CN109193760A - 一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法，包括以下步骤：步骤1，搭建并网光伏逆变器仿真模型；步骤2，搭建虚拟同步机控制及PI双闭环控制仿真模型，搭建自抗扰控制仿真模型；步骤3，对整个控制器的参数进行调整；步骤4，将搭好的基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制仿真模型在功率突变情况和三相电压不平衡两种情况下运行；步骤5，将基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制策略的仿真结果与虚拟同步机控制策略的仿真结果作对比，本发明在三相电压不平衡下输出功率波动小，在参考功率突变时输出功率能快速跟踪参考功率，在外加扰动的情况下，能够快速抑制扰动，降低输出功率的波动。

Description

一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体为一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法。

背景技术

随着电力***中不提供转动惯量的新能源发电越来越多，而提供***惯量的同步发电机比例降低了，导致***总的转动惯量有所降低，当负载波动很大时，电网的频率波动会更加严重，对电网的稳定运行和并网的发电机组造成不利影响。理想的并网光伏逆变器不仅能向电网提供优质电能，还能够对电网的频率和电压幅值起到支撑作用，且在有扰动的情况下，能够尽可能地抑制扰动，以保证电网的安全平稳运行。在传统的电力***中，大量的同步发电机提供了足够的***转动惯量，起到了对电网电压和频率的支撑作用，然而分布式逆变器的物理结构和同步发电机有很大差异，并不具备提供惯性的能力。

目前应用较多的控制策略是PQ控制和下垂控制。PQ控制(恒功率控制)是使分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考功率，将参考的有功功率和无功功率除以电网电压，输出电流，再通过PI控制输出给PWM。下垂控制利用分布式电源输出有功功率与频率呈线性关系而无功功率与电压幅值成线性关系的原理而进行控制。

现有的基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法存在以下缺陷：在三相电压不平衡时，输出功率波动大；在外加扰动时，不能快速地对扰动进行抑制，且输出功率波动大；在参考功率突变时输出功率跟踪参考功率速度较慢。

如何设计一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法，包括以下步骤：

步骤1，搭建并网光伏逆变器仿真模型；

步骤2，搭建虚拟同步机控制及PI双闭环控制仿真模型，搭建自抗扰控制仿真模型；

步骤3，对整个控制器的参数进行调整，选取理想的控制器参数，并且对PI双闭环控制环节增加电流补偿；

步骤4，将搭好的基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制仿真模型在功率突变情况和三相电压不平衡两种情况下运行，得到两种情况下的仿真结果；

步骤5，将基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制策略的仿真结果与虚拟同步机控制策略的仿真结果作对比，分析本控制策略的结果。

进一步地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1，搭建虚拟同步机控制仿真模型，虚拟同步机控制有有功控制和无功控制两部分，输出相位和电压幅值，再搭建PI双闭环控制仿真模型，并调节控制器的参数；

步骤2-2，搭建自抗扰控制仿真模型，自抗扰控制器有跟踪微分器，扩张状态观测器，误差反馈律这三部分，分别设计并调节合适的参数；

步骤2-3，将自抗扰控制器作为控制外环，虚拟同步机控制作为控制内环，将参考的功率输入自抗扰控制器中，输出一个带有扰动估计的功率信号，再将这个信号输出给虚拟同步机控制环节。

进一步地，所述步骤4所述的将搭好的基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制仿真模型在功率突变情况和三相电压不平衡两种情况下运行，包括以下步骤：

步骤4-1，在三相电压不平衡下，两种控制策略输出有功功率对比；

步骤4-2，在有功功率突变的情况下，两种控制策略输出有功功率对比；

步骤4-3，在三相电压不平衡下，两种控制策略输出无功功率对比；

步骤4-4，在无功功率突变的情况下，两种控制策略输出无功功率对比；

步骤4-5，在大扰动情况下，两种控制策略输出有功功率和无功功率的对比；

步骤4-6，在小扰动情况下，两种控制策略输出有功功率和无功功率的对比。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在三相电压不平衡下输出功率波动小。

(2)在参考功率突变时输出功率能快速跟踪参考功率。

(3)在外加扰动的情况下，能够快速抑制扰动，降低输出功率的波动。

附图说明

图1为本发明基于虚拟同步机的自抗扰控制结构框图；

图2为本发明基于虚拟同步机的自抗扰控制逆变器框图；

图3为本发明VSG控制框图；

图4为本发明虚拟阻抗控制框图；

图5为本发明PI解耦控制框图；

图6为本发明一阶自抗扰控制框图；

图7为本发明三相电压不平衡图；

图8为本发明三相电压不平衡下两种控制策略输出有功功率对比图；

图9为本发明有功功率突变下两种控制策略输出有功功率对比图；

图10为本发明三相电压不平衡下两种控制策略输出无功功率对比图；

图11为本发明无功功率突变下两种控制策略输出无功功率对比图；

图12为本发明ADRC+VSG控制策略下三相电压不平衡频率图；

图13为本发明大扰动情况下两种控制策略输出有功功率对比图；

图14为本发明大扰动情况下两种控制策略输出无功功率对比图；

图15为本发明小扰动情况下两种控制策略输出有功功率对比图；

图16为本发明小扰动情况下两种控制策略输出无功功率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地说明。

图1、图2、图3、图4、图5、图6是本控制方法各个组成部分，这几个部分组成了整个控制器；图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16是本控制方法的仿真结果。

图2是虚拟同步机自抗扰控制框图和逆变器主电路拓扑图。VSG控制是模拟同步发电机工作原理的一种控制技术，它使得逆变器有了同步发电机的外特性，为***提供了惯性。然而单独的VSG控制效果并不理想，在有外在扰动的情况下无法抑制输出功率的扰动，所以加入了自抗扰控制来抑制输出功率的扰动。自抗扰控制是一种保留了PID控制基本框架但改进了局部功能的新型控制器，它能对扰动有很好的抑制。在图2中，U_dc为直流侧电压源，R是线路的等效电阻，L是电感，c是滤波电容，i_a、i_b、i_c分别为逆变器侧的输出三相电流，考虑忽略电容的作用，逆变器侧的三相电流和电网侧的三相电流相等。u_a、u_b、u_c分别为逆变器侧的输出三相电压。L_r为线路的等效电感。e_a、e_b、e_c分别为电网侧的三相电压。P_e和Q_e为输出有功功率和无功功率的计算值，由e_abc、i_abc计算得到。P*和Q*为有功功率和无功功率给定值。如图2所示，P*和Q*通过自抗扰控制算法得到新的带有扰动信息的P^*1和Q^*1，P^*1和Q^*1再经过VSG控制得到逆变器输出电压的幅值和相角，再合成为三相电压，再经过电流计算和电流解耦控制环，得到三相调制信号输出给PWM来控制IGBT的通断，最后逆变器输出三相电压。

图3是VSG控制框图，如图3所示，构建VSG控制器。VSG部分模拟了同步发电机的原理，VSG控制环节包含两个环节，分别是有功功率控制环节和无功功率控制环节。虚拟同步机用有功功率来调节频率，对应调速***并且在有功功率控制中引入了惯性环节和阻尼环节，用无功功率来调节电压幅值，对应励磁***，使得逆变器的外特性与传统的同步发电机相近，从而能够给电网提供一定的转动惯量，保证电网的平稳运行。式中，J，K为积分系数J为转子转动惯量，D为阻尼系数，W_g为额定角速度U和P分别为输出的电压幅值和相角，u_abc为三相电压。

有功功率控制环节：

无功功率控制环节：

根据图6建立一个一阶自抗扰控制器。自抗扰控制器主要有三个环节，分别是跟踪微分器，非线性误差反馈律，扩张状态观测器。跟踪微分器安排过渡环节，对给定信号进行一次滤波，滤除输入端可能存在的干扰，并对其进行相位修正。非线性误差反馈律将经微分***处理的给定信号与扩张状态观测器反馈回的信号非线性相加，再加上扩张状态观测器观测的总扰动，一起作为被控目标的控制输入。对于一个带LC滤波的逆变器，忽略电容的作用，看作是一阶被控对象，对其设计一阶自抗扰控制器，扩张状态观测器是二阶的，为便于控制及参数整定，扩张状态观测器选取线性的，并设计如下自抗扰控制器。同理，对无功功率设计同样的自抗扰控制器。

一阶跟踪微分器：

二阶线性扩张状态观测器：

一阶非线性误差反馈律：

针对三相电压不平衡这种不利情况进行补偿。在逆变器与电网相连接时，要求逆变器输出的三相电流平衡，同时逆变器的输出有功功率和无功功率能够跟踪参考值。然而，当电网三相电压不平衡时，逆变器输出电压被电网钳制，即也是三相不平衡的，如果输出的三相电流平衡，则功率波动非常大。显然，三相电流平衡和抑制功率波动是无法同时达到的。将抑制功率波动作为控制目标。考虑在不平衡的电网下，并网逆变器输出功率可由下式导出：

在αβ坐标系内：

将上式表示成矢量形式：

亦可表示在dq坐标系下：

同理可得：

将上式表示为矢量形式：

在dq坐标系内：

瞬时输出复功率为：

有功功率：

P＝P⁰+P_coscos2(w₀t+κ)+P_sinsin2(w₀t+κ) (14)

无功功率：

Q＝Q⁰+Q_coscos2(w₀t+κ)+Q_sinsin2(w₀t+κ) (16)

因此，我们得到了在电网电压不平衡下逆变器输出的有功功率和无功功率，上式中，P⁰和Q⁰分别是输出有功功率和无功功率的平均值，P_cos、P_sin、Q_cos、Q_sin分别是输出有功功率和无功功率波动幅值。为了抑制有功功率的波动，即输出的有功功率中不含有波动分量，P_cos＝P_sin＝0。可对正序和负序的电流指令值进行补偿。即原有的控制结构不变，对正序和负序指令分别控制，之后相加。补偿后的正序和负序电流指令值为：

为了抑制无功功率的波动，即输出的有功功率中没有波动分量，Qc_os＝Q_sin＝0。可对正序和负序的电流指令值进行补偿。

式(18)和式(19)中，k_dd和k_qd是电网三相电压不平衡参数， i^* _d和i^* _q是虚拟阻抗控制环节输出的dq轴电流，i^- _d和i^- _q是dq轴电网电流。将补偿后的指令值分别经过PI解耦控制，最后相加得三相电压调制信号，实现了对有功功率和无功功率的补偿。

三相并网光伏逆变器的直流侧电压为1000V，滤波电感上的电阻为0.001Ω，电感值为0.005L，滤波电容值为0.000001C。所设计的虚拟同步机环节中，取阻尼系数D为1，转子转动惯量J为0.005，无功功率控制积分系数K为1。自抗扰控制环节中，取β₁＝50，β₂＝5000，b＝2000，k＝1000。同时，设定有功功率参考值5000W，设定无功功率参考值为3000W，对电网电压三相不平衡和参考功率突变这两种情况，本文控制策略和VSG控制策略作对比，验证了本文控制策略的有效性。

图8和图10是三相电压不平衡下两种控制策略输出有功功率和无功功率的对比，如图所示，在1s时A相地跌落50％，ADRC+VSG控制策略与VSG控制策略相比，输出功率的波动更小。

图9和图11是功率突变情况下两种控制策略输出有功功率和无功功率的对比，如图所示，在1s时参考有功功率由原来的5000W突加到6000W，无功功率由原来的3000W突加到4000W。在1.5s时参考有功功率突变为4000W，无功功率突变为2500W。由图可知，在功率突变的情况下，ADRC+VSG控制策略与VSG控制策略相比，输出功率跟踪参考功率的速度更快。

图12、图13、图14、图15是在外加随机扰动情况下两种控制策略输出有功功率和无功功率的对比，在外加随机扰动的情况下，ADRC+VSG控制策略与VSG控制策略相比，输出功率的波动更小，很好地抑制住随机的扰动。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，搭建并网光伏逆变器仿真模型；

步骤2，搭建虚拟同步机控制及PI双闭环控制仿真模型，搭建自抗扰控制仿真模型；

步骤3，对整个控制器的参数进行调整，选取理想的控制器参数，并且对PI双闭环控制环节增加电流补偿；

步骤4，将搭好的基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制仿真模型在功率突变情况和三相电压不平衡两种情况下运行，得到两种情况下的仿真结果；

步骤5，将基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制策略的仿真结果与虚拟同步机控制策略的仿真结果作对比，分析本控制策略的结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1，搭建虚拟同步机控制仿真模型，虚拟同步机控制有有功控制和无功控制两部分，输出相位和电压幅值，再搭建PI双闭环控制仿真模型，并调节控制器的参数；

步骤2-2，搭建自抗扰控制仿真模型，自抗扰控制器有跟踪微分器，扩张状态观测器，误差反馈律这三部分，分别设计并调节合适的参数；

步骤2-3，将自抗扰控制器作为控制外环，虚拟同步机控制作为控制内环，将参考的功率输入自抗扰控制器中，输出一个带有扰动估计的功率信号，再将这个信号输出给虚拟同步机控制环节。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机的并网光伏逆变器自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤4所述的将搭好的基于虚拟同步机的并网光伏逆变器功率自抗扰控制仿真模型在功率突变情况和三相电压不平衡两种情况下运行，包括以下步骤：

步骤4-1，在三相电压不平衡下，两种控制策略输出有功功率对比；

步骤4-2，在有功功率突变的情况下，两种控制策略输出有功功率对比；

步骤4-3，在三相电压不平衡下，两种控制策略输出无功功率对比；

步骤4-4，在无功功率突变的情况下，两种控制策略输出无功功率对比；

步骤4-5，在大扰动情况下，两种控制策略输出有功功率和无功功率的对比；

步骤4-6，在小扰动情况下，两种控制策略输出有功功率和无功功率的对比。