一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法

1.本发明属于电力电子技术领域，涉及一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法。


背景技术：

2.现如今随着经济社会的快速发展，不可再生资源面临枯竭，可再生能源日益受到各方关注。目前电网中可再生能源占比增多，并网逆变器作为现代电力系统中电力电子装置的重要组成部分，不仅可以实现分布式发电的并网和离网控制，在高压柔性直流输电技术中也广泛采用。
3.可再生能源作为直流源，通过并网逆变器向电网供电，对弱电网的电压和频率起到很好的支撑作用。但微电网系统存在三方面问题：一是电力电子器件的大量接入使得系统的惯量和阻尼不足；二是可再生能源由离网切换到并网运行时由于与电网电压幅值频率差距过大使得无法实现平滑并网，过流问题严重；三是分布式电源易遭受外界干扰使得其无法稳定运行。
4.针对上述问题逆变器功率外环通常采用vsg(虚拟同步发电机)控制策略，通过模拟同步发电机的外特性，填补了电力电子器件渗透率高而缺乏的惯量，从源头上杜绝了低惯量带来的危害，使分布式电源的组网能力加强；功率内环通常采用电压电流双闭环，功率外环通过调节输出功率得到输出电压参考值给功率内环，电压电流环通过传统的pi控制得到占空比，占空比通过pwm波的形式控制三桥臂并联的开关管通断，实现对逆变器输出电能的调节。
5.基于两相旋转坐标系下的传统pi控制，通过选取合适的pi参数，在三相平衡系统下能使得输出电压电流能较好的跟踪给定值，有较好的动态和稳态性能。但传统的pi控制也存在诸多的问题：一是当外界条件发生改变或是参数摄动时控制性能大大下降，系统鲁棒性较低；二是需要考虑解耦问题；三是开关频率较低或电压等级较低时稳定性较差；四是pi参数的整定过程较为繁琐困难。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于如何在电网功率发生波动时提高虚拟同步发电机系统输出电能的质量。
7.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
8.一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，包括以下步骤：
9.s1、建立逆变器输出电流电压的预测模型，得到多变量的两个采样周期后电流电压的预测表达式；
10.s2、考虑输出电流以及输出电压，设置输出电压的权重系数，建立代价函数；所述的代价函数的公式为：
11.12.其中，为第k+2个采样时刻电流的参考值，为第k+2个采样时刻电压的参考值，λ为权重，u0(k+2)为逆变器第k+2个采样时刻输出电压，i0(k+2)为逆变器第k+2个采样时刻输出电流；
13.s3、以代价函数最小为目标，确定输出逆变器开关的控制量；具体为：根据不同开关组合与输出电压矢量之间的关系，将采样后经计算所得的第k+2个采样时刻电压和电流的预测值以及第k+2个采样时刻电压和电流的参考值代入代价函数，求得使代价函数达到最小值时的预测值，找到最小值时的预测值所对应的开关状态，将其应用于逆变器开关管的控制。
14.进一步地，步骤s1中所述的建立逆变器输出电流电压的预测模型的方法如下：
15.采集并网逆变器侧输出电压、输出电流、滤波电容电压，得到并网逆变器的数学模型，对其进行clark变换得并网逆变器输出电压方程为：
[0016][0017]
其中，u0为逆变器输出电压，i0为逆变器输出电流，uc为滤波电容电压，l1为逆变器侧滤波电感。
[0018]
进一步地，步骤s1中所述的得到多变量的两个采样周期后电流电压的预测表达式的方法如下：
[0019]
在一个开关周期t内，将逆变器输出电压方程离散化，得到第k个采样时刻的输出电压为：
[0020][0021]
整理公式(2)可得第k+1个采样时刻逆变器输出电流预测值为：
[0022][0023]
为了补偿延迟，第k个采样时刻预测两个采样周期后逆变器输出电流表达式为：
[0024][0025]
其中，u0(k+1)为逆变器第k+1个采样时刻输出电压，i0(k+1)为逆变器第k+1个采样时刻输出电流，i0(k+2)可由第k+2个采样时刻的采样值迭代求得。
[0026]
进一步地，步骤s2中所述的第k+2个采样时刻电流的参考值的计算方法如下：
[0027]
由于对进行park变换后两相旋转坐标系所对应d、q轴分量均为固定值，故将第k个采样时刻得到的电流参考值作为第k+2个采样时刻所对应的参考值；
[0028]
基于vsg的有功、频率调节，得到转子运动方程为：
[0029][0030]
[0031]
基于无功、电压调节，得到如下关系：
[0032][0033]
定子绕组内部出现转子运动产生的虚拟反电动势为：
[0034][0035]
虚拟电势e和电容电压uc产生电压差，生成参考电流；vsg表现为受控电流源；参考电流生成的表达式为：
[0036][0037]
其中，j为转动惯量，tm为转矩给定值，te为vsg输出转矩，d
p
为有功阻尼系数，w为角速度，w0为额定角速度，p
ref
为有功给定，k为无功环积分系数，e0为逆变器内电势有效值，q
ref
为无功给定，dq为无功电压下垂系数，qe为逆变器输出无功功率，ug为电网电压有效值，u0为电网电压参考值。
[0038]
进一步地，步骤s2中所述的第k+2个采样时刻电压的参考值的计算方法如下：
[0039]
为第k+2个采样时刻电压的参考值，但逆变器输出电压的参考值是由虚拟同步发电机系统输出电压的幅值和频率决定的，不能够直接得到第k+2个采样时刻的参考值而需要预测，用矢量角补偿法可预测第k+1个时刻逆变器输出参考电压：
[0040][0041]
其中，ts为采样时间，得到第k+1个时刻参考值迭代入上式即可得第k+2个采样时刻电压参考值。
[0042]
进一步地，步骤s3中所述的不同开关组合与输出电压矢量之间的关系如下：
[0043]
则共有8种开关状态，对应7种不同输出电压矢量，将其表示为向量形式为：
[0044][0045]
逆变器输出电压用三个相电压表示为：
[0046][0047]
逆变器输出电压u0与直流侧电压u
dc
之间的关系为：
[0048]
u0＝su
dc
[0049]
其中，a＝e
i(2π/3)
，s表示输出电压矢量,sa表示a相开关管的导通情况，sb表示b相开关管的导通情况，sc表示c相开关管的导通情况。
[0050]
本发明的优点在于：
[0051]
(1)本发明通过对并网逆变器建立预测模型，可得到电压电流的预测值，根据善虚拟同步发电机控制求出其电压电流的参考值后，通过建立代价函数，在每个采样周期求其最小值得到最优开关状态，用此开关状态控制逆变器使电压电流的预测值能最大限度地跟随参考值，从而使输出电压电流更接近参考值，相较于电压电流双闭环的传统pi控制，本发
明的方法不受参数选择的影响，只需选取合适的代价函数，控制效果更好，能更好的跟踪参考电压电流，控制精度更高，从而提高输出电能质量。
[0052]
(2)本发明为了避免开关状态选择时发生的延迟，选用的二步预测方式，在第k个采样时刻对第k+1个时刻做出精准评估后，将第k+1个时刻作为预测初始值求解第k+2个采样时刻预测值，很好地补偿了延迟导致地预测值与参考值之间的偏差；由于采用预测控制，对电压电流的跟踪效果只取决于代价函数的设计，受参数设置影响小，改善电能质量效果好。
附图说明
[0053]
图1是本发明实施例的改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法的流程图；
[0054]
图2是本发明实施例的虚拟同步发电机系统的结构图；
[0055]
图3是本发明实施例的虚拟同步发电机系统在传统pi控制下的输出电流谐波含量；
[0056]
图4是本发明实施例的虚拟同步发电机系统在mpc控制下的输出电流谐波含量。
具体实施方式
[0057]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0059]
实施例一
[0060]
如图1本发明的一种改善vsg系统输出电能质量的控制方法，包括以下步骤：
[0061]
1、建立逆变器输出电流电压的预测模型(mpc，model predictive control)，得到多变量的两个采样周期后电流电压的预测表达式
[0062]
如图2所示，假设系统工作于三相平衡状态，不考虑零序分量，根据基尔霍夫定律，采集lcl型并网逆变器的逆变器侧输出电压、输出电流、滤波电容电压，可得lcl并网逆变器的数学模型，对其进行clark变换得逆变器输出电压方程为：
[0063][0064]
其中，u0为逆变器输出电压，i0为逆变器输出电流，uc为滤波电容电压，l1为逆变器侧滤波电感。
[0065]
预测控制需要离散化，在一个开关周期t内，用前向差分法将逆变器输出电压方程离散化，得到第k个采样时刻的输出电压为：
[0066][0067]
整理公式(2)可得第k+1个采样时刻逆变器输出电流预测值为：
[0068][0069]
理论上，单步预测法可在一个采样周期内筛选出最优开关组合，但电力电子变流器采样频率一般较高，容易引起最优开关序列在选择中发生延迟，采样后还是在用上一时刻对应的开关状态，使得下一时刻预测值与参考值存在偏差。因此，为了补偿延迟，本发明选用二步预测方法，则第k个采样时刻预测两个采样周期后逆变器输出电流表达式为：
[0070][0071]
其中，u0(k+1)为逆变器第k+1个采样时刻输出电压，i0(k+1)为逆变器第k+1个采样时刻输出电流，i0(k+2)可由第k+2个采样时刻的采样值迭代求得。
[0072]
2、以期望达到的控制效果为约束建立代价函数
[0073]
2.1、建立多目标优化代价函数
[0074]
代价函数的设计决定了逆变器并网运行的质量，要改善输出电能的质量，既要考虑输出电流也要考虑输出电压，通过权重系数的设置达到对理想输出效果的控制。
[0075]
对此，建立权重为λ的多目标优化代价函数为：
[0076][0077]
其中，为第k+2个采样时刻电流的参考值，为第k+2个采样时刻电压的参考值，可根据实际对电流电压质量的要求改变全权重λ的大小。
[0078]
2.2、计算第k+2个采样时刻电流的参考值
[0079]
由于对进行park变换后两相旋转坐标系所对应d、q轴分量均为固定值，故可以将第k个采样时刻得到的电流参考值作为第k+2个采样时刻所对应的参考值。
[0080]
基于vsg的有功、频率调节，得到转子运动方程为：
[0081][0082][0083]
其中，j为转动惯量，tm为转矩给定值，te为vsg输出转矩，d
p
为有功阻尼系数，w为角速度，w0为额定角速度，p
ref
为有功给定。
[0084]
基于无功、电压调节，得到如下关系：
[0085][0086]
其中，k为无功环积分系数，e0为逆变器内电势有效值，q
ref
为无功给定，dq为无功电压下垂系数，qe为逆变器输出无功功率，ug为电网电压有效值，u0为电网电压参考值。
[0087]
定子绕组内部出现转子运动产生的虚拟反电动势为：
[0088]
[0089]
虚拟电势e和电容电压uc产生电压差，生成参考电流；vsg表现为受控电流源；参考电流生成的表达式为：
[0090][0091]
2.3、计算第k+2个采样时刻电压的参考值
[0092]
为第k+2个采样时刻电压的参考值，但逆变器输出电压的参考值是由vsg控制输出电压的幅值和频率决定的，不能够直接得到第k+2个采样时刻的参考值而需要预测。用矢量角补偿法可预测第k+1个时刻逆变器输出参考电压：
[0093][0094]
其中，ts为采样时间。得到第k+1个时刻参考值迭代入上式即可得第k+2个采样时刻电压参考值。
[0095]
3、以代价函数最小为目标，确定输出逆变器开关的控制量
[0096]
根据8种不同开关组合与输出电压矢量之间的关系，分别代入预测表达式可得到不同的预测值，将采样后经计算所得的8种第k+2个采样时刻电压和电流的预测值以及第k+2个采样时刻输出的电压和电流的参考值代入代价函数，求得使代价函数达到最小值时的预测值，找到该预测值所对应的开关状态即为最优开关序列，将其应用于逆变器开关管的控制即可。
[0097]
逆变器的开关序列通常由三个门级开关信号决定，由三相逆变器工作原理可知，同一相上下两桥臂不能同时导通，否则会将直流侧电源短路。又每个周期至少有三个开关管导通，故同一相上下两桥臂不能同时关断。将每相上桥臂导通时用逻辑“1”表示，下桥臂导通时用逻辑“0”表示。则若用sa表示a相开关管的导通情况，有sa＝1时开关管1导通，4关断；sa＝0时开关管4导通，1关断；sb、sc的导通情况同理。则共有8种开关状态，对应7种不同输出电压矢量。将其表示为向量形式为：
[0098][0099]
其中，a＝e
i(2π/3)
。
[0100]
逆变器输出电压用三个相电压表示为：
[0101][0102]
逆变器输出电压u0与直流侧电压u
dc
之间的关系为：
[0103]
u0＝su
dc
(14)
[0104]
表1不同开关状态所对应的电压矢量
[0105][0106][0107]
若只要求改善输出电流质量，则可将代价函数中的λ设为0，则第k个采样时刻将输出电流和电容电压的采样值以及不同开关状态对应的输出电压矢量代入预测模型，得到7种不同的预测值，再分别代入代价函数得到代价函数的最小值，即为最优解。此时最优解对应的输出电压矢量假设为根据表1可得此电压矢量对应的开关状态为1、0、0，则此时刻开关管的导通情况为开关管1、6、2导通，3、4、5关断。
[0108]
4、验证预测控制方案对于电能质量的改善能力
[0109]
为了验证预测控制方案对于电能质量的改善能力，基于matlab软件搭建仿真模型验证。vsg控制给定有功功率为50kw，给定无功功率为0。图3为vsg系统在传统电压电流双闭环pi控制下的输出电流谐波含量，图4是vsg系统在mpc控制下的输出电流谐波含量，可以看出加入预测控制后thd含量明显降低，输出电能质量明显改善。
[0110]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、建立逆变器输出电流电压的预测模型，得到多变量的两个采样周期后电流电压的预测表达式；s2、考虑输出电流以及输出电压，设置输出电压的权重系数，建立代价函数；所述的代价函数的公式为：其中，为第k+2个采样时刻电流的参考值，为第k+2个采样时刻电压的参考值，λ为权重，u0(k+2)为逆变器第k+2个采样时刻输出电压，i0(k+2)为逆变器第k+2个采样时刻输出电流；s3、以代价函数最小为目标，确定输出逆变器开关的控制量；具体为：根据不同开关组合与输出电压矢量之间的关系，将采样后经计算所得的第k+2个采样时刻电压和电流的预测值以及第k+2个采样时刻电压和电流的参考值代入代价函数，求得使代价函数达到最小值时的预测值，找到最小值时的预测值所对应的开关状态，将其应用于逆变器开关管的控制。2.根据权利要求1所述的一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，其特征在于，步骤s1中所述的建立逆变器输出电流电压的预测模型的方法如下：采集并网逆变器侧输出电压、输出电流、滤波电容电压，得到并网逆变器的数学模型，对其进行clark变换得并网逆变器输出电压方程为：其中，u0为逆变器输出电压，i0为逆变器输出电流，u
c
为滤波电容电压，l1为逆变器侧滤波电感。3.根据权利要求2所述的一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，其特征在于，步骤s1中所述的得到多变量的两个采样周期后电流电压的预测表达式的方法如下：在一个开关周期t内，将逆变器输出电压方程离散化，得到第k个采样时刻的输出电压为：整理公式(2)可得第k+1个采样时刻逆变器输出电流预测值为：为了补偿延迟，第k个采样时刻预测两个采样周期后逆变器输出电流表达式为：其中，u0(k+1)为逆变器第k+1个采样时刻输出电压，i0(k+1)为逆变器第k+1个采样时刻
输出电流，i0(k+2)可由第k+2个采样时刻的采样值迭代求得。4.根据权利要求3所述的一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，其特征在于，步骤s2中所述的第k+2个采样时刻电流的参考值的计算方法如下：由于对进行park变换后两相旋转坐标系所对应d、q轴分量均为固定值，故将第k个采样时刻得到的电流参考值作为第k+2个采样时刻所对应的参考值；基于vsg的有功、频率调节，得到转子运动方程为：得到转子运动方程为：基于无功、电压调节，得到如下关系：定子绕组内部出现转子运动产生的虚拟反电动势为：虚拟电势e和电容电压u
c
产生电压差，生成参考电流；vsg表现为受控电流源；参考电流生成的表达式为：其中，j为转动惯量，t
m
为转矩给定值，t
e
为vsg输出转矩，d
p
为有功阻尼系数，w为角速度，w0为额定角速度，p
ref
为有功给定，k为无功环积分系数，e0为逆变器内电势有效值，q
ref
为无功给定，d
q
为无功电压下垂系数，q
e
为逆变器输出无功功率，u
g
为电网电压有效值，u0为电网电压参考值。5.根据权利要求4所述的一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，其特征在于，步骤s2中所述的第k+2个采样时刻电压的参考值的计算方法如下：为第k+2个采样时刻电压的参考值，但逆变器输出电压的参考值是由虚拟同步发电机系统输出电压的幅值和频率决定的，不能够直接得到第k+2个采样时刻的参考值而需要预测，用矢量角补偿法可预测第k+1个时刻逆变器输出参考电压：其中，ts为采样时间，得到第k+1个时刻参考值迭代入上式即可得第k+2个采样时刻电压参考值。6.根据权利要求5所述的一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，其特征在于，步骤s3中所述的不同开关组合与输出电压矢量之间的关系如下：则共有8种开关状态，对应7种不同输出电压矢量，将其表示为向量形式为：
逆变器输出电压用三个相电压表示为：逆变器输出电压u0与直流侧电压u
dc
之间的关系为：u0＝su
dc
其中，a＝e
i(2π/3)
，s表示输出电压矢量,s
a
表示a相开关管的导通情况，s
b
表示b相开关管的导通情况，s
c
表示c相开关管的导通情况。

技术总结
一种改善虚拟同步发电机系统输出电能质量的控制方法，属于电力电子技术领域，解决如何在电网功率发生波动时提高虚拟同步发电机系统输出电能的质量的问题；通过对并网逆变器建立预测模型，可得到电压电流的预测值，根据善虚拟同步发电机控制求出其电压电流的参考值后，通过建立代价函数，在每个采样周期求其最小值得到最优开关状态，用此开关状态控制逆变器使电压电流的预测值能最大限度地跟随参考值，从而使输出电压电流更接近参考值，相较于电压电流双闭环的传统PI控制，本发明的方法不受参数选择的影响，只需选取合适的代价函数，控制效果更好，能更好的跟踪参考电压电流，控制精度更高，从而提高输出电能质量。从而提高输出电能质量。从而提高输出电能质量。


技术研发人员：黄海宏 曲晓毅 王海欣
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/13