一种基于虚拟同步机的三相PWM整流器控制方法及系统与流程

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步机的三相pwm整流器控制方法及系统。

背景技术：

三相pwm整流器是负荷接入电网的主要电力电子装置，具有能量双向流通、单位功率因数运行、输出电压和功率可控等优点，主要有直接功率控制和直流侧电压控制两种控制方案。然而这两种控制策略均无法实现对电网的支撑和需求响应功能，难以与智能电网完美对接。负荷虚拟同步机技术因能够根据电网频率和电压实时控制负载功率，实现负荷与电网的友好交互而得到广泛关注。当前研究较多的是基于电源侧的虚拟同步机，用于新能源发电的并网接口。负荷侧虚拟同步机多采用电流控制型虚拟同步机技术，该技术应用于小功率负载的效果较好，而当电网发生波动或者故障时，难以胜任电压支撑的作用。因此，为使负荷虚拟同步机技术应用于大功率场合，必然要研究电压控制型虚拟同步机技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于虚拟同步机的三相pwm整流器控制方法及系统，能够实现在稳态情况下输出电压与功率稳定跟随设定值，并在电网发生波动时提供支撑。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种基于虚拟同步机的三相pwm整流器控制方法，包括以下内容：

针对任一时刻，

获取当前时刻的交流电网的运行参数，运行参数包括三相电压、三相电流和电角度；根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的机械转矩、励磁磁链和交流电网角度转速；根据当前时刻的交流电网角度转速和虚拟转速计算当前时刻的转矩下垂量；根据当前时刻的三相电流、电角度和励磁磁链计算当前时刻的电磁转矩；根据当前时刻的电磁转矩、机械转矩和转矩下垂量计算新的虚拟转速，并将新的虚拟转速作为下一时刻计算转矩下垂量的反馈输入值，实现对电网频率的跟随调整；根据新的虚拟转速计算新的电角度，并将新的电角度作为下一时刻计算电磁转矩的反馈输入值；根据新的电角度、新的虚拟转速和当前时刻的励磁磁链计算当前时刻的虚拟反电动势；根据当前时刻的虚拟反电动势计算当前时刻的控制整流器的调制波信号。

进一步地，

所述根据当前时刻的运行参数计算当前时刻的机械转矩的具体过程为：

根据当前时刻的三相电压和三相电流计算系统输出有功功率；

将当前时刻的已设定的参考有功功率和系统输出有功功率的差值进行比例积分运算得到当前时刻的机械转矩；或者

由直流侧电压采样得到直流侧输出电压；

将当前时刻的已设定的参考直流电压和直流侧输出电压的差值进行比例积分运算得到当前时刻的机械转矩。

进一步地，

所述当前时刻的系统输出有功功率的计算公式为：

p＝vaia+vbib+vcic；

其中va、vb、vc为三相电压，ia、ib、ic为三相电流；

所述当前时刻的将已设定的参考有功功率和系统输出有功功率的差值进行比例积分运算得到当前时刻的机械转矩的计算公式为：

tm＝kp(pref-p)+ki∫(pref-p)dt；

其中，pref为参考有功功率，kp为比例系数，ki为积分系数；

所述当前时刻的将已设定的参考直流电压和直流侧输出电压的差值进行比例积分运算得到当前时刻的机械转矩的计算公式为：

tm＝kp(vref-vo)+ki∫(vref-vo)dt；

其中，vref为参考直流电压，vo为直流侧输出电压。

进一步地，

所述根据当前时刻的运行参数计算励磁磁链的具体过程为：

根据当前时刻的三相电压和三相电流计算系统输出无功功率；

将当前时刻的已设定的参考无功功率和系统输出无功功率的差值进行积分运算得到励磁磁链。

进一步地，

所述系统输出无功功率的计算公式为：

其中va、vb、vc为三相电压，ia、ib、ic为三相电流。

进一步地，

所述根据当前时刻的运行参数计算交流电网角度转速的具体过程为：

将当前时刻的三相电压进行锁相处理得到电网角度转速。

进一步地，

所述根据当前时刻的交流电网角度转速和虚拟转速计算当前时刻的转矩下垂量的计算公式为：

δt＝dp(ω-ωs)；

其中，dp为阻尼系数，ω为交流电网角度转速，ωs为虚拟转速。

进一步地，

所述根据当前时刻的三相电流、电角度和励磁磁链计算当前时刻的电磁转矩的计算公式为：

其中，mfif为励磁磁链，ia、ib、ic为三相电流，θ为电角度。

进一步地，

所述根据当前时刻的电磁转矩、机械转矩和转矩下垂量计算新的虚拟转速的计算公式为：

其中，j为虚拟同步机转动部件的转动惯量，te为电磁转矩，tm为机械转矩，dp为阻尼系数，ω为交流电网角度转速，ωs为虚拟转速。

进一步地，

所述根据新的电角度、新的虚拟转速和当前时刻的励磁磁链计算当前时刻的虚拟反电动势的计算公式为：

其中，mfif为励磁磁链，为虚拟转速，θ为电角度；当系统处于稳态时，if为常值，

进一步地，

所述当前时刻的电磁转矩的初始值为系统设定值。

进一步地，

所述当前时刻的电角度的初始值为系统设定值。

相应的，本发明还提供了一种基于虚拟同步机的三相pwm整流器控制系统，包括：

采样模块，用于获取当前时刻的交流电网的运行参数，运行参数包括三相电压、三相电流和电角度；

机械转矩计算模块，用于根据当前时刻的运行参数计算当前时刻的机械转矩；

励磁磁链计算模块，用于根据当前时刻的运行参数计算当前时刻的励磁磁链；

交流电网角度转速计算模块，用于根据当前时刻的运行参数计算当前时刻的交流电网角度转速；

转矩下垂量计算模块，用于根据当前时刻的交流电网角度转速和虚拟转速计算当前时刻的转矩下垂量；

虚拟转速计算模块，用于根据当前时刻的电磁转矩、机械转矩和转矩下垂量计算新的虚拟转速，并将新的虚拟转速作为下一时刻计算转矩下垂量的反馈输入值；

电角度计算模块，用于根据新的虚拟转速计算新的电角度，并将新的电角度作为下一时刻计算电磁转矩的反馈输入值；

核心计算模块，用于根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的电磁转矩和虚拟反电动势；以及

调制模块，用于根据当前时刻的虚拟反电动势计算当前时刻的控制整流器的调制波信号。

本发明具有的有益效果：能够实现在稳态情况下输出电压与功率稳定跟随设定值，并在电网发生波动时提供支撑。

附图说明

图1是本发明中三相pwm整流器主电路拓扑结构图；

图2是本发明一个优选实施例的控制框图(直接功率控制方案)；

图3是本发明另一个优选实施例的控制框图(直流恒压控制方案)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种三相pwm整流器主电路采用三相全桥拓扑结构，包括交流电网、交流输入阻抗、三相整流桥和负载。三相交流电经l型滤波电路滤除高频干扰信号后作为整流电路的输入信号，输出电压使用大电容稳压，负载采用的是电阻性负载。

其中，va、vb、vc为三相电压，ia、ib、ic为整流器的输入电流，也为三相电流，rs和ls分别为交流电网的等效电阻和电感，q1～q6为6个含反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(igbt)，c为直流侧稳压电容，r为负载电阻，vo为直流侧输出电压。根据同步机的物理模型，可以做如下等效：va、vb、vc等效为同步电动机的端电压，rs和ls等效为同步电动机定子绕组的电阻和电感，ea、eb、ec等效为同步电动机由于转子转动产生的反电动势，这样便实现了三相pwm整流器与同步电动机在电路上的等效。

根据同步电动机的电枢方程式可知，端电压v＝[vavbvc]^t可由式(1)得到：

其中e＝[eaebec]^t为同步电动机的反电动势，i＝[iaibic]为同步电动机的三相输入电流，反电动势e可用方程(2)描述：

θ为励磁绕组和定子绕组间的电角度，分别如式(3)和(4)表示：

系统输出的有功功率p和无功功率q可用式(5)和式(6)描述：

p＝vaia+vbib+vcic(5)；

同时，同步电动机的机械部分可用式(7)描述：

其中，j为转动部件的转动惯量，te为电磁转矩，tm为机械转矩，dp为阻尼系数，ω为交流电网角度转速，ωs为虚拟转速，可以实时地跟踪电网频率。

电磁转矩te可由式(8)计算而得：

其中，<·,·>表示向量点积运算。

实施例一

如图2所示，基于虚拟同步机的三相pwm整流器的直接功率控制方法，包括以下内容：

针对任一时刻，有功环部分采用pi控制器，可以实现对参考有功功率pref的无静差跟随，参考有功功率与系统输出有功功率p的差值δp作为pi控制器的输入，pi控制器的输出为机械转矩tm，其具体计算公式为：

tm＝kp(pref-p)+ki∫(pref-p)dt；

其中，pref为参考有功功率，kp为pi控制器的比例系数，ki为pi控制器的积分系数。系统输出有功功率p通过将实时获取到的当前电网运行参数代入式(5)计算得到，参考有功功率pref为系统设定值。

电磁转矩减去机械转矩和通过阻尼系数dp引入的转矩下垂量作为输入增益为的积分器的输入，由式(7)可知，该积分器的输出为新的系统虚拟转速ωs，将新的系统虚拟转速ωs作为下一时刻计算转矩下垂量的反馈输入值。通过有功环的闭环控制，虚拟转速可以很好地跟随电网频率，当电网频率发生波动时，可以作出及时调整。系统虚拟转速ωs的初始值为设定值，当新的虚拟转速ωs计算出来后立即更新作为下一时刻计算转矩下垂量的反馈输入值。

无功环部分采用负增益的积分器，将参考无功功率qref与系统输出无功功率q的差值δq作为积分器的输入，积分器的输出为励磁磁链mfif，其具体计算公式为：

其中，k为转动惯量j的对偶量。系统输出无功功率q通过将实时获取到的当前电网运行参数代入式(6)计算得到，参考无功功率qref为系统设定值。若想使系统运行于高功率因数下，则设定参考无功功率qref为0；若电网因低电压需要无功补偿时，则设置参考无功功率为相应值实现快速电压支撑，具体地，当电网电压在90％～100％之间波动时，设定使得虚拟同步机向电网发出感性无功功率，设定值和有功功率总和不超过设备容量。

从式(8)可知，电磁转矩te由虚拟励磁磁链mfif、电网相电流i、励磁绕组和定子绕组间的电角度θ共同决定的。将有功环中计算得到的新的虚拟转速ωs再次积分可得到新的电角度θ，其计算公式为：

θ＝∫ωsdt。

将虚拟励磁磁链mfif、电网相电流i和新的电角度θ代入式(8)计算得到新的虚拟电磁转矩te。电角度θ的初始值为设定值，其值通过三相锁相环锁定系统相位与当前时刻电网相位相同得到的，当通过新的虚拟转速ωs计算得到新的电角度θ后，该新的电角度θ作为下一时刻计算电磁转矩的反馈输入值。

由式(2)可知，虚拟同步机的反电动势e由虚拟励磁磁链mfif和电角度θ共同决定，当系统处于稳态时，if为常值，式(2)简化为式(9)：

将当前时刻的虚拟励磁磁链mfif和新的电角度θ代入式(9)计算得到当期时刻的虚拟反电动势e。将当期时刻的虚拟反电动势e进行调制处理后得到当期时刻的三相pwm整流器的pwm调制波。

基于与上述方法同样的发明构思，本发明还提供了一种基于虚拟同步机的三相pwm整流器控制系统，包括：采样模块、机械转矩计算模块、励磁磁链计算模块、交流电网角度转速计算模块、交流电网角度转速计算模块、转矩下垂量计算模块、虚拟转速计算模块、电角度计算模块、核心计算模块和调制模块。

采样模块用于获取当前时刻的交流电网的运行参数，运行参数包括三相电压、三相电流和电角度。

机械转矩计算模块的核心单元为pi运算器，用于根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的机械转矩。

励磁磁链计算模块的核心单元为增益为的积分器，用于根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的励磁磁链。

交流电网角度转速计算模块的核心单元为三相锁相环，用于根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的交流电网角度转速。交流电网角度转速计算模块每隔一定时间还输出一个复位信号给电角度计算模块对其清零，以避免交流电网角度转速计算模块饱和，优选输出周期为2π。

转矩下垂量计算模块的核心单元为dp运算器，用于根据当前时刻的交流电网角度转速和虚拟转速计算当前时刻的转矩下垂量。

虚拟转速计算模块的核心单元为增益为的积分器，用于根据当前时刻的电磁转矩、机械转矩和转矩下垂量计算新的虚拟转速，并将新的虚拟转速作为下一时刻计算转矩下垂量的反馈输入值。

电角度计算模块的核心单元为转速积分器，用于根据新的虚拟转速计算新的电角度，并将新的电角度作为下一时刻计算电磁转矩的反馈输入值。

核心计算模块用于根据新的电角度、新的虚拟转速和当前时刻的励磁磁链计算当前时刻的虚拟反电动势，本实施例中，还用于根据当前时刻的运行参数计算系统输出有功功率和系统输出无功功率以及根据当前时刻的三相电流、电角度和励磁磁链计算当前时刻的电磁转矩。

调制模块的核心单元为pwm调制器，用于根据当前时刻的虚拟反电动势计算当前时刻的控制整流器的调制波信号。

实施例二

如图3所示，本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例中，其控制方式为直流恒压控制，有功环为电压环，通过获取到的当前直流侧输出电压vo和参考直流电压计算励磁磁链，具体过程为：由直流侧电压采样得到直流侧输出电压；将已设定的参考直流电压和直流侧输出电压的差值进行比例积分运算得到机械转矩，其计算公式为：

tm＝kp(vref-vo)+ki∫(vref-vo)dt；

其中，vref为参考直流电压，vo为直流侧输出电压。

基于与上述方法同样的发明构思，本发明还提供了一种基于虚拟同步机的三相pwm整流器控制系统，包括：采样模块、机械转矩计算模块、励磁磁链计算模块、交流电网角度转速计算模块、交流电网角度转速计算模块、转矩下垂量计算模块、虚拟转速计算模块、电角度计算模块、核心计算模块和调制模块。

采样模块用于获取当前时刻的交流电网的运行参数，运行参数包括三相电压、三相电流和电角度。

机械转矩计算模块的核心单元为pi运算器，用于根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的机械转矩。

励磁磁链计算模块的核心单元为增益为的积分器，用于根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的励磁磁链。

交流电网角度转速计算模块的核心单元为三相锁相环，用于根据当前时刻的运行参数分别计算当前时刻的交流电网角度转速。交流电网角度转速计算模块每隔一定时间还输出一个复位信号给电角度计算模块对其清零，以避免交流电网角度转速计算模块饱和，优选输出周期为2π。

转矩下垂量计算模块的核心单元为dp运算器，用于根据当前时刻的交流电网角度转速和虚拟转速计算当前时刻的转矩下垂量。

虚拟转速计算模块的核心单元为增益为的积分器，用于根据当前时刻的电磁转矩、机械转矩和转矩下垂量计算新的虚拟转速，并将新的虚拟转速作为下一时刻计算转矩下垂量的反馈输入值。

电角度计算模块的核心单元为转速积分器，用于根据新的虚拟转速计算新的电角度，并将新的电角度作为下一时刻计算电磁转矩的反馈输入值。

核心计算模块用于根据新的电角度、新的虚拟转速和当前时刻的励磁磁链计算当前时刻的虚拟反电动势，本实施例中，还用于根据当前时刻的运行参数计算系统输出无功功率以及根据当前时刻的三相电流、电角度和励磁磁链计算当前时刻的电磁转矩。本实施例中，直流侧输出电压vo为采集而来，无需计算得到。

调制模块的核心单元为pwm调制器，用于根据当前时刻的虚拟反电动势计算当前时刻的控制整流器的调制波信号。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。