基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法。它首先提出了一種穩(wěn)態(tài)輸出阻抗控制器來增大穩(wěn)態(tài)輸出阻抗，以保證并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行時的并聯(lián)均流度，然后給出了一種電容電壓復(fù)合微分控制器來增大系統(tǒng)的阻尼，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，最后，采用一種動態(tài)輸出阻抗控制器，減小動態(tài)過程的輸出阻抗，減小電壓跳變，從而提高了輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)。它可廣泛地應(yīng)用于不同負(fù)載條件下的微網(wǎng)逆變器控制，以同時既滿足微網(wǎng)逆變器離網(wǎng)運(yùn)行時的動穩(wěn)態(tài)性能，又能多臺并聯(lián)運(yùn)行。
【專利說明】基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，尤其是一種基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng) 輸出阻抗控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，虛擬同步機(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)者們 的大量關(guān)注。采用虛擬同步機(jī)技術(shù)的微網(wǎng)逆變器叫做虛擬同步機(jī)。虛擬同步機(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。VSG在離網(wǎng)運(yùn) 行時需要帶不同的負(fù)載，如，阻感容負(fù)載、電機(jī)馬達(dá)負(fù)載、整流橋負(fù)載，以及各種有源負(fù)載。 在不同的負(fù)載情況下，其動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能各不相同。為了達(dá)到良好的動穩(wěn)態(tài)性能，特別 是較快的動態(tài)響應(yīng)，要求盡量減小VSG的輸出阻抗。然而，VSG又需要并聯(lián)運(yùn)行，并聯(lián)穩(wěn)定 運(yùn)行的前提條件是多臺機(jī)器之間能夠按照功率等級進(jìn)行功率分配，這就需要VSG增大輸出 阻抗以滿足功率分配的需求?？傊敵鲎杩故菦Q定VSG動穩(wěn)態(tài)輸出誤差、功率均分精度的 重要因素。如何既能保持良好的動穩(wěn)態(tài)性能，又能提高功率均分精度，合理的設(shè)計輸出阻抗 成為VSG亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
[0003] 針對輸出阻抗設(shè)計問題，國內(nèi)外的專家學(xué)者們提出了一些方法，主要有：
[0004] 題為 "Output Impedance Design of Parallel-Connected UPS Inverters With Wireless Load-Sharing Control "，J. M. Guerrero,《Industrial Electronics, IEEE Transactions on》，vol.52，pp. 1126-1135,2005( "基于無互聯(lián)線負(fù)載均流控制的并聯(lián)UPS 輸出阻抗設(shè)計"，《IEEE學(xué)報-工業(yè)電子期刊》，2005年第52卷1126?1135頁）的文章。 該文提出了將輸出阻抗設(shè)計成阻感性，低頻呈感性、高頻呈阻性；然而所提出的控制方法 中，輸出阻抗并沒有減小控制系統(tǒng)高頻處所固有的輸出阻抗，在負(fù)載動態(tài)變化時，輸出電壓 將劇烈變化，同時也沒有考慮大功率應(yīng)用場合。
[0005] 題為"Analysis, Design, and Implementation of Virtual Impedance for Power Electronics Interfaced Distributed Generation，'，H. Jinwei and L. Yun Wei, 《Industry Applications，IEEE Transactions on》，vol.47，pp. 2525_2538,2011 ("基于電 力電子裝置接口的分布式發(fā)電虛擬阻抗分析，設(shè)計及實(shí)現(xiàn)"，《IEEE學(xué)報-工業(yè)應(yīng)用期刊》， 2011年第47卷2525?2538頁）的文章。該文提出了將輸出阻抗設(shè)計成阻感性，并提出了 根據(jù)無功功率來自適應(yīng)變化輸出阻抗大小，根據(jù)有功和無功自適應(yīng)變化輸出電壓幅值的方 法；然而所提控制方法中，有功和無功功率的計算中存在低通濾波器，且需要通過內(nèi)環(huán)控制 才能實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度仍然不夠快速，無法達(dá)到負(fù)載突變時的輸出電壓動態(tài)響應(yīng)要求。且此控 制方法也沒有考慮大功率應(yīng)用場合。
[0006] 題為"Control of Inverters Via a Virtual Capacitor to Achieve Capacitive Output Impedance，'，Q. C. Zhong and Y. Zeng, ((Power Electronics, IEEE Transactions on》，vol. 29, pp. 5568-5578,2014( "基于虛擬電容的逆變器容性輸出阻抗控制"，《IEEE學(xué) 報-電力電子期刊》，2014年第29卷5568?5578頁）的文章。該文提出了將輸出阻抗控 制為容性，可以濾除直流分量，并減小低次諧波；這些方法雖在小功率單相系統(tǒng)中得到了很 好的驗(yàn)證，但將其應(yīng)用到三相大功率場合時卻存在困難，且也未闡述其動態(tài)響應(yīng)問題。
[0007] 題為 "A Simple Control Method for High-Performance UPS Inverters Through Output-Impedance Reduction，'，Heng Deng and Ramesh Oruganti,〈〈Industrial Electronics，IEEE Transactions on》55(2)，888-898,2008( "一種基于減小輸出阻抗的 高性能UPS控制方法"，《IEEE學(xué)報-工業(yè)電子期刊》，2008年第55卷第2期888?898頁） 的文章。該文提出了一種減小UPS輸出阻抗的控制方法，該方法提出的數(shù)字反饋控制器可 以極大地減小UPS的輸出阻抗，具有良好的動穩(wěn)態(tài)性能；然而，當(dāng)UPS并聯(lián)運(yùn)行時過小的輸 出阻抗將不利于負(fù)載均流，給UPS并聯(lián)運(yùn)行帶來困難。
[0008] 總之，現(xiàn)有技術(shù)未提及輸出動態(tài)響應(yīng)和并聯(lián)均流對輸出阻抗要求的矛盾問題。并 且，在大功率三相VSG應(yīng)用場合，其輸出阻抗特性又有不同。首先三相系統(tǒng)的abc坐標(biāo)系變 量向dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時存在著兩個分量，一個是靜態(tài)分量，一個是動態(tài)分量，其輸出阻抗與 單相系統(tǒng)的等效電路并不相同；另外，大功率VSG的開關(guān)頻率較低，控制延時較大，給系統(tǒng) 增加了不穩(wěn)定的極點(diǎn)，尤其是多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時，其穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，這使得系統(tǒng)必須降低 帶寬以維持系統(tǒng)穩(wěn)定性，帶寬的降低使得系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)一步下降，這極大的限制了控 制器和VSG無源參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則，使得大功率VSG的整體控制性能下降。目前，對于這兩個 問題，現(xiàn)有技術(shù)也鮮有論述和解決的方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服上述各種技術(shù)方案的局限性，針對基于虛擬同步 機(jī)的微網(wǎng)逆變器、UPS等裝置離網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時，同一輸出阻抗難以同時滿足輸出電壓波形動 靜態(tài)性能和功率均分問題，提供一種基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法。
[0010] 為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出 阻抗控制方法包括微網(wǎng)逆變器輸出電容電壓的采集，特別是，
[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，1&，I。。，再經(jīng)過單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到輸出電容電壓dq的分量U& U。,、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。，；
[0012] 步驟2,根據(jù)步驟1中得到的輸出電流dq的分量I。,，I。,，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)輸出阻抗控制方 程得到電容電壓dq的分量指令信號增量AU dMf，AU_f ;
[0013] 步驟3,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)過有功功率計算方程和無功功率計算方程得到平均有功功率和平均無功功 率
[0014] 步驟4,根據(jù)步驟3中得到的平均無功功率i和微網(wǎng)逆變器給定的無功功率指 令QMf、電壓指令U Mf，經(jīng)過無功控制方程得到微網(wǎng)逆變器電容電壓dq的分量基準(zhǔn)信號 Udref，Uqref ;
[0015] 步驟5,根據(jù)步驟2得到的電容電壓dq的分量指令信號增量AUtef，和步驟 4中得到的電容電壓dq的分量基準(zhǔn)信號％ rf，，將兩者分別相加，得到電容電壓dq的分 量指令信號〇二；
[0016] 步驟6,先根據(jù)步驟5得到的電容電壓dq的分量指令信號￡/；?.^以及步驟1中的 輸出電容電壓dq的分量U。,，U。,，通過電壓控制方程得到電容電流dq的分量指令信號i.X， 再根據(jù)電容電流dq的分量指令信號/X.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。,，通過電流控制方程得到控制信號Udl，Uql ;
[0017] 步驟7,根據(jù)步驟1得到的輸出電容電壓dq的分量U。,，U。,，經(jīng)過電容電壓復(fù)合微分 控制方程得到控制信號U d2, Uq2 ;
[0018] 步驟8,根據(jù)步驟1中得到的輸出電流dq的分量I。,，I。,，經(jīng)過動態(tài)輸出阻抗控制方 程得到控制信號ud3，u q3;
[0019] 步驟9,根據(jù)步驟6中的控制信號Udl，Uql、步驟7中的控制信號U d2, Uq2和步驟8中 的控制信號Ud3, Uq3，將三者分別相加，得到控制信號Ud，U,;
[0020] 步驟10,根據(jù)步驟3中得到的平均有功功率P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)過功角控制方程得到虛擬同步機(jī)的角頻率ω， 對角頻率ω積分得到虛擬同步機(jī)的矢量角Θ ;
[0021] 步驟11，先根據(jù)步驟9中的控制信號Ud，Uq和步驟10中得到的矢量角Θ，經(jīng)過單 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到三相橋臂電壓控制信號u a，Ub，U。，再根據(jù)三相橋臂電壓控制信號 Ua，Ub，U。生成微網(wǎng)逆變器逆變橋開關(guān)管的PWM控制信號。
[0022] 作為基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0023] 優(yōu)選地，步驟2中的穩(wěn)態(tài)輸出阻抗控制方程為
[0024] AUdref = KlW〇LIod
[0025] ,
[0026] AUqref = -Κιω〇?Ι0(1
[0027] 其中，&為補(bǔ)償系數(shù)、ω(ι為基波角頻率、L為微網(wǎng)逆變器橋臂側(cè)電感值。
[0028] 優(yōu)選地，步驟3中的有功功率計算方程為
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，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，LU。。、橋臂側(cè)電感電流Ila，Ilb，I1。和輸 出電流IM，Itjb,I。。，再經(jīng)過單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到輸出電容電壓dq的分量Uwl,U。,、橋臂側(cè) 電感電流dq的分量Ild，Ilq和輸出電流dq的分量U1。5 ; 步驟2,根據(jù)步驟1中得到的輸出電流dq的分量Itjd, 1。5，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)輸出阻抗控制方程得 到電容電壓dq的分量指令信號增量AUdMf，AUtffrf ; 步驟3,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Iml,Imi，經(jīng)過有功功率計算方程和無功功率計算方程得到平均有功功率E和平均無功功率 Ql 步驟4,根據(jù)步驟3中得到的平均無功功率G和微網(wǎng)逆變器給定的無功功率指令QMf、 電壓指令UMf，經(jīng)過無功控制方程得到微網(wǎng)逆變器電容電壓dq的分量基準(zhǔn)信號UdMf，Uv6f ; 步驟5,根據(jù)步驟2得到的電容電壓dq的分量指令信號增量AUtof，AUvrf和步驟4中 得到的電容電壓dq的分量基準(zhǔn)信號UdMf，，將兩者分別相加，得到電容電壓dq的分量指 令信號 步驟6,先根據(jù)步驟5得到的電容電壓dq的分量指令信號￠/;?以及步驟1中的輸出 電容電壓dq的分量Uc^U。,，通過電壓控制方程得到電容電流dq的分量指令信號4?^，再根 據(jù)電容電流dq的分量指令信號C入和步驟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Itjd,Imi，通過電流控制方程得到控制信號Udl，Uql ; 步驟7,根據(jù)步驟1得到的輸出電容電壓dq的分量Uwl,U。,，經(jīng)過電容電壓復(fù)合微分控制 方程得到控制信號Ud2,Uq2; 步驟8,根據(jù)步驟1中得到的輸出電流dq的分量Itjd, 1。5，經(jīng)過動態(tài)輸出阻抗控制方程得 到控制信號Ud3,Uq3 ; 步驟9,根據(jù)步驟6中的控制信號Udl，Uql、步驟7中的控制信號Ud2,Uq2和步驟8中的控 制信號Ud3,Uq3，將三者分別相加，得到控制信號Ud，Uq ; 步驟10,根據(jù)步驟3中得到的平均有功功率P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，經(jīng)過功角控制方程得到虛擬同步機(jī)的角頻率《，對角 頻率〇積分得到虛擬同步機(jī)的矢量角0 ; 步驟11，先根據(jù)步驟9中的控制信號Ud，Uq和步驟10中得到的矢量角0，經(jīng)過單同步旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到三相橋臂電壓控制信號Ua，Ub，U。，再根據(jù)三相橋臂電壓控制信號Ua，Ub，Uc 生成微網(wǎng)逆變器逆變橋開關(guān)管的PWM控制信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 2中的穩(wěn)態(tài)輸出阻抗控制方程為
其中，K1為補(bǔ)償系數(shù)、Coci為基波角頻率、L為微網(wǎng)逆變器橋臂側(cè)電感值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 3中的有功功率計算方程為
其中，COh為陷波器需要濾除的諧波角頻率、T為一階低通濾波器的時間常數(shù)、S為拉 普拉斯算子、Q為諧振控制器品質(zhì)因數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 3中的無功功率計算方程為
其中，COh為陷波器需要濾除的諧波角頻率、T為一階低通濾波器的時間常數(shù)、S為拉 普拉斯算子、Q為諧振控制器品質(zhì)因數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 4中的無功控制方程為
其中，UMf為微網(wǎng)逆變器給定無功功率指令QMf時的額定輸出電容電壓、n為無功控制 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)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 6中的電壓控制方程為
其中，Kp為比例控制系數(shù)、Ki為積分控制系數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 6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)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 7中的電容電壓復(fù)合微分控制方程為
其中，K2為補(bǔ)償系數(shù)、C為微網(wǎng)逆變器濾波電容值、A為采樣延時時間常數(shù)、Ts為微網(wǎng) 逆變器采樣頻率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步驟 8中的動態(tài)輸出阻抗控制方程為
其中，K3為補(bǔ)償系數(shù)、L為微網(wǎng)逆變器橋臂側(cè)電感值、A為采樣延時時間常數(shù)、Ts為微 網(wǎng)逆變器采樣頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬同步機(jī)的自適應(yīng)輸出阻抗控制方法，其特征是步 驟10中的功角控制方程為
其中，為微網(wǎng)逆變器給定有功功率指令Pref時的額定角頻率、J為模擬同步發(fā)電機(jī) 機(jī)組的虛擬轉(zhuǎn)動慣量時間常數(shù)、Otl為電網(wǎng)固定角頻率、m為功角控制下垂系數(shù)。
【文檔編號】H02M7/5395GK104242717SQ201410466131
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】劉芳, 張興, 石榮亮, 徐海珍, 胡超, 余暢舟, 李文超, 毛福斌 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)