[發明專利]一種動態特性優化的單相虛擬同步機控制方法

在審

• 申請號: 202211065043.9
• 申請日: 2022-09-01
• 公開（公告）號: CN115347613A
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 劉佳;蘇津毅;劉進軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02M7/48;H02M7/493
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 賀小停

本發明公開了一種動態特性優化的單相虛擬同步機控制方法，包括：利用SOGI功率測量環節構建電壓、電流的兩組正交信號，計算平均有功功率和無功功率；基于SOGI的單相功率計算環節的非線性和時變特性，采用基于N4SID和PSO算法的系統辨識方法，擬合出SOGI功率計算環節的最優線性化傳遞函數；根據最優線性化傳遞函數建立單相VSG系統的狀態空間模型，通過部分狀態反饋極點配置，實現單相虛擬同步機控制。本發明基于的系統辨識的SOGI功率測量環節線性化方法，以優化單相VSG有功閉環響應特性，消除低頻震蕩并維持快速的動態響應能力為導向，并在此基礎上進行單相VSG閉環極點精確配置方案。

技術領域

本發明涉及同步機控制技術領域，特別涉及一種動態特性優化的單相虛擬 同步機控制方法。

背景技術

在能源消耗日益增加，能源問題不斷凸顯的情況下，新能源的開發利用備 受關注，利用新能源的分布式發電技術成為解決能源問題的重要方式。然而， 傳統的并網逆變器無法像同步發電機一樣為電網提供電壓支撐、慣性支撐和一 次調頻能力，當它們接入電力系統時，可能引起系統的電能質量和穩定性問題， 因而傳統新能源并網逆變器在電網中的占比受到了限制。

圖1所示的虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator,VSG)技術是 解決上述問題的有效方法。通過在并網逆變器控制系統中模擬同步發電機的擺 動方程和調速器(下垂控制)，VSG能為電網提供有效的慣性支撐和一次調頻。 當前的VSG技術的研究，主要集中在三相電力電子裝置上。

單相電力電子裝置由于單機容量較小，所能提供的電網頻率支撐作用有限， 往往受到了忽略。然而，單機額定功率較小的單相VSG如果能發揮集群效果 的話，其對電網提供頻率支撐的能力也不可小覷。因此，VSG在單相電力電子 裝置中的應用也應給予足夠的重視。然而，單相設備有著一些三相設備所沒有 的特性，例如，①功率計算單元更加復雜；②存在二倍頻功率振蕩。如何在設 計單相VSG系統時綜合考慮這些單相電力電子裝置特有的問題，成為推廣 VSG控制的又一個需要解決的問題。單相系統中的二倍頻功率脈動非常大，理 論上其幅值等于功率平均值，很難用一階濾波除去。然而如果直接使用含有二 倍頻脈動分量的功率測量值進行VSG控制，會使輸出的頻率指令也帶有二倍 頻分量，影響VSG輸出的電能質量。解決這個問題的一個常見的方法如圖2 所示，該方案采用二階廣義積分器(SOGI)對電壓電流進行濾波并生成正交分量， 然后再如圖所示相乘求和，即可得到單相系統瞬時有功功率的平均值。

另一方面，VSG在模擬同步發電機的擺動方程的同時，也繼承了后者低頻 振蕩的特性。為了抑制低頻振蕩，一般需要如圖3所示增加一個具有阻尼效果 的控制環，并對整個閉環系統的支配極點進行精確設計，將其配置到可由設計 者指定的阻尼系數足夠大的位置。從圖3可以看出，圖2中的功率測量環節的 等效模型相當于該閉環的反饋路徑傳遞函數。文獻[2]提出了忽略功率測量環節 的三相VSG阻尼設計方法，可以應用到單相VSG中，但對反饋路徑傳遞函數 的忽略會對系統的動態性能提升造成限制。文獻[3]中考慮了功率測量一階濾波 的三相阻尼設計方法，但該方案只適用于一階濾波器系統，無法用于高階濾波器。文獻[4]提出了各提出了一種三相VSG的阻尼控制方式，能夠考慮了能夠 適用于功率測量環節高階濾波的閉環極點精確配置方法。然而，鑒于圖2所示 的單相VSG功率測量環節的復雜性，現有三相VSG的閉環極點精確配置方 法已不再適用，需要針對單相VSG的基于SOGI濾波的功率測量環節提出新 的方案。

根據以上對VSG系統的現有閉環阻尼設計方案的分析，到目前為止，尚沒 有一種較全面地考慮SOGI功率測量環節影響的單相VSG阻尼設計的方法。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種動態特性優化的單相虛擬同步機控制方法。 本發明基于的系統辨識的SOGI功率測量環節線性化方法，以優化單相VSG有 功閉環響應特性，消除低頻震蕩并維持快速的動態響應能力為導向，并在此基 礎上進行單相VSG閉環極點精確配置方案。

本發明的目的是由以下技術方案實現的：