一种虚拟同步机的电流限幅方法

摘要

一种虚拟同步机电流限幅方法。通过增加两个PI调节器和两个限幅环节，使变流器运行过程中，尤其是电网跌落故障时，可限制变流器输出电流，达到了电网跌落故障穿越以及自我保护的目的。本发明在电流过流时响应速度快，在电流受限与不受限之间切换平滑，在电流恢复至正常区间时可快速进入正常的虚拟同步机控制状态。本发明计算过程简单，易于数字控制器实现。

权利要求

1.一种虚拟同步机的电流限幅方法，其特征在于：所述的虚拟同步机的电流限幅方法通过增加两个PI调节器和两个限幅环节实现虚拟同步机的电流限幅，具体如下：(1)通过锁频环获取变流器输出电压的角度θg和幅值vg；

(2)对电流采样并使用变流器输出电压的角度θg进行旋转变换，得到有功电流id、无功电流iq；

(3)设定总电流限幅值ilimit，根据有功和无功电流优先级别求取有功电流限幅值id_limit和无功电流限幅值iq_limit；

有功电流优先时：

id_limit＝ilimit

无功电流优先时：

iq_limit＝ilimit

(4)以电流限幅值做死区区间，对有功电流和无功电流处理，得到有功电流限幅PI调节器和无功电流限幅PI调节器的偏差输入id_err、iq_err；

(5)将虚拟同步机角度θ与有功电流限幅PI调节器输出θc做差，得到角度参考值θref；

(6)将虚拟同步机内电势es与无功电流限幅PI调节器输出ec做差，得到调制电压参考值es_ref；

(7)由变流器滤波电感值L、虚拟同步机角频率ω计算d轴电压偏差限幅值vLd_limit和q轴电压偏差限幅值vLq_limit；

vL_d_limit＝ωLiq_limit

vL_q_limit＝ωLid_limit

(8)计算功角限幅值δlimit；

(9)以虚拟同步机调制角度θout和变流器输出电压的角度θg做差，得到当前功角δ：δ＝θout-θg

(10)由下式求得虚拟同步机调制电压参考值es_ref的最大限幅值es_max和最小限幅值es_min：(11)最后使用θg-δlimit和θg+δlimit对虚拟同步机角度参考值θref进行限幅，使用最小限幅值es_min和最大限幅值es_max对调制电压参考值es_ref限幅，得到最终虚拟同步机的调制角度θout和调制电压幅值es_out：

2.根据权利要求1所述的虚拟同步机的电流限幅方法，其特征在于：为了使限幅调节器切入切出时过度平滑，在有功电流限幅PI调节器偏差输入变为0，即在退出受限状态时，将虚拟同步机角度θ重新初始化为最终虚拟同步机调制角度θout，并将调节器输出θc清0；在无功电流限幅PI调节器偏差输入变为0，即在退出受限状态时，将虚拟同步机内电势es重新初始化为虚拟同步机调制电压幅值es_out，并将无功电流限幅PI调节器输出ec清0。

说明书

一种虚拟同步机的电流限幅方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于虚拟同步机控制方式变流器的电流限幅方法，尤其涉及一种单下垂控制环的虚拟同步机的电流限幅方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着分布式可再生能源和微电网的快速发展，将变流器虚拟成同步发电机的虚拟同步机控制技术因其可以使变流器呈现带有惯性和阻尼特性的电压源，受到广泛关注。但是，变流器作为电力电子装置，过流能力有限，因此研究其电流限幅方法具有重要意义。

[0003] 传统的虚拟同步机控制器，通常采用下垂控制-电压环-电流环的三环控制方案，通过在其中的电流环的参考电流给定位置进行限幅，达到对实际电流限幅的目的。CN201610824214《一种基于参考滤波电感电流的下垂控制微电网的限流方法》即使用了此种限流方式。CN201510711593《一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法》则在下垂环节引入了闭环调节器补偿角速度，但没有针对电压幅值进行处理。由于以上方法引入了电压环和电流环，提高了控制器阶数，降低了虚拟同步机控制带宽，同时也增加了数字控制器的设计复杂度。

[0004] 对于虚拟同步机单环控制方案，其优点是控制算法简单，控制器带宽高，但由于缺少电流环环节，在运行过程中不可避免会有过流情况发生。

[0005] 文献《Current-Limiting Droop Control ofGrid-connected Inverters》针对单相并网逆变器，提出了一种限流下垂控制器，利用非线性输入状态稳定理论实现了虚拟同步机电流限幅，但是其实现方式复杂，且未提出三相变流器的实现方案。

发明内容

[0006] 为了克服常规虚拟同步机单环控制方案中电流不受控的缺点，本发明提出一种虚拟同步机的电流限幅方法。本发明在变流器运行过程中，尤其是电网跌落故障时，可限制变流器输出电流，达到电网跌落故障穿越以及自我保护的目的。

[0007] 本发明通过增加两个PI调节器和两个限幅环节实现虚拟同步机的电流限幅，步骤如下：

[0008] 1、通过锁频环获取变流器输出电压的角度θg和幅值vg。

[0009] 2、对电流采样并使用变流器输出电压的角度θg进行旋转变换，得到有功电流id和无功电流iq。

[0010] 3、设定总电流限幅值ilimit，根据有功电流和无功电流的优先级别求取有功电流限幅值id_limit和无功电流限幅值iq_limit。

[0011] 有功电流优先时：

[0012] id_limit＝ilimit

[0013]

[0014] 无功电流优先时：

[0015] iq_limit＝ilimit

[0016]

[0017] 4、以电流限幅值做死区区间，对有功电流和无功电流处理，得到有功电流限幅PI调节器的偏差输入id_err和无功电流限幅PI调节器的偏差输入iq_err：

[0018]

[0019]

[0020] PI调节器的传递函数W(s)为：

[0021]

[0022] 式中Kp为比例系数，Ki为积分系数。

[0023] 5、将虚拟同步机角度θ与有功电流限幅PI调节器输出θc做差，得到角度参考值θref。

[0024] 6、将虚拟同步机内电势es与无功电流限幅PI调节器输出ec做差，得到调制电压参考值es_ref。

[0025] 7、由变流器滤波电感值L、虚拟同步机角频率ω、计算d轴电压偏差限幅值vLd_limit和q轴电压偏差限幅值vLq_limit：

[0026] vL_d_limit＝ωLiq_limit

[0027] vL_q_limit＝ωLid_limit

[0028] 8、计算功角限幅值δlimit：

[0029]

[0030] 9、以虚拟同步机调制角度θout和变流器输出电压的角度θg做差，得到当前功角δ：

[0031] δ＝θout-θg

[0032] 10、由下式求得虚拟同步机调制电压参考值es_ref的最大限幅值es_max和最小限幅值es_min：

[0033]

[0034]

[0035] 11、最后使用θg-δlimit和θg+δlimit对虚拟同步机角度参考值θref进行限幅，使用最小限幅值es_min和最大限幅值es_max对调制电压参考值es_ref限幅，得到最终虚拟同步机的调制角度θout和调制电压幅值es_out。

[0036]

[0037]

[0038] 为了使限幅调节器切入切出时过度平滑，需要在有功电流限幅PI调节器偏差输入变为0，即在退出受限状态时，将虚拟同步机角度θ重新初始化为θout，并将调节器输出θc清0。在无功电流限幅PI调节器偏差输入变为0，即在退出受限状态时，将虚拟同步机内电势es重新初始化为es_out，并将调节器输出ec清0。

[0039] 本发明为单下垂控制器的虚拟同步机方案提供了一种简单实用有效的电流限幅方法。本发明所述方法的优点是：在电流过流时响应速度快，在电流受限与不受限之间切换平滑，在电流恢复至正常区间时可快速进入正常的虚拟同步机控制状态。而且，本发明所述方法计算过程简单，易于数字控制器实现。

附图说明

[0040] 图1为虚拟同步机电气拓扑图；

[0041] 图2为典型虚拟同步机模型图；

[0042] 图3为变流器功率传输原理图；

[0043] 图4为输出限幅原理图；

[0044] 图5为电流限幅控制框图；

[0045] 图6为死区处理环节图；

[0046] 图7为电网电压跌落故障时电流限幅效果图。

具体实施方式

[0047] 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

[0048] 如图1所示，虚拟同步机的直流母线端连接储能单元，功率单元通过LC组成的滤波回路连接至电网。典型的虚拟同步机模型如图2所示，图中上方为有功功率下垂控制器，图中下方无功功率下垂控制器，两个控制器共同产生调制电压的角度和幅值。

[0049] 变流器功率传输原理如图3所示，电流可以表示为下式：

[0050]

[0051] 式中E∠δ为源端电压，V∠0°为副端电压，Z∠θ为两端间阻抗。

[0052] 传输的有功功率P和无功功率Q可以表示为下式：

[0053]

[0054]

[0055] 当Z为电感时，θ为90度，值可表示为ωL，则上式可简化为：

[0056]

[0057]

[0058] 式中id为有功电流，iq为无功电流。

[0059] 由上式可得：

[0060]

[0061]

[0062] 即通过控制功角δ和电压幅值E控制电流。

[0063] 如图4所示，变流器输出电压矢量V和功率单元输出电压矢量E以及电感电压矢量VL组成矢量三角关系，将电感电压VL限制在图中圆形区域内即可实现对电流的限幅。

[0064] 本发明所述的电流限幅控制方法如图5所示，本发明在图2基础上增加了两个PI调节器和两个限幅环节。本发明所述方法的步骤如下：

[0065] 1、通过锁频环获取变流器输出电压的角度θg和幅值vg；

[0066] 2、对电流采样并使用θg进行旋转变换，得到有功电流id、无功电流iq；

[0067] 3、设定总电流限幅值ilimit，根据有功电流和无功电流的优先级别求取有功电流限幅值id_limit和无功电流限幅值iq_limit；

[0068] 有功电流优先时：

[0069] id_limit＝ilimit

[0070]

[0071] 无功电流优先时：

[0072] iq_limit＝ilimit

[0073]

[0074] 4、以电流限幅值做死区区间对有功电流和无功电流处理，得到有功电流限幅PI调节器和无功电流限幅PI调节器偏差输入id_err、iq_err。死区处理环节如图6所示，特性如下式：

[0075]

[0076]

[0077] PI调节器的传递函数W(s)为：

[0078]

[0079] 式中Kp为比例系数，Ki为积分系数。

[0080] 5、以虚拟同步机角度θ与有功电流限幅PI调节器输出θc做差，得到角度参考值θref；

[0081] 6、以虚拟同步机内电势es与无功电流限幅PI调节器输出ec做差，得到调制电压参考值es_ref；

[0082] 7、由变流器滤波电感值L、虚拟同步机角频率ω、计算d轴电压偏差限幅值vLd_limit和q轴电压偏差限幅值vLq_limit：

[0083] vL_d_limit＝ωLiq_limit

[0084] vL_q_limit＝ωLid_limit

[0085] 8、计算功角限幅值δlimit：

[0086]

[0087] 9、虚拟同步机调制角度θout和变流器输出电压的角度θg做差，得到当前功角δ：

[0088] δ＝θout-θg

[0089] 10、由下式求得虚拟同步机调制电压参考值es_ref的最大限幅值es_max和最小限幅值es_min：

[0090]

[0091]

[0092] 11、最后使用θg-δlimit和θg+δlimit对虚拟同步机角度参考值θref进行限幅，使用es_min和es_max对调制电压参考值es_ref限幅，得到最终虚拟同步机的调制角度θout和调制电压幅值es_out。

[0093]

[0094]

[0095] 为了使限幅调节器切入切出时过度平滑，需要在有功电流限幅PI调节器偏差输入变为0，即在退出受限状态时，将虚拟同步机角度θ重新初始化为θout，并将调节器输出θc清0。在无功电流限幅PI调节器偏差输入变为0，即在退出受限状态时，将虚拟同步机内电势es重新初始化为es_out，并将调节器输出ec清0。

[0096] 以50kW变流器为例，仿真验证本发明所述控制方法。变流器额定电压190V，额定电流152A，设置电流限幅值为1.2倍额定值，即182A，无功电流优先。当电网发生三相短路故障时，电压电流波形如图7所示。可以看出，在电网故障起始和恢复暂态，电流峰值约400A，在稳态期间，电流被限幅至设定值附近，达到了预期效果。