基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法及系统技术方案

一种基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法，通过采集三相逆变器电感电流、电容电压以及电网电压，计算系统理论传输功率从而得到传输功率的微分项以及系统稳态工作点来确定虚拟阻抗数值；通过虚拟阻抗进行电压补偿，计算电压补偿后的无功电压环的输出电压有效值；结合有功—频率环输出相角通过电压电流双环对三相逆变器电感电流及电容电压进行控制，得到的调制波信号经PWM调制最终实现对三相逆变器开关管的通断控制。本发明专利技术的虚拟阻抗的数值与电路拓扑、系统控制参数以及运行工况均有关，因此基于虚拟阻抗的电压补偿方法适用于不同控制系统以及不同运行工况，达到自适应的效果，进一步提升了控制系统的运行性能。

【技术实现步骤摘要】
基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法及系统
本专利技术涉及三相逆变器并网控制技术，尤其是基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法及系统。
技术介绍
虚拟同步电机技术通过模拟传统同步发电机运行特性，在传统下垂控制的基础上为三相逆变器并网工作提供了一定的惯量和阻尼支撑，具备良好的频率、电压支撑与调节作用，目前已得到了广泛的研究与应用。但是，在中低压配电网场景下，由于电网的线路阻抗往往呈现感性甚至阻性，使得该条件下三相逆变器并网工作传输的有功功率与无功功率耦合明显，严重影响系统运行性能。因此如何实现有功功率与无功功率的耦合问题，是虚拟同步电机技术在实际得到进一步应用的难点之一。引入虚拟阻抗控制是解决上述功率耦合问题的有效方法之一。其通过在控制回路中引入虚拟阻抗将实际线路阻抗等效为感性，从控制策略上完成了功率解耦，有效地解决了中低压线路中的功率耦合问题。但是，现有的虚拟阻抗控制方法对三相逆变器系统在传输功率时的动态响应研究甚少，同时虚拟阻抗的具体参数设计也鲜有提及，因此亟需针对以上问题对基于虚拟阻抗控制实现功率解耦的解决方案作进一步研究。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于二阶响应补偿的型虚拟同步发电机控制方法及系统。本专利技术具体采用以下技术方案：一种基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：步骤1：分别采集三相逆变器输出侧滤波电感电流信号ila,b,c、滤波电容电压信号uca,b,c以及电网侧电压信号uga,b,c；步骤2：根据所述滤波电感电流信号ila,b,c、滤波容电压信号uca,b,c以及电网侧电压信号uga,b,c计算系统理论传输有功功率P和无功功率Q，计算关于电容电压有效值Uc及电容电压与电网电压之间的相角θ的偏导，得到偏导矩阵K，并提取矩阵中的元素K12、K21、K22，其中下标表示该元素在矩阵中的位置；步骤3：将所述滤波电感电流信号ila,b,c、滤波电容电压信号uca,b,c经Park变换转移至dq坐标系下，对应得到电感电流ildq、电容电压ucdq，估算稳态工作点电压Ucdq、稳态工作点电流Ildq；步骤4：根据偏导矩阵元素K12、K21、K22以及稳所述态工作点电压Ucdq、稳态工作点电流Ildq，计算得到d轴二阶虚拟电抗Lvd1、d轴一阶虚拟电抗Lvd2及d轴虚拟电阻Rvd和q轴二阶虚拟电抗Lvq1、q轴一阶虚拟电抗Lvq2及q轴虚拟电阻Rvd，形成用于电压补偿的虚拟阻抗；步骤5：将虚拟阻抗代入电压补偿方程，确定电压补偿量ucomp；步骤6：计算三相逆变器实际输出无功功率Qe，根据加入电压补偿量ucomp后的无功功率环路控制方程，计算得到无功—电压环输出电压有效值E；步骤7：计算三相逆变器实际输出有功功率Pe，根据有功功率环路控制方程，计算得到有功—频率环输出电压相角θ；步骤8：将所述步骤6的计算结果送入电压电流双环，对电感电流ildq、电容电压ucdq进行控制，产生调制波信号并送入PWM调制模块；步骤9：从PWM调制模块产生开关管时序，以此控制并驱动三相逆变器各开关管的通断状态，使三相逆变器在具备同步发电机特性的同时实现功率解耦。本专利技术还进一步采用以下优选技术方案：所述步骤2还包括以下步骤：步骤201，根据在所述步骤1中采集的所述滤波电感电流信号ila,b,c、滤波电容电压信号uca,b,c以及电网侧电压信号uga,b,c，确定电容电压有效值Uc及电网电压信号有效值Ug；步骤202：通过以下公式计算系统理论传输有功功率P和无功功率Q：式中，I为并网电流；P、Q分别为三相逆变器向电网传输的系统理论有功功率和无功功率；Uc为电容电压有效值、Ug为电网电压信号有效值、θ为电容电压与电网电压之间的相角，当电网电压设为基准电压时，θ为有功-频率环输出值；线路阻抗为其中Xg为线路电感，Lg对应的线路感抗，Rg为线路电阻，为阻抗角。步骤203，分别求所述系统理论有功功率P、系统理论无功功率Q关于电容电压有效值Uc及电容电压Ug与电网电压之间的相角θ的偏导，通过以下公式求得传输功率对电压有效值与相角的微分项系数Kij：其中，i与j分别代表矩阵中的行、列数，取值为1，2，提取矩阵元素K12、K21、K22。所述步骤3包括如下步骤：步骤301，将电感电流信号ila，b，c、电容电压信号uca，b，c代入以下公式中的xa、xb、xc，经Park变换转移至dq坐标系下，对应得到电感电流ildq、电容电压ucdq：其中，ω0为系统额定角频率；步骤302，根据系统传输功率的具体运行工况，估算电感电流ildq、电容电压ucdq对应的稳态工作点电压Ucdq、稳态工作点电流Ildq。所述步骤4中，根据以下公式确定虚拟阻抗数值：其中，L为三相逆变器滤波电感，RL为对应的寄生电阻；DQ为无功—电压环中的下垂系数，k为无功—电压环中的等效惯性系数；ω0为系统额定角频率；Lvd1为d轴二阶虚拟电抗，Lvd2为d轴一阶虚拟电抗，Rvd为d轴虚拟电阻，Lvq1为q轴二阶虚拟电抗，Lvq2为q轴一阶虚拟电抗，Rvqq为轴虚拟电阻；Ild、Ilq分别为滤波电感的稳态工作点电流在d、q轴的数值，Ucd、Ucq为滤波电容的稳态工作点电压在d、q轴的数值。所述虚拟阻抗数值计算方法根据电感电流ildq、电容电压ucdq的变化，实时更新稳态工作点的估算值，并实时更新虚拟阻抗数值。所述步骤5中，根据以下公式计算电压补偿量ucomp：所述步骤6包括如下步骤：步骤601，根据以下公式，计算三相逆变器实际输出无功功率Qe：步骤602，将电压补偿量ucomp加入无功—电压环，并计算无功—电压环输出电压有效值E：式中，Qset为无功—电压环中人为设定的无功功率给定值，Qe为三相逆变器的实际输出无功功率，DQ为无功—电压下垂系数，K为无功—电压环中的等效惯性系数；Ecd为额定实际输出电压；ucd为额定实际输出电压经Park变换后在dq坐标系下的值；E为无功—电压功率环输出电压有效值。所述步骤7包括如下步骤：步骤701，根据以下公式计算三相逆变器实际输出有功功率Pe：步骤702，根据以下公式对有功—频率环进行计算并得到输出角频率ω，最终经积分得到所述电容电压与电网电压之间的相角θ：式中，Pset为有功环中人为设定的有功功率给定值，DP为有功—频率下垂系数，J为转动惯量；ωn为额定输出角频率，ω为实际输出角频率。有功—频率环计算结果θ用于控制环路内所有Park坐标变换及反变换。所述步骤8包括如下步骤：步骤801，以无功—电压环的输出电压有效值E作为电压电流双环中电压外环的计算参考值，利用比例—积分调节对三相逆变器电容电压进行控制；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：/n步骤1：分别采集三相逆变器输出侧滤波电感电流信号i

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
步骤1：分别采集三相逆变器输出侧滤波电感电流信号ila,b,c、滤波电容电压信号uca,b,c以及电网侧电压信号uga,b,c；
步骤2：根据所述滤波电感电流信号ila,b,c、滤波容电压信号uca,b,c以及电网侧电压信号uga,b,c计算系统理论传输有功功率P和无功功率Q，计算关于电容电压有效值Uc及电容电压与电网电压之间的相角θ的偏导，得到偏导矩阵K，并提取矩阵中的元素K12、K21、K22，其中下标表示该元素在矩阵中的位置；
步骤3：将所述滤波电感电流信号ila,b,c、滤波电容电压信号uca,b,c经Park变换转移至dq坐标系下，对应得到电感电流ildq、电容电压ucdq，估算稳态工作点电压Ucdq、稳态工作点电流Ildq；
步骤4：根据偏导矩阵元素K12、K21、K22以及稳所述态工作点电压Ucdq、稳态工作点电流Ildq，计算得到d轴二阶虚拟电抗Lvd1、d轴一阶虚拟电抗Lvd2及d轴虚拟电阻Rvd和q轴二阶虚拟电抗Lvq1、q轴一阶虚拟电抗Lvq2及q轴虚拟电阻Rvd，形成用于电压补偿的虚拟阻抗；
步骤5：将虚拟阻抗代入电压补偿方程，确定电压补偿量ucomp；
步骤6：计算三相逆变器实际输出无功功率Qe，根据加入电压补偿量ucomp后的无功功率环路控制方程，计算得到无功—电压环输出电压有效值E；
步骤7：计算三相逆变器实际输出有功功率Pe，根据有功功率环路控制方程，计算得到有功—频率环输出电压相角θ；
步骤8：将所述步骤6的计算结果送入电压电流双环，对电感电流ildq、电容电压ucdq进行控制，产生调制波信号并送入PWM调制模块；
步骤9：从PWM调制模块产生开关管时序，以此控制并驱动三相逆变器各开关管的通断状态，使三相逆变器在具备同步发电机特性的同时实现功率解耦。


2.根据权利要求1所述的基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，
所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤201，根据在所述步骤1中采集的所述滤波电感电流信号ila,b,c、滤波电容电压信号uca,b,c以及电网侧电压信号uga,b,c，确定电容电压有效值Uc及电网电压信号有效值Ug；
步骤202：通过以下公式计算系统理论传输有功功率P和无功功率Q：



式中，I为并网电流；P、Q分别为三相逆变器向电网传输的系统理论有功功率和无功功率；Uc为电容电压有效值、Ug为电网电压信号有效值、θ为电容电压与电网电压之间的相角，当电网电压设为基准电压时，θ为有功—频率环输出值；线路阻抗为其中Xg为线路电感，Lg对应的线路感抗，Rg为线路电阻，为阻抗角。
步骤203，分别求所述系统理论有功功率P、系统理论无功功率Q关于电容电压有效值Uc及电容电压Ug与电网电压之间的相角θ的偏导，通过以下公式求得传输功率对电压有效值与相角的微分项系数Kij：



其中，i与j分别代表矩阵中的行、列数，取值为1,2，提取矩阵元素K12、K21、K22。


3.根据权利要求1所述的基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，
所述步骤3包括如下步骤：
步骤301，将电感电流信号ila,b,c、电容电压信号uca,b,c代入以下公式中的xa、xb、xc，经Park变换转移至dq坐标系下，对应得到电感电流ildq、电容电压ucdq：



其中，ω0为系统额定角频率；
步骤302，根据系统传输功率的具体运行工况，估算电感电流ildq、电容电压ucdq对应的稳态工作点电压Ucdq、稳态工作点电流Ildq。


4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于二阶响应电压补偿的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，
所述步骤4中，根据以下公式确定虚拟阻抗数值：



其中，L为三相逆变器滤波电感，RL为对应的寄生电阻；DQ为无功—电压环中的下垂系数，k为无功—电压环中的等效惯性系数；ω0为系统额定角频率；
Lvd1为d轴二阶虚拟电抗，Lvd2为d轴一阶虚拟电抗，Rvd为d轴虚拟电阻，Lvq1为q轴二阶虚拟电抗，Lvq2为q轴一阶虚拟电抗，Rvqq为轴虚拟电阻；Ild、Ilq分别为滤波电感的稳态工作点电流在d、q轴的数值，Ucd、Ucq为滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：成乐祥，李晨，王建华，李旭枫，王自桢，许洪华，徐荆州，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32