可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法及存储介质与流程

本发明涉及逆变器控制技术领域，具体涉及一种可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法及存储介质。

背景技术：

模拟传统同步电机所用的虚拟同步逆变器是一种电网友好型的逆变器。虚拟同步逆变器具有惯性特性，使得其在抑制系统频率的高频波动和维持系统频率稳定方面，具有较大优势。惯性的引入是虚拟同步逆变器实现输出功率快速响应和频率高频抖动抑制的根本原因。然而，正是惯性的引入，同样使得虚拟同步逆变器具有了类似于同步发电机系统阻尼较小的特性，使其容易发生有功功率振荡。对于同步发电机而言，由于其过流能力强，所以短期的功率振荡不会造成过大的危害，而逆变器则不同，由于开关器件容量的限制，功率振荡对虚拟同步逆变器的危害远大于同步电机。负荷波动时引起的功率振荡不仅威胁着逆变器自身的安全运行，对电网也将造成严重影响。因此需要提出一种有效的抑制多虚拟同步逆变器系统有功振荡的方法。

当前对虚拟同步逆变器的并联系统负荷波动时的功率振荡进行抑制的相关技术如下：通过调整惯性特性和下垂系数等虚拟同步逆变器本身控制参数来实现振荡抑制，这类控制的根本机理可以归结于对虚拟同步逆变器自身阻尼的改善。引入虚拟阻抗来实现功率振荡的抑制，这类方法的根本机理可以归结于抑制振荡激励。

可是，以上相关技术存在以下缺陷：

1)通过动态调节惯性系数j来实现振荡抑制的方法通常需要引入微分或者比例积分环节，微分环节容易放大高频信号，难以实际应用。比例积分环节使得系统频率出现较多的非线性折点，影响系统的稳定。

2)通过自适应阻尼系数dp抑制振荡依赖功率振荡的检测环节，且容易引起系统稳态功率的不均分。

3)通过引入虚拟阻抗抑制振荡，只能针对特定的情况，且其所得系统功率振荡完全被抑制的条件是包括下垂系数、惯性时间常数、虚拟阻抗等在内的参数均需完全对应成比例，而在实际上难以严格实现。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

本发明提供了一种可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法及存储介质，可解决现有相关技术使系统不稳定的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法，包括：

a、在虚拟同步逆变器控制算法的有功功率控制环上，加入虚拟阻尼控制算法，通过提取频率低频振荡分量，调整有功功率控制环电磁转矩，使机械转矩与电磁转矩之差减小，使角频率的变化量减小，从而减弱虚拟同步逆变器的有功振荡；

b、在虚拟同步逆变器控制算法的无功功率控制环上，加入虚拟阻抗控制算法，调整无功功率控制环输出电压调制信号，改变虚拟同步逆变器到pcc点的等效感抗，使得虚拟同步逆变器到pcc点的等效感抗大于线路阻抗，减少有功功率与无功功率的耦合，实现瞬时功率增量均分条件，从而抑制所述虚拟同步逆变器有功振荡的激励；

c、通过步骤a和步骤b实现抑制所述虚拟同步逆变器的有功振荡。

进一步的，在步骤b中加入虚拟阻抗控制算法之后，再加入pcc点母线电压估算算法，使虚拟同步逆变器检测的电压幅值接近pcc点电压值。

进一步的，所述步骤a中提取频率低频振荡分量，包括：设定截止频率，使得频率中的波动成分通过隔直滤波器，使得直流部分无法通过，得到不含直流分量的频率波动量。

进一步的，所述虚拟阻尼控制算法包括将所述不含直流分量的频率波动量乘以阻尼系数，并加到电磁转矩上，形成对电磁转矩的附加阻尼，衰减功率振荡。

进一步的，所述虚拟阻抗控制算法包括：

先将虚拟同步逆变器输出电压pwm调制信号进行三相到两相αβ坐标下的变换；

然后引入虚拟阻抗，用虚拟同步逆变器输出电压调制信号加上虚拟阻抗上面的压降，得到经过虚拟阻抗调整后的αβ坐标系下的pwm调制信号电压；

最后进行两相αβ到三相abc坐标系下的反变换，转换成abc三相坐标系下的电压，通过调整虚拟阻抗的值，改变虚拟同步逆变器等效输出阻抗，从而改变虚拟同步逆变器到pcc点的等效线路阻抗。

进一步的，所述pcc点母线电压估算算法包括：

先将虚拟同步逆变器检测到的三相电压进行三相到两相αβ坐标下的变换，然后加上等效阻抗xt上面的压降，得到αβ坐标系下的修正电压，再经过幅值检测环节得到pcc点电压幅值vbus；

同时将虚拟同步逆变器控制算法中的q的计算式替换为式(11)，

式中，q表示逆变器电势输出无功功率，ia，ib，ic为逆变器的输出电流，eoa，eob，eoc为三相坐标系下的电压。

进一步的，所述幅值检测环节具体包括：

先将αβ坐标下的修正电压进行反变换，转换成abc三相坐标系下的pcc点近似估算电压va，vb，vc，继而再经过公式(10)得到pcc点电压幅值vbus；

另一方面，本发明提供一种计算机存储介质，其上存储有虚拟逆变器控制算法，其特征在于，在处理器执行所述虚拟逆变器控制算法时可实现上述方法。

(三)有益效果

本发明公开了一种可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法系统，能够从振荡激励的抑制和增强同步逆变器自身阻尼两个方面解决负荷波动时传统虚拟同步逆变器有功功率振荡的问题，提高系统的稳定性。利用虚拟阻抗使负荷波动瞬间不同，虚拟同步逆变器(synchronverter)之间的功率按照惯性的大小均分，抑制各虚拟同步逆变器初始角速度变化不一致导致的振荡激励；利用虚拟阻尼控制技术使虚拟同步逆变器内部产生抑制功率振荡的阻尼，从而快速消耗振荡能量，使各虚拟同步逆变器角速度达到一致。最终实现负荷波动时，对多虚拟同步逆变器系统有功振荡的抑制。本发明能从控制算法的角度快速有效的抑制不同额定功率、不同惯性时间常数同步逆变器之间的有功功率振荡，并保证在抑制振荡的同时提高有功功率的精确均分和无功功率均分性能，保证pcc点的电压稳定。

同时本发明设置母线电压预测环节，用于提高系统的无功功率均分性能。不仅保留了虚拟同步逆变器自身简单可靠且对硬件要求极低的优点，而且不需要检测出口电压即可实现上述功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是虚拟同步逆变器并网系统拓扑图；

图2是虚拟同步逆变器控制算法；

图3是本发明实施例控制方法示意图；

图4是本发明实施例具备有功振荡抑制能力的虚拟同步控制框图；

图5是本发明实施例虚拟阻抗控制算法示意图；

图6是本发明实施例pcc点电压估算方法工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

虚拟同步控制策略是基于隐极式同步发电机二阶模型的一种新型并网控制策略。相比于传统逆变器而言，虚拟同步逆变器模拟了同步电机的转子方程，并结合直流母线储能作用，而使其本体具有一定的惯性，增强了微源逆变器的抗扰动能力，保障了微网系统整体的稳定性。

虚拟同步逆变器并网拓扑结构如图1所示。其中，ls、rs分别为虚拟同步逆变器输出端到pcc点的等效电感与电阻，lg、rg分别为pcc点到公共电网的等效电感与电阻，e为幅值用e表示的电压驱动信号，θ^*的导数为给定参考角频率，p^*、q^*分别为虚拟同步控制单元的有功和无功给定参考值。

根据图1显示，虚拟同步逆变器由功率模块与电气控制两部分构成。其中，功率模块由直流母线电容、变换器和lc滤波器构成，主要用于实现直流电到工频交流电的转换；电气控制部分完成对系统的调节与控制，其核心算法如图2所示。其中，j表示引入的虚拟转动惯量，dp为虚拟机械摩擦系数，k为无功功率惯性环节系数，dq为电压下垂系数。

图2所示的算法框图上半部分为有功控制环，实现频率和有功功率的控制；下半部分为无功控制环，实现电压与无功功率的控制。算法的基本控制原理如公式(1)、(2)所示。式(1)为功率计算及参考电压形成的基本方程，式(2)和式(3)分别为虚拟同步控制中频率惯性环节方程和电压惯性环节方程。

式中，te表示电磁转矩；tm表示机械转矩；θ表示虚拟转子的相位，其微分值既为虚拟同步发电机的角速度又是驱动电压信号e的角频率；if为励磁电流；mf模拟定子绕组与励磁绕组间的最大互感；q为实际输出无功功率；i为三相定子电流；符号<，>表示传统的点积运算，其中：

虚拟同步控制策略模拟传统同步发电机模型引入虚拟惯性，对电网的波动而言十分有利，不仅能弥补系统调节引起的响应滞后，还能抑制网侧有功和无功的高频抖动。

本发明实施例经深入分析了虚拟同步逆变器并联供电时，负荷波动导致功率振荡的产生机理及影响因素，并得出结论：瞬时有功功率的不均分是振荡产生的直接原因，而自身阻尼小、惯性大则是振荡产生的内在本质因素。提出了一种可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法包括基于虚拟阻抗的振荡激励抑制技术，以惯性参数而非容量参数作为虚拟阻抗比的设计标准，实现功率振荡激励的有效抑制；而且包括不依赖锁相环的虚拟阻尼技术，在不改变系统稳态性能的前提下提升系统的阻尼；从而快速消耗振荡能量，使各虚拟同步逆变器角速度达到一致。还增加了母线电压预测环节用于提高系统的无功功率均分性能。

如图3所示，本发明实施例的可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法包括：

通过在传统虚拟同步控制算法的功率控制环上，加入控制环节，抑制虚拟同步逆变器的有功振荡；

具体如下：

步骤1：在传统虚拟同步控制算法的有功功率控制环上，增加阻尼部分通过改变电磁转矩te，使有功环电磁转矩增加为，原机械转矩tm与新电磁转矩之差减小，使角频率的变化量减小，加速功率振荡的衰减；

步骤2：在传统虚拟同步控制算法的无功功率控制环上，增加虚拟阻抗部分，通过虚拟阻抗控制算法，使得传统虚拟同步无功环输出电压调制信号eref减去虚拟阻抗wnlvs乘以逆变器输出电流ig，得到新的电压调制信号eo＝eref-wnlvs*ig，继而改变逆变器到pcc点的等效感抗xt，使得逆变器到pcc点的等效感抗远远大于线路阻抗，同时可减少有功功率与无功功率的耦合，实现瞬时功率增量均分条件，抑制功率振荡激励；

步骤3：在传统虚拟同步控制算法的无功功率控制环上，增加pcc点母线电压估算环节，使得原测量所得反馈电压ea，eb，ec(幅值为e)加上等效阻抗xt乘以检测电流i，也即使得原反馈电压加上等效阻抗xt上的压降，得到新的反馈电压vbusa，vbusb，vbusc(幅值为vbus)，减少由于虚拟阻抗对电压反馈及无功计算的影响。

图4是本发明实施例具备有功振荡抑制能力的虚拟同步控制框图；公式(5)具体表示如下：

其中te表示电磁转矩；tm表示机械转矩；θ表示虚拟转子的相位，其微分值为虚拟同步发电机的角速度；if为励磁电流；mf模拟定子绕组与励磁绕组间的最大互感；q为实际输出无功功率；i为三相定子电流；符号<，>表示传统的点积运算。

下面结合图4对本发明实施例进行详细说明：

基于虚拟阻尼的振荡快速衰减原理

在传统虚拟同步控制算法的功率控制环上，加入虚拟阻抗可以极大的削弱瞬时功率的不均分现象，但不能完全消除，所以除了削弱振荡的激励条件外，还需在振荡产生后对其进行有效的抑制，故本发明实施例提出的可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法，通过在传统虚拟同步控制算法的有功功率控制环上，加入虚拟阻尼环节，提取频率低频振荡分量，抑制电磁转矩的振荡；由两个部分组成，其一是频率低频振荡分量提取单元，其二是用于抑制电磁转矩振荡的虚拟阻尼单元。频率振荡分量提取单元通过设定合理的截止频率fw(其周期为tw)，使得频率中的波动成分通过隔直滤波器，直流部分则无法通过，即可得到不含直流分量的频率波动量；最后该低频振荡分量乘以阻尼系数d，并加到电磁转矩上，形成对电磁转矩的附加阻尼，快速衰减振荡功率。

式(6)为角频率经过虚拟阻尼后的传递函数，其中，ωt为经过虚拟阻尼以后的角频率，fw为截止频率，tw为其周期，tw＝1/fw，s为复频域表示参数。

tw的取值是该方法有效实现的重点，其取值应遵循如下原则：

1、保证振荡分量尽可能通过；

2、对高频的放大及对振荡分量相位超前的影响尽可能小。

所以，tw的取值不宜过小，防止需要的振荡分量被滤除，也不宜过大，防止相位超前过多。

由系统的根据轨迹可知，随着tw的不断增大，系统的极点先远离后靠近虚轴，其离虚轴最远的点对应的tw的值为最优解。随后随着tw的进一步增大，特征根逐渐越过虚轴到正半轴，系统失稳。显然tw的不失稳取值范围需要根据对系统的特征方程求解进行合理选择，才能实现tw在较宽范围内均可实现对振荡的抑制，这在实际应用中具有较明显的价值。

本发明实施例中的虚拟阻尼环节仅仅在各台机组内部频率存在差异时起作用，在稳定状态下不起作用，因此，有效地增强了系统动态过程中的功率均分效果，并且降低了其对系统稳态性能的影响。

基于虚拟阻抗的振荡激励抑制原理

经理论分析可知，功率振荡的激励是由瞬时功率增量的不均分导致，即当满足如下式(7)时，才有瞬时功率增量均分，其中xt为逆变器到pcc点的等效线路阻抗(包括逆变器等效输出阻抗，逆变器输出滤波阻抗以及线路阻抗)，j为虚拟同步逆变器的虚拟惯性。

惯性大小与线路阻抗不成比例导致了功率振荡的激励，若改变线路阻抗，使其与惯性满足式(7)关系，即可极大的削弱激励的产生。然而，改变线路阻抗显然不现实且不经济，因此本发明实施例提出了如图4所示的虚拟阻抗方式来抑制功率振荡的激励。

使得在加入虚拟阻抗后，逆变器到pcc点的等效线路阻抗满足式(7)，从而有使得：

δp1∶δp2＝pj1∶pj2(8)

其中δp1，δp2为负荷波动引起的逆变器输出功率变化量，pj1，pj2为虚拟同步惯性调节功率。

虚拟阻抗在图4中的具体实施原理如图5所示：

先将传统虚拟同步逆变器输出电压pwm调制信号进行三相到两相αβ坐标下的变换，然后将虚拟阻抗引入。使得传统虚拟同步逆变器输出电压调制信号加上虚拟阻抗上面的压降(也即检测电流乘以虚拟阻抗)。从而得到经过虚拟阻抗调整后的αβ坐标系下的pwm调制信号电压，然后再将其进行两相αβ到三相abc的反变换，转换成abc三相坐标系下的电压eoa，eob，eoc。

显然，通过调整虚拟阻抗lvs1和lvs2的值，即可改变逆变器等效输出阻抗，从而改变逆变器到pcc点的等效线路阻抗xt，进而实现瞬时功率增量均分条件，实现振荡激励的有效抑制。

pcc点电压估算方法原理

加入虚拟阻抗后，使系统具有了如下优势：感抗远大于阻抗，有功无功实现了解耦；削弱了由于j不同导致的瞬时功率不均衡，从而削弱了功率振荡的激励。但也会导致无功计算存在原理性误差，即根据传统虚拟同步逆变器控制算法计算的无功功率包含了虚拟阻抗上的无功损耗，这将进一步导致无功的均分难以实现；此外增加的虚拟阻抗将使得端口电压下降较多，pcc点电压波动范围增大。

如式(9)所示。

qout1^*-qout2^*＝-dq^*(e1^*-e2^*)(9)

其中qoutl^*，qout2^*分别表示两台逆变器输出无功功率的标幺值；dq^*表示逆变器无功下垂系数的标幺值；e1^*，e2^*分别表示两台逆变器各自无功反馈输入的电压幅值的标幺值；当e1^*，e2^*偏差较大时，qoutl^*，qout2^*也会有较大偏差，也即无功功率无法实现均分。

为缓解这一问题，本发明实施例做了相应改进。虚拟同步逆变器反馈电压的偏差是导致无功功率不均分的重要因素。因此，增加如图4中所示的母线电压预测环节，尽可能使逆变器检测的电压幅值接近pcc点电压值，从而削弱因电压不同导致的无功不均分及pcc点电压波动范围过大的问题，模块内部工作原理如图6所示：

先将检测到的三相电压进行三相到两相αβ坐标下的变换，然后再加上等效阻抗xt上面的压降(也即检测电流乘以逆变器到pcc点的等效阻抗)，从而得到αβ坐标系下的修正电压，然后再经过幅值检测环节(amplitudedetecting)得到vbus，幅值检测环节具体包括先将αβ坐标下的修正电压进行反变换，转换成abc三相坐标系下的pcc点近似估算电压va，vb，vc，继而再经过公式(10)得到pcc点电压幅值vbuso

此外，需要同步将传统虚拟同步逆变器控制算法中的q的计算替换为式(10)

式中，q表示逆变器电势输出无功功率；ia，ib，ic为逆变器的输出电流。

显然，该方法的优势不仅在于保持了传统虚拟同步逆变器不需要测逆变器出口电压量只需测逆变器输出电流的优势，而且在pcc点电压的稳定及无功功率均分上有了一定的提升。

显然，通过对pcc点电压的估算可以较小由于虚拟阻抗等带来的电压偏差问题，进一步减弱对无功功率均分准确性的影响。

本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其上存储有虚拟逆变器控制算法，在处理器执行所述虚拟逆变器控制算法时可实现上述控制方法。

综上可知，本发明实施例提供一种可抑制有功振荡的虚拟同步逆变器控制方法及存储介质，主要在原虚拟同步逆变器控制算法模块、三相逆变桥模块及pwm驱动模块基础上，新增虚拟阻抗模块、新增虚拟阻尼模块以及新增母线电压预测环节构成。该结构能够从振荡激励的抑制和增强同步逆变器自身阻尼两个方面有效克服负荷波动时传统虚拟同步逆变器有功功率振荡的问题。母线电压预测环节用于提高系统的无功功率均分性能。

当系统负荷出现波动时，原虚拟同步逆变器控制算法模块输出算法内部角频率作为虚拟阻尼模块的输入信号，虚拟阻尼输出信号发送给原虚拟同步逆变器控制算法模块中的有功控制环，实现在不改变系统稳态性能的前提下提升系统的阻尼，从而快速消耗振荡能量，使各虚拟同步逆变器角速度达到一致；

同时，原虚拟同步逆变器控制算法模块输出的电压调制信号和检测到的逆变器输出电流作为虚拟阻抗模块的输入信号，输出新的电压调制信号给pwm驱动模块，实现功率振荡激励的有效抑制；

再次，检测到的逆变器输出电压幅值作为母线电压预测环节输入信号。并将其输出信号给原虚拟同步逆变器控制算法模块，使得逆变器检测幅值接近实际pcc点电压值，从而削弱因电压不同导致的无功不均分及pcc点电压波动范围过大的问题。