基于虛擬同步發電機（VSG）控制策略的構網型逆變器

電力電子技術與新能源 2024-05-21 22:27

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構網逆變器是最近幾年來研究熱門，我們對虛擬同步發電機控制做初步簡單探討。

一、構網逆變器的虛擬同步機技術原理

1.功頻控制器

原動機調節和轉子運動方程共同構成功頻調節器。同步發電機轉子運動方程：

原動機調節如下式：

式中：Tm，Te分別為機械轉矩和電磁轉矩；Pm，Pe分別為機械功率和電磁功率；D 為常阻尼系數；J為轉動慣量；ω為角速度；δ為功角；ω0為額定角速度；Pref 為給定電磁功率；kf 為調頻系數。

2.勵磁控制器

為了實現并網時VSG的無功功率能夠無差地響應給定，設計的勵磁控制器。

E為內電勢，Q為虛擬無功功率，Qref為無功功率給定，E0為空載電勢。ku為電壓調節系數。當 VSG運行在離網模式時，S1=1，S2=0，S3=0，無功功率使用下垂控制輸出電壓；當 VSG運行在離網預同步模式時，S1=1，S2=1，S3=0，無功功率使用下垂控制輸出電壓，補償VSG輸出電壓和電網電壓之間誤差，保證系統電壓幅值一致；當VSG處于并網模式時，S1=0，S2=0，S3=1，實現無功功率閉環控制補償電壓。

二、構網逆變器的拓撲

實際控制電路沒有儲能電池單元。為了防止功率倒送導致直流電源電壓升高，將直流電源用PWM整流器代替，實際運行拓撲是背靠背的三相全橋電路。

三、構網逆變器的整體控制方案

四、構網逆變器的分模塊控制解析

實際控制電路沒有儲能電池單元。為了防止功率倒送導致直流電源電壓升高，將直流電源用PWM整流器代替，實際運行拓撲是背靠背的三相全橋電路。PWM整流側交流電源采用電網模擬器，VSG輸出側交流電源采用400V調壓器，可實現相電壓50V到400V的VSG并網控制。采用10kHz的控制頻率和PWM載波，整體算法時間是37us。

控制算法分成11個部分：坐標變換、功率計算、電壓相位預同步、虛擬調速器和虛擬轉子、電壓幅值預同步、虛擬勵磁器控制、機端電壓控制、虛擬阻抗控制、電壓外環控制、電流內環控制、SVPWM脈沖輸出。

1.坐標變換

?采樣Uabg，Ubcg，Ucag為電網線電壓，轉化為相電壓Uag，Ubg，Ucg；

?采樣UaVSG，UbVSG，UcVSG為構網逆變器輸出相電壓，經過Clark變換和DQ變換后輸出UdVSG，UqVSG；

?采樣IaVSG，IbVSG，IcVSG為構網逆變器濾波器輸出電流，經過Clark變換和DQ變換后輸出IdVSG，IqVSG；

?采樣IaL，IbL，IcL為構網逆變器濾波電感電流，經過Clark變換和DQ變換后輸出ILdVSG，ILqVSG；

2.功率計算

?通過構網逆變器濾波器輸出電流IaVSG，IbVSG，IcVSG和電壓UaVSG，UbVSG，UcVSG，計算輸出的有功功率Pvsg和無功功率Qvsg；

?構網逆變器濾波器輸出電壓的alpha和beta分量計算輸出電壓峰值。

3.電壓相位預同步

?利用VSG計算輸出的相位角對電網電壓做Clark變換和DQ變換，對q軸分量進行閉環控制，從而達到相位同步的目的；

?只有使能了同步控制后，才開始進行VSG輸出電壓相位對電網相位跟蹤；

?其中比例系數Kp=0.2，積分系數Ki=10。

4.虛擬調速器和虛擬轉子

?第一部分：

，下垂控制，疊加有功參考，生成最終的功率參考值，實際調試過程中，可以將kw設置為0；

?第二部分：同步發電機轉子運動方程：

，

(電網內阻抗越大，需要衰減系數越小，增強響應速度，實際調試過程需要對D調整)。最后對積分輸出VSG的電壓角度，積分后角度需要對2*PI取余，保證輸出角度范圍是【0，2PI】。

?第三部分：當 VSG運行在離網預同步模式時，S1=1，S2=1，S3=0，電網電壓預同步反饋。保證構網逆變器輸出電壓頻率、相位和電網電壓一致。

5.電壓幅值預同步

?以電網電壓幅值為參考，對VSG機端電壓幅值進行閉環控制，實現幅值同步。

?當 VSG運行在離網預同步模式時，S1=1，S2=1，S3=0。保證構網逆變器輸出電壓幅值和電網電壓一致。

?其中比例系數Kp=0.2，積分系數Ki=10。

6.虛擬勵磁器控制

?勵磁電壓綜合輸出：

S1離網狀指令，1使能離網， 0禁止離網；

S2預同步指令，1使能預同步，0禁止預同步；

S3并網狀指令，0禁止并網， 1使能并網。與S1邏輯互反。

?電壓無功功率下垂系數ku=0.001；

?并網狀態下無功功率閉環比例系數Kp=0.2，積分系數Ki=10。

7.機端電壓控制

?機端電壓控制采用帶前饋的PI控制；

?機端電壓控制比例系數Kp=1，積分系數Ki=100。

8.虛擬阻抗控制

?虛擬阻抗

，

9.電壓外環控制

?虛擬內電動勢與機端電壓做電壓外環控制，輸出VSG輸出參考電流。

?電壓外環控制比例系數Kp=0.2，積分系數Ki=100。

10.電流內環控制

?輸出參考電流與VSG輸出電流做電流內環控制，帶電壓前饋，輸出VSG輸出參考電壓。

?電流內環控制比例系數Kp=2，積分系數Ki=100。

11.SVPWM脈沖輸出

?VSG輸出參考電壓經過逆Clark變換和SVPWM模塊輸出馬鞍形SVPWM波形，占空比范圍【0，1】。

五、構網逆變器的硬件和運行

1.硬件電路

2.軟件調試界面

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