一种故障期间基于不平衡功率的功角补偿控制的VSG暂态稳定控制方法及系统

本发明涉及三相电力电子逆变器控制方法，具体涉及一种故障期间基于不平衡功率的功角补偿控制的vsg暂态稳定控制策略方法及其控制系统。

背景技术：

1、分布式电源作为将来可再生能源应用的主要形式，具有污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等多方面优点。在面对未来越来越多的分布式电源接入的背景下，如何实现分布式电源的友好接入，减小电源、负载、电网或者微网间的消极影响已成为当前分布式能源方向的研究热点。虚拟同步发电机技术就是在此背景之下提出的逆变器控制技术，它融合了电力电子设备的灵活性和同步发电机的运行机制，可有效的解决分布式电源渗透率高引起系统欠阻尼、低惯性问题，促进电源和负载的协调性，具有广阔的应用前景。

2、由于分布式电源运行环境复杂，时常会有短路故障或者电压跌落等故障的发生，而在电压跌落这种大干扰下vsg无法正常运行，使vsg难以满足运行性能指标。因此需要在故障期间内可以实现限制过电流，并且可以提供电压频率的支撑以及无功功率的补偿。国家及相关部门对微电网接入电压质量有明确的规定，这其中就包括不平衡度问题和总谐波畸变率等指标问题。目前对于vsg故障穿越以及频率稳定性等相关问题已取得一些研究成果，主要解决方法集中在控制模式切换、电压电流环以及虚拟阻抗上，但是普遍存在系统适用性差以及响应时延较长等缺陷，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供了一种故障期间基于不平衡功率的功角补偿控制的vsg暂态稳定控制策略方法及其控制系统，其中不改变vsg控制算法结构，采用基于q-pr控制算法作为vsg的底层控制算法以调制vsg的输出三相电压；并采用基于不平衡功率的功角补偿控制方法和改进电压电流环，保证频率稳定性和实现低电压穿越。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种故障期间基于不平衡功率的功角补偿控制的vsg暂态稳定控制方法，所述方法包括：

3、s1：通过故障检测对系统的状态进行判定，若处于故障状态，则反馈稳态功角值和故障期间的功角变化；

4、s2：采用有功功率指令调节控制，接收反馈的稳态功角值，将有功功率指令在故障期间调节为与电网跌落相对应的有功功率指令值；

5、s3：采用动态功角补偿控制接收反馈的故障期间功角变化量，使其经过动态功角补偿系数生成动态功角功率补偿到暂态期间的不平衡功率上；

6、s4：采用改进定向电流环，根据冲击电流的大小以及设备容量来选定电流保护下的稳态电流放大系数ki，以此产生无功补偿电流；

7、s5：实时监测故障期间电流值是否突破阈值，判定是否需要在电流环前引入虚拟阻抗；

8、s6：将虚拟阻抗引入线路中,在不改变其功率解耦的作用下，结合改进电流环共同作用，将电流值控制在正常范围之内，完成了短路电流保护，并且在故障期间提供了无功支撑。

9、进一步，s1中故障检测为实时监测电网侧电压值，采用记忆元件记录稳态功角值和功角变化量。

10、进一步，s2中所述有功功率指令调节控制中调节系数为vsg故障前后输出有功功率的比值，与电网跌落程度、系统阻抗以及稳态功角值有关。

11、进一步，s3中所述动态功角补偿控制中的动态功角补偿系数与故障下电网电压跌落程度、线路阻抗和动态功角值相关。

12、进一步，s4中所述改进定向电流环选取电流环输入调制波uin方向为d轴，实现暂态期间在给定电流幅值下的最大无功支撑。

13、进一步，s5中采用二级判断控制来决定是否引入虚拟阻抗。

14、进一步，s6中在改进电流环前增加虚拟阻抗环节，虚拟阻抗存在电压降电流，结合无功补偿电流，两者可以使电流短时间内进入稳定状态。

15、本发明的一种故障期间基于不平衡功率的功角补偿控制的vsg暂态稳定控制系统，其特征在于，所述系统包括：分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载、vsg控制算法模块、有功功率指令调节模块、动态功角补偿控制模块、改进电流环模块、虚拟阻抗模块；由分布式电源、三相全桥逆变器、滤波器、负载依次连接构成所述vsg控制系统的主电路，主电路连接vsg控制算法模块，主电路经过功率计算向其提供有功功率及无功功率，vsg控制算法模块从而输出电压以及相位得到三相调制波信号来控制主电路，有功功率指令调节模块、动态功角补偿控制模块、改进电流环模块和虚拟阻抗模块都连接到vsg控制算法模块，使vsg在电网故障下实现低电压穿越。

16、进一步，所述vsg控制算法模块，包括电压、电流模拟信号采样模块、ad转换模块、瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、电压电流双环和调制波合成模块；其中电压、电流模拟信号采样模块采集主电路电压电流通过ad转换模块得到数字信号输入到瞬时功率计算模块，得到的有功、无功功率分别输入到有功控制环、无功控制环，提高电压电流双环得到输出电压以及相位，经过调制波合成模块得到最终的三相电压调制波信号。

17、进一步，所述有功功率指令调节模块和功角补偿控制模块，与vsg控制算法、双环控制模块相结合，针对系统中暂态期间稳态功角值和功角变化量，对vsg进行功率补偿，提高系统的频率稳定性，提高了输出功率的稳定性；有功功率指令调节模块和功角补偿控制模块都是与有功控制环相连接；改进电流环模块和虚拟阻抗模块，针对系统中暂态期间的冲击电流，对vsg进行无功电流补偿，提供所需的最大无功支撑，抑制了故障期间的冲击电流，实现低电压穿越；改进电流环模块和虚拟阻抗模块都是与vsg控制算法模块的电压电流双环相连接，通过改变定向和添加虚拟阻抗来抑制电流冲击；

18、其中有功功率指令调节模块的控制方程为：

19、

20、

21、其中，pset为有功功率指令值；pset0为有功功率指令初始值；m为有功功率调节系数；ug为电网电压；ugn为正常工况下的电网电压；un为正常工况下的vsg输出电压；ugf为电网故障下电网电压；uf为电网故障下vsg输出电压；xg为系统的阻抗；δ0为正常工况下的vsg的功角值；

22、功角补偿控制模块的控制方程为：

23、

24、其中，pset为有功功率指令值；pe为vsg输出有功功率；pδ为vsg的功角补偿功率；ω为vsg的输出角速度；ω0为vsg的初始输出角速度；δ0为正常工况下的vsg的功角值；j为vsg的转动惯量；d为vsg的阻尼系数；δ为vsg的功角；kδ为动态功角补偿系数；δδ为暂态期间vsg的功角偏差量；ugf为电网故障下电网电压；uf为电网故障下vsg输出电压；xg为系统的阻抗；

25、改进电流环模块的控制方程为：

26、

27、其中，u*od、u*oq为电流环输出调制波uo的d、q轴分量，l为滤波器等效电感，ω为vsg的输出角速度，id、iq、vd、vq分别为vsg交流母线电流iabc和交流母线电压vabc各自的d、q轴分量，i*d、i*q为额定交流母线电流值i*的d、q轴分量。

28、本发明提出的控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

29、1、本发明采用基于q-pr的控制算法，适用于大部分常用逆变器控制算法的底层控制，例如下垂控制、vsg等，且无需改变主控制算法结构；无需考虑信号调制过程中引入的相移和时延现象，保证了系统响应的快速性和准确性。

30、2、本发明所提方法着重解决逆变电源的频率稳定性问题，尤其是对于vsg系统。其中对于输出电压高频谐波分量，系统增益较小，可以做到有效抑制，对于给定功率变化、电网频率波动，可以做到有效抑制，提高系统的频率稳定性。

31、3、本发明所提方法采用改进电流环结合虚拟阻抗共同作用的方法。针对系统电流的实时值，判定是否两者共同作用限制过电流，并且向系统提供了无功电流补偿，提供无功支撑，抑制冲击电流，实现了低电压穿越，大大提高了系统的稳定性。