一种虚拟同步机输出电流的谐波抑制系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及及配电网领域技术领域，尤其涉及一种虚拟同步机输出电流的谐波抑制系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着新能源技术普及，控制功率的跟踪精度、提高新能源并网友好性已经成为大家关注的问题，目前的常规做法是将新能源发电站虚拟成为一个同步发电机组(类似火电站或者水电站的形式)，进行并网控制。
3.现有技术中通过对并网点电压进行谐波电压的提取，前馈至虚拟同步机(vitual synchro-nous generator，vsg)的参考电压指令，使虚拟同步机输出电压能有效跟踪并网点处的谐波电压，从而消除网侧谐波电流。
4.现有技术中虚拟同步机对谐波的抑制效果一般。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种虚拟同步机输出电流的谐波抑制系统及其控制方法，可以将vsg输出电压的基波分量和谐波分量解耦出来，从而有利于实现对vsg输出电压的基波分量和谐波分量的单独控制，改善vsg的输出电流质量。
6.根据本发明的一方面，提供了一种虚拟同步机谐波电流抑制系统，包括：功率控制器、电压控制器、电流控制器、谐波相位补偿控制器和pwm生成器；
7.所述功率控制器用于根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；
8.所述电压控制器用于根据所述基波电压参考值生成基波电流参考值；
9.所述电流控制器用于根据所述基波电流参考值输出基波电压控制指令；
10.所述谐波相位补偿控制器用于对网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将所述谐波抑制指令前馈至所述电流控制器的输出侧；
11.所述pwm生成器用于根据所述基波电压控制指令和所述谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。
12.进一步的，所述谐波相位补偿控制器包括多个并联的谐波相位控制支路；
13.其中，所述网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值均输入至各所述谐波相位控制支路；各所述谐波相位控制支路的输出叠加后生成所述谐波抑制指令。
14.进一步的，所述谐波相位控制支路的传递函数为：
[0015][0016]
式中，h为需要抑制谐波次数；k
rh
决定谐波频率处的增益；ω
hi
表征谐振控制器的频率适应能力；b
10
、b
20
、a1和a2均为实现谐波相位补偿的系数，z-1
表示延时一个采样周期，z
‑2表示延时两个采样周期。
[0017]
进一步的，所述b
10
和所述b
20
表达式分别如下：
[0018][0019][0020]
其中，为所需要补偿的相角，ts为开关周期,ω0为额定频率。
[0021]
进一步的，通过谐波相位补偿的系数b
10
和b
20
还能够得到谐波相位补偿的系数b0、b1和b2，谐波相位补偿的系数a1和a2表达式分别如下：
[0022][0023][0024]
b0＝k
rh
ω
hi
(b
10-b
20
)；
[0025]
b1＝-2k
rh
ω
hib20
；
[0026]
b2＝-k
rh
ω
hi
(b
10
+b
20
)；
[0027]
其中，谐波相位补偿系数b
10
、b
20
、b0、b1、b2、a1和a2的作用均是用于实现所述谐波相位补偿控制器对所述网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令。
[0028]
进一步的，所述功率控制器包括瞬时功率计算单元、控制单元和电压指令生成单元；
[0029]
所述瞬时功率计算单元的输入端作为所述功率控制器的输入端，所述瞬时功率计算单元用于根据逆变器的输出电压以及所述网侧电流，得到有功功率和无功功率；
[0030]
所述控制单元用于根据所述有功功率和所述无功功率得到所述基波电压参考值的相位角和幅值；
[0031]
所述电压指令生成单元用于根据所述虚拟同步机输出电压的相位角和幅值得到所述基波电压参考值；
[0032]
所述电流控制器采用比例控制器；
[0033]
所述电压控制器采用比例控制器加多个并联谐振控制器。
[0034]
根据本发明的另一方面，提供了一种具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制方法，应用于上述的具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制系统，所述方法包括：
[0035]
所述功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；
[0036]
所述电压控制器根据所述基波电压参考值生成基波电流参考值；
[0037]
所述电流控制器根据所述基波电流参考值输出基波电压控制指令；
[0038]
所述谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将所述谐波抑制指令前馈至所述电流控制器的输出侧；
[0039]
所述pwm生成器根据所述基波电压控制指令和所述谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。
[0040]
进一步的，所述功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据功功率和无功功率输出基波电压参考值，包括：
[0041]
所述功率控制器对逆变器输出电压和网侧电流进行采样，通过瞬时功率计算，得出输出的有功功率和无功功率，对有功功率和无功功率进行虚拟同步机控制得到所述基波电压参考值。
[0042]
进一步的，所述谐波相位补偿控制器包括多个并联的谐波相位控制支路；
[0043]
所述谐波相位控制支路的传递函数为：
[0044][0045]
式中，h为需要抑制谐波次数；k
rh
决定谐波频率处的增益；ω
hi
表征谐振控制器的频率适应能力，b
10
、b
20
、a1和a2均为实现谐波相位补偿的系数，z-1
表示延时一个采样周期，z-2
表示延时两个采样周期；其中，b
10
和b
20
表达式分别如下：
[0046][0047][0048]
式中，为所需要补偿的相角，ts为开关周期,ω0为额定频率；通过所述b
10
和所述b
20
还能够得到谐波相位补偿的系数b0、b1和b2，所述a1和所述a2表达式分别如下：
[0049][0050][0051]
b0＝k
rh
ω
hi
(b
10-b
20
)；
[0052]
b1＝-2k
rh
ω
hib20
；
[0053]
b2＝-k
rh
ω
hi
(b
10
+b
20
)；
[0054]
其中，谐波相位补偿系数b
10
、b
20
、b0、b1、b2、a1和a2的作用均是用于实现所述谐波相位补偿控制器对所述网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令。
[0055]
进一步的，所述对有功功率和无功功率进行虚拟同步机控制得到所述基波电压参考值，包括：
[0056]
通过下列公式中的数学模型来生成基波电压参考值u
ref
(包括实时相位角θ
ref
和幅值v
ref
)；
[0057]
p
set-p
out-(d
p
+k
p
)(ω
m-ω0)＝jω0s；
[0058]
[0059][0060]
式中ωm为输出电压产生的参考角频率，ω0为额定频率，p
out
和p
set
分别为有功功率和有功功率的指令值，q
out
和q
set
分别为无功功率和无功功率的指令值，k
p
为调速器下垂系数，d
p
和j分别为虚拟同步机有功控制环的阻尼系数和虚拟惯量，k是励磁调节系数，v0代表额定输出电压振幅，v
out
为滤波后的输出电压幅值，dq代表无功回路的下垂系数，s为拉普拉斯算子。
[0061]
本发明一种虚拟同步机谐波电流抑制系统，包括：功率控制器、电压控制器、电流控制器、谐波相位补偿控制器和pwm生成器，通过功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；通过电压控制器根据基波电压参考值生成基波电流参考值；通过电流控制器根据基波电流参考值输出基波电压控制指令；通过谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧；通过pwm生成器根据基波电压控制指令和谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出，实现将vsg输出电压的基波分量和谐波分量解耦出来，从而有利于实现对vsg输出电压的基波分量和谐波分量的单独控制，实现谐波电流的闭环抑制，改善vsg的输出电流质量，提升虚拟同步机的谐波电流抑制能力。
[0062]
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
[0063]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0064]
图1是现有技术中一种虚拟同步机控制系统框图；
[0065]
图2是本发明实施例一提供的一种虚拟同步机谐波电流抑制系统原理框图；
[0066]
图3是本发明实施例二提供的一种虚拟同步机谐波电流抑制系统原理框图；
[0067]
图4是本发明实施例二提供的谐波相位补偿控制支路原理框图；
[0068]
图5是本发明实施例二提供的一种不增加任何谐波抑制策略时的虚拟同步机输出电流仿真波形图；
[0069]
图6是本发明实施例二提供的一种加入谐波相位补偿控制器时的虚拟同步机输出电流仿真波形图；
[0070]
图7是本发明实施例三中的一种具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制方法流程图。
具体实施方式
[0071]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0072]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0073]
现有技术中通过对并网点电压进行谐波电压的提取，前馈至虚拟同步机(vitual synchro-nous generator，vsg)的参考电压指令，使虚拟同步机输出电压能有效跟踪并网点处的谐波电压，从而消除网侧谐波电流。图1是现有技术中一种虚拟同步机控制系统框图，如图1所示，包括功率环、电压环和电流环，l1，c为逆变器侧电感和滤波电容，z
line
表示逆变器与并网点之间的线路阻抗，lg为电网阻抗。v
dc
为运行vsg控制的逆变器的直流侧电压，i1，ig分别为逆变器侧电流和网侧电流，uc、u
pcc
和ug分别为vsg滤波电容电压(逆变器输出电压)、并网点电压和大电网电压，p
out
和p
set
分别为有功功率输出和有功功率的指令值，q
out
和q
set
分别为无功功率输出和无功功率的指令值。
[0074]
现有技术通过功率环、电压环和电流环对并网点电压进行谐波电压的提取，前馈至虚拟同步机的参考电压指令，使其输出电压能有效跟踪并网点处的谐波电压，从而消除网侧谐波电流。换句话说就是：使vsg输出对应的谐波分量以抵消网侧谐波电压，从而降低并网谐波电流。但是，这一类方法的谐波补偿性能受线路阻抗以及反馈增益大小的限制而导致谐波抑制效果能力受限。而且基于电压采样反馈的谐波抑制方式本质上属于谐波电流的开环抑制方式，无法直接调节vsg的输出谐波电流，抑制效果依赖于电压采样点谐波电压测量的精度。由于硬件采样中带来的噪声影响，在线路阻抗较小时，较小的谐波采样的误差也会带来极大的谐波电流。
[0075]
基于上述问题，本发明实施例提供了一种虚拟同步机谐波电流抑制系统，用于提升虚拟同步机的谐波电流抑制能力。
[0076]
实施例一
[0077]
图2是本发明实施例一提供的一种虚拟同步机谐波电流抑制系统原理框图，如图2所示，该系统包括：功率控制器110、电压控制器120、电流控制器130、谐波相位补偿控制器140和pwm生成器150；功率控制器110用于根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；电压控制器120用于根据基波电压参考值生成基波电流参考值；电流控制器130用于根据基波电流参考值输出基波电压控制指令；谐波相位补偿控制器140用于对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧；pwm生成器150用于根据基波电压控制指令和谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。
[0078]
具体的，功率控制器110首先对逆变器输出电压uc和网侧电流ig进行采样，通过瞬
时功率计算，得出输出的有功功率p
out
和无功功率q
out
，根据有功功率p
out
和无功功率q
out
通过数学模型来生成基波电压参考值u
ref
，传递给电压控制器120，电压控制器120根据基波电压参考值u
ref
生成基波电流参考值发送给电流控制器130，电流控制器130根据基波电流参考值生成并输出基波电压控制指令给pwm生成器150，同时，在电流控制器130的电流内环中并联了谐波相位补偿控制器140，谐波相位补偿控制器140对网侧电流给定值与网侧电流实际值ig的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令i
refh
，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧，从而实现对虚拟同步机网侧谐波电流的抑制，最后谐波抑制指令i
refh
与基波电流参考值输出到pwm生成器，pwm生成器生成pwm脉冲信号，对虚拟同步机的电流进行优化控制。另外，电压控制器120可以采用比例控制器加多个并联谐振控制器，根据基波电压参考值生成基波电流参考值，保证输出电压跟随功率环电压指令；电流控制器130可以是比例控制器，实现电流快速跟踪及提高动态响应速度。
[0079]
本实施例通过功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；通过电压控制器根据基波电压参考值生成基波电流参考值；通过电流控制器根据基波电流参考值输出基波电压控制指令；通过谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧；通过pwm生成器根据基波电压控制指令和谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出，实现将vsg输出电压的基波分量和谐波分量解耦出来，从而有利于实现对vsg输出电压的基波分量和谐波分量的单独控制，实现谐波电流的闭环抑制，改善vsg的输出电流质量，提升虚拟同步机的谐波电流抑制能力。
[0080]
实施例二
[0081]
图3为本发明实施例二提供的一种虚拟同步机谐波电流抑制系统原理框图，用于对虚拟同步机网侧谐波电流的抑制，本实施例是在上述实施例的基础上进行的优化补充。参见图3，在虚拟同步机vsg与电网的连接电路中，l1，c为逆变器侧电感和滤波电容，z
line
表示逆变器与并网点之间的线路阻抗，lg为电网阻抗。框图中的物理量包括：v
dc
为运行vsg控制的逆变器的直流侧电压，i1，ig分别为逆变器侧电流和网侧电流，uc、u
pcc
和ug分别为vsg滤波电容电压(逆变器输出电压)、并网点电压和大电网电压，q
set
和p
set
分别为无功功率的指令值和有功功率的指令值。
[0082]
图3中所示的虚拟同步机控制系统还包括：功率控制器110、电压控制器120、电流控制器130、谐波相位补偿控制器140和pwm生成器150，功率控制器110中包括瞬时功率计算单元111、控制单元112和电压指令生成单元113。功率控制器110用于根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；电压控制器120用于根据基波电压参考值生成基波电流参考值；电流控制器130用于根据基波电流参考值输出基波电压控制指令；谐波相位补偿控制器140用于对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧；pwm生成器150用于根据基波电压控制指令和谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。
[0083]
继续参考图3，功率控制器110包括瞬时功率计算单元111、控制单元112和电压指令生成单元113；瞬时功率计算单元111的输入端作为功率控制器的输入端，瞬时功率计算
单元111用于根据逆变器的输出电压以及网侧电流，得到有功功率和无功功率；控制单元112用于根据有功功率和无功功率得到基波电压参考值的相位角和幅值；电压指令生成单元113用于根据虚拟同步机输出电压的相位角和幅值得到基波电压参考值。
[0084]
具体的，瞬时功率计算单元111首先对逆变器输出电压uc和网侧电流ig进行采样，通过瞬时功率计算，得出输出的有功功率p
out
和无功功率q
out
；控制单元112根据有功功率p
out
和无功功率q
out
得到基波电压参考值的相位角和幅值；电压指令生成单元113根据虚拟同步机输出电压的相位角和幅值通过数学模型来生成vsg输出基波电压参考值u
ref
。其中，通过下列公式中的数学模型来生成vsg输出基波电压参考值u
ref
(包括实时相位角θ
ref
和幅值v
ref
)：
[0085]
p
set-p
out-(d
p
+k
p
)(ω
m-ω0)＝jω0s，
[0086][0087][0088]
式中ωm为输出电压产生的参考角频率，ω0为额定频率，p
out
和p
set
分别为有功功率和有功功率的指令值，q
out
和q
set
分别为无功功率和无功功率的指令值，k
p
为调速器下垂系数，d
p
和j分别为虚拟同步机有功控制环的阻尼系数和虚拟惯量，k是励磁调节系数，v0代表额定输出电压振幅，v
out
为滤波后的输出电压幅值，dq代表无功回路的下垂系数，s为拉普拉斯算子。
[0089]
另外，电压控制器120可以采用比例控制器加多个并联谐振控制器，公式如下所示：
[0090][0091]
其中，k
pu
和k
ru
分别为电压控制器120中比例控制器和多个并联谐振控制器的增益系数，ωb为谐振控制器带宽。电压控制器120接收基波电压参考值u
ref
，根据该公式生成基波电流参考值i
ref
，保证输出电压跟随功率环电压指令。
[0092]
电流控制器130可以是比例控制器，实现电流快速跟踪及提高动态响应速度。电流控制器130的公式如下所示：
[0093]gi
＝k
pi
；
[0094]
其中，k
pi
为电流控制器130中比例控制器的增益系数；电流控制器130根据基波电流参考值i
ref
，输出基波电压控制指令。
[0095]
进一步的，图4是本发明实施例二提供的谐波相位补偿控制支路原理框图，如图4所示，谐波相位补偿控制器140包括多个并联的谐波相位控制支路；其中，网侧电流给定值i
gref
与网侧电流实际值ig的比较输出值均输入至各谐波相位控制支路；各谐波相位控制支路的输出(i
ref1
、i
ref2
…irefi
)叠加后生成谐波抑制指令i
refh
。
[0096]
具体的，通过谐波相位控制支路的传递函数控制各谐波相位控制支路的输出，谐波相位控制支路的传递函数为：
[0097][0098]
式中，h为需要抑制谐波次数；k
rh
决定谐波频率处的增益；ω
hi
表征谐振控制器的频率适应能力；b
10
、b
20
、a1和a2均为实现谐波相位补偿的系数，z-1
表示延时一个采样周期，z-2
表示延时两个采样周期。通过上述谐波相位控制支路的传递函数可以得到各谐波相位控制支路输出电流(i
ref1
、i
ref2
…irefi
)。
[0099]
其中，b
10
和b
20
表达式分别如下：
[0100][0101][0102]
其中，为所需要补偿的相角，ts为开关周期,ω0为额定频率。
[0103]
继续参考图4，谐波相位补偿控制支路中谐波相位补偿的系数a1、a2、b0、b1、b2的表达式如下：
[0104][0105][0106]
b0＝k
rh
ω
hi
(b
10-b
20
)；
[0107]
b1＝-2k
rh
ω
hib20
；
[0108]
b2＝-k
rh
ω
hi
(b
10
+b
20
)；
[0109]
其中，谐波相位补偿系数b
10
、b
20
、b0、b1、b2、a1和a2的作用均是用于实现谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令i
refh
。
[0110]
最后，pwm生成器150根据电流控制器130输出的基波电压控制指令和谐波相位补偿控制器140输出的谐波抑制指令i
refh
的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。
[0111]
上述虚拟同步机谐波电流抑制系统在虚拟同步机的电流控制器的电路环中并联谐波相位补偿控制器，通过采样网侧电流谐波，并通过本发明的谐波相位补偿控制支路前馈输出到vsg的电流内环的输出侧，谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧，实现谐波电流的闭环抑制，由此提高了虚拟同步机接入畸变电网的谐波电流质量，另一方面，通过将网侧谐波电流作为逆变器谐波电流抑制的指令，也可以隐含地实现vsg的输出电容支路的谐波电流为零。
[0112]
本实施例跳出了现有各种虚拟同步机网侧谐波电流抑制方法基于谐波电压闭环而谐波电流开环的定式，提出了一种电流环输出并联补偿的虚拟同步机谐波电流抑制方法，并联补偿支路采用本实施例的谐波相位补偿控制支路实现，有效提升了虚拟同步机谐波电流抑制能力。本实施例不再采样并网点谐波电压，而是采样网侧电流谐波，并通过本实
施例的谐波相位补偿控制支路前馈输出到vsg的电流内环的输出侧，与其并联(前馈与并联通道)。vsg控制器中原有的基波电压的控制架构保持不变；而新加入的所述谐波相位补偿控制支路则提取需要抑制的网侧谐波电流进行相位补偿和闭环调节，而其谐波抑制的逆变器电压指令输出则与vsg的逆变器的基波控制电压指令叠加，从而实现谐波电流的闭环抑制。另一方面，通过将网侧谐波电流作为逆变器谐波电流抑制的指令，也可以隐含地实现vsg的输出电容支路的谐波电流为零。
[0113]
为了验证本发明所提方案的有效性，本专利通过仿真对比了传统vsg控制架构和本发明所提方案在相同的畸变电网电压下，其输出电流的波形和并网电流总谐波畸变率(thd)。图5是本发明实施例二提供的一种不增加任何谐波抑制策略时的虚拟同步机输出电流仿真波形图；图6是本发明实施例二提供的一种加入谐波相位补偿控制器时的虚拟同步机输出电流仿真波形图。结合图5和图6，曲线ia表示虚拟同步机a相输出电流，曲线ib表示虚拟同步机b相输出电流，曲线ic表示虚拟同步机c相输出电流，可以发现不增加任何谐波抑制策略时，在畸变电网下，其输出电流存在较多的各次谐波，虚拟同步机输出电流的总谐波畸变率(total harmonic distortion，thd)达到了8.15％，而增加了加入谐波相位补偿控制器140后，虚拟同步机输出电流的thd大幅降低，仅为2.89％，并网电流质量得到了大幅度的提升，满足并网要求，改善了并网电流的电能质量，通过图5和图6的仿真波形图验证了本实施例中具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制系统的优势。
[0114]
本实施例通过功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；通过电压控制器根据基波电压参考值生成基波电流参考值；通过电流控制器根据基波电流参考值输出基波电压控制指令；通过谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧；通过pwm生成器根据基波电压控制指令和谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出，实现将vsg输出电压的基波分量和谐波分量解耦出来，从而有利于实现对vsg输出电压的基波分量和谐波分量的单独控制，实现谐波电流的闭环抑制，改善vsg的输出电流质量，提升虚拟同步机的谐波电流抑制能力。
[0115]
实施例三
[0116]
图7是本发明实施例三中的一种具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制方法流程图，该方法应用于上述各实施例中的具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制系统。参见图7，该方法具体包括如下步骤：
[0117]
s210、功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；
[0118]
其中，功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据功功率和无功功率输出基波电压参考值，包括：
[0119]
功率控制器对逆变器输出电压和网侧电流进行采样，通过瞬时功率计算，得出输出的有功功率和无功功率，对有功功率和无功功率进行虚拟同步机控制得到基波电压参考值。
[0120]
可选的，对有功功率和无功功率进行虚拟同步机控制得到基波电压参考值，包括：
[0121]
通过下列公式中的数学模型来生成基波电压参考值u
ref
(包括实时相位角θ
ref
和幅
值v
ref
)；
[0122]
p
set-p
out-(d
p
+k
p
)(ω
m-ω0)＝jω0s；
[0123][0124][0125]
式中ωm为输出电压产生的参考角频率，ω0为额定频率，p
out
和p
set
分别为有功功率和有功功率的指令值，q
out
和q
set
分别为无功功率和无功功率的指令值，k
p
为调速器下垂系数，d
p
和j分别为虚拟同步机有功控制环的阻尼系数和虚拟惯量，k是励磁调节系数，v0代表额定输出电压振幅，v
out
为滤波后的输出电压幅值，dq代表无功回路的下垂系数，s为拉普拉斯算子。
[0126]
s220、电压控制器根据基波电压参考值生成基波电流参考值；
[0127]
其中，电流控制器可以采用比例控制器，通过电压控制器采用比例控制器加多个并联谐振控制器根据基波电压参考值生成基波电流参考值。
[0128]
s230、电流控制器根据基波电流参考值输出基波电压控制指令；
[0129]
其中，电压控制器可以采用比例控制器加多个并联谐振控制器，通过比例控制器加多个并联谐振控制器根据基波电流参考值输出基波电压控制指令。
[0130]
s240、谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧。
[0131]
其中，谐波相位补偿控制器包括多个并联的谐波相位控制支路；网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值均输入至各谐波相位控制支路；各谐波相位控制支路的输出叠加后生成谐波抑制指令。
[0132]
进一步的，谐波相位控制支路的传递函数为：
[0133][0134]
式中，h为需要抑制谐波次数；k
rh
决定谐波频率处的增益；ω
hi
表征谐振控制器的频率适应能力，b
10
、b
20
、a1和a2均为实现谐波相位补偿的系数，z-1
表示延时一个采样周期，z-2
表示延时两个采样周期；其中，b
10
和b
20
表达式分别如下：
[0135][0136][0137]
式中，为所需要补偿的相角，ts为开关周期,ω0为额定频率；通过b
10
和b
20
还能够得到谐波相位补偿的系数b0、b1和b2，a1和a2表达式分别如下：
[0138]
[0139][0140]
b0＝k
rh
ω
hi
(b
10-b
20
)；
[0141]
b1＝-2k
rh
ω
hib20
；
[0142]
b2＝-k
rh
ω
hi
(b
10
+b
20
)；
[0143]
其中，谐波相位补偿系数b
10
、b
20
、b0、b1、b2、a1和a2的作用均是用于实现谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令。
[0144]
s250、pwm生成器根据基波电压控制指令和谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。
[0145]
具体的，pwm生成器根据基波电压控制指令和谐波抑制指令的叠加输出pwm脉冲信号，对虚拟同步机的电流进行优化控制，以控制逆变器的输出。
[0146]
本实施例通过功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据功功率和无功功率输出基波电压参考值；通过电压控制器根据基波电压参考值生成基波电流参考值；通过陷波器根据网侧电流指令值与网侧电流的比较输出值获得网侧谐波电流；通过电流给定值分别经过所述电流控制器与所述相位补偿器并联输出到pwm生成器，对前馈至虚拟同步机的电流内环的输入中的谐波分量进行闭环控制，解决了现有技术中无法直接调节vsg的输出谐波电流的问题；通过将vsg输出电压的基波分量和谐波分量解耦出来，从而有利于实现对vsg输出电压的基波分量和谐波分量的单独控制，改善vsg的输出电流质，实现对虚拟同步机网侧谐波电流的抑制。
[0147]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0148]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种虚拟同步机谐波电流抑制系统，其特征在于，包括：功率控制器、电压控制器、电流控制器、谐波相位补偿控制器和pwm生成器；所述功率控制器用于根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；所述电压控制器用于根据所述基波电压参考值生成基波电流参考值；所述电流控制器用于根据所述基波电流参考值输出基波电压控制指令；所述谐波相位补偿控制器用于对网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将所述谐波抑制指令前馈至所述电流控制器的输出侧；所述pwm生成器用于根据所述基波电压控制指令和所述谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谐波相位补偿控制器包括多个并联的谐波相位控制支路；其中，所述网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值均输入至各所述谐波相位控制支路；各所述谐波相位控制支路的输出叠加后生成所述谐波抑制指令。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述谐波相位控制支路的传递函数为：式中，h为需要抑制谐波次数；k
rh
决定谐波频率处的增益；ω
hi
表征谐振控制器的频率适应能力；b
10
、b
20
、a1和a2均为实现谐波相位补偿的系数，z-1
表示延时一个采样周期，z-2
表示延时两个采样周期。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述b
10
和所述b
20
表达式分别如下：表达式分别如下：其中，为所需要补偿的相角，t
s
为开关周期,ω0为额定频率。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，通过所述b
10
和所述b
20
还能够得到谐波相位补偿的系数b0、b1和b2，所述a1和所述a2表达式分别如下：表达式分别如下：b0＝k
rh
ω
hi
(b
10-b
20
)；b1＝-2k
rh
ω
hi
b
20
；b2＝-k
rh
ω
hi
(b
10
+b
20
)；其中，谐波相位补偿系数b
10
、b
20
、b0、b1、b2、a1和a2的作用均是用于实现所述谐波相位补
偿控制器对所述网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率控制器包括瞬时功率计算单元、控制单元和电压指令生成单元；所述瞬时功率计算单元的输入端作为所述功率控制器的输入端，所述瞬时功率计算单元用于根据逆变器的输出电压以及所述网侧电流，得到有功功率和无功功率；所述控制单元用于根据所述有功功率和所述无功功率得到所述基波电压参考值的相位角和幅值；所述电压指令生成单元用于根据所述虚拟同步机输出电压的相位角和幅值得到所述基波电压参考值；所述电流控制器采用比例控制器；所述电压控制器采用比例控制器加多个并联谐振控制器。7.一种具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的具备谐波电流抑制的虚拟同步机控制系统，所述方法包括：所述功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据有功功率和无功功率输出基波电压参考值；所述电压控制器根据所述基波电压参考值生成基波电流参考值；所述电流控制器根据所述基波电流参考值输出基波电压控制指令；所述谐波相位补偿控制器对网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将所述谐波抑制指令前馈至所述电流控制器的输出侧；所述pwm生成器根据所述基波电压控制指令和所述谐波抑制指令的叠加输出pwm信号，以控制逆变器的输出。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述功率控制器根据逆变器输出电压以及网侧电流获得有功功率和无功功率，并根据功功率和无功功率输出基波电压参考值，包括：所述功率控制器对逆变器输出电压和网侧电流进行采样，通过瞬时功率计算，得出输出的有功功率和无功功率，对有功功率和无功功率进行虚拟同步机控制得到所述基波电压参考值。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述谐波相位补偿控制器包括多个并联的谐波相位控制支路；所述谐波相位控制支路的传递函数为：式中，h为需要抑制谐波次数；k
rh
决定谐波频率处的增益；ω
hi
表征谐振控制器的频率适应能力，b
10
、b
20
、a1和a2均为实现谐波相位补偿的系数，z-1
表示延时一个采样周期，z-2
表示延时两个采样周期；其中，b
10
和b
20
表达式分别如下：
式中，为所需要补偿的相角，t
s
为开关周期,ω0为额定频率；通过所述b
10
和所述b
20
还能够得到谐波相位补偿的系数b0、b1和b2，所述a1和所述a2表达式分别如下：表达式分别如下：b0＝k
rh
ω
hi
(b
10-b
20
)；b1＝-2k
rh
ω
hi
b
20
；b2＝-k
rh
ω
hi
(b
10
+b
20
)；其中，谐波相位补偿系数b
10
、b
20
、b0、b1、b2、a1和a2的作用均是用于实现所述谐波相位补偿控制器对所述网侧电流给定值与所述网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对有功功率和无功功率进行虚拟同步机控制得到所述基波电压参考值，包括：通过下列公式中的数学模型来生成基波电压参考值u
ref
(包括实时相位角θ
ref
和幅值v
ref
)；p
set-p
out-(d
p
+k
p
)(ω
m-ω0)＝jω0s；s；式中ω
m
为输出电压产生的参考角频率，ω0为额定频率，p
out
和p
set
分别为有功功率和有功功率的指令值，q
out
和q
set
分别为无功功率和无功功率的指令值，k
p
为调速器下垂系数，d
p
和j分别为虚拟同步机有功控制环的阻尼系数和虚拟惯量，k是励磁调节系数，v0代表额定输出电压振幅，v
out
为滤波后的输出电压幅值，d
q
代表无功回路的下垂系数，s为拉普拉斯算子。

技术总结
本发明公开了一种虚拟同步机输出电流的谐波抑制系统及其控制方法。该系统包括：功率控制器、电压控制器、电流控制器、谐波相位补偿控制器和PWM生成器；功率控制器用于根据逆变器输出电压以及网侧电流输出基波电压参考值；电压控制器用于根据基波电压参考值生成基波电流参考值；电流控制器用于根据基波电流参考值输出基波电压控制指令；谐波相位补偿控制器用于对网侧电流给定值与网侧电流实际值的比较输出值进行相位补偿，输出谐波抑制指令，并将谐波抑制指令前馈至电流控制器的输出侧。实现将VSG输出电压的基波分量和谐波分量解耦，从而有利于实现对VSG输出电压的基波分量和谐波分量的单独控制，提升虚拟同步机的谐波电流抑制能力。抑制能力。抑制能力。


技术研发人员：杨帆 陈文文 彭子平 易淑智 钟红 吴兰 蓝海文 贾恒杰 崔宫 徐伟青 姜涛
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司韶关供电局
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/31