CN108092308B - 一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，包括以下步骤：利用改进的虚拟同步发电机无功功率环，加快无功功率环响应速度，提升对并网点无功功率支撑能力；当检测到并网点电压跌落且瞬时过电流时，引入虚拟阻抗控制，对电压参考值进行修正，抑制瞬时过电流；采用平衡电流虚拟同步控制方法，对正、负序电流分别进行控制，实现并网电压不平衡时输出电流的平衡控制，抑制稳态过电流；根据低电压穿越要求，对功率指令值进行重新设定，使***满足无功电流注入要求，并在故障清除后将功率指令值设定回原值。通过以上步骤，本发明实现了瞬时、稳态过电流抑制和按要求注入无功电流等低电压穿越要求。

Description

一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法

技术领域

本发明属于并网逆变器控制领域，特别涉及一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法。

背景技术

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)控制策略通过模拟同步发电机的有功调频及无功调压特性，使得分布式逆变电源从运行机制和外特性上与传统同步发电机相似，能够为电网提供一定的惯性和阻尼支撑。但现有的VSG研究多集中于VSG本体模型以及理想电网状态下，而对其故障穿越能力涉及较少。分布式VSG多接入中低压配电网，容易发生对***威胁大的短路故障。当配电网发生短路故障进而并网点电压跌落时，为了保护电网安全并且提高分布式发电的利用效率，需要分布式VSG具有低电压穿越(LowVoltage Ride Through，LVRT)能力，在保持并网运行的同时为电网提供一定的功率支撑。

传统并网逆变器LVRT控制技术的研究相对成熟，有文献给出了传统控制策略下故障发生时电流及功率参考值的设定方法，对输出过电流具有较好的抑制效果。然而传统并网逆变器控制策略与VSG控制策略之间存在较大差异，原有的LVRT控制技术不能直接应用于VSG中。针对VSG的LVRT控制，有文献提出利用虚拟同步平衡电流控制策略，通过对故障期间的电流进行状态跟随，实现虚拟同步平衡电流控制与传统LVRT控制两种模式平滑切换，有效抑制了瞬时过电流；对于直接电压式VSG，有文献提出在电网故障时利用电网电压前馈和有功功率指令调节的方法来防止瞬时过电流；也有文献提出采用虚拟电阻及相量限流法相结合的方法实现瞬时过电流的限制。

以上针对VSG的LVRT的研究中，大多集中于对输出电流的限制，没有涉及到如何满足对无功电流注入的要求，因而无法满足低电压穿越相关标准的要求。

发明内容

本发明的目的为解决在配电网发生短路故障导致并网点电压跌落的情况下，实现瞬时、稳态过电流抑制和按要求注入无功电流等LVRT要求，提出一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)当并网点电压跌落导致瞬时过电流时，引入虚拟阻抗控制；

(2)采用平衡电流虚拟同步控制的方法，对正、负序电流分别进行控制，实现三相输出电流平衡，抑制稳态过电流。

(3)引入PI控制器改进VSG无功功率控制环，提高无功功率环响应速度；根据LVRT要求，对功率指令值进行重新设定，并在故障清除后将功率值设定回原值，完成LVRT；

进一步，步骤(1)所述的并网点电压跌落导致瞬时过电流时，引入虚拟阻抗控制的方法为：

(1-1)当***检测到并网点电压跌落后，引入虚拟阻抗控制。忽略滤波阻抗，抑制瞬时过电流所需的最小虚拟阻抗模为：

式中，R_v表示虚拟电阻，L_v表示虚拟电感，ΔU_p表示电压跌落值，ΔI₁(t)表示瞬时电流阈值，设置为1.3I_n。

(1-2)结合输出电流正序分量

在dq坐标下设计虚拟阻抗如式(2)，得到正序电压修正指令值

进一步，步骤(2)所述的采用平衡电流虚拟同步控制的方法，对正、负序电流分别进行控制，实现三相输出电流平衡，抑制稳态过电流的方法为：

(2-1)采用PI控制器对正序电压指令进行无差控制，得到正序电流指令值

并将负序电流指令值设为0；

(2-2)采用P控制器分别对正、负序电流进行闭环控制，得到dq坐标下调制电压正、负序分量；

(2-3)将调制电压正、负序分量分别经反派克变换得到abc坐标系下调制电压正、负序分量，合成为调制电压送入SPWM进行控制。

进一步，步骤(3)所述的引入PI控制器改进VSG无功功率控制环，提高无功功率环响应速度；根据LVRT要求，对功率指令值进行重新设定，并在故障清除后将功率值设定回原值，完成LVRT的方法为：

(3-1)在无功功率控制环中引入PI控制器，并将传统VSG无功控制环中的调压器去除，以保证无功环控制精度及响应速度；

(3-2)***检测到并网点电压跌落后，向***注入指定大小的无功电流值，根据LVRT要求，其值应满足：

式中，i_1q为电压跌落时要求输出无功电流大小，i_1q(t-)为电压跌落前输出无功电流大小，U_n为并网点电压额定值，ΔU为故障前后并网点电压变化值，I_n为额定电流，k为无功电流调节因子。取k＝2及对式(3)等式两边乘以

可得：

式中，Q_L ^*为低电压穿越时要求输出的无功功率，e_d为并网点电压的d轴分量，由式(4)可知，并网点电压跌落时，对于注入无功电流的要求可以转换为对输出无功功率的要求，即将输出无功功率指令值设定为Q_L ^*。

(3-3)为保证输出电流不过流，需要相应的减小有功电流i_1d；设置稳态故障电流小于I_n，则可根据i_1q计算i_1d，并进一步将对i_1d的要求转化为有功功率

要求，即将输出有功功率指令值设定为P_L ^*。i_1d及

的计算原则如下：

(3-4)***检测到故障清除后，将有功、无功功率参考值设定为原有功率即可。

本发明的特点及有益效果：

(1)引入虚拟阻抗方法后，在并网点电压跌落障时，可以有效抑制瞬时过电流；

(2)引入虚拟同步平衡电流控制策略后，使得三相输出电流平衡，可以有效抑制稳态过电流；

(3)改进VSG无功功率控制环，提高无功功率环控制精度与响应速度，增强了分布式VSG的无功支撑能力；

(4)将无功电流注入要求转换为对输出无功功率的要求，通过重新设定无功功率指令值实现在规定时间内输出指定大小的无功电流；

(5)配电网故障发生时和清除后，VSG输出的电压、相角及频率与电网始终保持同步，期间不会造成大的冲击电流。

附图说明

附图1为基于VSG控制的并网逆变器整体框图。

附图2为***控制流程图。

附图3改进VSG功率环控制框图。

附图4为平衡电流虚拟同步控制框图。

附图5为增加虚拟阻抗后的正序电流控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明是在配电网短路故障导致并网点电压跌落时，基于VSG的LVRT技术，主要通过虚拟阻抗控制和虚拟同步平衡电流控制，来抑制故障瞬时电流和稳态电流过流，并通过更改无功功率给定值达到注入指定无功电流的目的，实现基于VSG控制的并网逆变器LVRT的控制目标。

如图2所示，本发明实施例的控制方法包括以下步骤：

1、采样获得电网电压u_gabc、电容电压u_cabc、变流器侧电感电流i_1abc和网侧输出电流i_2abc，对u_cabc进行锁相得到相位θ^*，以此为参考基准对u_cabc、i_1abc和i_2abc作dq变换，得到各电量在dq轴下的分量u_cd、u_cq、i_1d、i_1q和i_2d、i_2q，进一步采用降阶广义积分器(Reduced OrderGeneralized Integrator,ROGI)对i_1d、i_1q进行正、负序分离，得到正序电流分量

和负序电流分量

对u_gabc进行锁相、dq变换，得到电网电压dq轴分量u_gd、u_gq。

2、计算VSG输出有功、无功功率，得到其测量值P_e、Q_e，计算公式由式(1)给出；经陷波器滤波二倍工频后作为输出有功、无功功率平均值输入VSG功率环。

3、如图3所示，并网模式下，在VSG无功-电压控制环中，引入PI控制器对无功功率给定值与实际值进行无差调节，调节输出电压幅值U，实现为电网提供指定无功功率；有功-频率控制环中，通过控制有功功率给定值与实际值的差值调节逆变器侧输出电压相位角θ，并引入虚拟惯性和阻尼环节，实现频率变化呈现惯性特性。

4、利用电压幅值U和相位角θ合成正序电压参考值u^*，并采用θ^*为参考基准对u^*进行dq变换，得到正序电压d轴和q轴参考值

输入电压控制环中。

5、如图1所示，以同步发电机定子电气方程为原型，忽略滤波电容C作用，建立逆变器桥臂中点电压u_abc、电容电压u_cabc与变流器侧电感电流i_1abc关系，如式(2)：

同样的，采用θ^*为参考基准对u_abc进行dq分解，得到u_abc的dq轴分量u_d、u_q，则dq坐标系下电压与电流的关系如式(3)、(4)：

式中，Y为阻抗矩阵，X为感抗，X＝ωL。相角

表示VSG控制虚拟转子角速度ω与电网电角速度ω_g差值的积分，表达式为式(5)。

根据式(2)-(5)可知，通过桥臂中点电压参考值可以得到电容电压指令值。

6、如图4所示，根据1中得到的电容电压输出值u_cd、u_cq和4中得到的正序电压指令值

采用PI控制器进行电压跟踪，得到正序输出电流参考值

将负序输出电流参考值设为0。

7、如图4所示，采用P控制器分别对正、负序输出电流进行控制，得到正、负序输出电压参考值

经过反dq变换并最终合成为abc坐标系下的调制电压u_mabc，将其送入正弦脉宽调制环节，得到PWM控制信号，完成并网逆变器额控制。

8、若检测到并网点电压跌落，立即投入虚拟阻抗控制，dq坐标下虚拟阻抗的形式如式(6)，得到正序电压修正指令值

引入电压控制环中，如图5所示，限制瞬时过电流；

9、将无功功率指令值设定如式(7)，完成配电网故障时，分布式VSG按要求注入无功电流的要求；

将有功指令值设定如式(8)，保证分布式VSG不过载运行，限制稳态过流。

10、若检测到并网点电压恢复，即配电网故障清除后，将有功、无功功率参考值设定为原有功率即可，完成了基于VSG控制的并网逆变器LVRT要求。

Claims (3)

1.一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)当并网点电压跌落导致瞬时过电流时，引入虚拟阻抗控制；

(2)采用平衡电流虚拟同步控制的方法，对正、负序电流分别进行控制，实现三相输出电流平衡，抑制稳态过电流；

(3)引入PI控制器改进VSG无功功率控制环，提高无功功率环响应速度；根据LVRT要求，对功率指令值进行重新设定，并在故障清除后将功率值设定回原值，完成LVRT，具体步骤如下：

(3-1)在无功功率控制环中引入PI控制器取代VSG无功-电压下垂控制结构，并将传统VSG无功控制环中的调压器去除，以保证无功环控制精度及响应速度；

(3-2)***检测到并网点电压跌落后，向***注入指定大小的无功电流值，根据LVRT要求，其值应满足：

式中，i_1q为电压跌落时要求输出无功电流大小，i_1q(t_-)为电压跌落前输出无功电流大小，U_n为并网点电压额定值，ΔU为故障前后并网点电压变化值，I_n为额定电流，k为无功电流调节因子；取k＝2及对式(1)等式两边乘以

可得：

式中，Q_L ^*为低电压穿越时要求输出的无功功率，e_d为并网点电压的d轴分量，由式(2)可知，并网点电压跌落时，对于注入无功电流的要求可以转换为对输出无功功率的要求，即将输出无功功率指令值设定为Q_L ^*；

(3-3)为保证输出电流不过流，需要相应的减小有功电流i_1d；设置稳态故障电流小于I_n，则可根据i_1q计算i_1d，并进一步将对i_1d的要求转化为有功功率

要求，即将输出有功功率指令值设定为P_L ^*；i_1d及

的计算原则如下：

(3-4)***检测到故障清除后，将有功、无功功率参考值设定为原有功率即可。

2.根据权利要求1所述的一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤(1)所述的并网点电压跌落导致瞬时过电流时，引入虚拟阻抗控制的方法为：

(1-1)当***检测到并网点电压跌落后，引入虚拟阻抗控制；忽略滤波阻抗，抑制瞬时过电流所需的最小虚拟阻抗模为：

式中，R_v表示虚拟电阻，L_v表示虚拟电感，ΔU_p表示电压跌落值，ΔI₁(t)表示瞬时电流阈值，设置为1.3I_n；

(1-2)结合输出电流正序分量

在dq坐标下设计虚拟阻抗如式(5)，得到正序电压修正指令值

3.根据权利要求1所述的一种分布式虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，其特征在于，步骤(2)所述的采用平衡电流虚拟同步控制的方法，对正、负序电流分别进行控制，实现三相输出电流平衡，抑制稳态过电流的方法为：

(2-1)采用PI控制器对正序电压指令进行无差控制，得到正序电流指令值

并将负序电流指令值设为0；

(2-2)采用P控制器分别对正、负序电流进行闭环控制，得到dq坐标下调制电压正、负序分量；

(2-3)将调制电压正、负序分量分别经反派克变换得到abc坐标系下调制电压正、负序分量，合成为调制电压送入SPWM进行控制。

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