基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统及方法

本发明涉及虚拟同步发电机，具体涉及一种基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统及方法。

背景技术：

1、通过在控制算法中模拟同步发电机的摇摆方程，变流器也能够具有类似于传统同步发电机的惯量特性，这类变流器通常被称为虚拟同步发电机（ virtual synchronous  generator，vsg）。然而，虚拟同步发电机在引入虚拟惯量的同时，也引入了类似于传统同步发电机的有功功率振荡特性。虚拟同步发电机由半导体器件构成，其过流能力远小于传统同步发电机，功率振荡过程中较大的暂态电流会使得设备损坏或机组跳闸，危及系统的安全可靠运行。

2、虽然虚拟同步发电机的过流能力远小于传统同步机，但其控制策略的改进远比传统同步机灵活。针对虚拟同步发电机功率振荡的抑制，国内外学者提出了大量的阻尼控制策略，包括自适应调节虚拟惯量 j和阻尼系数 d、参考功率补偿以及输出功率补偿。现有一种技术根据频率偏差和频率变化率的正负，将振荡过程分为4个阶段，通过自适应调整各阶段的 j和 d来优化系统的动态响应。然而，自适应虚拟惯量和阻尼系数这类方法，由于自适应控制律的非线性，相关控制参数的选取较为复杂，并且可能给系统响应引入多余的非线性特性，难以通过传统的线性化分析方法来评估其阻尼性能。另有一种技术通过引入虚拟同步发电机输出频率的高通滤波反馈来实现功率振荡阻尼，其原理是通过高通滤波器滤除掉稳态的直流分量，从而提取非稳态的振荡分量，然后附加到参考功率上以实现暂态功率补偿。该方法虽能一定程度上阻尼功率振荡，但却无法完全消除振荡，始终存在一定的功率超调量。还有一种技术为通过引入虚拟同步发电机输出功率的高通滤波反馈来抑制振荡，其原理类似于输出频率的高通滤波反馈，都是通过附加暂态阻尼功率到参考功率上以实现振荡抑制。进一步的，还有一种技术同时引入了输出频率和输出功率的高通滤波反馈，其能够实现在暂态过程中同时控制功率和频率。然而，上述基于参考功率补偿的阻尼方法，由于使有功闭环控制中环节发生了变化，导致虚拟同步发电机原有的虚拟惯量特性不可避免地受到影响。为此，另有已公开的方法分别将频率偏差分量和功率偏差分量附加到虚拟同步发电机输出相角以调节虚拟同步发电机的输出功率，从而实现暂态的输出功率补偿，以达到阻尼输出功率振荡的效果。但是，在参考功率跳变或电网频率跌落时，暂态过程中虚拟同步发电机的输出频率和输出功率都会存在偏差，而两种输入扰动下有功功率环的响应特性存在较大区别，前述基于输出功率补偿的控制策略在两种扰动下的阻尼性能无法解耦设计，存在相互制约的现象。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统及方法，以解决现有虚拟同步发电机的阻尼控制方法会导致虚拟同步发电机原有的虚拟惯量特性受到影响；基于输出功率补偿的控制方法在多种扰动下的阻尼性能存在相互制约的现象。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、本发明提供一种基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统，所述基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统包括：坐标变换模块、有功功率控制模块、脉冲宽度调制模块、机组模块、传输线路及电网部分、电压电流双闭环控制模块和无功功率控制模块；

4、所述坐标变换模块包括第一坐标变换子模块和第二坐标变换子模块；所述第一坐标变换子模块包括第一输入端和第二输入端；所述第二坐标变换子模块包括第三输入端和第四输入端；

5、所述有功功率控制模块的输出端同时连接所述第一输入端和所述第三输入端；所述第二坐标变换子模块的输出数据经功率计算后作为所述有功功率控制模块的输入数据和所述无功功率控制模块的输入数据；所述第二输入端连接所述电压电流双闭环控制模块的输出端，所述第四输入端为采样端，所述采样端通过采样操作获取所述机组模块的输出电流和输出电压，以及所述机组模块的滤波器电流；所述第一坐标变换子模块的输出端连接所述脉冲宽度调制模块的输入端，所述脉冲宽度调制模块的输出端连接所述机组模块，以通过调整所述机组模块的输出电压的脉冲宽度控制所述机组模块的输出电压；所述机组模块的输出端连接传输线路及电网部分；所述电压电流双闭环控制模块的输入端同时连接无功功率控制模块的输出端和所述第二坐标变换子模块的输出端；

6、所述有功功率控制模块包括功率参考部分和电网频率扰动部分；所述功率参考部分的输出和所述电网频率扰动部分的输出加和之后作为所述有功功率控制模块的输出结果，所述功率参考部分和所述电网频率扰动部分分别级联一个陷波滤波器，以用于抵消有功环在振荡频率处产生的正谐振峰，实现抑制振荡。

7、可选择地，所述机组模块包括：

8、电压源逆变器，所述电压源逆变器用于实现电能变换，将直流电转换为交流电，且所述电压源逆变器的输入端作为所述机组模块的输入端，连接所述脉冲宽度调制模块的输出端，所述电压源逆变器的输出端连接 lc滤波器的输入端；

9、 lc滤波器，所述 lc滤波器包括：

10、滤波器电感、滤波器电阻和接地滤波器电容，所述滤波器电感的一端作为 lc滤波器输入端，连接所述电压源逆变器输出端，所述滤波器电感的另一端连接滤波器电阻的一端，所述滤波器电阻的另一端和接地滤波器电容的一端连接以作为所述机组模块的输出端；所述 lc滤波器用于滤除高次谐波。

11、可选择地，所述传输线路及电网部分包括：

12、输电线路部分和电网，

13、所述输电线路部分包括电感和电阻；

14、所述电感的一端作为所述传输线路及电网部分的输入端同时连接所述机组模块的输出端，所述电感的另一端连接所述电阻的一端；所述电阻的另一端作为所述输电线路部分的输出端连接所述电网；

15、所述电网用于统一管理电力的供需平衡。

16、本发明提供一种基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统的控制方法，所述控制方法包括：

17、对基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行有功功率控制；

18、对基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行无功功率控制；

19、对基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行信号控制。

20、可选择地，所述对基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行有功功率控制包括以下步骤：

21、s101：获取电网电压、有功功率控制模块的当前反馈调节参数、机组模块的功率计算参数和传递函数；所述传递函数包括第一传递函数和第二传递函数；

22、s102：根据所述当前反馈调节参数和所述第一传递函数，计算级联第一陷波滤波器后的功率参考输入；

23、s103：利用所述级联第一陷波滤波器后的功率参考输入，计算新的输出频率变化量和新的输出频率；

24、s104：利用所述电网电压和所述第二传递函数，计算级联第二陷波滤波器后的电网的频率扰动输入；

25、s105：根据所述新的输出频率变化量和所述级联第二陷波滤波器后的电网频率扰动，计算新的输出相角；

26、s106：根据所述新的输出相角，利用所述功率计算参数，计算新的有功输出功率 p和新的无功输出功率 q；

27、s107：将所述新的有功输出功率 p和所述新的输出频率变化量作为新的反馈调节参数；

28、s108：将所述新的反馈调节参数作为当前反馈调节参数并返回步骤s101，以实现对所述基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行有功功率控制。

29、可选择地，所述第一传递函数为：

30、

31、其中， s为拉普拉斯算子；为第一陷波滤波器的陷波宽度；为第一陷波滤波器中心角频率；为第一陷波滤波器频率中心点的陷波深度；

32、所述第二传递函数为：

33、

34、其中， s为拉普拉斯算子；为第二陷波滤波器的陷波宽度；为第二陷波滤波器中心角频率；为第二陷波滤波器频率中心点的陷波深度。

35、可选择地，所述功率计算参数包括虚拟同步发电机输出电流、虚拟同步发电机输出电压和虚拟同步发电机滤波电感电流，所述步骤s106包括以下分步骤：

36、s1061：根据新的输出相角，对所述功率计算参数进行坐标变换，得到 dq坐标系上的虚拟同步发电机输出电流、 dq坐标系上的虚拟同步发电机输出电压和 dq坐标系上的虚拟同步发电机滤波电感电流；

37、s1062：根据所述 dq坐标系上的虚拟同步发电机输出电流和所述 dq坐标系上的虚拟同步发电机输出电压，计算新的有功输出功率 p和新的无功输出功率 q。

38、可选择地，所述对基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行无功功率控制为：

39、根据所述新的无功输出功率 q，计算无功功率控制模块输出的电压幅值 e，以实现对所述基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行无功功率控制。

40、可选择地，所述对基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行信号控制包括以下步骤：

41、s201：根据所述无功功率控制模块输出的电压幅值 e、所述 dq坐标系上的虚拟同步发电机输出电压和所述 dq坐标系上的虚拟同步发电机滤波电感电流，计算 dq坐标系上的调制信号和；

42、s202：根据新的输出相角，对所述 dq坐标系上的调制信号和进行坐标变换，得到 abc坐标系上的调制信号；

43、s203：对所述 abc坐标系上的调制信号进行脉冲宽度调制，得到机组模块的控制信号，将所述控制信号反馈给机组模块中的电压源逆变器，以实现对所述基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统进行信号控制。

44、本发明具有以下有益效果：

45、1、本发明通过在功率参考输入端和电网的频率扰动输入端分别级联陷波滤波器以实现抑制振荡，基于陷波滤波器的虚拟同步发电机阻尼控制系统在参考功率跳变或电网频率跌落情况下的阻尼性能可以解耦设计，不会相互制约；

46、2、本发明不会改变虚拟同步发电机原有的环节，因此不会影响虚拟同步发电机原有的惯量特性。