一种虚拟同步发电机零电压穿越控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术的一种虚拟同步发电机控制系统及控制方法，在传统虚拟同步发电机结构的基础上，增加电压检测环节。首先改进传统的虚拟同步发电机结构，增加电压检测环节，采用降阶谐振调节器法对故障中的正负序分量进行分离，通过判断负序电压幅值的大小来判定是对称故障还是非对称故障。分别设计对称故障和不对称下的控制策略，采用基于正序电压直接前馈的方法快速抑制由于电网电压跌落引起的过电流，同时根据低电压穿越技术要求来提供相应的无功功率。本发明专利技术实现了电网电压跌落瞬间快速抑制过电流和迅速补偿无功功率等零电压穿越技术要求，零电压穿越是低电压穿越的极限情况，若能实现零电压穿越势必满足低电压穿越技术要求。

A Zero Voltage Traverse Control System and Control Method for Virtual Synchronous Generator

The virtual synchronous generator control system and control method of the invention add a voltage detection link on the basis of the traditional virtual synchronous generator structure. Firstly, the traditional structure of virtual synchronous generator is improved, and the voltage detection link is added. The positive and negative sequence components in the fault are separated by the reduced-order resonant regulator method. By judging the magnitude of the negative sequence voltage, the symmetrical fault or the asymmetrical fault can be determined. The control strategies under symmetrical faults and asymmetrical conditions are designed respectively. The method of direct feed-forward based on positive sequence voltage is used to quickly suppress the over-current caused by voltage sag of power grid. At the same time, the corresponding reactive power is provided according to the technical requirements of low voltage traversing. The invention realizes the technical requirements of zero voltage crossing such as fast suppression of overcurrent and quick compensation of reactive power in the instant of voltage sag of power grid. Zero voltage crossing is the limit of low voltage crossing. If zero voltage crossing can be realized, the technical requirements of low voltage crossing will be met.

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟同步发电机零电压穿越控制系统及控制方法
本专利技术属于多功能逆变器控制
，具体涉及一种虚拟同步发电机控制系统及控制方法。
技术介绍
由于分布式能源的大量接入，传统的并网发电系统已不能满足分布式发电系统的需求，逆变器成为分布式并网发电系统的主要设备，如此带来的问题是大量的电子设备给电力系统的稳定运行在一定程度上造成了威胁。为了传承传统同步发电机的阻尼和惯性大的特点，国内外学者将虚拟同步机算法引入到逆变器中，即模拟同步发电机的机电特性，故出现了虚拟同步发电机的研究。国内外学者在虚拟同步发电机领域已做了很多研究，包括结构改进、参数设计、同调等值等，但是在低电压穿越技术方面研究甚少，由于分布式能源的渗透率逐渐增加，在电网电压跌落时如若切出电网，势必对电力系统的稳定运行造成极大危害，所以低电压穿越技术要求在电网电压跌落时，要使系统仍能维持并网运行直到电网电压恢复，而零电压穿越是低电压穿越的一个极限，如果能满足零电压穿越势必满足低电压穿越技术要求。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种虚拟同步发电机控制系统及控制方法，不仅可以为电网提供良好的惯性和阻尼支撑，灵活参与系统的调频调压，还可以在电网电压跌落时向电网迅速提供无功功率，具备低电压穿越能力。本专利技术提供一种虚拟同步发电机零电压穿越控制系统，包括：三相全桥逆变器、第一阶滤波器、第二阶滤波器、电流正负序分离单元、电压正负序分离单元、电压幅值检测单元、VSG控制单元、PI调节单元和SPWM调制单元；三相全桥逆变器、第一阶滤波器和第二阶滤波器依次连接；电流正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电流并进行dq变换和正负序电流的分离；电压正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电压并进行dq变换和正负序电压的分离；电压幅值检测单元用于检测负序电压的幅值并根据检测结果选取输入到VSG控制单元的有功功率参考值和无功功率参考值；VSG控制单元采集并网点的频率、有功功率、无功功率和瞬时电压计算获得电网相位角和励磁电动势，电网相位角和励磁电动势经三相合成后得出VSG输出电压，VSG输出电压经过dq变换，得到d轴电压和q轴电压；d轴电压和经正负序分离后的瞬时d轴电压做差，q轴电压和经正负序分离后的瞬时q轴电压做差，再分别经过PI调节获得d轴参考电流和q轴参考电流；d轴参考电流和经正负序分离后的瞬时d轴电流做差，q轴参考电流和经正负序分离后的瞬时q轴电流做差，再分别经过PI调节获得d轴端电压和q轴端电压；d轴端电压和q轴端电压经坐标变换转换为三相端电压后经过SPWM调制返回给三相全桥逆变器。本专利技术提供一种虚拟同步发电机零电压穿越控制方法，包括如下步骤：步骤1：采集经滤波后的瞬时电压和瞬时电流；步骤2：对瞬时电压进行dq变换和正负序电压分离，对瞬时电流进行dq变换和正负序电流分离；步骤3：检测负序电压的幅值并根据检测结果判断是对称故障或非对称故障，进而选取有功功率参考值和无功功率参考值；步骤4：采集并网点的频率、有功功率、无功功率和瞬时电压，并根据选取的功功率参考值和无功功率参考值计算获得电网相位角和励磁电动势；步骤5：电网相位角和励磁电动势经三相合成和dq变换，得到d轴电压和q轴电压；步骤6：d轴电压和经正负序分离后的瞬时d轴电压做差，q轴电压和经正负序分离后的瞬时q轴电压做差，再分别经过PI调节获得d轴参考电流和q轴参考电流；步骤7：d轴参考电流和经正负序分离后的瞬时d轴电流做差，q轴参考电流和经正负序分离后的瞬时q轴电流做差，再分别经过PI调节获得d轴端电压和q轴端电压；步骤8：d轴端电压和q轴端电压经坐标变换转换为三相端电压后经过SPWM调制返回给三相全桥逆变器。本专利技术提供的一种虚拟同步发电机控制系统及控制方法，是在传统虚拟同步发电机结构的基础上，增加电压检测环节，并针对不同故障类型设计不同的控制策略，达到电网电压跌落时快速抑制过电流并提供无功功率，以实现电网电压跌落时系统不切出电网仍能维持并网运行。本设计主要包含以下几部分内容：首先改进传统的虚拟同步发电机结构，增加电压检测环节，采用降阶谐振调节器法对故障中的正负序分量进行分离，通过判断负序电压幅值的大小来判定是对称故障还是非对称故障。然后分别设计对称故障和不对称下的控制策略，采用基于正序电压直接前馈的方法快速抑制由于电网电压跌落引起的过电流，同时根据低电压穿越技术要求来提供相应的无功功率。对于非对称故障设计负序电流的抑制环节。通过以上内容，本专利技术实现了电网电压跌落瞬间快速抑制过电流和迅速补偿无功功率等零电压穿越技术要求，零电压穿越是低电压穿越的极限情况，若能实现零电压穿越势必满足低电压穿越技术要求。建立在传统的虚拟同步发电机控制策略的基础上，不仅弥补了逆变器低惯性、低阻尼的缺点，还可以在电网电压跌落时，可维持系统不脱网运行，为系统快速提供无功支撑，以使电网电压迅速恢复重新达到并网运行状态。附图说明图1为本专利技术的一种虚拟同步发电机控制系统的拓扑结构图；图2为本专利技术的正负序分离的控制框图；图3为本专利技术的基于电压前馈的控制框图；图4为本专利技术所参照的低电压穿越技术要求图。具体实施方式图1为本专利技术的一种虚拟同步发电机控制系统的拓扑结构图，包括：三相全桥逆变器1、第一阶滤波器2、第二阶滤波器3、电流正负序分离单元4、电压正负序分离单元5、电压幅值检测单元6、VSG控制单元7、第一PI调节单元8、第二PI调节单元9和SPWM调制单元10。三相全桥逆变器1、第一阶滤波器2和第二阶滤波器3依次连接。第一阶滤波器2包括三个电感，具有去除电流纹波的作用。第二阶滤波器3由电感和电容构成，电容的作用是滤除输出电流中的高频交流成分，电感的作用是去除并网电流中的谐波成分。当电网电压跌落时，通过电流正负序分离单元4采集经第二阶滤波器3滤波后的瞬时电流并进行dq变换和正负序电流的分离，分离出瞬时d轴正序电流和瞬时q轴正序电流。通过电压正负序分离单元5采集经第二阶滤波器3滤波后的瞬时电压并进行dq变换和正负序电压的分离，分离出瞬时d轴正序电压和瞬时q轴正序电压。电压幅值检测单元6用于检测负序电压的幅值并根据检测结果选取输入到VSG控制单元7的有功功率参考值和无功功率参考值。VSG控制单元7采集并网点的频率f、有功功率P0、无功功率Q0和瞬时电压uabc计算获得电网相位角θ和励磁电动势u，电网相位角θ和励磁电动势u经三相合成后得出VSG输出电压Uabc，VSG输出电压Uabc经过dq变换，得到d轴电压ud和q轴电压uq；d轴电压ud和经正负序分离后的瞬时d轴电压ud++ud-做差，q轴电压uq和经正负序分离后的瞬时q轴电压uq++uq-做差，再分别经第一PI调节获得d轴参考电流id和q轴参考电流iq；d轴参考电流id和经正负序分离后的瞬时d轴电流id++id-做差，q轴参考电流iq和经正负序分离后的瞬时q轴电流iq++iq-做差，再分别经过第二PI调节获得d轴端电压ud*和q轴端电压uq*；d轴端电压ud*和q轴端电压uq*经坐标变换转换为三相端电压后经过SPWM调制单元10返回给三相全桥逆变器1。当电压幅值检测单元6检测出负序电压的幅值接近零时，则可判断为对称故障，有功功率的参考值接入2点，无功功率的参考值接入1点，有功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟同步发电机零电压穿越控制系统，其特征在于，包括：三相全桥逆变器、第一阶滤波器、第二阶滤波器、电流正负序分离单元、电压正负序分离单元、电压幅值检测单元、VSG控制单元、PI调节单元和SPWM调制单元；三相全桥逆变器、第一阶滤波器和第二阶滤波器依次连接；电流正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电流并进行dq变换和正负序电流的分离；电压正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电压并进行dq变换和正负序电压的分离；电压幅值检测单元用于检测负序电压的幅值并根据检测结果选取输入到VSG控制单元的有功功率参考值和无功功率参考值；VSG控制单元采集并网点的频率、有功功率、无功功率和瞬时电压计算获得电网相位角和励磁电动势，电网相位角和励磁电动势经三相合成后得出VSG输出电压，VSG输出电压经过dq变换，得到d轴电压和q轴电压；d轴电压和经正负序分离后的瞬时d轴电压做差，q轴电压和经正负序分离后的瞬时q轴电压做差，再分别经过PI调节获得d轴参考电流和q轴参考电流；d轴参考电流和经正负序分离后的瞬时d轴电流做差，q轴参考电流和经正负序分离后的瞬时q轴电流做差，再分别经过PI调节获得d轴端电压和q轴端电压；d轴端电压和q轴端电压经坐标变换转换为三相端电压后经过SPWM调制返回给三相全桥逆变器。...

【技术特征摘要】
1.一种虚拟同步发电机零电压穿越控制系统，其特征在于，包括：三相全桥逆变器、第一阶滤波器、第二阶滤波器、电流正负序分离单元、电压正负序分离单元、电压幅值检测单元、VSG控制单元、PI调节单元和SPWM调制单元；三相全桥逆变器、第一阶滤波器和第二阶滤波器依次连接；电流正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电流并进行dq变换和正负序电流的分离；电压正负序分离单元采集经第二阶滤波器滤波后的瞬时电压并进行dq变换和正负序电压的分离；电压幅值检测单元用于检测负序电压的幅值并根据检测结果选取输入到VSG控制单元的有功功率参考值和无功功率参考值；VSG控制单元采集并网点的频率、有功功率、无功功率和瞬时电压计算获得电网相位角和励磁电动势，电网相位角和励磁电动势经三相合成后得出VSG输出电压，VSG输出电压经过dq变换，得到d轴电压和q轴电压；d轴电压和经正负序分离后的瞬时d轴电压做差，q轴电压和经正负序分离后的瞬时q轴电压做差，再分别经过PI调节获得d轴参考电流和q轴参考电流；d轴参考电流和经正负序分离后的瞬时d轴电流做差，q轴参考电流和经正负序分离后的瞬时q轴电流做差，再分别经过PI调节获得d轴端电压和q轴端电压；d轴端电压和q轴端电压经坐标变换转换为三相端电压后经过SPWM调制返回给三相全桥逆变器。2.如权利要求1所述的虚拟同步发电机零电压穿越控制系统，其特征在于，当电压幅值检测单元检测出负序电压的幅值接近零时，则可判断为对称故障，有功功率参考值和无功功率参考值，根据下式计算：其中，Qmax为无功功率最大值，S为视在功率，Pref为有功功率参考值，uinv为三相全桥逆变器输出电压，ug为电网电压，θ为电网相位角，X为线路阻抗；当检测出负序电压的幅值远大于零时，则可判断为非对称故障，有功功率参考值和无功功率参考值，根据下式计算：其中，P0为有功功率，为经正负序分离后的瞬时d轴正序电压，为经正负序分...

【专利技术属性】
技术研发人员：于佳卉，王大志，王海洋，周迎宾，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21