电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法

摘要

一种电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法，为了克服三相电网电压不平衡导致逆变器输出电流不平衡，有功功率、无功功率输出存在2倍工频幅值振荡大的问题，提出了不平衡改进控制方法。主要步骤包括以下：1)通过VSG的机械特性、无功功率‑电压幅值特性推算励磁电动势指令值；2)通过逆变器交流侧的滤波电感、等效电阻、电网电压和电压指令值的关系，采用dq轴坐标系分解，算出正序电流参考指令值；3)建立改进VSG不平衡控制模型策略来控制逆变器。当三相电网电压发生不平衡工况时，实现逆变器输出三相平衡电流，并有效降低有功功率和无功功率2倍工频幅值波动大的控制目标，从而有利于提高电网系统运行的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及能源发电系统并网控制的技术领域，特别是涉及一种电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法。

背景技术

近年来，可再生能源具有低碳、绿色的电力供给等优点得到普遍关注并获得极大的技术发展，其中具有代表性的是风力和光伏发电等组成的分布式发电。分布式发电具有节能环保、投资少、占地小、建设周期短等优点，其技术在电网中得到广泛支持与发展。

然而随着分布式发电系统装机容量的增加以及同步发电机装机容量的减少，导致电力系统具备转动惯量和旋转备用容量小，难以为电网提供惯性和阻尼支撑，将给电网安全稳定运行带来隐患。为解决这些问题，虚拟同步发电机的方案得到了推广应用，虚拟同步发电机(英文：Virtual Synchronous Generator，简称：VSG)通过将分布式电源模拟成传统同步发电机工作原理，使其具备一定的惯性和阻尼特性，尤其以传统电压型虚拟同步发电机的控制技术备受广泛关注和应用。在实际的应用过程中发现，实际电网中会不时地电压跌落或不平衡等故障问题，现有技术中的虚拟同步发电机的控制方法的跟随性控制方式将不合适；特别是由于现有虚拟同步发电机的控制技术不具备抑制负序电流控制手段，逆变器仍旧以三相电流不平衡、有功功率和无功功率存在2倍工频振幅大的方式输出并入电网，进一步加大电网的不平衡及振荡。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法。

本发明的技术方案是：一种电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法，含有下述步骤：

步骤1：在强电网下，虚拟同步发电机将表现于转子运动的机械特性及无功功率-电压幅值特性，通过虚拟同步发电机转子运动的机械特性、无功功率-电压幅值特性计算出励磁电动势指令值；

步骤2：为了抑制负序电压分量，同时忽略逆变器交流侧滤波电容支路作用，根据逆变器交流侧的滤波电感、等效电阻、电网电压和电压指令值的关系，采用dq轴坐标系分解的方法，计算出正序电流参考指令值；

步骤3：建立改进虚拟同步发电机不平衡控制模型策略；

步骤4：应用该改进虚拟同步发电机不平衡控制模型策略来控制逆变器。

进一步的来说，所述步骤1含有如下子步骤，

步骤1.1：建立二阶虚拟同步发电机机械方程

当分布式逆变器并入强电网工作环境时，由于高压电网特性，逆变器输出电压幅值及频率均被钳位，建立二阶虚拟同步发电机机械方程为：

式中，ω为VSG电角度速度，rad/s；

ω

J为VSG的转子转动惯量，kg·m

D为VSG的阻尼系数；

P

Pe为电网输出电磁有功功率；

步骤1.2：建立虚拟励磁器模型:

可由无功功率—电压调节和电压基准值可得：

U＝E

式中，U为为励磁电动势幅值

E

Q

Qe为电网输出无功功率；

K为无功功率调节系数；

步骤1.3：计算电网输出电磁有功功率值和无功功率计算电网输出电磁有功功率值和无功功率值分别为：

式中，e、i分别为电网电压、电流；上标“+”、“－”分别为正序、负序分量；下标“dp”、“qp”分别为正向同步旋转d轴、正向同步旋转q轴坐标系分量；下标“dn”、“qn”分别为负向同步旋转d轴、负向同步旋转q轴坐标系；

步骤1.4：根据式(1)，计算逆变器输出励磁电动势电压相位为：

θ＝∫ωdt (5)

步骤1.5：计算出逆变器交流侧输出的励磁电动势指令

联系式(2)、(5)，则逆变器交流侧输出的励磁电动势指令可表示为：

进一步的来说，步骤2含有以下子步骤，

步骤2.1：确定逆变器交流侧输出的励磁电动势指令与交流电流之间的关系，可表示为下式：

式中，R、L分别为逆变器和电网之间的等效电阻、等效电感；e

步骤2.2：确定正序电压、正序电流之间的关系

忽略逆变器交流侧滤波电容支路作用，采用dq坐标系分解式(7)，则正序电压、电流之间的关系为：

式中，e

步骤2.3：化简(8)式，得出正序电流参考指令；

为了便于计算和控制，忽略(8)式的二阶微分部分，可化简为：

进一步的来说，所述的步骤3中含有如下子步骤，

步骤3.1：确定逆变器输出瞬时有功功率和无功功率

当电网负载发生不平衡时，忽略电压电流高次谐波分量，逆变器输出瞬时有功功率和无功功率可表示为：

式中，P

步骤3.2：用dq旋转坐标系方法将式(10)表示为：

式中，上标“+”、“－”分别表示正序、负序分量；下标“dp”、“qp”分别表示正向同步旋转d轴、正向同步旋转q轴坐标系分量；下标“dn”、“qn”分别表示负向同步旋转d轴、负向同步旋转q轴坐标系；

步骤3.3：不平衡三相电压下，实现逆变器输出三相电流平衡，即抑制负序电流的出现；

将上式(11)的电压正序分量值

式中，上标“*”表示各控制量目标的指令值；

步骤3.4：消除输出有功功率2倍工频波动，即P

式中，k

步骤3.5：消除输出无功功率2倍工频波动，

即Q

上标“*”表示各控制量目标的指令值；

本发明的有益效果是：采用该电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法后，当三相电网电压不平衡度严重加深时，改进虚拟同步发电机不平衡控制方法仍然输出三相平衡负载电流，输出负载电流质量相比传统输出电流有所提高；同时输出有功、无功功率的2倍电网工频的幅度振荡比传统的小得多，改进后的虚拟同步发电机控制方法仍保留原有虚拟同步发电机的控制机理和特性。

附图说明

图1是本发明虚拟同步发电机主电路控制系统原理图；

图2是虚拟同步发电机输出励磁电动势指令值形成框图；

图3是改进虚拟同步发电机不平衡控制输出改进VSG不平衡控制输出正负序电流指令框图；

图4表示三相电网电压发生不平衡工况，A相电压降低到50％，B相电压降低为原电压的80％；

图5为图4中的局部放大图

图6是改进方法后的输出平衡电流；

图7为图6中的局部放大图

图8是传统虚拟同步发电机不平衡控制方法的输出电流；

图9改进虚拟同步发电机有功功率平衡控制方法输出值；

图10是传统虚拟同步发电机有功功率平衡控制方法输出值；

图11是改进虚拟同步发电机无功功率平衡控制方法输出值；

图12是传统虚拟同步发电机无功功率平衡控制方法输出值。

具体实施方式

下面结合附图来说明具体说明该发明的实施方式和使用过程。

实施例：参见图1-12，一种电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法，含有下述步骤：

步骤1：在强电网下，虚拟同步发电机将表现于转子运动的机械特性及无功功率-电压幅值特性，通过虚拟同步发电机转子运动的机械特性、无功功率-电压幅值特性计算出励磁电动势指令值；

步骤2：为了抑制负序电压分量，同时忽略逆变器交流侧滤波电容支路作用，根据逆变器交流侧的滤波电感、等效电阻、电网电压和电压指令值的关系，采用dq轴坐标系分解的方法，计算出正序电流参考指令值；

步骤3：建立改进虚拟同步发电机不平衡控制模型策略；

步骤4：应用该改进虚拟同步发电机不平衡控制模型策略来控制逆变器。

进一步的来说，所述步骤1含有如下子步骤，

步骤1.1：建立二阶虚拟同步发电机机械方程

当分布式逆变器并入强电网工作环境时，由于高压电网特性，逆变器输出电压幅值及频率均被钳位，建立二阶虚拟同步发电机机械方程为：

式中，ω为VSG电角度速度，rad/s；

ω

J为VSG的转子转动惯量，kg·m2；

D为VSG的阻尼系数；

P

Pe为电网输出电磁有功功率；

步骤1.2：建立虚拟励磁器模型:

可由无功功率—电压调节和电压基准值可得：

U＝E

式中，U为为励磁电动势幅值

E

Q

Qe为电网输出无功功率；

K为无功功率调节系数；

步骤1.3：计算电网输出电磁有功功率值和无功功率

计算电网输出电磁有功功率值和无功功率值分别为：

式中，e、i分别为电网电压、电流；上标“+”、“－”分别为正序、负序分量；下标“dp”、“qp”分别为正向同步旋转d轴、正向同步旋转q轴坐标系分量；下标“dn”、“qn”分别为负向同步旋转d轴、负向同步旋转q轴坐标系；

步骤1.4：根据式(1)，计算逆变器输出励磁电动势电压相位为：

θ＝∫ωdt (5)

步骤1.5：计算出逆变器交流侧输出的励磁电动势指令

联系式(2)、(5)，则逆变器交流侧输出的励磁电动势指令可表示为：

进一步的来说，步骤2含有以下子步骤，

步骤2.1：确定逆变器交流侧输出的励磁电动势指令与交流电流之间的关系，可表示为下式：

式中，R、L分别为逆变器和电网之间的等效电阻、等效电感；e

步骤2.2：确定正序电压、正序电流之间的关系

忽略逆变器交流侧滤波电容支路作用，采用dq坐标系分解式(7)，则正序电压、电流之间的关系为：

式中，e

步骤2.3：化简(8)式，得出正序电流参考指令；

为了便于计算和控制，忽略(8)式的二阶微分部分，可化简为：

进一步的来说，所述的步骤3中含有如下子步骤，

步骤3.1：确定逆变器输出瞬时有功功率和无功功率

当电网负载发生不平衡时，忽略电压电流高次谐波分量，逆变器输出瞬时有功功率和无功功率可表示为：

式中，P

步骤3.2：用dq旋转坐标系方法将式(10)表示为：

式中，上标“+”、“－”分别表示正序、负序分量；下标“dp”、“qp”分别表示正向同步旋转d轴、正向同步旋转q轴坐标系分量；下标“dn”、“qn”分别表示负向同步旋转d轴、负向同步旋转q轴坐标系；

步骤3.3：不平衡三相电压下，实现逆变器输出三相电流平衡，即抑制负序电流的出现；

将上式(11)的电压正序分量值

式中，上标“*”表示各控制量目标的指令值；

步骤3.4：消除输出有功功率2倍工频波动，即P

式中，k

步骤3.5：消除输出无功功率2倍工频波动，

即Q

上标“*”表示各控制量目标的指令值；

采用本发明的电网电压不平衡时虚拟同步发电机不平衡控制方法后，在Matlab仿真平台进行仿真，如图4所示将电网电压A相幅值降低到原来50％，B相电压幅值减低为原来的80％。

总时长为2s，不平衡电压如图4所示。设0～0.5s为正常电压，0.5～1s为不平衡电压，1s后恢复正常。三相平衡电流如图6和7所示，与图8相比优势明显。

设仿真总时长为2s，在0.5～1s和1.2～1.5s时，将A相降低为原来电压幅值的60％、B相为原来电压50％，其余时间为正常状态。

图9是改进VSG有功功率平衡控制方法输出值，图10传统虚拟同步发电机有功功率平衡控制方法输出值；图9与图10相比幅度振荡比传统的小得多。

图11是改进VSG有功功率平衡控制方法输出值，图12是传统虚拟同步发电机无功功率平衡控制方法输出值。图11与图12相比幅度振荡比传统的小得多。