基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法。它采用基于陷波器濾波的功率計(jì)算方法，以消除一階低通濾波器響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差、無(wú)法消除不平衡負(fù)載帶來(lái)的二次諧波等問(wèn)題，計(jì)算出的有功和無(wú)功總功率作為下垂控制的反饋輸入，并對(duì)產(chǎn)生的不平衡電壓采用比例積分加諧振控制的方法抑制一部分不平衡電壓，同時(shí)，采用一種不平衡電壓補(bǔ)償控制器，來(lái)進(jìn)一步消除不平衡分量。它既能補(bǔ)償不平衡電壓，又能保持多機(jī)并聯(lián)良好的均流度，可廣泛地用于不平衡負(fù)載條件下的微網(wǎng)逆變器控制，以保持其離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓平衡，并能多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。
【專利說(shuō)明】基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，尤其是一種基于虛擬同步機(jī)的不平衡 電壓補(bǔ)償控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)作為微網(wǎng)逆變器的一種新型的發(fā)電模式，受到了學(xué) 者的大量關(guān)注。采用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的微網(wǎng)逆變器叫做虛擬同步發(fā)電機(jī)。虛擬同步發(fā) 電機(jī)（Virtual Synchronous Generator, VSG)需要運(yùn)行在兩種模式下，并網(wǎng)和孤島并聯(lián)運(yùn) 行。
[0003] 微網(wǎng)中存在大量的不平衡負(fù)荷，這些不平衡負(fù)荷會(huì)嚴(yán)重影響VSG的輸出電壓供電 質(zhì)量，引起輸出電壓不平衡，從而導(dǎo)致用電設(shè)備過(guò)電壓等問(wèn)題。為了達(dá)到良好的輸出電壓供 電質(zhì)量，要求將輸出電壓的不平衡度控制在一定的范圍之內(nèi)，同時(shí)保持多機(jī)并聯(lián)良好的功 率均分性能。
[0004] 為此，人們做出了各種努力，如題為"A grid-interfacing power quality compensator for three-phase three-wire microgrid applications，'，Li Y ff, Vilathgamuwa D M,Loh P C,《IEEE Transactions on Power Electronics》，2006,21 (4), 1021-1031( "應(yīng)用于三相三線微網(wǎng)的并網(wǎng)功率質(zhì)量補(bǔ)償器"，《IEEE學(xué)報(bào)-電力電子期刊》， 2006年第21卷第4期1021?1031頁(yè)）的文章；該文給出了一種控制電壓不平衡度的解 決方案，是在供電端增加電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置APF(Active Power Filter)或者UPQC，這種控 制方案增加了額外的裝置，成本較高。
[0005] 題為"Autonomous voltage unbalance compensation in an Islanded Droop-controlled microgrid，'，Savaghebi M, Jalilian A, Vasquez J C, et al,〈〈IEEE Transactions on Industrial Electronics》，2013,60(4)，1390-1402("應(yīng)用于下垂控制 微網(wǎng)孤島模式的不平衡電壓自動(dòng)補(bǔ)償器"，《IEEE學(xué)報(bào)-工業(yè)電子期刊》，2013年第60卷第 4期1390?1402頁(yè)）的文章；該文提出了一種諧振電壓控制器來(lái)補(bǔ)償不平衡電壓，但是由 于沒(méi)有考慮虛擬阻抗上的不平衡電壓降落等影響，補(bǔ)償效果較差。
[0006] 題為 "Voltage unbalance and harmonics compensation for islanded microgrid inverters"， Liu Q, Tao Y, Liu X, et al,《Power Electronics IET》，2014, 7(5),1055-1063( "孤島微網(wǎng)逆變器的電壓不平衡和諧波補(bǔ)償控制"，《IET工程技術(shù)學(xué) 會(huì)-電力電子期刊》，2014年第7卷第5期1055?1063頁(yè)）的文章；該文提出了采用多諧 振控制器來(lái)抑制電壓不平衡，但其控制帶寬較窄，當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)補(bǔ)償效果較差。
[0007] 題為 "A method of three-phase balancing in microgrid by photovoltaic generation system，'，Ho jo M, Iwase Y, Funabashi T, et al,《Power Electronics and Motion Control Conference2008.EPE-PEMC》，2008,13th. IEEE，2008, 2487-2491 ("光伏發(fā) 電微網(wǎng)系統(tǒng)中的三相平衡控制策略"，《第十三屆電力電子與運(yùn)動(dòng)控制國(guó)際會(huì)議》，2008年第 13期2487?2491頁(yè)）的文章；該文提出了采用注入負(fù)序電流的方法來(lái)補(bǔ)償不平衡電壓， 然而在嚴(yán)酷的條件下負(fù)序電流的注入會(huì)使得微網(wǎng)逆變器過(guò)流導(dǎo)致關(guān)機(jī)。
[0008] 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)均未能解決在微網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中，帶不平衡負(fù)載時(shí)， 既能保證輸出電壓良好的平衡度又能保證孤島運(yùn)行時(shí)的逆變器并聯(lián)均流問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為克服上述各種技術(shù)方案的局限性，針對(duì)虛擬同步發(fā)電 機(jī)離網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，帶不平衡負(fù)載的輸出電壓不平衡問(wèn)題，提供一種既能補(bǔ)償不平衡電壓， 又能保持多機(jī)并聯(lián)良好的均流度的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法。
[0010] 為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案為：基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓 補(bǔ)償控制方法包括微網(wǎng)逆變器輸出電容電壓的采集，特別是主要步驟如下：
[0011] 步驟1，先采集微網(wǎng)逆變器的輸出電容電壓m、橋臂側(cè)電感電流Ila，Ilb，Ι 1ε 和輸出電流ΙΜ，經(jīng)過(guò)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到輸出電容電壓dq的分量U。,、橋臂側(cè)電感 電流dq的分量I ld，Ilq和輸出電流dq的分量U I。,，再利用輸出電容電壓UM，U& U。。和橋 臂側(cè)電感電流Ila，Ilb，h。，經(jīng)過(guò)雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到電容電壓的負(fù)序分量U CN_d，UCN_q和 電感電流的負(fù)序分量1_，;
[0012] 步驟2,根據(jù)步驟1中得到的輸出電容電壓dq的分量Ued, Ueq和輸出電流dq的分 量U，I。,，經(jīng)過(guò)有功功率計(jì)算方程和無(wú)功功率計(jì)算方程得到平均有功功率g和平均無(wú)功功 率δ;
[0013] 步驟3,根據(jù)步驟2中得到的平均有功功率ρ和微網(wǎng)逆變器給定的有功功率指令 PMf、微網(wǎng)逆變器給定的角頻率指令ω Μ?，經(jīng)過(guò)功角控制方程得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的角頻率 ω，對(duì)角頻率ω積分得到虛擬同步機(jī)的矢量角Θ ;
[0014] 步驟4,根據(jù)步驟2中得到的平均無(wú)功功率Γ)和微網(wǎng)逆變器給定的無(wú)功功率指令 QMf、電壓指令U Mf，經(jīng)過(guò)無(wú)功控制方程得到虛擬同步機(jī)的端電壓U# ;
[0015] 步驟5,先根據(jù)步驟4中得到的端電壓U#和步驟1中得到的Ued，U。,，通過(guò)電壓控 制方程得到電容電流指令信號(hào)/,，，再根據(jù)電容電流指令信號(hào)4弋和步驟1中的橋臂側(cè) 電感電流dq的分量Ild，Ilq和輸出電流dq的分量I。,，I。,，通過(guò)電流控制方程得到控制信號(hào) Udl, Uql ；
[0016] 步驟6,根據(jù)步驟1中得到的電容電壓的負(fù)序分量和電感電流的負(fù)序分 量1_，經(jīng)過(guò)負(fù)序電壓補(bǔ)償控制方程得到控制信號(hào)U d2, uq2;
[0017] 步驟7,將步驟5和步驟6中得到的控制信號(hào)Udl，Uql和U d2, Uq2分別相加得到控制 信號(hào)ud，uq;
[0018] 步驟8,先根據(jù)步驟7中的控制信號(hào)Ud，Uq和步驟3中得到的矢量角Θ，經(jīng)過(guò)單同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到三相橋臂電壓控制信號(hào)u a，Ub，U。，再根據(jù)Ua，Ub，U。生成微網(wǎng)逆變器逆 變橋開關(guān)管的PWM控制信號(hào)。
[0019] 作為基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0020] 優(yōu)選地，步驟2中的有功功率計(jì)算方程為
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，包括微網(wǎng)逆變器輸出電容電壓的 采集，其特征在于主要步驟如下： 步驟1，先采集微網(wǎng)逆變器的輸出電容電壓UM，U& U。。、橋臂側(cè)電感電流Ila，Ilb，Ii。和輸 出電流IM，經(jīng)過(guò)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到輸出電容電壓dq的分量U。,、橋臂側(cè)電感電流 dq的分量I ld，Ilq和輸出電流dq的分量U I。,，再利用輸出電容電壓UM，U& U。。和橋臂側(cè)電 感電流Ila，Ilb，h。，經(jīng)過(guò)雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到電容電壓的負(fù)序分量U c_N_d，Uc_N_q和電感電 流的負(fù)序分量I w 1^ ; 步驟2,根據(jù)步驟1中得到的輸出電容電壓dq的分量1，Uq和輸出電流dq的分量 1^1。,，經(jīng)過(guò)有功功率計(jì)算方程和無(wú)功功率計(jì)算方程得到平均有功功率P和平均無(wú)功功率 β； 步驟3,根據(jù)步驟2中得到的平均有功功率聲和微網(wǎng)逆變器給定的有功功率指令PMf、 微網(wǎng)逆變器給定的角頻率指令ω#，經(jīng)過(guò)功角控制方程得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的角頻率ω， 對(duì)角頻率ω積分得到虛擬同步機(jī)的矢量角Θ ; 步驟4,根據(jù)步驟2中得到的平均無(wú)功功率3和微網(wǎng)逆變器給定的無(wú)功功率指令QMf、 電壓指令UMf，經(jīng)過(guò)無(wú)功控制方程得到虛擬同步機(jī)的端電壓U# ; 步驟5,先根據(jù)步驟4中得到的端電壓U#和步驟1中得到的U& U。,，通過(guò)電壓控制方程 得到電容電流指令信號(hào)/χ，再根據(jù)電容電流指令信號(hào)?和步驟1中的橋臂側(cè)電感電 流dq的分量Ild，Ilq和輸出電流dq的分量U I。,，通過(guò)電流控制方程得到控制信號(hào)Udl，Uql ; 步驟6,根據(jù)步驟1中得到的電容電壓的負(fù)序分量和電感電流的負(fù)序分量 ILN-d，ILN-q，經(jīng)過(guò)負(fù)序電壓補(bǔ)償控制方程得到控制信號(hào)U d2, Uq2 ; 步驟7,將步驟5和步驟6中得到的控制信號(hào)Udl，Uql和Ud2, Uq2分別相加得到控制信號(hào) Ud, Uq ； 步驟8,先根據(jù)步驟7中的控制信號(hào)Ud，U,和步驟3中得到的矢量角θ，經(jīng)過(guò)單同步旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到三相橋臂電壓控制信號(hào)Ua，Ub，U。，再根據(jù)Ua，U b，U。生成微網(wǎng)逆變器逆變橋 開關(guān)管的PWM控制信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，其特征是步驟 2中的有功功率計(jì)算方程為
其中，Q為諧振控制器品質(zhì)因數(shù)、為陷波器需要濾除的諧波角頻率、s為拉普拉斯算 子、τ為一階低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，其特征是步驟 2中的無(wú)功功率計(jì)算方程為
其中，Q為諧振控制器品質(zhì)因數(shù)、為陷波器需要濾除的諧波角頻率、s為拉普拉斯算 子、τ為一階低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，其特征是步驟 3中的功角控制方程為
其中，ωΜ?為微網(wǎng)逆變器給定有功功率指令PMf時(shí)的額定角頻率、m為功角控制下垂系 數(shù)、J為模擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)組的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)間常數(shù)、為電網(wǎng)固定角頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，其特征是步驟 4中無(wú)功控制方程為
其中，UMf為微網(wǎng)逆變器給定無(wú)功功率指令QMf時(shí)的額定輸出電容電壓、η為功角控制 下垂系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，其特征是步驟 5中的電壓控制方程為
其中，Κρ為比例控制系數(shù)、&為積分控制系數(shù)、&為諧振控制器比例系數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，其特征是步驟 5中的電流控制方程為
其中，K為比例控制系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的不平衡電壓補(bǔ)償控制方法，其特征是步驟 6中的負(fù)序電壓補(bǔ)償控制方程為
其中，I為電壓補(bǔ)償系數(shù)、K2為電流補(bǔ)償系數(shù)、L為微網(wǎng)逆變器橋臂側(cè)電感值、τ為濾 波時(shí)間常數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02J3/16GK104218590SQ201410458076
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】張興, 劉芳, 徐海珍, 石榮亮 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)