，消除因电网扰动给并网电流带来的扰动，同时可以减轻反馈控制负担，使pi调节器参数可以取得小一些，增强系统稳定性。

图4为本发明所参照的低电压穿越技术要求图，光伏发电站并网点电压跌至0时，光伏发电站应能不脱网连续运行0.15s；光伏发电站并网点电压跌至曲线1以下时，光伏电站可以从电网切出。

本发明改进传统虚拟同步发电机的结构，增加电压幅值检测单元6，当电网电压跌落时，采用降阶谐振调节器进行正负序分量的分离。

对于三相三线电路，不存在零序分量。采集并网点的瞬时电压uabc、瞬时电流iabc，分别对瞬时电压、瞬时电流进行t3s/2s(即clarke变换)变换，其中

利用ror调节器进行正负序分离得到uαβ⁺、uαβ^-、iαβ⁺、iαβ^-，对分离后的正负序分量uαβ⁺、uαβ^-、iαβ⁺、iαβ^-进行t2s/2r(即park变换)变换，其中

通过正负序分离和电压幅值检测单元判断故障类型，判断负序电压幅值的大小，如果幅值近似于零，则为对称故障；如果幅值远大于零，则为非对称故障。采取相应的控制策略，包括快速过电流抑制和无功功率的补偿。

对称故障策略，为避免电压跌落引起的过电流，采用基于电压前馈控制，可以消除因电网扰动带来的电流波动问题。根据低电压穿越技术要求，设置故障期间有功功率的参考值为无功功率不能无限制的增大，与有功功率在容量上存在如下约束条件，根据有功功率无功功率的限制，一般情况下，逆变器允许短时以1.1～1.15倍视在功率运行，所以为了达到快速无功补偿目的，得到故障期间无功功率的参考值为

非对称故障策略，为避免电压跌落引起的过电流，采用基于电压前馈控制，可以消除因电网扰动带来的电流波动问题。根据低电压穿越技术要求，设置故障期间有功功率的参考值为无功功率不能无限制的增大，与有功功率在容量上存在如下约束条件，根据有功功率无功功率的限制一般情况下，逆变器允许短时以1.1～1.15倍视在功率运行，所以为了达到快速无功补偿目的，得到故障期间无功功率的参考值为

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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。