靜止坐標(biāo)系下無電網(wǎng)電壓傳感器虛擬同步機(jī)控制策略

摘 要：針對采用虛擬磁鏈算法的無電網(wǎng)電壓傳感器存在的直流偏移等問題，提出基于一階低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)磁鏈觀測器，利用改進(jìn)的磁鏈觀測器得出虛擬磁鏈，提高了觀測的精度。在得到虛擬磁鏈的基礎(chǔ)上，針對不同電網(wǎng)頻率運(yùn)行條件，利用鎖相環(huán)思想提出電網(wǎng)角頻率的計算結(jié)構(gòu)，并由虛擬出的磁鏈與電壓的關(guān)系來重構(gòu)電網(wǎng)電壓。此外，將所提無電網(wǎng)電壓傳感器策略應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)中，在兩相靜止坐標(biāo)系下設(shè)計虛擬同步控制結(jié)構(gòu)，相比于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可省去控制內(nèi)環(huán)的解耦環(huán)節(jié)，同時還能簡化坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)，避免了因坐標(biāo)變換中角度不準(zhǔn)而引入的不穩(wěn)定因素。最后，通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提控制策略與磁鏈觀測器的有效性與可靠性。

關(guān)鍵詞：變流器；磁鏈；無傳感器控制；虛擬同步控制；靜止坐標(biāo)系

中圖分類號：TM46" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0587

文章編號：0254-0096（2024）08-0174-08

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱 150000；

2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京 211103

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的成熟與新能源裝機(jī)容量的提升，傳統(tǒng)并網(wǎng)變流器運(yùn)行系統(tǒng)缺乏慣性與振蕩失穩(wěn)問題已經(jīng)出現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)跟網(wǎng)型控制，利用構(gòu)網(wǎng)電壓源型控制來控制并網(wǎng)變流器可為電網(wǎng)提供更多阻尼與慣量，從而使電力系統(tǒng)更加可靠的運(yùn)行［1-4］。

電壓源型控制策略以虛擬同步機(jī)（virtual synchronous generators， VSG）控制為代表，通過模擬同步發(fā)電機(jī)的阻尼以及轉(zhuǎn)動慣量，使變流器具備類似同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，為電網(wǎng)提供頻率和幅值的支撐［5-6］?，F(xiàn)有研究對虛擬同步控制系統(tǒng)進(jìn)行建模時主要建立在兩相旋轉(zhuǎn)[dq]坐標(biāo)系下，在整個控制閉環(huán)的設(shè)計過程中由于存在坐標(biāo)變換和解耦的問題，整個閉環(huán)的控制效果會受到獲取電角度不準(zhǔn)以及解耦精度不高的影響。文獻(xiàn)［7］指出對于在[dq]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下控制的虛擬同步變流器，在啟動以及并網(wǎng)控制模式切換時需要鎖相環(huán)提供相位進(jìn)行[dq]坐標(biāo)變換，而由于鎖相環(huán)存在誤差，會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡、頻率不穩(wěn)定的情況。文獻(xiàn)［8］研究表明，[dq]坐標(biāo)系下的VSG控制存在耦合，若解耦精度不高，[dq]解耦控制可能會將電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定因素引入控制系統(tǒng)從而引起諧波，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。相較于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的VSG控制，采用靜止坐標(biāo)系控制比旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的穩(wěn)定裕度更大，控制系統(tǒng)魯棒性更好?；趦上囔o止坐標(biāo)系，文獻(xiàn)［9］提出一種VSG功率-電流協(xié)調(diào)控制策略，簡化了內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的解耦、坐標(biāo)變換等環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行性能。綜上，與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相比，靜止坐標(biāo)系下設(shè)計控制系統(tǒng)無需考慮解耦與坐標(biāo)變換，不僅簡化系統(tǒng)設(shè)計，同時也避免并網(wǎng)時因解耦與坐標(biāo)變換帶來的諧波等復(fù)雜問題。

另一方面，傳統(tǒng)的并網(wǎng)變流器系統(tǒng)中，一般需要電流傳感器以及交流、直流電壓傳感器等來實(shí)現(xiàn)控制，傳感器數(shù)量的增加會使系統(tǒng)的成本上升。同時并網(wǎng)時由電網(wǎng)諧波帶來的不穩(wěn)定問題也愈發(fā)嚴(yán)重［10-11］。為此，為提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，現(xiàn)有研究提出采用無電網(wǎng)電壓傳感器控制的技術(shù)虛擬電網(wǎng)電壓來實(shí)現(xiàn)變流器的自同步。目前對相關(guān)控制策略的研究主要集中在基于虛擬磁鏈的定向控制策略上［12］。這是一種將交流電機(jī)磁鏈觀測的思想用于并網(wǎng)技術(shù)的研究，它通過把變流器的電壓信號與虛擬磁鏈相聯(lián)系，得到電網(wǎng)電壓的替代信號，從而在并網(wǎng)系統(tǒng)中減少電網(wǎng)電壓傳感器的數(shù)量［13］。在設(shè)計磁鏈觀測器時，純積分環(huán)節(jié)會由初始值的不確定造成直流偏移的問題?，F(xiàn)有研究已提出了如一階低通濾波器、一階慣性環(huán)節(jié)、雙低通濾波器等來代替純積分環(huán)節(jié)。然而一階低通濾波器和一階慣性環(huán)節(jié)積分后的相位和幅值都存在誤差，系統(tǒng)動態(tài)特性變差。而雙低通濾波器運(yùn)行時又會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)分量［14-16］。此外由虛擬磁鏈建立電網(wǎng)電壓的過程需根據(jù)磁鏈與電壓的矢量關(guān)系計算出相應(yīng)的角頻率或相角，由于實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行時存在不同的角頻率運(yùn)行條件，因此對矢量關(guān)系中的角頻率一般不采用定值，若旋轉(zhuǎn)角頻率檢測不準(zhǔn)確，采用矢量關(guān)系計算時會出現(xiàn)一定的誤差［17］，因此有研究利用虛擬磁鏈[d]軸定向、PR控制器等來鎖定實(shí)際電網(wǎng)相角信息，以得到更為準(zhǔn)確的電網(wǎng)電壓［18-19］。

將無電網(wǎng)電壓傳感器策略應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)中，變流器控制策略大多采用矢量控制，在與電壓源型控制結(jié)合時，有相關(guān)研究提出在電流補(bǔ)償策略下，將電流源型跟網(wǎng)控制改變?yōu)殡妷涸葱徒M網(wǎng)控制的無電網(wǎng)電壓傳感器控制策略，增加了模擬慣性，將功率控制引入組網(wǎng)型控制變流器中［20］。但上述研究與虛擬同步控制思想不同，未綜合考慮無功控制環(huán)節(jié)以及功率環(huán)中存在的下垂控制結(jié)構(gòu)，因此對系統(tǒng)控制考慮還不全面。

綜上，對于無電網(wǎng)電壓傳感器控制策略與靜止坐標(biāo)系下虛擬同步控制相結(jié)合的變流器系統(tǒng)，其磁鏈觀測器與虛擬同步控制系統(tǒng)的設(shè)計還需進(jìn)一步研究。為此，本文提出一種包含有功無功環(huán)節(jié)、電流計算、電流內(nèi)環(huán)、改進(jìn)磁鏈觀測器、相角補(bǔ)償、磁鏈鎖相環(huán)等環(huán)節(jié)的并網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。首先，設(shè)計兩相靜止坐標(biāo)系下VSG的控制結(jié)構(gòu)。然后，基于上述靜止坐標(biāo)系下VSG控制模型，利用定子電流、直流電壓和變流器交流側(cè)電壓信號設(shè)計磁鏈觀測器，并對相應(yīng)的積分環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，在磁鏈鎖相環(huán)得出實(shí)時角頻率的基礎(chǔ)上，利用虛擬磁鏈與角頻率重構(gòu)電網(wǎng)電壓，得到較為理想的電網(wǎng)電壓信號。最后，在仿真的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證所提控制方法的有效性。

1 主電路及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

靜止坐標(biāo)系下無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制系統(tǒng)硬件主電路以及包含磁鏈觀測器的控制系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。由圖1可知，基于靜止坐標(biāo)系的無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制主要由VSG控制系統(tǒng)與磁鏈觀測器組成。主電路中[Uabc]為電網(wǎng)三相電壓，[Lg、Rg]分別為線路電感及其等效電阻，[Ls、Rs]分別為濾波電感和電阻，[C、Udc]分別為直流側(cè)電容與直流側(cè)電壓?？刂撇糠种校琜J]為虛擬轉(zhuǎn)動慣量，[dp]和[dq]分別為有功環(huán)和無功環(huán)的下垂阻尼系數(shù)，[Pe]和[Qe]分別為輸出有功功率和無功功率，[Uabc]為電壓參考值，[ω0]為電網(wǎng)電壓角頻率，[ωref]為角頻率的參考值，[ωf]為電角速度，[θf]為電角度。靜止坐標(biāo)系下，[eα和eβ、][iα和iβ、][uα和uβ]、[ψfα]和[ψfβ]分別為相應(yīng)的逆變器輸出電壓與濾波電流、模擬出的電網(wǎng)電壓以及磁鏈觀測器輸出的兩相磁鏈。

2 控制策略與仿真分析

本節(jié)將建立靜止坐標(biāo)系下虛擬同步控制與磁鏈觀測器的數(shù)學(xué)模型。對其數(shù)學(xué)模型及原理的闡述主要可分為以下幾方面：內(nèi)環(huán)電流環(huán)、外環(huán)有功無功控制環(huán)節(jié)、電流計算環(huán)節(jié)以及磁鏈觀測器，電網(wǎng)重構(gòu)環(huán)節(jié)，功率計算環(huán)節(jié)等。

2.1 靜止坐標(biāo)系下虛擬同步控制策略

電壓源型虛擬同步控制策略模擬了同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性以及下垂特性，由有功無功環(huán)節(jié)得到電壓幅值與相角。相應(yīng)設(shè)計出的有功環(huán)節(jié)與無功環(huán)節(jié)滿足：

[Pref-Pe=Jdωfdt-dp（ωf-ωref）] （1）

[dΔUdt=Qref-Qe+dq（Uref-U）] （2）

由同步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程得到逆變器側(cè)電壓與并網(wǎng)輸出電壓之間的關(guān)系：

[eα=（Rs+sLs）isα+uαeβ=（Rs+sLs）isβ+uβ] （3）

逆變器側(cè)電壓由電流環(huán)的輸出決定，電流環(huán)中由PR控制器對靜止坐標(biāo)系兩相電流進(jìn)行跟蹤，相應(yīng)的PR控制器的傳遞函數(shù)為：

[HPR=Kp1+Krs2+ω2] （4）

對電流進(jìn)行控制需計算出電流的給定值，通過有功無功環(huán)節(jié)得到的電壓幅值與相角，再結(jié)合線路參數(shù)，計算可得電流參考值為：

[i*α=ΔUsinθfRs+sLsi*β=ΔUcosθfRs+sLs] （5）

2.2 無電網(wǎng)電壓傳感器控制策略

基于電機(jī)電壓與磁鏈存在的矢量關(guān)系，對于電網(wǎng)電壓的虛擬可借助構(gòu)造虛擬磁鏈并計算出相應(yīng)矢量關(guān)系中的角頻率來近似獲取電網(wǎng)電壓矢量。其中虛擬磁鏈為：

[ψα=23VdcSa-12（Sb+Sc）dt-Lsiαψβ=32Vdc（Sb-Sc）dt-Lsiα] （6）

式中：[Sa]、[Sb]、[Sc]——開關(guān)信號函數(shù)。當(dāng)開關(guān)函數(shù)[Sa，b，c=1]時三相橋的3個上半橋臂開通，下半橋臂關(guān)斷;當(dāng)開關(guān)函數(shù)[Sa，b，c=0]時三相橋的3個下半橋臂開通，上半橋臂關(guān)斷。

在對磁鏈觀測所需的變量進(jìn)行采樣時，直流電壓和交流電流信號可通過相應(yīng)的電壓和電流傳感器進(jìn)行測量，但對于開關(guān)管的開關(guān)信號卻無法通過傳感器測量。考慮到控制信號[eα、eβ]（變流器交流側(cè)電壓）是利用SVPWM方法得到開關(guān)管開關(guān)信號調(diào)制形成的，其電壓值可用開關(guān)信號與直流側(cè)電壓信號來表示，因此逆變器交流側(cè)電壓控制信號[eα、eβ]可用來替代開關(guān)信號在磁鏈計算中的作用。

由逆變器與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上的相似性可得，用來代替開關(guān)信號的逆變器側(cè)電壓可等效為發(fā)電機(jī)定子繞組中的感應(yīng)電動勢，相應(yīng)電壓表達(dá)式為：

[dψfdt-Rsis-Lsdisdt=dψsdtψf=ψfejθf] （7）

式中：[ψf]——轉(zhuǎn)子磁鏈；[θf]——[ψf]的空間相位。設(shè)[ωff]為轉(zhuǎn)子角速度的值，相應(yīng)的有[ωff=dθf/dt]。

式（7）建立在三相靜止坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系后得到：

[esα-Rsisα-Lsdisαdt=dψαdtesβ-Rsisβ-Lsdisβdt=dψβdt] （8）

結(jié)合式（7）、式（8），可得到使用[eα、eβ]計算磁鏈的公式：

[ψα=（esα-Rsisα）dt-Lsisαψβ=（esβ-Rsisβ）dt-Lsisβ] （9）

式（9）中的積分可有效濾除電網(wǎng)諧波。然而，正弦電壓、電流的積分值與積分初值有關(guān)，積分時會出現(xiàn)直流偏移的現(xiàn)象，該直流偏移量可能會導(dǎo)致功率振蕩，存在低頻和高頻振蕩的潛在不穩(wěn)定因素，因此需對積分器進(jìn)行優(yōu)化。本文提出利用一階低通濾波器和一階高通濾波器串聯(lián)組成的帶通濾波器來優(yōu)化積分器的性能，基于此思路，式（9）可寫為：

[ψs（s）=1sU′s（s）] （10）

將低通濾波器和高通濾波器替換積分器后得到的磁鏈定義為[ψ′s]，則有：

[ψ′ss=1s+k1ω0·ss+k2ω0U′ss] （11）

式中：[k1]、[k2]——串聯(lián)濾波器中一階低、高通濾波器的比例系數(shù)。

由式（9）得到的電壓分量進(jìn)入到改進(jìn)積分器中，由改進(jìn)濾波器的傳遞函數(shù)可知，直流分量進(jìn)入該積分器的輸出為零。在濾掉直流分量后，得到的信號與純積分器得到的信號還存在著幅值和相位的偏差，為此設(shè)計消除此偏差的補(bǔ)償器，相應(yīng)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將[s=jω0]代入式（10）和式（11）得到：

[ψs=ψ′s1-jk11-jk2] （12）

從而磁鏈觀測器設(shè)計為：

[ψsα=1-k1k2ψ′sα+k1+k2ψ′sβψsβ=1-k1k2ψ′sβ-k1+k2ψ′sα] （13）

綜上，磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由式（9）方法得到虛擬磁鏈后即可計算相應(yīng)的電網(wǎng)電壓，其中[uα=jωψβ，][uβ=-jωψα]。電網(wǎng)電壓與虛擬磁鏈的數(shù)量關(guān)系存在角頻率[ω]的倍數(shù)關(guān)系，在實(shí)際的電網(wǎng)工況中[ω]具有時變性，因此需實(shí)時計算[ω]。

通常情況下，可通過采樣電網(wǎng)電壓并利用鎖相環(huán)來獲取實(shí)時的[ω]，但在無電網(wǎng)電壓傳感器要求下，無法獲取實(shí)際的電網(wǎng)電壓，鎖相環(huán)方法無法直接使用。由于磁鏈從獲取原理上看與電網(wǎng)電壓信號性質(zhì)相同，因此可對磁鏈進(jìn)行鎖相獲得頻率[ω]，為此本文設(shè)計了相應(yīng)的磁鏈鎖相環(huán)，其控制框圖如圖2所示。

在無電網(wǎng)電壓傳感器策略下計算系統(tǒng)功率時無法直接代入電網(wǎng)電壓值、計算復(fù)雜。為此本文對此進(jìn)行優(yōu)化，利用虛擬磁鏈得到的電壓代入復(fù)功率方程得到：

[S=ei?s=jωfψfα+jψfβiα-jiβ =ωfψfαiβ-ψfβiα+jψfαiα+ψfβiβ] （14）

整理得到系統(tǒng)功率的計算公式為：

[P=ωf（ψfαiβ-ψfβiα）Q=ωf（ψfαiα+ψfβiβ）] （15）

式（15）表明，可以使用磁鏈代替電網(wǎng)電壓計算VSG控制中的有功和無功功率，從而減小因電壓波動而造成的對VSG控制系統(tǒng)的影響。

2.3 仿真分析

針對上述的理論數(shù)學(xué)建模對所采用的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。基于Simulink軟件搭建相應(yīng)的仿真模型。為驗(yàn)證本文設(shè)計的磁鏈觀測器的性能，搭建相應(yīng)的仿真模型，驗(yàn)證磁鏈觀測器重構(gòu)電網(wǎng)電壓的可行性，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3a表明，利用本文所提方法構(gòu)建的虛擬磁鏈波形光滑且正弦度好，表明了磁鏈觀測器的可行性。圖3b、圖3c中，[ugrid]為實(shí)際值，[uanalog]為觀測值，定義[Δu]為兩個值之間的誤差值。由圖3b、圖3c的數(shù)據(jù)計算，當(dāng)使用設(shè)計磁鏈觀測器重構(gòu)電網(wǎng)電壓時，實(shí)際值與觀測值之間的誤差約為3%，在誤差允許范圍內(nèi)，表明采用本文所提方法可較好地重構(gòu)電網(wǎng)電壓。

另一方面，為驗(yàn)證本文所設(shè)計的磁鏈觀測器在電網(wǎng)出現(xiàn)更復(fù)雜工況下運(yùn)行的準(zhǔn)確性，在非理想電網(wǎng)條件下觀測磁鏈。圖4為電網(wǎng)電壓存在高次諧波時得到的觀測磁鏈、重構(gòu)電壓與并網(wǎng)三相電流波形。圖5為磁鏈鎖相環(huán)與常規(guī)電壓鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)在電網(wǎng)頻率突變時的動態(tài)變化過程。

圖4表明，本文所設(shè)計的磁鏈觀測器系統(tǒng)不受高次電壓諧波的影響，仍能準(zhǔn)確構(gòu)建出虛擬磁鏈，并較好的重構(gòu)電網(wǎng)電壓，同時并網(wǎng)電流諧波含量小于5%，符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

由圖5可知，磁鏈鎖相環(huán)系統(tǒng)頻率突變時調(diào)節(jié)時間較電壓鎖相環(huán)長，超調(diào)較小，系統(tǒng)慣性較大，針對外部發(fā)生頻率突變等非理想狀況有較好的抑制效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文中以TMS320F系列DSP控制器為控制核心，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺與設(shè)備，對靜止坐標(biāo)系下無電網(wǎng)電壓傳感器的VSG控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)時所用實(shí)驗(yàn)平臺主要硬件參數(shù)以及控制器參數(shù)如表1所示。

圖6為無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制的實(shí)驗(yàn)平臺，硬件部分包括控制器、集成了驅(qū)動電路的IGBT模塊、濾波電感、濾波電容、電流采樣霍爾元件等。

3.1 啟動實(shí)驗(yàn)

為對比分析采用本文所提控制策略的并網(wǎng)變流器系統(tǒng)與僅采用虛擬同步控制策略的并網(wǎng)變流器系統(tǒng)（αβ_VSG）在系統(tǒng)啟動階段的特性，進(jìn)行啟動實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，系統(tǒng)啟動時，所設(shè)計無電網(wǎng)電壓傳感器的VSG控制策略在500 ms內(nèi)能夠啟動至穩(wěn)定狀態(tài)。而αβ_VSG控制策略則需800 ms以上的時間達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因此采用本文所設(shè)計無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制策略具有較快的啟動性能。

3.2 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

為對比分析無電網(wǎng)壓傳感器VSG控制策略變流器系統(tǒng)與αβ_VSG控制策略下系統(tǒng)的輸出功率外特性，設(shè)計了階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制策略可較好地跟蹤穩(wěn)態(tài)值。階躍時，無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制策略的調(diào)節(jié)時間約為200 ms，而αβ_VSG策略的調(diào)節(jié)時間約為310 ms，由此表明在相同的工況下無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制的調(diào)節(jié)時間短，動態(tài)性能略優(yōu)于αβ_VSG控制。

3.3 電網(wǎng)電壓重構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對磁鏈觀測器所構(gòu)建的虛擬磁鏈與電網(wǎng)電壓的波形進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)中通過控制器保存數(shù)據(jù)生成觀測磁鏈實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，由虛擬磁鏈與電網(wǎng)關(guān)系構(gòu)造出的虛擬電網(wǎng)電壓與真實(shí)電網(wǎng)電壓相近。

圖11a表明，采用所設(shè)計磁鏈觀測器能較好地模擬磁鏈，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真基本一致。圖11b、圖11c表明，由虛擬磁鏈和磁鏈鎖相環(huán)得到的角頻率計算得到的電網(wǎng)電壓與實(shí)際值基本一致，兩者之間的誤差在允許范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過磁鏈重構(gòu)電網(wǎng)電壓的方法是可行的。

4 結(jié) 論

本文研究了靜止坐標(biāo)系下無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制策略，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下主要結(jié)論：

1）基于兩相靜止坐標(biāo)系的VSG控制策略在控制策略設(shè)計上相較于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系減少了解耦環(huán)節(jié)與坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)等，簡化了控制結(jié)構(gòu)。

2）利用一階低通和高通濾波器串聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的改進(jìn)磁鏈觀測器與相應(yīng)幅相補(bǔ)償器較好的構(gòu)建了虛擬磁鏈，包含磁鏈鎖相環(huán)的整體無電網(wǎng)電壓傳感器環(huán)節(jié)有效構(gòu)建了電網(wǎng)電壓信號，實(shí)現(xiàn)了無電網(wǎng)電壓傳感器在電壓源型并網(wǎng)變流器中的應(yīng)用。

3）所提無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制策略能較快地根據(jù)磁鏈重構(gòu)電網(wǎng)電壓，可提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，還有利于加快系統(tǒng)的啟動速度，減小系統(tǒng)啟動時的抖動。本文中以兩相靜止坐標(biāo)系下的VSG單機(jī)系統(tǒng)為研究對象，驗(yàn)證了基于兩相靜止坐標(biāo)系的無電網(wǎng)電壓傳感器VSG控制策略的有效性。在VSG多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制器設(shè)計與穩(wěn)定性分析更為復(fù)雜，將所提控制策略推廣到VSG多機(jī)系統(tǒng)是下一步的研究方向。

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GRID VOLTAGE SENSORLESS VSG CONTROL STRATEGY BASED ON

STATIC COORDINATE SYSTEM

Zhang Bin1，Wei Gan1，Wang Xinda2，Zhang Xiangjun1，Yang Hua1，Zhang Xueguang1

（1. School of Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150000， China；

2. Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 211103， China）

Abstract：This paper proposes an improved flux observer based on a series structure of a first order low-pass filter and a high pass filter to solve the DC offset problem of grid voltage sensorless strategy using the virtual flux algorithm， by utilizing this improved flux observer to derive the virtual flux， the precision of observation is enhanced. Based on the virtual flux obtained， a calculation structure of grid angular frequency is proposed using the idea of phase locked loop for different grid frequency operating conditions， and the grid voltage is reconstructed from the relationship between the virtual flux and voltage. In addition， the proposed grid voltage sensorless strategy is applied to the grid side converter system， and a virtual synchronous control structure is designed in a two-phase static coordinate system. Compared to a rotating coordinate system， the decoupling process of the control inner loop can be omitted， while the coordinate transformation process can be simplified， avoiding the instability factors caused by inaccurate angles in coordinate transformation. Finally， simulation and experiments verify the effectiveness and reliability of the proposed control strategy and flux observer.

Keywords：power converters； flux linkage； sensorless control； virtual synchronous control； static coordinate system