一种虚拟同步机低电压穿越综合控制方法

1.本发明属于并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种虚拟同步机低电压穿越综合控制方法。


背景技术：

2.作为分布式能源和配电网之间的纽带，传统并网逆变器由电力电子器件构成，响应速度快，几乎没有惯性，随着分布式电源渗透率的不断提高，越来越多的逆变器并入大电网，导致大电网中由传统发电机提供的等效总阻尼和等效总惯性大大降低，这一定程度上限制了新能源的发展。为此有学者提出虚拟同步机(vsg，virtual synchronous generator)的概念，vsg作为一种控制方法，模拟了同步发电机的数学模型，使得传统并网逆变器拥有了类似于传统同步发电机的惯性和阻尼特性，降低了分布式电源并网对大电网的不利影响。
3.配电网发生电压跌落故障时，传统并网逆变器因为并网后等效为电流源，所以可直接对电流指令值限幅处理即可保证逆变器不因过流而脱网或损坏，因此电流型vsg在低电压穿越控制上更加容易，因为分布式能源渗透率还会不断提高，电压型vsg在离网情况下可以提供稳定的电压和频率，所以电压型vsg的应用将会更加广泛，电压型vsg因为并网后与电网的等效模型为两个连线阻抗很小的电压源并联，所以电压型vsg低电压穿越技术不能直接借鉴传统逆变器低电压穿越技术。目前关于vsg低电压穿越技术主要有两大类，第一大类为电压源控制和电流源控制的平滑切换：在电网电压故障期间将vsg控制切换为电流源控制；第二大类为电网故障期间vsg仍然被控制为电压源；第一大类控制在电网电压故障期间改变了vsg的属性；第二大类控制中目前大都是单一的讨论电网电压对称或者不对称故障，缺少一种综合的，完整的vsg低电压穿越控制方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种虚拟同步机低电压穿越综合控制方法，该方法有利于提高vsg低电压穿越的能力，改善电网电压故障时vsg的输出电能质量。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种虚拟同步机低电压穿越综合控制方法，包括以下步骤：
6.1)所有的三相交流量从三相静止abc坐标系通过park变换到两相旋转dq0坐标系下，交流分量的幅值定向在d轴上；
7.2)实时采集vsg输出电压、vsg输出电流和电网电压，采用正负序分离法得到采集量的正序分量和负序分量参与vsg环路控制；
8.3)检测到vsg输出电流超过电流阈值时，将vsg无功功率环输出的第一电压指令值em减去vsg输出电感电流的正序d轴分量和一个正系数的乘积值作为正序d轴电压环第二电压指令值u
+dref
，将vsg正序q轴电压环第一电压指令值0减去vsg输出电感电流的正序q轴分量和一个正系数的乘积值作为正序q轴电压环第二电压指令值u
+qref
；
9.4)当检测到电网电压的正序d轴分量小于设定的阈值0.9pu时，首先将vsg无功功率励磁调压控制方程中的vsg输出电压额定值un替换为电网电压的正序d轴分量u
+pd
，根据电网电压跌落深度计算vsg输出无功功率指令值q
ref
，根据vsg的额定容量和此时的无功功率指令计算出此时的vsg有功功率指令值p
ref
；
10.5)在检测到电网电压跌落后，如果电网电压是不对称跌落故障，通过给vsg电流内环电流指令值赋值不同的值，实现vsg三相输出电流平衡、vsg输出有功功率二倍频脉动抑制和vsg输出无功功率二倍频脉动抑制三种控制目标。
11.进一步地，在步骤2)中，控制系统外环为有功功率调频环节和无功功率调压环节，中间环为正序d轴电压环和正序q轴电压环，内环为控制着vsg输出电感电流的正序d轴分量i
+ld
的电流环和正序q轴分量i
+lq
的电流环，即正序d轴电流环和正序q轴电流环，在此基础上添加控制着vsg输出电感电流的负序d轴分量i-ld
的电流环和负序q轴分量i-lq
的电流环，即负序d轴电流环和负序q轴电流环。
12.进一步地，在步骤3)中，电流阈值根据vsg的额定电流值来设置，与vsg输出电感电流的正序d轴分量和q轴分量相乘的正系数等效为虚拟电阻值，虚拟电阻的加入等效为vsg交流输出侧和并网点之间的等效阻抗变大，电网电压可能发生的最大电压变化量除以vsg的额定电流得到总阻抗，由总阻抗和vsg交流输出侧与并网点之间等效阻抗计算出虚拟电阻值。
13.进一步地，步骤5)中，三种控制目标下的电流内环指令值的计算方法为：计算出电网电压不对称跌落时vsg输出有功功率和无功功率的表达式，输出有功功率和无功功率均由直流分量、二倍工频正弦分量和二倍工频余弦分量组成，当要实现vsg三相输出电流平衡控制时，令负序d轴电流环和负序q轴电流环的电流指令值为0；当要实现vsg输出有功功率二倍频脉动抑制控制时，令vsg输出有功功率二倍频正弦脉动分量和余弦脉动分量为0，因为将电网电压幅值和vsg输出电压幅值定向在二维旋转坐标系下的d轴下，所以电压的q轴分量为0，然后再根据这两个条件求出vsg输出电感电流正序d轴分量、vsg输出电感电流正序q轴分量、vsg输出电感电流负序d轴分量和vsg输出电感电流负序q轴分量的指令值；当要实现vsg输出无功功率二倍频脉动抑制控制时，令vsg输出无功功率二倍频正弦脉动分量和余弦脉动分量为0，求得vsg输出电感电流正序d轴分量、vsg输出电感电流正序q轴分量、vsg输出电感电流负序d轴分量和vsg输出电感电流负序q轴分量的指令值。
14.进一步地，三种控制目标下的vsg输出电感电流指令值的计算方法为：电网电压正常时，vsg输出电感电流的正序d轴分量和正序q轴分量的电流指令值i
+dref
和i
+qref
为vsg中间控制环节电压环的输出值，此正序d轴分量电流指令值近似为vsg输出有功功率指令值p
ref
除以vsg输出电压的正序d轴分量u
+0d
和1.5，此正序q轴分量电流指令值近似为vsg输出无功功率指令值q
ref
除以vsg输出电压的正序d轴分量u
+0d
和1.5，将要实现的控制目标的电流指令值减去vsg中间控制环节电压环输出的电流指令值，得到需要加在vsg正序d轴和q轴电流内环上指令值的补偿值，计算出的负序d轴和q轴电流指令值减去0即得到vsg负序d轴和q轴电流内环上指令值的补偿值。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种控制灵活、逻辑简单、实用性强的虚拟同步机低电压穿越综合控制方法，通过该方法可以实现：1)在电网电压跌落时，能够实现vsg的低电压穿越，在电网故障期间不改变vsg的特性，逆变器仍然被控制为电
压源。2)在电网电压跌落故障期间，vsg输出电流始终被控制在额定电流以下，可靠地保证了vsg的安全。3)在电网电压发生不对称跌落故障时，可以实现vsg三相输出电流平衡、vsg输出有功功率二倍频脉动抑制控制和vsg输出无功功率二倍频脉动抑制控制三种控制之间平滑切换。
附图说明
16.图1是本发明实施例的系统结构图；
17.图2是本发明实施例的控制方法详细控制框图；
18.图3是本发明实施例的控制方法的流程示意图；
19.图4是本发明实施例中电网电压三相对称跌落到0.5pu时，未采取任何措施和采用本方法时的vsg输出电感电流对比波形；
20.图5是本发明实施例中电网电压三相对称跌落到0.5pu时，未采取任何措施和采用本方法时的vsg输出功率对比波形；
21.图6是本发明实施例中电网电压三相不对称跌落到0.2pu，未采取任何措施时vsg输出电感电流、输出有功功率和输出无功功率的仿真波形；
22.图7是本发明实施例中电网电压三相不对称跌落到0.2pu，采用本方法时的vsg电感电流、输出有功功率和输出无功功率的仿真波形。
具体实施方式
23.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
24.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
25.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
26.本实施例提供了一种适用于vsg的低电压穿越控制方法，其具体实现方法如下：
27.将如式(1)的传统vsg无功功率励磁调压控制方程修改为：vsg无功功率指令值减vsg输出无功功率，得到的差值经过比例积分环节，然后将比例积分环节输出值叠加到vsg输出电压额定值un上的值作为正序d轴电压环的第一电压指令电值em，修改后的vsg无功功率励磁调压控制方程如式(2)所示。
[0028][0029][0030]
将vsg控制中的有功功率环和无功功率环后面添加一级电压环，包含正序d轴电压环和正序q轴电压环，在电压环后面添加一级电流内环，电流内环包括：正序d轴电流环、正序q轴电流环、负序d轴电流环和负序q轴电流环；正序d轴电流环的电流指令值为正序d轴电
压环输出量，正序q轴电流环的电流指令值为正序q轴电压环输出量，负序d轴电流环的电流指令值和负序q轴电流环的电流指令值不是固定的，根据电网电压发生不对称跌落时需要实现的控制目标来确定。本发明实施例中的系统结构图如附图1所示，所提低电压穿越控制方法详细控制框图如附图2所示，控制方法的流程示意图如附图3所示。
[0031]
在电网发生故障时，将电网电压正序d轴分量前馈到vsg无功功率励磁调压方程中，根据电网电压跌落深度计算出此时的vsg输出电感电流中的无功分量电流值和有功分量电流值(无功分量电流值即vsg输出电感电流在两相旋转dq0坐标系下的q轴分量，有功分量电流值即vsg输出电感电流在两相旋转dq0坐标系下的d轴分量)计算公式如公式(3)和公式(4)所示(in为vsg的额定电流，u
+pd
为电网电压的正序d轴分量，un为vsg额定相电压幅值)，由vsg输出电感电流的无功分量电流和有功分量电流即可计算出vsg输出无功功率指令值和vsg输出有功功率指令值。此时vsg输出无功功率指令值会增加来帮助电网电压恢复正常，vsg输出有功功率指令值会减小来避免vsg在电网电压跌落期间的稳态过流。
[0032][0033][0034]
检测到vsg输出电流超过电流阈值时，将vsg无功功率环输出第一电压指令值em减去vsg输出电感电流的正序d分量和一个正系数的乘积值作为正序d轴电压环第二电压指令值u
+dref
，将正序q轴电压环第一电压指令值0减去vsg输出电感电流的正序q分量和一个正系数的乘积值作为正序q轴电压环第二电压指令值u
+qref
，计算公式如式(5)和式(6)所示。
[0035]u+dref
＝e
m-i
+ldrv
ꢀꢀꢀ
(5)
[0036][0037]
在电网电压发生不对称故障时，可以对正序d轴电流环、正序q轴电流环、负序d轴电流环和负序q轴电流环的电流指令值赋不同的电流补偿值来实现vsg三相输出电流平衡、vsg输出有功功率二倍频脉动抑制和vsg输出无功功率二倍频脉动抑制三种控制目标。电流补偿值表达式如式(7)、(8)和(9)所示(和分别为正序d轴电流环电流指令补偿值、正序q轴电流环电流指令补偿值、负序d轴电流环电流指令补偿值和负序q轴电流环电流指令补偿值，u
+0d
和u-0d
分别是vsg输出电压的正序d轴分量和负序d轴分量)m＝0时为vsg三相输出电流平衡控制，可以减小并网电流的三相不对称度和畸变率；m＝1，k＝1时为vsg输出有功功率二倍频脉动抑制控制，可以减小输出有功功率存在的二倍频脉动；m＝1，k＝-1时为vsg输出无功功率二倍频脉动抑制控制，可以减小输出无功功率存在的二倍频脉动。
[0038][0039][0040][0041][0042][0043]
本发明提出的vsg低电压穿越综合控制方法，将传统vsg无功功率励磁调压控制方程改进为不含微分环节的控制方程，在电网发生电压跌落故障时，将电网电压正序d轴分量前馈到vsg无功功率励磁调压方程中，使vsg输出电压能够快速跟随电网电压幅值的跌落；采用正负序分离法得到vsg输出电压、输出电流和电网电压的正负序分量，在电网发生电压跌落时，根据电压跌落深度来增加vsg输出无功功率指令值，同时减小vsg输出有功功率指令值来避免vsg稳态输出过流；通过设定一个vsg输出电感电流阈值，当vsg输出电感电流超过此电流时投入虚拟电阻来抑制暂态过流；特别在电网发生三相电压不对称跌落时，通过设置不同的正序d轴、正序q轴、负序d轴和负序q轴电流环的电流指令补偿值来实现vsg三相输出电流平衡、vsg输出有功功率二倍频脉动抑制和vsg输出无功功率二倍频脉动抑制三种控制目标。本方法不需要额外硬件来抑制vsg过流，减小了成本和损耗，同时适用于电网电压对称跌落和不对称跌落故障。
[0044]
如图1所示是本发明实施例的系统结构框图。采用matlab/simulink仿真软件进行仿真。仿真模型采用的主要参数如表1所示：
[0045]
表1仿真主要参数
[0046][0047]
在电网电压正常时，虚拟同步机并网运行，和电网进行正常的能量交换，实时采集vsg输出电压、输出电流和电网电压，采用正负序分离法得到采集量的正负序分量进行控制。控制系统外环为有功功率调频环和无功功率调压环节，中间环为正序d轴电压环和正序q轴电压环，内环为正序d轴电流环和正序q轴电流环，在此基础上添加了负序d轴电流环和负序q轴电流环，正序d轴电流环电流指令补偿值、正序q轴电流环电流指令补偿值、负序d轴电流环电流指令补偿值和负序q轴电流环电流指令补偿值需要根据三种控制目标的不同而定。
[0048]
当电网电压发生不对称跌落时，如果需要实现vsg三相输出电流平衡来减小并网电流的三相不对称度和畸变率，可以令式(7)、式(8)、式(9)和式(10)中的m＝0。
[0049]
如果需要实现vsg输出有功功率二倍频脉动抑制控制来减小输出有功功率存在的
二倍频脉动，可以令式(7)、式(8)、式(9)和式(10)中的m＝1、k＝1。
[0050]
如果需要实现vsg输出无功功率二倍频脉动抑制控制来减小输出无功功率存在的二倍频脉动，可以令式(7)、式(8)、式(9)和式(10)中的m＝1、k＝-1。
[0051]
在确定了vsg控制中电流内环中的四个电流环电流补偿值之后，下一步确定vsg控制中加入的如式(5)和(6)所示中的虚拟电阻值，设电网三相电压跌落造成vsg并网点电压和vsg输出电压之间的电压差值为δu，vsg并网点和vsg输出lc滤波器电容之间的等效阻抗很小，如本实施详例中等效阻抗值为0.14欧姆，所以近似忽略不计，设电网电压跌落最大变化量为0.8pu，在电网电压额定值为311v时，δu为248.8v，假设此时vsg运行在额定电流情况下，在保证vsg样机安全情况下允许vsg输出电流增量δi为0.3pu，如本实施详例中，vsg额定电流为12.86a，所以δi为3.85a，按照如式(12)计算得到所需虚拟电阻rv为64.62欧姆，设置加入虚拟电阻时的电流阈值为额定电流的1.3倍。
[0052][0053]
vsg输出电感电流的正序d轴和正序q轴电流环输出量经过反park变换得到三相调制波u
+ra
、u
+rb
、u
+rc
，vsg输出电感电流的负序d轴和负序q轴电流环输出量经过反park变换得到三相调制波u-ra
、u-rb
、u-rc
，u
+ra
、u
+rb
、u
+rc
和u-ra
、u-rb
、u-rc
之间对应相序相加即可得到vsg的三相调制波。
[0054]
vsg以额定输出功率6kw并网运行，此时电网相电压幅值为311v；t＝t2时，电网电压对称跌落到0.5pu，如图4所示，此时vsg输出电流暂态峰值达到5.8pu，稳态输出电流达到2.1pu；如图5所示，此时vsg并不能输出无功功率来帮助电网电压恢复。而本发明所提方法为：当检测到电网发生跌落故障时，首先根据电感电流是否超过设定的电流阈值12.86a来投切虚拟电阻，虚拟电阻起着限制vsg输出暂态过流的效果，根据式(3)和式(4)所示计算出与电网电压跌落深度有关的vsg输出电流无功分量指令值i
qref
和有功分量指令值i
dref
来更改vsg输出有功功率指令值和输出无功功率指令值，以此来限制vsg稳态运行时过流；如图4所示显示了采用本方法时，vsg电感电流很好地被限制在了1.3pu以下，保证了在电网电压跌落故障时，vsg不因过流而脱网，同时由图5可知此时vsg还能按照理论计算值输出1.8kvar的无功功率来助于电网电压恢复，验证了本发明所提方法在电网三相电压对称跌落故障时的有效性。
[0055]
如图6所示，电网a相电压在t＝t2时刻跌落到0.2pu，t＝t5时电网a相电压恢复正常，如图6所示，如果不加任何控制，此时vsg三相输出电感电流不对称且畸变严重，此时电流峰值远远超过了样机额定电流，vsg输出有功功率和输出无功功率中存在非常大的二倍工频脉动分量，严重降低了电能质量。如图7所示，当采用本发明所提方法时，设置在t＝t2～t3时间段内m＝0，按照前面所述，此时为采用vsg三相输出电流平衡控制，此时vsg三相输出电感电流三相对称，输出有功功率和输出无功功率的二倍工频脉动分量有所减小；在t＝t3～t4时m＝1，k＝1，此时为采用vsg输出有功功率二倍频脉动抑制控制，此时和vsg三相输出电流平衡控制时相比，vsg三相电感电流对称度下降，vsg输出有功功率二倍频脉动量进一步减小，vsg输出无功功率脉动量有所增加；在t＝t4～t5时m＝1，k＝-1，此时采用vsg输出无功功率二倍频脉动抑制控制，此时和vsg三相输出电流平衡控制时相比，vsg三相输出电感电流对称度下降，输出无功功率二倍频脉动量进一步减小，而输出有功功率二倍频脉
动量有所增加。但是在t＝t2～t5阶段，vsg三相输出电感电流始终被控制在额定电流附近，证明了三种控制都能改善电能质量且可以实现平滑切换。
[0056]
本发明提出的控制方法无论是在电网发生三相对称故障还是三相不对称故障均能保证vsg输出不过流，同时能够输出指定无功功率来帮助电网电压恢复，特别在电网电压发生三相不对称故障时，还能实现vsg三相输出电流平衡、vsg输出有功功率二倍频脉动抑制控制和vsg输出无功功率二倍频脉动抑制控制三种控制的自由切换来改善电能质量。
[0057]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。