虚拟同步发电机电网不平衡跌落时的无功功率补偿方法与流程

本发明涉及一种虚拟同步发电机电网电压跌落时的控制方法，尤其是一种虚拟同步发电机电网不平衡跌落时的无功功率补偿方法。

背景技术：

传统电力系统中，同步发电机组(generatorset-genset)的下垂特性以及转动惯量大等因素，在维持系统的电压和频率稳定方面起着关键作用。能模拟或者部分模拟genset频率电压控制特性的电力电子电源装置就被称为虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，vsg)。vsg需要运行在两种模式下，并网和孤岛并联运行。

vsg并网运行状态下，在电网电压跌落时需要对电网的电压和频率稳定性进行一定的支撑，并向系统提供一定的无功功率支撑。及时有效的无功功率补偿能够一定程度上维持电压稳定，增强并网系统低电压穿越的能力。bdew中对于电压跌落过程中的无功补偿功能概括如下：

(1)电压跌落时，无功电流补偿系数至少为2；

(2)当发生不平衡跌落时，跌落相按照补偿系数至少为2的规律补偿无功电流，不跌落相禁止发无功；

(3)对有功功率和电流平衡没有要求；

针对电网电压跌落下的低电压穿越问题，国内外的专家学者们提出了一些方法，主要有：

题为“low-voltageride-throughoperationofpowerconvertersingrid-interactivemicrogridsbyusingnegative-sequencedroopcontrol”，xinzhao,josepm.guerrero,mehdisavaghebi,juanc.vasquez,xiaohuawu,andkaisun,《ieeetransactionsonpowerelectronics》2017.32(4)，3128-3142(“基于负序下垂控制的并网型微网逆变器低电压穿越运行”，《ieee电力电子专辑》，2017年第32卷第4期3128～3142页)的文章给出了一种电压跌落时的正负序下垂控制方法，并对不同线路阻抗情况下的低电压穿越控制进行了阐述，然而没有给出不平衡电压跌落时的无功功率补偿方法。

题为“抑制故障瞬时冲击电流型虚拟同步逆变器及其控制方法”的中国发明专利申请说明书(cn201710029129.9)公开的技术方案中，给出了网侧发生对称故障情况下，虚拟同步逆变器抑制故障瞬时电流冲击的控制方法，但没有给出电网不对称故障下的控制方法。

题为“虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制方法及装置”的中国发明专利申请说明书(cn201510397680.x)给出了一种电网不平衡条件下的电流平衡控制方法，但不适用于电网电压不平衡跌落时的电网导则要求。

总之，现有vsg技术对电网故障下的逆变器运行做了一定的研究，然而电网电压不平衡跌落时的无功补偿控制策略鲜有论述。

技术实现要素：

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vsg技术并网模式下的电网电压不平衡时的无功补偿控制问题，提供一种虚拟同步发电机电网不平衡跌落时的无功功率补偿方法。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种虚拟同步发电机电网不平衡跌落时的无功功率补偿方法，在电网不平衡跌落时，通过产生与电网跌落相成一定比例的各相无功电流指令进行无功功率补偿，非跌落相不产生无功功率输出，同时改变其他相的有功电流指令与该相增加的无功电流指令相抵消，使得三相无中线系统的电流之和满足基尔霍夫电流定律；将各相对应的有功和无功电流指令进行矢量合成，得到最终的三相电流指令值，并转换为相对应的正负序有功和无功功率指令，并进行闭环控制；

主要步骤如下：

步骤1、采样及数据转换；

所述采样包括采集以下数据：虚拟同步发电机滤波电容电压uca,ucb,ucc，虚拟同步发电机桥臂侧电感电流ila,ilb,ilc，虚拟同步发电机并网点电网相电压ea,eb,ec；

所述数据转换包括对以下数据进行坐标变换：对虚拟同步发电机滤波电容电压uca,ucb,ucc和桥臂侧电感电流ila,ilb,ilc分别进行双同步旋转坐标变换得到滤波电容电压的dq正负序分量和桥臂侧电感电流的dq正负序分量对虚拟同步发电机并网点电网相电压ea,eb,ec分别进行基于广义二阶积分器的单相锁相环计算得到a、b、c相电压峰值分别为eam,ebm,ecm，其相位角分别为θa，θb，θc；对虚拟同步发电机并网点电网相电压ea,eb,ec进行基于双同步旋转坐标系的锁相环计算得到三相电压正序矢量角θp，三相电压负序电压矢量角θn，正负序电压dq分量根据滤波电容电压uca,ucb,ucc，通过通用的微分离散化方程计算虚拟同步发电机滤波电容电流ica,icb,icc；根据桥臂侧电感电流的ila,ilb,ilc和滤波电容电流ica,icb,icc计算得到输出电流ioa,iob,ioc；根据三相电压正序矢量角度为θp，三相电压负序电压矢量为θn经过双同步旋转坐标变换得到输出电流ioa,iob,ioc的正负序分量

步骤2、根据步骤1中得到的相电压峰值eam,ebm,ecm，通过无功电流补偿方程得到每相需要的无功补偿电流峰值iam,ibm,icm；根据每相需要的无功补偿电流峰值iam,ibm,icm，通过有功电流分量补偿算法，计算出每相需要的有功电流分量，a相无功电流所需要的b、c相有功电流补偿分量峰值为ibm-ap,icm-ap，b相无功电流所需要的c、a相有功电流补偿分量峰值为icm-bp,iam-bp，c相无功电流所需要的a、b相有功电流补偿分量峰值为iam-cp,ibm-cp；根据得到的各相有功和无功电流峰值和步骤1中的各相角度θa，θb，θc计算三相有功和无功电流，分别对三相电流进行求和得到三相电流指令值

步骤3、根据步骤2中得到的三相电流指令值和步骤1中得到的三相电压正序矢量角为θp，三相电压负序电压矢量角为θn，经过双同步旋转坐标变换得到电流指令的正负序有功电流指令和正负序无功电流指令

步骤4、根据步骤1得到的输出电流ioa,iob,ioc的正序分量步骤3得到的正负序有功电流指令虚拟同步发电机额定角频率ω0，电压指令u0，经过正序功角控制方程和电压控制方程得到虚拟同步发电机的正序角频率ω⁺和正序电压指令对ω⁺积分得到虚拟同步发电机的正序矢量角θ⁺；

步骤5、根据步骤1中得到输出电流ioa,iob,ioc的负序分量步骤3得到的正负序无功电流指令经过负序功角控制方程和电压控制方程得到虚拟同步发电机的负序角频率ω^-和负序电压指令对ω^-积分得到虚拟同步发电机的负序矢量角θ^-；

步骤6、根据步骤4得到的正序电压指令和正序矢量角θ⁺、步骤5得到的负序电压指令和负序矢量角θ^-、步骤1中采样得到的滤波电容电压uca,ucb,ucc，通过正负序电压双环控制方程得到控制信号并根据正负序角度得到正负序三相桥臂电压控制信号两者相加得到最终的控制信号ua,ub,uc，再根据ua,ub,uc生成开关管的pwm控制信号。

优选地，步骤1中所述输出电流ioa,iob,ioc的计算步骤包括：

令滤波电容电压uca,ucb,ucc的离散序列为uca(n),ucb(n),ucc(n)，滤波电容电流的离散序列为ica(n),icb(n),icc(n)，则计算滤波电容电流的通用的微分离散化方程为：

其中，c为滤波电容，ts为虚拟同步发电机采样频率，k为离散序列点数，n,k为自然数,即n＝0,1,2,3,4......，k＝0,1,2,3,4......；

根据上述方程可以求得滤波电容电流的离散序列为ica(n),icb(n),icc(n)，从而可得滤波电容电流；

所述的输出电流计算如下:

优选地，步骤2中所述三相电流指令值的计算步骤包括：

步骤3.1，计算每相需要的无功补偿电流峰值iam,ibm,icm：

其中，eam,ebm,ecm为电网电压幅值，ebase为额定电网电压幅值，kq为无功电流补偿系数，inm为额定电流幅值；

步骤3.2，有功电流分量补偿算法为：

a相无功电流所需要的b、c相有功电流补偿分量峰值ibm-ap,icm-ap，b相无功电流所需要的c、a相有功电流补偿分量峰值icm-bp,iam-bp，c相无功电流所需要的a、b相有功电流补偿分量峰值iam-cp,ibm-cp分别为：

步骤3.3，三相电流指令值计算方法为：

优选地，步骤4中所述正序功角控制和无功控制方程为：

其中，ω0为虚拟同步发电机给定有功功率指令p0时的额定角频率，mp为功角控制比例系数，mi为功角控制积分系数，s为拉普拉斯算子，u0为虚拟同步发电机给定无功功率指令q0时的额定输出电容电压，np为无功控制比例系数，ni为无功控制积分系数。

优选地，步骤5中所述负序功角控制和无功控制方程为：

其中，ω0为虚拟同步发电机给定有功功率指令p0时的额定角频率，mp为功角控制比例系数，mi为功角控制积分系数，s为拉普拉斯算子，u0为虚拟同步发电机给定无功功率指令q0时的额定输出电容电压，np为无功控制比例系数，ni为无功控制积分系数。

优选地，步骤6中所述正负序电压双环控制方程如下，

正序电压方程为：

负序电压方程为：

其中，kp为电压环比例控制系数、ki为电压环积分控制系数、kr为电压环谐振控制器比例系数，qu为电压环准谐振调节器品质因数，ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率，s为拉普拉斯算子，h为待抑制的谐波次数。kpi为电流环比例控制系数，kri电流环谐振控制器比例系数，kf为电压前馈系数，qi为电流环准谐振调节器品质因数。

采用本发明后，对于采用虚拟同步发电机技术的虚拟同步发电机，具备了如下优点：

1、电网不平衡跌落时可以实现分相独立补偿，三相之间无功电流不相互影响，在补偿跌落相的同时不会对未跌落相造成无功的误补偿且补偿幅值随着电压跌落程度成比例增加，对电网具有较好的支撑作用。

2、虚拟同步发电机虚拟阻尼不影响稳态下垂均分特性，与下垂特性分离控制与设计，相互解耦，提高了系统性能。

3、采用有功分量补偿无功电流的方法，避免系统出现零序分量，进而避免了零序分量对系统的不利影响。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构。

具体实施方式

图1是本发明的实施例中拓扑结构，包括直流源udc、直流侧滤波电容cdc、三相半桥逆变电路、lc滤波器，直流侧滤波电容cdc并联在所述直流源udc的两端，直流源udc的两个电源输出端分别与三相全桥逆变电路的两个输入端相连，三相全桥逆变电路的三相输出端与lc滤波器的三相输入端一一对应相连，lc滤波器的三相输出端分别与dyn11型变压器的三角型侧相连接，变压器星型侧与三相电网ea、eb、ec相连，电网相电压有效值为e，lg为三相电网感抗对应的电感，lc滤波器由桥臂侧电感l和滤波电容c组成。

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

具体的，本实施例中的参数如下：直流母线电压udc为550v，输出交流线电压有效值为380v/50hz，额定容量为100kw，虚拟同步发电机桥臂侧电感为l＝0.5mh，虚拟同步发电机滤波电容为c＝200μf。变压器为100kva，270/400vdyn11型变压器，虚拟同步发电机采样频率fs为10khz，因而ts＝100μs。

参见图1，本发明提供的一种虚拟同步发电机电网不平衡跌落时的无功功率补偿方法，在电网不平衡跌落时，通过产生与电网跌落相成一定比例的各相无功电流指令进行无功功率补偿，非跌落相不产生无功功率输出，同时改变其他相的有功电流指令与该相增加的无功电流指令相抵消，使得三相无中线系统的电流之和满足基尔霍夫电流定律；将各相对应的有功和无功电流指令进行矢量合成，得到最终的三相电流指令值，并转换为相对应的正负序有功和无功功率指令，并进行闭环控制。

主要步骤如下：

步骤1，采样及数据转换；

所述采样包括采集以下数据：虚拟同步发电机滤波电容电压uca,ucb,ucc，虚拟同步发电机桥臂侧电感电流ila,ilb,ilc,虚拟同步发电机并网点电网相电压ea,eb,ec；

所述数据转换包括对以下数据进行坐标变换：对虚拟同步发电机滤波电容电压uca,ucb,ucc和桥臂侧电感电流ila,ilb,ilc分别进行双同步旋转坐标变换得到滤波电容电压的dq正负序分量和桥臂侧电感电流的dq正负序分量对三相相电压ea,eb,ec分别进行基于广义二阶积分器的单相锁相环计算得到a、b、c相电压峰值分别为eam,ebm,ecm，其角度分别为θa，θb，θc；对三相相电压ea,eb,ec进行基于双同步旋转坐标系的锁相环计算得到三相电压正序矢量角度为θp，三相电压负序电压矢量为θn，正负序电压dq分量为根据滤波电容电压uca,ucb,ucc，通过通用的微分离散化方程计算虚拟同步发电机滤波电容电流ica,icb,icc；根据桥臂侧电感电流的ila,ilb,ilc和滤波电容电流ica,icb,icc计算得到输出电流ioa,iob,ioc；根据三相电压正序矢量角度为θp，三相电压负序电压矢量为θn经过双同步旋转坐标变换得到输出电流ioa,iob,ioc的正负序分量

其中，ioa,iob,ioc的计算步骤包括：

令滤波电容电压uca,ucb,ucc的离散序列为uca(n),ucb(n),ucc(n)，滤波电容电流的离散序列为ica(n),icb(n),icc(n)，则计算滤波电容电流的通用的微分离散化方程为：

其中：c为滤波电容，ts为虚拟同步发电机采样频率，k为离散序列点数，n,k为自然数,即n＝0,1,2,3,4......，k＝0,1,2,3,4......；

根据上述方程可以求得滤波电容电流的离散序列为ica(n),icb(n),icc(n)，从而可得滤波电容电流ica,icb,icc。

通用离散化方程的参数选择综合考虑差分方程稳定性条件，微分的频率响应以及dsp计算量，kn-k的选择考虑离当前时刻较近的离散序列权重较大。在本实施例中，取n＝7，k＝2，kn＝4,kn-1＝2,kn-2＝1,。

所述的输出电流计算如下:

步骤2，根据步骤1中得到的相电压峰值eam,ebm,ecm，通过无功电流补偿方程得到每相需要的无功补偿电流峰值iam,ibm,icm；根据每相需要的无功补偿电流峰值iam,ibm,icm，通过有功电流分量补偿算法，计算出每相需要的有功电流分量，a相无功电流所需要的b、c相有功电流补偿分量峰值为ibm-ap,icm-ap，b相无功电流所需要的c、a相有功电流补偿分量峰值为icm-bp,iam-bp，c相无功电流所需要的a、b相有功电流补偿分量峰值为iam-cp,ibm-cp；根据得到的各相有功和无功电流峰值和步骤1中的各相角度θa，θb，θc计算三相有功和无功电流，分别对三相电流进行求和得到三相电流指令值

步骤2.1，计算每相需要的无功补偿电流峰值iam,ibm,icm：

其中，eam,ebm,ecm为电网电压幅值，ebase为额定电网电压幅值，kq为无功电流补偿系数，inm为额定电流幅值。

在本实施例中，为满足相关电网标准要求，选择kq＝2

步骤2.2，有功电流分量补偿算法为：

a相无功电流所需要的b、c相有功电流补偿分量峰值ibm-ap,icm-ap，b相无功电流所需要的c、a相有功电流补偿分量峰值icm-bp,iam-bp，c相无功电流所需要的a、b相有功电流补偿分量峰值iam-cp,ibm-cp分别为：

步骤2.3，三相电流指令值计算方法为：

步骤3,根据步骤2中得到的三相电流指令值和步骤1中得到的三相电压正序矢量角度为θp，三相电压负序电压矢量为θn，经过双同步旋转坐标变换得到电流指令的正负序有功和无功电流指令

步骤4，根据步骤1中得到的正序有功和无功电流虚拟同步发电机的正序有功和无功电流指令虚拟同步发电机额定角频率ω0，电压指令u0，经过正序功角控制方程和电压控制方程得到虚拟同步发电机的正序角频率ω⁺和正序电压指令对ω⁺积分得到虚拟同步发电机的正序矢量角θ⁺；

正序功角控制和无功控制方程为：

其中，ω0为虚拟同步发电机给定有功功率指令p0时的额定角频率，mp为功角控制比例系数，mi为功角控制积分系数，s为拉普拉斯算子，u0为虚拟同步发电机给定无功功率指令q0时的额定输出电容电压，np为无功控制比例系数，ni为无功控制积分系数。

在本实施例中，给定有功功率指令取值为p0＝1kw，此时对应的额定角频率取值为ω0＝314.1593rad/s；给定无功功率指令q0考虑系统输出无功功率为q0＝0，此时对应的额定输出电容电压u0＝380v。分别取mp＝0.005,mi＝0.1,np＝0.005,ni＝0.1。

步骤5，根据步骤1中得到的负序有功和无功电流虚拟同步发电机的正序有功和无功电流指令经过负序功角控制方程和电压控制方程得到虚拟同步发电机的负序角频率ω^-和负序电压指令对ω^-积分得到虚拟同步发电机的正序矢量角θ^-；

负序功角控制和无功控制方程为：

步骤6，根据步骤5中得到的正负序电压指令和正负序角度和步骤1中采样得到的滤波电容电压，通过正负序电压双环控制方程得到控制信号并根据正负序角度得到正负序三相桥臂电压控制信号两者相加得到最终的控制信号ua,ub,uc，再根据ua,ub,uc生成开关管的pwm控制信号。

正负序电压双环控制方程为:

正序电压方程为

负序电压方程为

其中，kp为电压环比例控制系数、ki为电压环积分控制系数、kr为电压环谐振控制器比例系数，qu为电压环准谐振调节器品质因数，ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率，s为拉普拉斯算子，h为待抑制的谐波次数。kpi为电流环比例控制系数，kri电流环谐振控制器比例系数，kf为电压前馈系数，qi为电流环准谐振调节器品质因数。

电压控制方程中的参数主要考虑控制系统的稳定性和动稳态性能；在本实施例中，取kp＝0.03,ki＝0.8，准谐振调节器主要考虑消除系统中的奇次谐波，取h＝3,5,7,9,11，因而角频率分别等于：

ωh＝942.5rad/s,1570.8rad/s,2199.1rad/s,2827.4rad/s,3455.8rad/s。

品质因数qu主要考虑谐振调节器的增益和稳定性，在本例中，选取qu＝0.7；准谐振控制器比例系数综合考虑电压环的动稳态控制性能和系统稳定性，在本例中，选取kr＝100。

电流控制方程中的参数主要考虑控制系统的电流环跟踪能力、阻尼特性和直流分量抑制能力；在本实施例中，取kpi＝0.05,kii＝20，准谐振调节器主要考虑消除系统中的直流分量，品质因数qi主要考虑谐振调节器的增益和稳定性，在本例中，选取qi＝0.7；准谐振控制器比例系数综合考虑电流环的直流分量抑制能力和系统稳定性，在本例中，选取kri＝50。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种虚拟同步发电机电网不平衡跌落时的无功功率补偿方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。