CN116865361A - 一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，属于虚拟同步发电机控制技术领域。本发明通过在VSG***的前向通道上串联一个分数阶微分补偿环节，可以引入分数阶微分控制，从而改善***对功率波动的响应；分数阶微分补偿可以更好地抑制快速变化的功率振荡，提高***的稳定性和响应速度；在确保功率稳态控制性能和减小动态功率超调的同时，克服了基于微分补偿的一阶虚拟惯性策略在响应初始阶段惯性不足的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟同步发电机控制技术领域，具体涉及一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法。
背景技术
虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)是一种基于逆变器的电力转换***，它模拟传统同步发电机的运行特性，用于实现分布式电力资源与电力网络的互联。虚拟同步发电机通过在一阶虚拟惯性的角频率闭环控制的前向通道上，增加了一个分数阶微分环节，该方法在确保虚拟同步发电机稳态控制性能的同时，不仅增大了***阻尼，有效减小了动态过程中的功率超调，实现了更高质量的电力注入和***稳定性。
现有的基于一阶虚拟惯性的VSG虽然能够抑制频率的波动，但由于电力电子器件的过载能力弱，当虚拟惯转动量值设计较大时，有功功率指令或负载突变可能导致VSG在动态过程中输出的有功功率产生较大超调或低频振荡，从而使得储能单元受到较大的功率冲击，并导致VSG触发过流保护。虽然增大阻尼系数可抑制有功功率超调或低频振荡，但同时也增大了VSG并网稳态功率偏差和组网稳态功率均分精度，上述问题亟待解决，为此，提出一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决虚拟同步发电机并网运行时存在有功输出功率动、静态特性不能兼顾的问题，提供了一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，在确保功率稳态控制性能和减小动态功率超调的同时，克服了基于微分补偿的一阶虚拟惯性策略在响应初始阶段惯性不足的缺点。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：采样虚拟同步发电机三相输出电压ua、ub、uc和三相电感电流ia、ib、ic，并分别经单同步旋转坐标变换得到输出电压dq轴分量ud、uq和电感电流dq轴分量id、iq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；
S2：根据步骤S1中得到的输出电压dq轴分量ud、uq和电感电流dq轴分量id、iq，得到输出平均有功功率Pout；
S3：将步骤S2中得到的虚拟同步发电机输出有功功率Pout经虚拟惯性环节积分，并加上额定角频率ωn作为虚拟同步发电机的输出角频率ω；
S4：对步骤S3中得到的虚拟同步发电机的输出角频率ω进行积分，得到虚拟同步发电机的输出相角δ；
S5：将虚拟同步发电机的d轴和q轴电压调制波幅值ud、uq和步骤S4中得到的输出相角δ经单同步旋转坐标反变换得到桥臂电压的三相调制波，并经调制后作为IGBT电路的驱动信号。
更进一步地，在步骤S2中，输出平均有功功率Pout计算公式为：
更进一步地，在所述步骤S3中，虚拟同步发电机的输出角频率ω的计算公式为：
其中，Kd为微分环节系数，S为分数阶微分环节，a为分数阶次系数，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼，Pref为虚拟同步发电机给定的有功功率指令。
更进一步地，在步骤S4中，虚拟同步发电机输出相角δ的计算公式为：
本发明相比现有技术具有以下优点：该基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，通过在VSG***的前向通道上串联一个分数阶微分补偿环节，可以引入分数阶微分控制，从而改善***对功率波动的响应；分数阶微分补偿可以更好地抑制快速变化的功率振荡，提高***的稳定性和响应速度。
附图说明
图1是本发明实施例中虚拟同步发电机的主电路及控制结构示意图；
图2是本发明实施例中虚拟同步发电机功率稳定方法的控制框图；
图3是本发明实施例中本发明设计的虚拟同步发电机和传统虚拟同步发电机的功率振荡抑制对比图；
图4是本发明实施例中本发明设计的微分环节系数Kd对功率的影响示意图；
图5是本发明实施例中本发明设计的分数阶次系数a对功率的影响示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，为实施例中虚拟同步发电机的主电路及控制结构图，直流源由分布式电源供电，直流源的两个输出端分别与三相桥臂的两个输入端连接，三相桥臂的三个输出端与LC滤波器的三相输入对应连接。Lf为LC滤波器的滤波电感，Cf为LC滤波器的滤波电容，Rf为LC滤波器的电阻。iLa，iLb，iLc为虚拟同步发电机的三相电感电流，ua，ub，uc为虚拟同步发电机的三相输出电压。
模块1为功率计算模块，其采集主电路模块5公共耦合点的电压、电流计算有功和无功功率；模块2为虚拟同步发电机模块；模块3为电压电流双闭环控制模块，起解耦作用；模块4是PWM波生成模块。模块5是主电路模块。
如图2所示，为本实施例中虚拟同步发电机功率稳定方法的控制框图，本发明控制方法主要步骤如下：
步骤1、采样虚拟同步发电机三相输出电压ua、ub、uc和三相电感电流ia、ib、ic，并分别经单同步旋转坐标变换得到输出电压dq轴分量ud、uq和电感电流dq轴分量id、iq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；
步骤2、根据步骤1中得到的输出电压dq轴分量ud、uq和电感电流dq轴分量id、iq，得到输出平均有功功率Pout。
输出平均有功功率Pout计算公式为：
步骤3、将步骤2中得到的虚拟同步发电机输出有功功率Pout经虚拟惯性环节积分，并加上额定角频率ωn作为虚拟同步发电机的输出角频率ω，计算公式如下：
其中，Kd为微分环节系数，S为分数阶微分环节，a为分数阶次系数，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼，Pref为虚拟同步发电机给定的有功功率指令。
步骤4、对步骤3中得到的虚拟同步发电机的输出角频率ω进行积分，得到虚拟同步发电机的输出相角δ，虚拟同步发电机输出相角δ的计算公式为：
步骤5、将虚拟同步发电机的d轴和q轴电压调制波幅值ud、uq和步骤4中得到的输出相角δ经单同步旋转坐标反变换得到桥臂电压的三相调制波，并经调制后作为IGBT电路的驱动信号。
本发明适用于采用虚拟同步发电机算法的分布式电源逆变器。
如图4所示，为本发明设计的虚拟同步发电机参数Kd对功率的影响示意图，可以看出Kd越大，对功率振荡抑制越好。
如图5所示，为本发明设计的虚拟同步发电机分数阶次系数a对功率的影响示意图，可以看出a的值越大，对功率振荡抑制越好。
综上所述，上述实施例的基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，在维持稳态有功功控制精度及稳态有功均分特性的同时，增大了***的阻尼比，加快了动态响应速度，抑制了功率超调的功率冲击。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采样虚拟同步发电机三相输出电压ua、ub、uc和三相电感电流ia、ib、ic，并分别经单同步旋转坐标变换得到输出电压dq轴分量ud、uq和电感电流dq轴分量id、iq，其中d轴为有功轴，q轴为无功轴；
S2：根据步骤S1中得到的输出电压dq轴分量ud、uq和电感电流dq轴分量id、iq，得到输出平均有功功率Pout；
S3：将步骤S2中得到的虚拟同步发电机输出有功功率Pout经虚拟惯性环节积分，并加上额定角频率ωn作为虚拟同步发电机的输出角频率ω；
S4：对步骤S3中得到的虚拟同步发电机的输出角频率ω进行积分，得到虚拟同步发电机的输出相角δ；
S5：将虚拟同步发电机的d轴和q轴电压调制波幅值ud、uq和步骤S4中得到的输出相角δ经单同步旋转坐标反变换得到桥臂电压的三相调制波，并经调制后作为IGBT电路的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，其特征在于：在步骤S2中，输出平均有功功率Pout计算公式为：
3.根据权利要求2所述的一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，虚拟同步发电机的输出角频率ω的计算公式为：
其中，Kd为微分环节系数，S为分数阶微分环节，a为分数阶次系数，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼，Pref为虚拟同步发电机给定的有功功率指令。
4.根据权利要求3所述的一种基于分数阶微分的虚拟同步发电机功率控制方法，其特征在于：在步骤S4中，虚拟同步发电机输出相角δ的计算公式为：
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