虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力控制技术领域，特别涉及一种虚拟同步发电机的三相不平衡电流 的控制方法及装置。
【背景技术】
[0002] 分布式电源的输出一般为直流电或非工频的交流电，因此需要通过并网逆变器与 电网相连。由于传统的并网逆变器属于静止设备，不能为电网提供惯性和阻尼支撑，因此无 法参与电网调节，随着分布式电源渗透率的增加，必然会严重威胁电网运行的稳定性。
[0003] 近年来，基于虚拟同步发电机（VSG，Virtual Synchronous Generator)的并网逆 变器控制受到关注。VSG的基本思想是模拟同步发电机的特性，利用模仿同步发电机的转子 运动方程和励磁调节特性对逆变器进行控制，使得逆变器具有与同步发电机相似的特性， 以达到为电网提供惯性和阻尼支持的目的。
[0004] 实际中，电网电压易受到负载不平衡、短路故障、非全相运行等因素的影响出现三 相不平衡的现象，在这种情况下VSG会出现电流过载、功率振荡、电流不平衡等问题，威胁 其安全稳定运行。因此，考虑VSG在三相不平衡电网电压下的控制研究具有重要的意义。目 前，国内外对这一问题的关注和研究较少，主要以模仿传统逆变器控制为主。然而，由于传 统逆变器控制是通过功率外环计算直接得到电流内环参考指令，而VSG需要将功率指令通 过模拟同步发电机运行原理后转化为电压参考值进行控制，二者的输入输出接口、控制机 理等存在差别，因此传统的控制方法无法直接用于VSG不平衡运行控制。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的一个目的在于提出一种虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制 方法，该控制方法可以使VSG在电网三相电压不平衡时依然能输出三相平衡电流，并且实 现简单。
[0007] 本发明的另一个目的在于提出一种虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制装 置。
[0008] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种虚拟同步发电机的三相不平衡 电流的控制方法，包括以下步骤：建立模仿同步发电机机械特性的VSG的转子运动方程和 电磁特性的VSG虚拟励磁方程；将电网电压分解为正序电压、负序电压、正序电流和负序电 流，并根据所述正序电压、负序电压、正序电流和负序电流将VSG输出的有功功率和无功 功率分解为平均分量和波动分量，以分析虚拟同步发电机在电网电压不平衡时运行面对的 功率波动和三相电流失衡问题；根据三相电压信号计算dq轴电流的参考指令，以使所述平 均分量等于虚拟同步发电机的设定值和抑制负序电流；以及将所述电流的参考指令转化为 PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）电压调制信号，并通过所述PffM电压调制信 号控制所述虚拟同步发电机运行，从而使所述虚拟同步发电机的输出三相电流达到平衡。
[0009] 根据本发明实施例提出的虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制方法，通过将 电网电压分解为正序电压、负序电压、正序电流和负序电流，根据它们的关系分析虚拟同步 发电机在电网电压不平衡时运行面对的功率波动和三相电流失衡问题，并且通过计算dq 轴电流的参考指令，从而使平均分量等于虚拟同步发电机的设定值和抑制负序电流，最后 通过将参考指令转化为PWM电压调制信号，实现虚拟同步发电机的三相电流达到平衡的目 的，即使VSG在电网三相电压不平衡时依然能输出三相平衡电流，从而更好地保证电网运 行的稳定性，不但安全可靠，而且简单便捷。
[0010] 另外，根据本发明上述实施例的虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制方法还 可以具有如下附加的技术特征：
[0011] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述VSG转子运动方程为：
[0013] 其中，J为虚拟转动惯量，ω为VSG虚拟角速度，1"和?\分别为虚拟机械转矩和电 磁转矩，D为阻尼系数，ω。为同步角速度的参考值。
[0014] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述VSG虚拟励磁方程为：
[0016] 其中，Mf为转子与一相定子间互感的最大值，i f为励磁电流的大小，K为励磁调节 的惯性系数。
[0017] 进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式计算所述dq轴电流的参考指 令：
[0019] 其中，（丨4为正序电流的dq分量，L和R为从逆变器到电网之间的总电感和总电 阻，s为微分算子，ω为VSG虚拟角速度。
[0020] 进一步地，在本发明的一个实施例中，通过陷波器滤除分解过程中生成的2次谐 波电压，以分解得到所述正序电压。
[0021] 本发明另一方面实施例提出了一种虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制装 置，包括：构建模块，用于建立模仿同步发电机机械特性的VSG的转子运动方程和电磁特 性的VSG虚拟励磁方程；分解模块，用于将电网电压分解为正序电压、负序电压、正序电流 和负序电流，并根据正序电压、负序电压、正序电流和负序电流将VSG输出的有功功率和无 功功率分解为平均分量和波动分量，以分析虚拟同步发电机在电网电压不平衡时运行面对 的功率波动和三相电流失衡问题；计算模块，用于根据三相电压信号计算dq轴电流的参考 指令，以使所述平均分量等于虚拟同步发电机的设定值和抑制负序电流；以及控制模块，用 于将所述电流的参考指令转化为PWM电压调制信号，并通过所述PWM电压调制信号控制所 述虚拟同步发电机运行，从而使所述虚拟同步发电机的三相电流达到平衡。
[0022] 根据本发明实施例提出的虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制装置，通过将 电网电压分解为正序电压、负序电压、正序电流和负序电流，从而分析虚拟同步发电机在电 网电压不平衡时运行面对的功率波动和三相电流失衡问题，并且通过计算dq轴电流的参 考指令，从而使平均分量等于虚拟同步发电机的设定值和抑制负序电流，最后通过将参考 指令转化为PWM电压调制信号，实现虚拟同步发电机的三相电流达到平衡的目的，即使VSG 在电网三相电压不平衡时依然能输出三相平衡电流，从而更好地保证电网运行的稳定性， 不但安全可靠，而且简单便捷。
[0023] 另外，根据本发明上述实施例的虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制装置还 可以具有如下附加的技术特征：、
[0024] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述VSG转子运动方程为：
[0026] 其中，J为虚拟转动惯量，ω为VSG虚拟角速度，1"和?\分别为虚拟机械转矩和电 磁转矩，D为阻尼系数，ω。为同步角速度的参考值。
[0027] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述VSG虚拟励磁方程为：
[0029] 其中，Mf为转子与一相定子间互感的最大值，i f为励磁电流的大小，K为励磁调节 的惯性系数。
[0030] 进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式计算所述dq轴电流的参考指 令：
[0032] 其中，Ο〗为正序电流的dq分量，L和R为从逆变器到电网之间的总电感和总电 阻，s为微分算子，ω为VSG虚拟角速度。
[0033] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述分解模块还用于通过陷波器滤除分解 过程中生成的2次谐波电压，以分解得到所述正序电压。
[0034] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0035] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0036] 图1为根据本发明实施例的虚拟同步发电机的三相不平衡电流的控制方法的流 程图；
[0037] 图2为根据本发明一个实施例的VSG基础拓扑连接结构示意图；
[0038] 图3为根据本发明一个实施例的电流内环控制的结构示意图；
[0039] 图4为根据本发明一个实施例的增加了负序电流抑制的VSG控制的结构示意图；
[0040] 图5为现有技术中在单相短路时，VSG控制下的电流输出波形示意图；
[0041] 图6为根据本发明一个实施例的在单相短路时，VSG控制下的电流输出波形示意 图；
[0042] 图7为现有技术和根据本发明一个实施例在单相短路时，VSG控制下的输出功率 的对比不意图；以及
[0043] 图8为根据本发明实施例的虚拟同步发电机的三相电流的控制装置的结构示意 图。
【具体实施方式】
[0044] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0045] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或 者隐含地包括一个或者更多个该特征。