基于虚拟同步发电机（VSG）控制策略的构网型逆变器

电力电子技术与新能源 2024-05-21 22:27

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构网逆变器是最近几年来研究热门，我们对虚拟同步发电机控制做初步简单探讨。

一、构网逆变器的虚拟同步机技术原理

1.功频控制器

原动机调节和转子运动方程共同构成功频调节器。同步发电机转子运动方程：

原动机调节如下式：

式中：Tm，Te分别为机械转矩和电磁转矩；Pm，Pe分别为机械功率和电磁功率；D 为常阻尼系数；J为转动惯量；ω为角速度；δ为功角；ω0为额定角速度；Pref 为给定电磁功率；kf 为调频系数。

2.励磁控制器

为了实现并网时VSG的无功功率能够无差地响应给定，设计的励磁控制器。

E为内电势，Q为虚拟无功功率，Qref为无功功率给定，E0为空载电势。ku为电压调节系数。当 VSG运行在离网模式时，S1=1，S2=0，S3=0，无功功率使用下垂控制输出电压；当 VSG运行在离网预同步模式时，S1=1，S2=1，S3=0，无功功率使用下垂控制输出电压，补偿VSG输出电压和电网电压之间误差，保证系统电压幅值一致；当VSG处于并网模式时，S1=0，S2=0，S3=1，实现无功功率闭环控制补偿电压。

二、构网逆变器的拓扑

实际控制电路没有储能电池单元。为了防止功率倒送导致直流电源电压升高，将直流电源用PWM整流器代替，实际运行拓扑是背靠背的三相全桥电路。

三、构网逆变器的整体控制方案

四、构网逆变器的分模块控制解析

实际控制电路没有储能电池单元。为了防止功率倒送导致直流电源电压升高，将直流电源用PWM整流器代替，实际运行拓扑是背靠背的三相全桥电路。PWM整流侧交流电源采用电网模拟器，VSG输出侧交流电源采用400V调压器，可实现相电压50V到400V的VSG并网控制。采用10kHz的控制频率和PWM载波，整体算法时间是37us。

控制算法分成11个部分：坐标变换、功率计算、电压相位预同步、虚拟调速器和虚拟转子、电压幅值预同步、虚拟励磁器控制、机端电压控制、虚拟阻抗控制、电压外环控制、电流内环控制、SVPWM脉冲输出。

1.坐标变换

◉采样Uabg，Ubcg，Ucag为电网线电压，转化为相电压Uag，Ubg，Ucg；

◉采样UaVSG，UbVSG，UcVSG为构网逆变器输出相电压，经过Clark变换和DQ变换后输出UdVSG，UqVSG；

◉采样IaVSG，IbVSG，IcVSG为构网逆变器滤波器输出电流，经过Clark变换和DQ变换后输出IdVSG，IqVSG；

◉采样IaL，IbL，IcL为构网逆变器滤波电感电流，经过Clark变换和DQ变换后输出ILdVSG，ILqVSG；

2.功率计算

◉通过构网逆变器滤波器输出电流IaVSG，IbVSG，IcVSG和电压UaVSG，UbVSG，UcVSG，计算输出的有功功率Pvsg和无功功率Qvsg；

◉构网逆变器滤波器输出电压的alpha和beta分量计算输出电压峰值。

3.电压相位预同步

◉利用VSG计算输出的相位角对电网电压做Clark变换和DQ变换，对q轴分量进行闭环控制，从而达到相位同步的目的；

◉只有使能了同步控制后，才开始进行VSG输出电压相位对电网相位跟踪；

◉其中比例系数Kp=0.2，积分系数Ki=10。

4.虚拟调速器和虚拟转子

◉第一部分：

，下垂控制，叠加有功参考，生成最终的功率参考值，实际调试过程中，可以将kw设置为0；

◉第二部分：同步发电机转子运动方程：

，

(电网内阻抗越大，需要衰减系数越小，增强响应速度，实际调试过程需要对D调整)。最后对积分输出VSG的电压角度，积分后角度需要对2*PI取余，保证输出角度范围是【0，2PI】。

◉第三部分：当 VSG运行在离网预同步模式时，S1=1，S2=1，S3=0，电网电压预同步反馈。保证构网逆变器输出电压频率、相位和电网电压一致。

5.电压幅值预同步

◉以电网电压幅值为参考，对VSG机端电压幅值进行闭环控制，实现幅值同步。

◉当 VSG运行在离网预同步模式时，S1=1，S2=1，S3=0。保证构网逆变器输出电压幅值和电网电压一致。

◉其中比例系数Kp=0.2，积分系数Ki=10。

6.虚拟励磁器控制

◉励磁电压综合输出：

S1离网状指令，1使能离网， 0禁止离网；

S2预同步指令，1使能预同步，0禁止预同步；

S3并网状指令，0禁止并网， 1使能并网。与S1逻辑互反。

◉电压无功功率下垂系数ku=0.001；

◉并网状态下无功功率闭环比例系数Kp=0.2，积分系数Ki=10。

7.机端电压控制

◉机端电压控制采用带前馈的PI控制；

◉机端电压控制比例系数Kp=1，积分系数Ki=100。

8.虚拟阻抗控制

◉虚拟阻抗

，

9.电压外环控制

◉虚拟内电动势与机端电压做电压外环控制，输出VSG输出参考电流。

◉电压外环控制比例系数Kp=0.2，积分系数Ki=100。

10.电流内环控制

◉输出参考电流与VSG输出电流做电流内环控制，带电压前馈，输出VSG输出参考电压。

◉电流内环控制比例系数Kp=2，积分系数Ki=100。

11.SVPWM脉冲输出

◉VSG输出参考电压经过逆Clark变换和SVPWM模块输出马鞍形SVPWM波形，占空比范围【0，1】。

五、构网逆变器的硬件和运行

1.硬件电路

2.软件调试界面

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