不平衡电网电压下VSG平衡电流控制策略

第55卷第4期2021年4月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.55, No.4
April 2021不平衡电网电压下VSG平衡电流控制策略
史丽萍，李俊杰，祁晓雨，杨镇泽
(中国矿业大学，电气与动力工程学院，江苏徐州221116)
摘要：在不平衡电网电压条件下，虚拟同步发电机（VSG)控制面临并网电流不平衡和过流等问题，为此提出一种基于负序电压补偿和峰值电流抑制的VSG平衡电流控制策略。

以负序电流为控制变量，通过准比例谐振(Q PR)控制器产生负序电压，抑制不平衡电流中的负序分量，达到平衡电流的控制目标。

针对电网电压跌落瞬间峰值电流过流问题，通过计算并网电流值与设定值的偏差，并经进一步运算得到动态电压给定，以抑制过大的峰值电流，保证最大峰值电流不超过安全阈值。

实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

关键词：虚拟同步发电机；平衡电流控制；准比例谐振控制器
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1000-100X(2021)04-0103-04
VSG Balance Current Control Strategy Under Unbalanced Grid Voltage
S H I L i-p i n g,L I J u n-j i e,Q I X i a o-yu,YANG Z h e n-z e
(China University of Mining and Technology, Xuzhou221116, China)
Abstract ： In order to solve the problems of grid-connected current unbalance and overcurrent faced by virtual syn­chronous generator(VSG) control under unbalanced grid voltage conditions,a novel VSG balance current control str­ategy based on negative sequence voltage compensation and peak current suppression is proposed.To achieve the con­trol goal of balancing current, the negative sequence current is selected as the control variable, the negative sequence voltage which is generated by the quasi proportional - resonant (QPR) controller can suppress the negative sequence in the unbalanced current.For the problem of peak current overcurrent at the moment of grid voltage drop,the deviation of the grid-connected current value and the set value are calculated to generate the dynamic voltage reference which can be used to suppress the excessive peak current and ensure that the maximum peak current does not exceed the safety threshold.The experimental results verified the correctness and effectiveness of the proposed control strategy. Keywords: virtual synchronous generator; balance current control ；quasi proportional-resonant controller
Foundation Project ： Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61703404)
l引言
传统并网逆变器属于静止设备，不能为电网 提供惯性和阻尼支撑，也难以满足对电力系统调 压调频特性的需求。

为此，有学者提出VSG控制 策略'VSG控制策略可以通过模拟同步发电机 的工作原理，使得逆变器在外特性上表现出类似 同步发电机的转动惯量、下垂特性和阻尼特性，并 为电网提供必要的电压和频率支撑。

因此，VSG控 制策略具有较高的应用前景。

在实际运行中，受到短路故障、负载不平衡和 非全相运行等因素的影响会造成并网点电压三相 不平衡，进而导致并网电流发生畸变，严重时威胁 电力电子设备的安全运行。

目前，现有逆变器主要
基金项目：国家自然科学基金（61703404)
定稿日期：2020-08-14
作者简介：史丽萍（1964-),女，教授，研究方向为新能源与电能质量治理。

属于电流控制型逆变器，通过设计不平衡电网下 的参考电流达到控制目的，而VSG控制的逆变器 属于电压控制型逆变器'因此不能将电流控制型逆变器的控制策略简单移植到VSG控制上。

文献[3]在坐标系下通过推导正序电流给定信号，将电压给定转化为电流给定达到平衡电 流控制目标。

但需要考虑电网不平衡条件下锁相 环精度对系统控制的影响。

文献[4-5]分别选择电 流和电压为控制变量，实现3种控制目标下的协 调控制策略。

文献[6]提出一种电压前馈控制方法，通过引入反馈支路消除不平衡电压对电流的影 响。

但需要精确的滤波参数和线路参数。

文献[7] 提出一种电压前馈补偿的方法，以抑制公共并网 点的不平衡电压。

文献[8]提出一种电压补偿控制 策略，根据输出电流最小的控制目标，建立约束条 件，得到最优解，但该方法运算量较大。

此处提出一种基于负序电压补偿及峰值电流 抑制的VSG平衡电流控制策略。

在保持原有VSG
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第55卷第4期2021年4月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.55, No.4
April 2021
控制输出特性的基础上，通过负序电压补偿控制 策略，实现平衡电流控制目标。

进一步针对电网电 压跌落瞬间峰值电流过流问题，采用一种动态电 压补偿方法，抑制逆变器输出的电流峰值。

2 V SG控制基本原理
利用式（1), (2)可得VSG的相位角和输出电 压的幅值，并经过式（3)生成三相电压调制信号 、，〜，e〇n，三相调制信号经过S P W M得到逆变器 IBGT的驱动脉冲信号U g V I~i v6。

3问题描述
典型的三相三线制逆变器拓扑结构如1所 示，其中^和&分别为直流母线电压和直流侧电容；匕乂2，/?，<：分别为LCL型滤波器的滤波电 感、电阻和电容；u a，u b，u(•为滤波电容端电压乂，4乂为公共耦合点（PCC)电流。

r"d c:
PCC Q c
电网图1三相三线制逆变器拓扑
Fig. 1Three-phase three-wire inverter topology
VS G控制原理如图2所示，其中L,/3。

和a分别为有功功率和无功功率的给定值和实 际值；分别为VSG输出电压幅值的参考值 和实际值；•/为虚拟转动惯量，模拟同步发电机转 子的转动惯量；Z>P为阻尼系数，模拟发电机转子 阻尼；w…为电网同步角速度；0为VSG输出电压 参考指令相角；S P W M为正弦脉宽调制。

有功控制
I1/<*>〇[■
SPWM MgV卜MgV6 mm 、
无功控制<
图2 VSG控制原理
Fig. 2 VSG control principle
通过对同步发电机机械运动方程的模拟，使 得有功控制环路具有同步发电机的转子惯性和阻 尼特性，得出VSG有功控制环路的数学模型为：Jd(〇/dt=(Tm-Te)+Dp(〇>n-(〇〇),0= |c〇〇dt(1)式中：7；为机械转矩和电磁转矩，7>P/<u…。

通过对同步发电机一次调压的模拟，可以得 出V S G的无功控制环路数学模型为：
QM-Q0+D^U-U0)=KAEJAt(2)式中：为模拟励磁调节的调压系数；£m为电压参考指令幅值；Z)q为无功功率-电压下垂系数。

e^E^inO,eb n l=£m sin(0-2T T/3)
ec m=£'m sin(0+2T T/3)
为阐述在电网电压不平衡情况下逆变器功率 输出的特点，设三相电网电压和电流k分别 为[u a u b和[i a i b i(.]「，将二相电压、电流进行 C l a r k e变换，并正负序分离，由于该系统采用三线 三相制拓扑结构，因此不考虑零序分量，三相电 压、电流在0；，y8坐标系下表不为：
Ua}=2_ 1 -1/2-1/2U a++u a~
u p J30
V^T/2 -V T/2
以b
v+v
la=
A[*~m
-1/2la ia++i a'
3 l〇V J/2-V T/2I
式中：和u#_分别为电压在0：,/?坐标系下的正、负序分 量；和分别为电流在a,)3坐标系下的正、负序分量。

根据瞬时功率功率理论可知，有功功率和无 功功率可表示为：
P〇_ 3ua^8la
<?〇一T u p—ua
(5)
将式(4)代入式（5)可将功率分解为平均分量和波动分量两部分，即:
Po-P0+Pc2cos(Txxij,)+Ps2s i n(2(0 J)
\〇) Q…=Q〇+Q c2C〇s(2〇〇4,)+Q,2sm(2w,f,)
式中：/5。

和(?。

分别为有功功率和无功功率的直流分量；P〇2 和心为有功功率波动分量的幅值；和〇2为无功功率
波动分量的幅值。

当电网电压不平衡时，并网逆变器输出的有 功功率和无功功率存在2倍频波动，而波动的幅 值受电压、电流正负序分量幅值的影响。

采用VS G控制的逆变器属于电压控制型逆 变器，由式（1卜（3)可知，VS G控制的输出量为 三相正弦信号。

而当电网电压不平衡时，电网的电 压电流可分解成正序电压分量和负序电压分量，由于VSG控制输出三相对称分量即正序电压分 量，不能产生负序电压分量，而电网电压存在负序 分量，且线路阻抗较小，进而导致电网中存在较大 的负序电流。

同时，由于VSG控制策略无功电压 环含有积分环节，在电网电压发生不平衡跌落时，VSG控制电压输出的响应较慢，使得逆变器输出 电压与电网电压相差较大，造成类似同步发电机 暂态电流冲击的现象。

104
I^sc i l^scl
VSG 控制
4平衡电流控制策略
经上述分析，在不平衡电网电压条件下，采用 VSG 控制策略的逆变器输出的电压电流不能满足 并网要求。

为满足不平衡电网下逆变器输出电流 达到并网要求，并避免电网电压不平衡条件下的 锁相环锁相精度的影响，在《，/3坐标系下，提出如图3所示的控制策略f
^abc 丨 4b c
同taij 负
序
分
M
分
1 '
M gVl 〜MgV6
—*|s p w
m
| //////
图3
VSG 平衡电流控制策略
Fig. 3 VSG balance current control strategy
4.1 正序电压分量控制
首先采用基于改进二阶广义积分器的滤波器
实现对电压电流的正负序分量的提取，将提取的 正序电压分量作为VSG 无功环电压给定。

VSG 控 制生成三相对称电压作为在不平衡条件下正序电 压控制，经Clarke 变换将三相电压参考信号转化 成a ，)3坐标系下电压参考信号。

正序分量的电压 参考分量如下：
-^-an -
Em *sin 8
-Em *cos 9
(7)
该正序分量控制策略省略电流内环，在维持
电压型逆变器的同时保留了 VSG 控制的虚拟转 动惯量和虚拟阻尼特性。

4.2负序电压分量控制
为达到平衡电流控制目标，化简信号给定的 运算量，并保证在故障情况下无需模式切换，选取 负序电流作为控制变量。

此处采用准PR 控制器产 生负序电压给定信号，准PR 控制器的传递函数为：
GP R -kp +2kfi),s/(s2+2(〇c s+(〇^) (8)
式中：A P 人和分别为准P R 控制器的比例系数、谐振系 数、截止带宽。

在实现平衡电流控制目标条件下，此时输出
的并网电流为正弦量，不含负序电流分量，因此仅 需将负序电流给定设定为零即可，参考信号为：
p =
P
M ,
im
'=〇,
^"，=〇 (9)
由式（6)可知，此时电网电压含有负序电压分 量。

VSG 输出有功功率和无功功率均含2倍频。

将
电流负序给定分量与电网电流负序分量的偏差送 入准PR 控制器中，生成负序电压给定信号，起到 抑制负序电流的作用，达到平衡电流的控制目标。

4.3 峰值电流抑制
针对电网电压跌落瞬间的冲击电流问题，可 以按式（10)提取过大的电流，原理如图4所示。

并 按式（11)实现对VSG 输出电压的动态补偿，从而 达到有效抑制暂态过程中的峰值电流的目的。

Algi_Igr ,gm ax ，
* A ’g c -’g t +’g m a x ，
( 1 〇 )
i
~^p i a x ^ ^g r ^
Ae
众丨 | A&
j
(11)
式中：b 为VSG 实际输出的并网电流实际值
为允许最大电流的峰值，
的设定值需要略小于逆变器
实际能够承受的最大峰值电流；
为&与的偏差； 为抑制峰值电流的补偿电压；分别为Ae ,的比例
系数和积分系数。

A /g .t
_7g m a x
人
/
7g m a x
图4
&,输出原理
Fig. 4 Aip output principle
式（l i )输出的电压信号的目的是对超出
部分进行抑制。

因此，式（n )中的比例、积分项前
需要增加负号；此外，由于VSG 暂态电流冲击时 间一般较短，因此当&</_后，4^需要置零，保 证VSG 输出电流在安全区间内不受Ae ，的影响。

5
实验
为了验证所提控制策略的有效性，搭建了 一台额定容量为lk V A 的实验样机，控制器采用
DSPTM 320F 28335;采用型号为PVS 1001的太阳能 电池列阵模拟器模拟直流电源；％=200 V ;电网线 电压 u =110 mL ,L 2=0.7 mL ,C =10 (j l F ;考
虑平衡电流控制时的功率波动及电压不平衡时较 大的峰值电流，功率给定设定较小，分别为 0.3 kW ，<?«=0.1 kvar。

VSG 系统参数 Dp =0.8 N .m .
s _rad -1，/)q =70 A ,尺=3.1 A .s ，J =0.003 kg .m 2。

A :p =
0.8，A r =40，<uc =3.14 rad .s -1,/，^ A 。

此时，正常运 行情况下的电网峰值电流为2.5 A ,要求VSG 输 出的电流小于1.3Pu ,0〜0.4 s 系统正常运行，&相 电网电压在0.4 s 时电压跌落15%，在1.2 s 时a 相
电压恢复。

不平衡电网电压下V SG 平衡电流控制策略
p o -g o
-I
功率计算
105
//(I Oms /格）
(a >电压跌落时的电流波形
"(10 ms/格） "（10 ms/格）
(b )稳定后的电流波形 （c)电压恢E 时的电流波形
图5实验波形1
Fig. 5 Experimental waveforms 1
图6为负序电压补偿+峰值电流抑制的电流 输出波形。

//(10 ms /格）
(b )稳定后的电流波形
//(10
ms/格）
(c )电压恢复时的电流波形
图
6
实验波形2
Fig. 6 Experimental waveforms 2
其中，图6b 与图5b 的效果相同，加入峰值电 流抑制后，图6a 的最大峰值发生在a 相，为3.2 A 。

图5为负序电压补偿控制下（不含峰值电流 抑制）不同时间段的电流输出波形。

其中，图5a 为 电压跌落期间的电流波形，其中最大峰值发生在
a 相，为4.2 A ,超出正常运行电流的68%。

图5b
为电压跌落期间的电流波形，输出电流三相对称，
验证平衡电流控制的有效性。

图5c 为电压恢复期 间的电流波形。

其中最大峰值发生在c 相，为3.9 A ， 超出正常运行电流的56%。

z/(IOms/格）
电压跌落时的电流波形
图6c 的最大峰值发生在C 相，为3.1 A ，分别超出额 定运行电流的28%和24%，达到并网电流小于1.3p u
的标准，验证了峰值电流抑制控制策略的有效性。

6
结论
针对V S G 在不平衡电网电压条件下输出电 流不平衡及过流的问题，此处提出了负序电压补 偿及峰值电流抑制的VSG 平衡电流控制策略。

通 过搭建实验样机对所提控制策略在不平衡电压类 型的有效性进行了验证，结果表明：负序电压补偿 控制可以实现对负序电流的抑制，达到逆变器输 出三相平衡电流的控制目标，满足并网的要求。

动
态电压补偿可以抑制电网电压跌落瞬间的过大峰 值电流，并使并网电流不超过1.3P u 的安全阈值。

同时所提的控制方法避免了锁相环锁相精度的影 响，并保留了 V S G 的输出特性且具有无需故障检 测和控制模式切换的优点。

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