基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法。它首先提出了一种稳态输出阻抗控制器来增大稳态输出阻抗，以保证并联稳定运行时的并联均流度，然后给出了一种电容电压复合微分控制器来增大系统的阻尼，增强系统稳定性，最后，采用一种动态输出阻抗控制器，减小动态过程的输出阻抗，减小电压跳变，从而提高了输出电压的动态响应。它可广泛地应用于不同负载条件下的微网逆变器控制，以同时既满足微网逆变器离网运行时的动稳态性能，又能多台并联运行。
【专利说明】基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自适应输出阻抗控制方法，尤其是一种基于虚拟同步机的自适应 输出阻抗控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，虚拟同步机技术作为微网逆变器的一种新型的发电模式，受到了学者们 的大量关注。采用虚拟同步机技术的微网逆变器叫做虚拟同步机。虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator,VSG)需要运行在两种模式下，并网和孤岛并联运行。VSG在离网运 行时需要带不同的负载，如，阻感容负载、电机马达负载、整流桥负载，以及各种有源负载。 在不同的负载情况下，其动态响应和稳态性能各不相同。为了达到良好的动稳态性能，特别 是较快的动态响应，要求尽量减小VSG的输出阻抗。然而，VSG又需要并联运行，并联稳定 运行的前提条件是多台机器之间能够按照功率等级进行功率分配，这就需要VSG增大输出 阻抗以满足功率分配的需求。总之，输出阻抗是决定VSG动稳态输出误差、功率均分精度的 重要因素。如何既能保持良好的动稳态性能，又能提高功率均分精度，合理的设计输出阻抗 成为VSG亟待解决的关键问题之一。
[0003] 针对输出阻抗设计问题，国内外的专家学者们提出了一些方法，主要有：
[0004] 题为 "Output Impedance Design of Parallel-Connected UPS Inverters With Wireless Load-Sharing Control "，J. M. Guerrero,《Industrial Electronics, IEEE Transactions on》，vol.52，pp. 1126-1135,2005( "基于无互联线负载均流控制的并联UPS 输出阻抗设计"，《IEEE学报-工业电子期刊》，2005年第52卷1126?1135页）的文章。 该文提出了将输出阻抗设计成阻感性，低频呈感性、高频呈阻性；然而所提出的控制方法 中，输出阻抗并没有减小控制系统高频处所固有的输出阻抗，在负载动态变化时，输出电压 将剧烈变化，同时也没有考虑大功率应用场合。
[0005] 题为"Analysis, Design, and Implementation of Virtual Impedance for Power Electronics Interfaced Distributed Generation，'，H. Jinwei and L. Yun Wei, 《Industry Applications，IEEE Transactions on》，vol.47，pp. 2525_2538,2011 ("基于电 力电子装置接口的分布式发电虚拟阻抗分析，设计及实现"，《IEEE学报-工业应用期刊》， 2011年第47卷2525?2538页）的文章。该文提出了将输出阻抗设计成阻感性，并提出了 根据无功功率来自适应变化输出阻抗大小，根据有功和无功自适应变化输出电压幅值的方 法；然而所提控制方法中，有功和无功功率的计算中存在低通滤波器，且需要通过内环控制 才能实现，响应速度仍然不够快速，无法达到负载突变时的输出电压动态响应要求。且此控 制方法也没有考虑大功率应用场合。
[0006] 题为"Control of Inverters Via a Virtual Capacitor to Achieve Capacitive Output Impedance，'，Q. C. Zhong and Y. Zeng, ((Power Electronics, IEEE Transactions on》，vol. 29, pp. 5568-5578,2014( "基于虚拟电容的逆变器容性输出阻抗控制"，《IEEE学 报-电力电子期刊》，2014年第29卷5568?5578页）的文章。该文提出了将输出阻抗控 制为容性，可以滤除直流分量，并减小低次谐波；这些方法虽在小功率单相系统中得到了很 好的验证，但将其应用到三相大功率场合时却存在困难，且也未阐述其动态响应问题。
[0007] 题为 "A Simple Control Method for High-Performance UPS Inverters Through Output-Impedance Reduction，'，Heng Deng and Ramesh Oruganti,〈〈Industrial Electronics，IEEE Transactions on》55(2)，888-898,2008( "一种基于减小输出阻抗的 高性能UPS控制方法"，《IEEE学报-工业电子期刊》，2008年第55卷第2期888?898页） 的文章。该文提出了一种减小UPS输出阻抗的控制方法，该方法提出的数字反馈控制器可 以极大地减小UPS的输出阻抗，具有良好的动稳态性能；然而，当UPS并联运行时过小的输 出阻抗将不利于负载均流，给UPS并联运行带来困难。
[0008] 总之，现有技术未提及输出动态响应和并联均流对输出阻抗要求的矛盾问题。并 且，在大功率三相VSG应用场合，其输出阻抗特性又有不同。首先三相系统的abc坐标系变 量向dq坐标系转换时存在着两个分量，一个是静态分量，一个是动态分量，其输出阻抗与 单相系统的等效电路并不相同；另外，大功率VSG的开关频率较低，控制延时较大，给系统 增加了不稳定的极点，尤其是多机并联运行时，其稳定性进一步降低，这使得系统必须降低 带宽以维持系统稳定性，带宽的降低使得系统的动态性能进一步下降，这极大的限制了控 制器和VSG无源参数的设计准则，使得大功率VSG的整体控制性能下降。目前，对于这两个 问题，现有技术也鲜有论述和解决的方案。
【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，针对基于虚拟同步 机的微网逆变器、UPS等装置离网并联运行时，同一输出阻抗难以同时满足输出电压波形动 静态性能和功率均分问题，提供一种基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法。
[0010] 为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于虚拟同步机的自适应输出 阻抗控制方法包括微网逆变器输出电容电压的采集，特别是，
[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，1&，I。。，再经过单同步旋转坐标变换得到输出电容电压dq的分量U& U。,、桥 臂侧电感电流dq的分量Ild，Ilq和输出电流dq的分量U I。，；
[0012] 步骤2,根据步骤1中得到的输出电流dq的分量I。,，I。,，经过稳态输出阻抗控制方 程得到电容电压dq的分量指令信号增量AU dMf，AU_f ;
[0013] 步骤3,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和平均无功功 率
[0014] 步骤4,根据步骤3中得到的平均无功功率i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微网逆变器电容电压dq的分量基准信号 Udref，Uqref ;
[0015] 步骤5,根据步骤2得到的电容电压dq的分量指令信号增量AUtef，和步骤 4中得到的电容电压dq的分量基准信号％ rf，，将两者分别相加，得到电容电压dq的分 量指令信号〇二；
[0016] 步骤6,先根据步骤5得到的电容电压dq的分量指令信号￡/；?.^以及步骤1中的 输出电容电压dq的分量U。,，U。,，通过电压控制方程得到电容电流dq的分量指令信号i.X， 再根据电容电流dq的分量指令信号/X.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 ;
[0017] 步骤7,根据步骤1得到的输出电容电压dq的分量U。,，U。,，经过电容电压复合微分 控制方程得到控制信号U d2, Uq2 ;
[0018] 步骤8,根据步骤1中得到的输出电流dq的分量I。,，I。,，经过动态输出阻抗控制方 程得到控制信号ud3，u q3;
[0019] 步骤9,根据步骤6中的控制信号Udl，Uql、步骤7中的控制信号U d2, Uq2和步骤8中 的控制信号Ud3, Uq3，将三者分别相加，得到控制信号Ud，U,;
[0020] 步骤10,根据步骤3中得到的平均有功功率P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 ;
[0021] 步骤11，先根据步骤9中的控制信号Ud，Uq和步骤10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。，再根据三相桥臂电压控制信号 Ua，Ub，U。生成微网逆变器逆变桥开关管的PWM控制信号。
[0022] 作为基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法的进一步改进：
[0023] 优选地，步骤2中的稳态输出阻抗控制方程为
[0024] AUdref = KlW〇LIod
[0025] ,
[0026] AUqref = -Κιω〇?Ι0(1
[0027] 其中，&为补偿系数、ω(ι为基波角频率、L为微网逆变器桥臂侧电感值。
[0028] 优选地，步骤3中的有功功率计算方程为
[0029]
【权利要求】
1. 一种基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，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，LU。。、桥臂侧电感电流Ila，Ilb，I1。和输 出电流IM，Itjb,I。。，再经过单同步旋转坐标变换得到输出电容电压dq的分量Uwl,U。,、桥臂侧 电感电流dq的分量Ild，Ilq和输出电流dq的分量U1。5 ; 步骤2,根据步骤1中得到的输出电流dq的分量Itjd, 1。5，经过稳态输出阻抗控制方程得 到电容电压dq的分量指令信号增量AUdMf，AUtffrf ; 步骤3,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Iml,Imi，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E和平均无功功率 Ql 步骤4,根据步骤3中得到的平均无功功率G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微网逆变器电容电压dq的分量基准信号UdMf，Uv6f ; 步骤5,根据步骤2得到的电容电压dq的分量指令信号增量AUtof，AUvrf和步骤4中 得到的电容电压dq的分量基准信号UdMf，，将两者分别相加，得到电容电压dq的分量指 令信号 步骤6,先根据步骤5得到的电容电压dq的分量指令信号￠/;?以及步骤1中的输出 电容电压dq的分量Uc^U。,，通过电压控制方程得到电容电流dq的分量指令信号4?^，再根 据电容电流dq的分量指令信号C入和步骤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Itjd,Imi，通过电流控制方程得到控制信号Udl，Uql ; 步骤7,根据步骤1得到的输出电容电压dq的分量Uwl,U。,，经过电容电压复合微分控制 方程得到控制信号Ud2,Uq2; 步骤8,根据步骤1中得到的输出电流dq的分量Itjd, 1。5，经过动态输出阻抗控制方程得 到控制信号Ud3,Uq3 ; 步骤9,根据步骤6中的控制信号Udl，Uql、步骤7中的控制信号Ud2,Uq2和步骤8中的控 制信号Ud3,Uq3，将三者分别相加，得到控制信号Ud，Uq ; 步骤10,根据步骤3中得到的平均有功功率P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，经过功角控制方程得到虚拟同步机的角频率《，对角 频率〇积分得到虚拟同步机的矢量角0 ; 步骤11，先根据步骤9中的控制信号Ud，Uq和步骤10中得到的矢量角0，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。，再根据三相桥臂电压控制信号Ua，Ub，Uc 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自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 2中的稳态输出阻抗控制方程为
其中，K1为补偿系数、Coci为基波角频率、L为微网逆变器桥臂侧电感值。
3. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 3中的有功功率计算方程为
其中，COh为陷波器需要滤除的谐波角频率、T为一阶低通滤波器的时间常数、S为拉 普拉斯算子、Q为谐振控制器品质因数。
4. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 3中的无功功率计算方程为
其中，COh为陷波器需要滤除的谐波角频率、T为一阶低通滤波器的时间常数、S为拉 普拉斯算子、Q为谐振控制器品质因数。
5. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 4中的无功控制方程为
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、n为无功控制 下垂系数。
6. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 6中的电压控制方程为
其中，Kp为比例控制系数、Ki为积分控制系数。
7. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 6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自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 7中的电容电压复合微分控制方程为
其中，K2为补偿系数、C为微网逆变器滤波电容值、A为采样延时时间常数、Ts为微网 逆变器采样频率。
9. 根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，其特征是步骤 8中的动态输出阻抗控制方程为
其中，K3为补偿系数、L为微网逆变器桥臂侧电感值、A为采样延时时间常数、Ts为微 网逆变器采样频率。
10.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的自适应输出阻抗控制方法，其特征是步 骤10中的功角控制方程为
其中，为微网逆变器给定有功功率指令Pref时的额定角频率、J为模拟同步发电机 机组的虚拟转动惯量时间常数、Otl为电网固定角频率、m为功角控制下垂系数。
【文档编号】H02M7/5395GK104242717SQ201410466131
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】刘芳, 张兴, 石荣亮, 徐海珍, 胡超, 余畅舟, 李文超, 毛福斌 申请人:合肥工业大学