基于正弦幅值积分法前馈量提取的虚拟同步机控制方法与流程

1.本发明基于正弦幅值积分法前馈量提取的虚拟同步机控制方法属于分布式能源变流器的技术领域，特别涉及一种基于正弦幅值积分法前馈量提取的虚拟同步发电机控制方法。


背景技术：

2.当前，新能源如光伏和风力发电的应用越来越广泛，其发电比例在电网中占比也逐年提升。由于新能源发电系统受外界环境影响，其输出存在一定随机性和波动性，大量新能源并网接入对电网的稳定运行带来挑战，同时，相比于常规大容量发电机组，基于电力电子变流器的分布式发电系统惯性和阻尼小，使得高渗透率新能源接入下电网系统对功率波动更为敏感，系统稳定性问题更为严重，亟需从根源上找到解决上述问题的办法。
3.传统的同步发电机能够对电网稳定运行提供良好支撑，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)模拟同步发电机的运行特性，通过对新能源并网逆变器的调控使其与同步发电机具有类似的外特性，从而提升电网运行的稳定性。常规的vsg控制方案基于对称电网电压，针对三相电网电压不对称和电网存在谐波等实际电网工况，会导致电流畸变、功率波动等问题，进一步恶化电网质量。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述不足之处提供一种基于正弦幅值积分法前馈量提取的虚拟同步控制方法，结合正弦幅值积分方法提出实时提取出电网负序和谐波分量方法，开展了vsg并网适应性控制方法，改善了vsg机理及其工作特性，通过构建电网电压负序和低次谐波分量前馈控制方案，减小了并网电流控制器的负担并实现电网适应性控制。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.基于正弦幅值积分法前馈量提取的虚拟同步机控制方法，包括vsg环节、sai环节和前馈环节；vsg环节提供了一种并网逆变器模拟同步发电机的调控模式，通过控制策略实现了等效于常规同步发电机的运行性能，提升新能源接入电网下的控制特性；sai环节实时提取电网负序和谐波分量；前馈环节根据sai环节提供的电网电压负序和谐波分量，通过在控制器中加入前馈，实现对并网谐波的抑制，使vsg在非理想电网电压下实现电网电压负序分量和谐波分量的完全抵消。
7.所述vsg环节为基于同步发电机二阶等效模型，结合转子运动方程和定子电气方程，虚拟同步机机械部分和电磁部分的模型如下：
[0008][0009]
其中，v表示端电压，e表示感应电动势，i表示定子电枢电流，r表示定子绕组电枢电阻，l表示电机定子绕组自感，mf表示转子之间互感的最大值，if表示转子励磁电流，θ表示转子绕组磁场轴线与a相定子绕组轴线的夹角，j表示同步电机转动部分的转动惯量，ω表示同步电机的转动角速度，tm表示虚拟机械转矩，te表示电磁转矩，d
p
表示同步电机的摩擦系数，ωr表示基准转动角速度，p表示并网有功，q表示并网无功。
[0010]
sai环节即正弦幅值积分器环节，其负反馈部分包含以下2个闭环复系数传递函数：
[0011][0012][0013]
其中k为影响因子，选取k值为以确保可将对应谐波分量准确快速的提取出来，n为谐波次数，w0为基波的角频率。
[0014]
所述正弦幅值积分的正序和负序结构复系数分别为：
[0015][0016][0017]
其中n为谐波次数，w0为基波的角频率。
[0018]
s是拉普拉斯变换的复数变量符号，j是复数变量虚部的符号。
[0019]
所述前馈为基于正弦幅值积分法实时提取的电压谐波、不对称分量直接加到pwm产生模块前的电压矢量中，使vsg在非理想电网电压下实现电网电压负序分量和谐波分量的完全抵消。
[0020]
本发明所达到的有益效果：
[0021]
1、本发明可以克服低次负序分量和谐波分量对控制的影响，提高并网特性；
[0022]
2、本发明无需改变vsg控制器设计和控制参数，既可保持vsg特有电压源的属性，
又能在电网电压不平衡和电网电压含谐波时都能有效地控制输出三相平衡电流；
[0023]
3、本发明所提前馈控制无需经过vsg控制器环节而产生额外延时且能实时完成补偿，因此不仅能够有效提升虚拟同步电机控制对电网的适应性，而且有利于减小有功功率和无功功率振荡；
[0024]
4、本发明控制方法不依赖于电网电压的不平衡类型和线路参数，且不需要故障检测和控制模式切换，控制结构简单，易于工程实现。
附图说明
[0025]
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
[0026]
图1为虚拟同步机控制框图；
[0027]
图2为正序的正弦幅值积分结构图；
[0028]
图3为负序的正弦幅值积分结构图；
[0029]
图4为正弦幅值积分负反馈构建结构图；
[0030]
图5为同步逆变器输出电流控制框图；
[0031]
图6为基于正弦幅值积分法前馈量提取的虚拟同步机控制方法原理图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图1～6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。
[0033]
如图1所示，vsg环节为基于同步发电机二阶等效模型，结合转子运动方程和定子电气方程，虚拟同步机机械部分和电磁部分的模型如下：
[0034][0035]
其中，v表示端电压，e表示感应电动势，i表示定子电枢电流，r表示定子绕组电枢电阻，l表示电机定子绕组自感，mf表示转子之间互感的最大值，if表示转子励磁电流，θ表示转子绕组磁场轴线与a相定子绕组轴线的夹角，j表示同步电机转动部分的转动惯量，ω表示同步电机的转动角速度，tm表示虚拟机械转矩，te表示电磁转矩，d
p
表示同步电机的摩擦系数，ωr表示基准转动角速度，p表示并网有功，q表示并网无功。
[0036]
当输入为正交信号时，可得到其复系数传递函数表达式：
[0037]
[0038][0039]
上述式(2)的具体结构图参见图2、图3。式(2)和式(3)的伯德图表明，正弦幅值积分在对应频率处幅值增益为无穷大，且输出无相位延时，利用以上特征可构建如图4所示的负反馈系统，得到对应的闭环复系数传递函数，如下式(4)对应正序谐波检测，式(5)对应负序谐波检测。
[0040][0041][0042]
式中k为影响因子，选取k值为以确保可将对应谐波分量准确快速的提取出来。
[0043]
图5为vsg电感电流的控制实现方法，由功率外环控制直接产生感应电动势，并与电网电压作用于电感两端，利用两者差值控制电感电流的变化趋势。并网逆变器的滤波方式为单电感时，并网电流ig与电感电流i
l
的控制完全等效。此时，推导得到的并网电流传递函数为：
[0044][0045]
由上式可见，并网电流受两方面影响：1、功率外环得到的输出感应电动势e。实际电压和电流中存在的谐波将导致输出功率并非为稳定值，功率环e1存在电网负序及低次谐波分量。2、电网电压的扰动量ug。包含背景谐波的电网电压ug也会影响并网电流质量。因此，当电网非理想时，存在的三相电压不平衡和电网电压谐波都会带来并网电流不平衡和谐波，降低入网电流品质。
[0046]
由于正弦幅值积分法既可以提取电网中的负序分量，也可以提取谐波分量，因此可采用正弦幅值积分法来提取特定次电压分量。图6为基于正弦幅值积分法(sai)的特定次电网电压分量前馈控制方案。为了获得电网电压的负序和各次谐波分量，需要利用正弦幅值积分器从电网电压中提取各次电压分量，再将到的各分量乘以某个比例系数，前馈至pwm模块。从等效数学模型来说，由于逆变器开关频率远大于工频，逆变器传递函数可等效为比例环节，因此只要能精确检测出电网电压的负序以及谐波分量，就可以在控制中完全补偿其影响。如图5、图6所示，k
svpwm
是逆变器pwm传递函数，在反馈回路中设置其倒数即可实现特定的低次谐波完全抵消。图中nm(m＝1,2,3
…
)为电压谐波分量的次数，电网存在三相电压不平衡时，可以通过上述谐波提取方法实现电网电压负序分量的前馈，此时取n1＝-1；当电网中含有谐波时，例如电网存在5次和7次谐波分量，由于五次为负序分量，故n5＝-5；7次为正序分量，可取n7＝ 7。
[0047]
常规的虚拟同步机控制策略中仅考虑电网三相平衡工况，三相逆变器仅输出正序电压分量，无法抵消电网中的负序分量，在电网存在三相不平衡时并网电流出现严重畸变等问题，而通过正弦幅值积分法提取出电网负序分量进行前馈，可以简单有效的抵消电网
中的负序分量，同时不影响虚拟同步机控制实现，满足电网三相不平衡时的并网控制要求。电感电流由加在电感两端的电压差决定，加入电压分量前馈控制后，电网中存在的负序和谐波分量通过逆变器端电压输出，因而两者在电感两端互相抵消，从而保证并网电流只有电网正序分量，实现了非理想电网下vsg的电网适应性控制问题。由于前馈的引入，电网侧的负序和谐波等分量可以抵消，无需通过虚拟同步机的控制来实现抑制，一方面减小了控制器负担，同时对动态性能也会有所改善，这也有利于提升可再生能源波动出力情况下的并网控制性能；另一方面，控制上并未改变虚拟同步机控制方案，但前馈控制的引入有利于减小有功及无功振荡。
[0048]
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。