[发明专利]不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法

说明书

本发明公开了一种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法，包括获取虚拟同步机的输出电势和输出相角并计算虚拟同步机在三相静止坐标下的电压合成指令；计算虚拟同步机的负序电流指令信号；计算负序电流控制支路在基波负序dq同步旋转坐标系下的输出信号；得到负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号；将负序电流控制支路在三相静止坐标下的输出信号与虚拟同步机的电压合成指令求和并通过高频PWM调制得到虚拟同步机的控制量。本发明通过改变负序电流指令中的调节系数，不改变虚拟同步机电压源属性且可以实现输出有功功率恒定、输出无功功率恒定或者输出电流对称正弦等多样化的控制目标，而且可靠性高、相对简单且控制效果相对较好。

技术领域

本发明具体涉及一种不平衡电网电压条件下的虚拟同步机控制方法。

背景技术

基于逆变器的分布式电源在电力系统中的装机容量正在迅速发展。

与传统同步发电机特性相差异，逆变器缺乏转动惯量或阻尼特性，随着分布式电源渗透水平的提高，其低惯性和欠阻尼特性影响着电网动态性能和稳定性能。增加虚拟惯量是提高电网稳定性的一种有效手段，虚拟同步机是在传统同步发电机的理论基础上，借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制逆变器，使得逆变器在机理上和外特性上与同步发电机类似，具备虚拟惯性和阻尼。目前，将同步发电机特性应用于电力电子变流器实现方式已有不同的控制模型，主要有：欧洲虚拟同步方案、德国虚拟同步机方案、Synchronverter方案、GEC方案等等。

典型的三相三线制虚拟同步机拓扑结构如图1所示。图1中，U_dc为直流侧电压；e_a、e_b和e_c为虚拟同步机的内电势；u_a、u_b和u_c为虚拟同步机的输出端电压；i_a、i_b和i_c为虚拟同步机输出至电网的三相电流；L、C和R分别为虚拟同步机的滤波电感、滤波电容和阻尼电阻；L_g和R_g为电网的等效线路电感和电阻；u_ga、u_gb和u_gc为电网电压。

虚拟同步机模拟同步发电机的控制框图如图2所示。图2中：P_ref和Q_ref分别为虚拟同步机有功和无功指令，P_e和Q_e分别为虚拟同步机输出的有功和无功值。J为旋转惯量，K为电压激励系数，D_p和D_q分别为有功功率和无功功率阻尼系数，ω为虚拟同步机输出角频率，ω₀为额定角频率，E为虚拟同步机输出电势，θ为虚拟同步机输出相角，E_nom和E_rms分别为额定电压幅值和输出电压幅值。其核心控制算法如下式所示：

通过模拟同步发电机的原理得到虚拟同步机的电压指令，可实现在三相电网电压平衡时向电网注入恒定的有功功率和无功功率，并为电网提供惯性和阻尼支持。

然而上述模拟同步发电机控制模型主要是针对理想电网电压条件下提出的。配电网电压受过载、启动电机和不对称故障等许多因素的影响存在电压不平衡。不平衡电压下虚拟同步机传输至电网的有功无功功率为

上式中和表示虚拟同步机输出功率中的直流分量，P_c2、P_s2、Q_c2和Q_s2表示虚拟同步机输出功率中的振荡分量幅值，直流分量和振荡分量幅值可分别计算如下

其中，和为虚拟同步机输出端正序电压的dq轴分量，和为虚拟同步机输出端负序电压的dq轴分量，和为虚拟同步机输出正序电流的dq轴分量，和为虚拟同步机输出负序电流的dq轴分量。