[发明专利]无交流电压传感器的虚拟同步机双闭环控制方法

权利要求书

1.一种无交流电压传感器的虚拟同步机双闭环控制方法，该控制方法涉及的虚拟同步机的拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器、三相电网阻抗和三相电网，其中三相LC滤波器包括桥臂侧滤波电感和滤波电容；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路的输入端相连，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，三相LC滤波器的另一端与三相电网阻抗的一端相连，三相电网阻抗的另一端相接入三相电网；

其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

步骤1，采样桥臂侧滤波电感处的电流并记为滤波电流I_La，I_Lb，I_Lc，并将上一控制周期输出的调制波电压记为初始调制波电压U_ma，U_mb，U_mc、将上一控制周期得到的初步估计电网电压记为初始估计电网电压U_Cap，U_Cbp，U_Ccp；

步骤2，将步骤1得到的初始估计电网电压U_Cap，U_Cbp，U_Ccp经过第一低通滤波器LPF₁得到初步滤波电网电压U_CapL，U_CbpL，U_CcpL，其计算式为：

其中，s为拉普拉斯算子，ω_c1为第一低通滤波器LPF₁的截止频率；

步骤3，对步骤1得到的滤波电流I_La，I_Lb，I_Lc、初始调制波电压U_ma，U_mb，U_mc，步骤2得到的初步滤波电网电压U_CapL，U_CbpL，U_CcpL通过滑模观测器计算得到初步估计电网电压U_Cap1，U_Cbp1，U_Ccp1，其滑模观测器计算式为：

其中，I_Lae，I_Lbe，I_Lce为估计电流，T_s为采样时间，L_f为桥臂侧滤波电感值，k为滑模增益；

步骤4，将步骤3得到的初步估计电网电压U_Cap1，U_Cbp1，U_Ccp1经过第二低通滤波器LPF₂和第三低通滤波器LPF₃得到估计电网电压U_Ca，U_Cb，U_Cc，其计算式为：

其中，ω_c2为第二低通滤波器LPF₂的截止频率，ω_c3为第三低通滤波器LPF₃的截止频率；

步骤5，对步骤1得到的滤波电流I_La，I_Lb，I_Lc进行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到滤波电流αβ轴分量I_Lα，I_Lβ，对步骤4得到的估计电网电压U_Ca，U_Cb，U_Cc进行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换得到估计电网电压αβ轴分量U_Cα，U_Cβ；

步骤6，根据步骤5得到的滤波电流α，β分量I_Lα，I_Lβ和估计电网电压αβ轴分量U_Cα，U_Cβ，通过瞬时功率计算公式得到输出有功功率P和无功功率Q，其瞬时功率计算公式为：

P＝U_CαI_Lα+U_CβI_Lβ

Q＝U_CβI_Lα-U_CαI_Lβ

步骤7，根据步骤6计算得到的输出有功功率P，通过有功功率环路计算得到虚拟同步机调制波相角θ_m；

所述有功功率环路计算公式如下：

其中，P_set为输出有功功率参考值，ω_n为三相电网额定角频率，D_p为虚拟同步机频率下垂系数，J为虚拟同步机转动惯量；

步骤8，将步骤5得到的估计电网电压αβ轴分量U_Cα，U_Cβ进行两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换得到估计电网电压d轴分量U_Cd和估计电网电压q轴分量U_Cq，其转换式为：

步骤9，根据步骤6计算得到的输出无功功率Q和步骤8计算得到的估计电网电压d轴分量U_Cd，通过无功功率环路计算得到虚拟同步机的调制波幅值E_m，其无功功率环路计算公式为：

其中，U_n为三相电网额定相电压幅值，Q_set为输出无功功率参考值，D_q为虚拟同步机电压下垂系数，K_q为无功功率环路控制惯性系数；

步骤10，将步骤9得到的虚拟同步机的调制波幅值E_m作为电压内环d轴参考电压U_dref，即U_dref＝E_m，并令q轴参考电压U_qref为0；电压内环d轴回路和q轴回路经PI调节器计算后得到电流内环d轴参考电流I_dref和电流内环q轴参考电流I_qref，其电压内环回路计算式为：

其中，K_pu为电压内环控制回路中PI调节器的比例控制系数，K_iu为电压内环控制回路中PI调节器的积分控制系数；

步骤11，通过两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换将滤波电流αβ轴分量I_Lα，I_Lβ变换得到滤波电流d轴分量I_Ld和滤波电流q轴分量I_Lq，其转换式为：

将滤波电流d轴分量I_Ld和滤波电流q轴分量I_Lq经电流内环控制回路中PI调节器后得到d轴调制波电压U_md和q轴调制波电压U_mq，其电流内环回路计算式为：

其中，K_pi为电流内环控制回路中PI调节器的比例控制系数，K_ii为电流内环控制回路中PI调节器的积分控制系数；

步骤12，将步骤11得到的d轴调制波电压U_md和q轴调制波电压U_mq通过两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换得到三相调制波电压U_ma1，U_mb1，U_mc1，其转换式为：

根据三相调制波电压U_ma1，U_mb1，U_nc1生成PWM控制信号，控制三相全桥逆变电路将输出电能输送到三相电网。