本发明涉及一种基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，属于新能源构网变流器控制。
背景技术：
1、可再生能源和电力电子技术的发展促进了微电网的形成。然而由于可再生能源发电具有间歇性和不确定性，以及电力电子变流器缺乏惯性和阻尼，孤岛微电网的稳定性面临挑战。虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,vsg)可模拟同步发电机的特性，有助于提高孤岛微电网的稳定性。
2、在实际的供电系统中，存在一些单相负荷和三相不平衡负荷，容易导致三相电压不平衡。近年来，三相四桥臂拓扑是实现不平衡负荷有效供电的变流器结构，它不仅提供中性线回路，还具有直流电压利用率高、控制灵活、体积重量小等优点。针对上述问题，将三相四桥臂拓扑用于vsg控制策略被认为是较为理想的解决方案。然而，现有的方法存在缺陷，如控制框架只适用于平衡负荷的工况且控制器数量多，变流器输出电压不平衡度高；忽略变流器输出功率中的二倍频分量，导致其输出的电压频率中含有二倍频分量；忽略虚拟阻抗对电流限制、瞬态振荡阻尼和小信号稳定性改善的作用。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，能够提高输出电压的电能质量，包括频率和三相不平衡度。
2、术语解释：
3、1、abc参考系及αβγ参考系：如图7为abc参考系，其中的ua、ub、uc为三相电压，经过克拉克变换后可得αβγ(αβ0)参考系下的电压值，如图8所示，其中，克拉克变换矩阵为
4、
5、2、αβγ/abc模块：能够实现abc参考系到αβγ参考系的转换，公式为：
6、
7、3、abc/αβγ模块：能够实现αβγ参考系到abc参考系的转换，公式为：
8、
9、本发明的技术方案如下：
10、一种基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，通过坐标变换模块、正负序分离模块、改进的功率计算模块、改进的vsg控制模块、电压电流控制器实现；
11、坐标变换模块实时采集三相四桥臂变换器公共连接点(point of commoncoupling,pcc)的abc三相负载电压uan,ubn,ucn及三相负载电流iabc，uan,ubn,ucn经过αβγ/abc模块变换为αβγ参考系下的电压uαn,uβn,uγn；iabc经过αβγ/abc模块变换为αβγ参考系下的电流iαβγ；变换公式可表示为：
12、
13、正负分离模块根据αβγ参考系下电流iαβγ得到αβγ参考系下的正序电流iαβ+，即iα+和iβ+，再经过abc/αβγ模块变换得到正序三相电流iabc+；
14、改进的功率计算模块基于采集得到的abc三相负载电压uan,ubn,ucn和变换得到的正序三相电流iabc+计算出只含有直流分量的有功功率和无功功率
15、改进的vsg控制模块接受到计算得到的有功功率和无功功率通过虚拟同步的控制算法得到输出的空载电动势em和虚拟空载电动势的角度θ；为降低输出电压的三相不平衡度，经过正序的虚拟阻抗压降得到abc参考系下的vsg输出的参考电压urefabc，然后经过坐标变换得到αβγ参考系下变换器输出的参考电压urefαβγ，并送入电压电流控制器；
16、电压电流控制器中电压控制器采用比例谐振控制，电流控制器采用比例控制，电压电流控制器接受改进的vsg控制模块的参考电压urefαβγ，得到三相四桥臂变换器的调制信号，经过3d-svpwm调制得到各个桥臂的触发信号，实现对三相四桥臂变换器输出电压参考值的准确跟踪。
17、优选的，正负分离模块由αβγ参考系下电流iαβγ得到αβγ参考系下的正序电流iαβ+的过程基于二阶广义积分器(sogi)实现，表示为：
18、
19、其中，iα+为αβγ参考系下α轴的正序电流；iβ+为αβγ参考系下β轴的正序电流；iα为αβγ参考系下α轴的电流；iβ为αβγ参考系下β轴的电流；j为旋转因子，j＝ej90°；
20、再经过abc/αβγ模块变换得到正序三相电流iabc+，即ia+、ib+和ic+，其中变换矩阵如下式表示：
21、
22、ia+表示abc坐标系下a相的电流；ib+表示abc坐标系下b相的电流；ic+表示abc坐标系下c相的电流。
23、优选的，改进的功率计算模块中，基于采集得到的三相电压uan,ubn,ucn和变换得到的iabc+计算出只含有直流分量的有功功率和无功功率公式为：
24、
25、优选的，改进的vsg控制模块中虚拟同步的控制算法包括vsg有功-频率控制算法和vsg无功-电压控制算法；
26、采用经典的二阶模型来对vsg的有功-频率控制进行建模，经典的二阶模型即为公式(4)表达的数学模型，不同的是经典模型中pe的计算公式为pe＝uania+ubnib+ucnic，为避免电压频率中出现二倍频分量，相比于传统方法，输入只含有直流分量的有功功率，表达式如下：
27、
28、其中，pref为参考有功功率；j和d1分别表示虚拟惯性常数和阻尼系数；ωn和ω分别为参考角频率和系统输出的角频率；t表示时间；
29、为模拟同步发电机的励磁调节系统，构建了虚拟励磁控制器，其表达式如下：
30、
31、其中，qref是无功功率的参考值；d2和k分别表示电压调节系数和积分调节系数(k代表积分系数，由经验调节得到)；uref和um为电压有效值的参考和测量值(um为uan,ubn,ucn有效值的平均值)；s表示复频域变量，该公式是s域中的表达式。
32、优选的，为模拟同步发电机的输出特性，构建了虚拟同步发电机输出电压方程，为了使得输出的电压为平衡的三相电压，相比于传统方法，采用虚拟正序阻抗压降来模拟正序的阻抗，以保证输出平衡的三相电压，abc参考系下的vsg输出的参考电压urefabc的表达式如下：
33、urefabc＝em-iabc+zv+ (6)
34、其中，zv+为正序的虚拟阻抗(一般多机并联时虚拟阻抗的取值和线路阻抗相关，但本发明只考虑单台逆变器，可以取滤波器阻抗的附近的值)。
35、优选的，电压电流控制器的实现过程为：
36、(1)αβγ参考系下三相四桥臂的数学模型
37、变流器的三个桥臂a、b、c通过lc滤波器与三相交流负载相连，滤波电感为lf，电容为cf，第四桥臂通过中性电感ln与中性点相连，将直流电压源udc视为一个常数值，根据基尔霍夫定律得：
38、
39、ila+ilb+ilc+in＝0 (9)
40、其中，uag,ubg,ucg分别为a、b、c桥臂相对于第四个桥臂的桥臂电压，ila,ilb,ilc为流经滤波电电感lf的三相电流；in表示流经中性电感ln的电流；
41、公式(7)(8)(9)经过代入整理可得：
42、
43、
44、由于ln的作用，abc三相存在耦合，为了消除耦合，采用克拉克变换(clarketransformation)实现从abc到αβγ的变换，变换矩阵表示如下：
45、
46、公式(10)(11)经过克拉克变换后可得αβγ参考系下三相四桥臂的数学模型为：
47、
48、其中，[uαg,uβg,uγg]t为αβγ参考系中变换器abc相对于第四桥臂(g)的桥臂电压；[uαn,uβn,uγn]t为αβγ参考系中的负载电压；[ilα，ilβ，ilγ]t和[iα，iβ，iγ]t分别表示αβγ参考系中的电感电流和负载电流；
49、由(13)和(14)可知，α、β和γ之间不存在耦合，即α的参数只与下标为α的参数有关，而与β和γ的参数无关，因此，可以独立设计α、β和γ分量下的控制器；
50、(2)αβγ参考系下电压电流控制结构搭建
51、由公式(13)、(14)可得，αβγ参考系下三相四桥臂数学模型等效为三相三桥臂的在abc坐标系下的数学模型，因此采用对偶的方法可建立αβγ参考系下电压电流控制结构，α轴的电压和电流控制回路结构与β轴相同，但是由于中性点电感的存在，在γ轴上等效滤波电感为lf+3ln；数字系统的控制时延gd(s)和零阶保持器gzoh(s)表示为：
52、
53、其中，ts是采样周期；
54、电压控制器采用比例谐振控制，其接受vsg生成的参考电压urefαβγ，使得坐标变换得到的uαn，uβn，uγn跟踪vsg生成的电压参考值，实现给定交流侧公共连接点(pcc点)的电压控制，比例控制器表示为：
55、
56、其中，kv是比例系数，ki是谐振系数；
57、电压控制器经过比例谐振控制器产生电流控制的参考值irefαβγ，参考值irefαβγ与αβγ参考系下电容电流比较，经过比例控制器得到三相四桥臂的调制信号，再经过3d-svpwm调制得到各个桥臂的触发信号，最终可实现不平衡负荷下交流侧电压的准确控制。
58、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
59、本发明的有益效果为：
60、本发明的一种基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，采用正序电流和正序虚拟阻抗改进了功率计算方法和vsg控制方法，基于三相四桥臂αβγ参考系下的数学模型，设计了αβγ参考系下的电压电流控制器，电压控制器采用比例谐振控制，电流控制器采用比例控制。本发明的基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，相比于传统方法，负荷不平衡工况下电压频率纹波大大降低，同时三相电压不平衡率度抑制为0.26％，相较于传统方法降低了89％，大大提升了输出电压的质量。
1.一种基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，其特征在于，通过坐标变换模块、正负序分离模块、改进的功率计算模块、改进的vsg控制模块、电压电流控制器实现；
2.根据权利要求1所述的基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，其特征在于，正负分离模块由αβγ参考系下电流iαβγ得到αβγ参考系下的正序电流iαβ+的过程基于二阶广义积分器实现，表示为：
3.根据权利要求2所述的基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，其特征在于，改进的功率计算模块中，计算只含有直流分量的有功功率和无功功率的公式为：
4.根据权利要求3所述的基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，其特征在于，改进的vsg控制模块中虚拟同步的控制算法包括vsg有功-频率控制算法和vsg无功-电压控制算法，vsg有功-频率控制算法中，θ的计算公式如下：
5.根据权利要求4所述的基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，其特征在于，abc参考系下的vsg输出的参考电压urefabc的表达式如下：
6.根据权利要求5所述的基于谐振合序控制的三相四桥臂变换器vsg控制方法，其特征在于，电压电流控制器的实现过程为：
