一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统

1.本发明属于并网逆变器控制技术领域，更具体地，涉及一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统。


背景技术：

2.并网逆变器(gcc)作为可再生分布式发电系统中的关键电力电子设备，受到了广泛的关注。其中，虚拟同步机(vsg)控制通过模拟同步发电机实现有功功率频率控制和无功功率电压控制，无需锁相环，并且可通过虚拟惯性链路提高对电网电压和频率的支持，因此被深入研究。
3.有功回路与无功回路之间存在耦合关系是vsg控制在并网时的一个关键问题。一方面，中低压电网线路阻抗比(r/x)大，导致功率耦合强，虚拟惯性环节引起的振荡可能从有功环路耦合到无功环路，使gcc的动态性能和稳定性恶化。另一方面，由于功率耦合的存在，gcc需要无功功率来支撑有功功率，导致有功功率达不到额定值，甚至系统不能稳定运行。
4.针对上述功率耦合问题，目前的解决方案主要包括两类:(1)改进vsg控制回路以满足相应的线路阻抗特性；(2)通过虚拟阻抗方法改变gcc的外部阻抗，以满足vsg控制的要求。
5.第一类方法如文献“power management of inverter interfaced autonomous microgrid based on virtual frequency-voltage frame”等方案在2011年之前研究较多，目前很少被讨论与应用，究其原因是该类方法需要已知电网阻抗的精确信息，包括线路阻抗值和线路阻抗角度，但是这类信息在实际应用中很难获取。
6.第二类方法主要通过减小r/x从而实现功率解耦目的。目前虚拟阻抗方法的相关方案主要集中在虚拟电感(vi)方案上，包括“power coupling mechanism analysis and improved decoupling control for virtual synchronous generator”的q轴电压降功率解耦控制(qvpdc)、“enhancement of power decoupling for virtual synchronous generator:a virtual inductor and virtual capacitor approach”的虚拟电感虚拟电容(vivc)等实现方案，但这些方案也无法完全摆脱需要已知电网阻抗信息的缺陷，仅能实现在已知阻抗信息条件下的部分解耦能力，或存在解耦能力对功率变化敏感等问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统，其目的在于通过在虚拟同步机vsg的功率解耦控制部分中引入虚拟电阻，在并网条件下自动识别电网线路阻抗特征，并根据特征动态调整虚拟电阻值，从而实现vsg的近似完全功率解耦效果，改善系统的动态性能和减小输出无功功率的稳态误差，由此解决现有的虚拟同步机解耦能力差和效率低的技术问题。
8.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种虚拟同步机的功率解耦方
法，包括：
9.s1：在虚拟同步机vsg的功率解耦控制部分中引入虚拟电阻，修正vsg的输出参考电压，得到vsg等效电路控制模型；
10.s2：计算所述vsg等效电路控制模型对应的小信号数学模型，获取所述小信号数学模型对应的相对增益矩阵和完全解耦条件；
11.s3：分析所述完全解耦条件中的已知量与未知量，采用所述未知量的相关已知量替代所述未知量，获得可行的完全解耦近似判断条件；
12.s4：获取所述虚拟电阻的取值与所述完全解耦近似判断条件之间的关系，以构建pi控制器负反馈回路；利用所述pi控制器负反馈回路进行动态虚拟电阻的pi控制，实现虚拟同步机的功率解耦。
13.在其中一个实施例中，所述s1包括：
14.s11：在vsg的功率解耦控制部分中引入所述虚拟电阻，修正vsg的输出参考电压的幅值和相位；
15.利用表征所述vsg等效电路控制模型的功率关系；
16.其中，p
vsg
为并网有功功率，p’vsg
为虚拟有功功率，rv为虚拟电阻，i0为输出电流；q
vsg
为并网无功功率，q’vsg
为虚拟无功功率。
17.s12：dq坐标系下修正vsg后的输出电压参考值表示为：
[0018][0019]
其中，v'为虚拟电压值，上标ref表示改变量为参考值，下标d、q表示该变量在dq轴上分量，i
o_d
表示d轴上的输出电流分量。
[0020]
在其中一个实施例中，所述s2包括：
[0021]
s21：利用所述vsg并网等效电路模型计算对应的小信号数学模型，所述小信号模型的输出分别为有功功率p、无功功率q，输入分别为虚拟电压v'和角度θ'；所述小信号模型表示为：其中，
[0022][0023]
δp表示有功功率的小信号；δq表示无功功率的小信号；k
11
、k
12
、k
21
、k
22
表示中间变量；v0'表示虚拟电压幅值；ug表示电网电压；z
t
表示整体输出阻抗幅值；θ
zt
表示整体输出阻抗相角；θ0'表示虚拟电压相角；rv表示虚拟电阻；
[0024]
s22：计算所述小信号模型的相对增益矩阵，利用所述相对增益矩阵选取所述完全解耦条件；
[0025]
所述相对增益矩阵表示为：
[0026][0027]
所述完全解耦条件表示为：θ0+θ
zt
＝90
°
。
[0028]
在其中一个实施例中，将所述完全解耦条件简化为：ug＝v'cosθ，ug表示为电网电压，v'表示为vsg有功回路，θ表示为dq轴旋转角度，θ'表示无功回路输出量。
[0029]
在其中一个实施例中，所述s3包括：
[0030]
s31：分析所述完全解耦条件ug＝v'cosθ中的无法直接采样量θ；
[0031]
s32：采用所述相关已知量θ'-θ替代θ，得到所述完全解耦近似判断条件ug＝v'cos(θ'-θ)；
[0032]
s33：分析所述完全解耦近似判断条件ug＝v'cos(θ'-θ)的可行性，若可行利用其执行所述s4。
[0033]
在其中一个实施例中，所述s33包括：
[0034]
分析所述完全解耦近似判断条件ug＝v'cos(θ'-θ)的耦合系数误差与根轨迹，验证其可行性。
[0035]
按照本发明的另一方面，提供了一种虚拟同步机的控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0036]
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0037]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有
益效果：
[0038]
(1)本方案基于传统vsg系统引入vr的主电路拓扑和控制结构，进而获取vsg完全解耦判断条件，并采用相关已知量替代完全解耦条件中的无法直接采样量，得到完全解耦近似判断条件；利用完全解耦近似判断条件构建pi控制器负反馈回路，最终进行动态虚拟电阻的pi控制，实现虚拟同步机的功率解耦。本方案无需获取线路阻抗特征信息，便可实现自适应调节，实用性强；能够保证vsg具备好的解耦性能，增强vsg的鲁棒性；此外，具备更强的无功波动抑制能力和更小的无功功率稳态误差，解耦能力更强，且解耦能力对功率变化不敏感。
[0039]
(2)本方案采用表述vsg等效电路控制模型的功率关系，表征方式简单，能够在满足精度要求下降低计算复杂度。通过在dq坐标系下修正vsg，其修正后的电压参考值为：表征方式简单，计算复杂度低。
[0040]
(3)本方案采用虚拟电阻的小信号模型的相对增益矩阵选取完全解耦条件，该小信号模型能够体现采用虚拟电阻后无功环路和有功环路之间的耦合关系。
[0041]
(4)本方案简化完全解耦条件为：ug＝v'cosθ，能够完全解耦判断条件的变量均为系统可直接测量，降低了完全解耦判断的复杂程度。
[0042]
(5)本方案采用所述相关已知量θ'-θ替代无法直接采样量θ，得到所述完全解耦近似判断条件ug＝v'cos(θ'-θ)能进一步降低功率耦合，增强系统对低频、次同步、同步振荡的稳定性。利用上述的虚拟同步机的功率解耦方法，分析所述完全解耦近似判断条件ug＝v'cos(θ'-θ)引起的耦合系数误差与根轨迹，该近似方法能够使系统在线路阻抗变化情况下具备良好的稳定性。
[0043]
(6)本方案利用完全解耦近似判断条件构建pi控制器负反馈回路，最终进行动态虚拟电阻的pi控制，实现虚拟同步机的功率解耦。
附图说明
[0044]
图1为本发明一实施例中提供的自适应线路阻抗的虚拟同步机功率解耦方法流程图。
[0045]
图2为本发明一实施例中提供的采用vr的vsg等效电路示意图。
[0046]
图3为本发明一实施例中提供的小信号模型示意图。
[0047]
图4为本发明一实施例中提供的采用vr的vsg向量示意图。
[0048]
图5为本发明一实施例中提供的近似误差示意图。
[0049]
图6为本发明一实施例中提供的不同线路阻抗条件下vsg耦合系数示意图。
[0050]
图7为本发明一实施例中提供的不同线路阻抗条件下vsg的根轨迹示意图。
[0051]
图8为本发明一实施例中提供的动态虚拟电阻结构示意图。
[0052]
图9a、图9b和图9c为本发明一实施例中提供的测试结果图。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0054]
本发明公开一种自适应线路阻抗的虚拟同步机功率解耦方法流程图如附图1所示，包括：
[0055]
s1：在传统vsg控制的基础上，功率解耦控制部分通过引入vr，修正vsg输出的参考电压赋值和相位，从而改变vsg系统的输出阻抗特性，获得vsg等效电路结构。
[0056]
s2：利用相对增益矩阵对采用vr的vsg小信号模型完全解耦条件进行选择，从而获取最佳的完全解耦判断条件。
[0057]
s3：分析完全解耦判断条件中的已知量(系统可采样值)与未知量(电网阻抗相关特征值)，通过近似替代给出无需未知量的完全解耦近似判断条件，并分析近似误差与稳定性。
[0058]
s4：将完全解耦近似判断条件作为误差输入，并根据vr调节系统输出电压与vsg输出虚拟电压关系的机制，构建负反馈回路，从而实现根据完全解耦近似判断条件动态调整vr值。
[0059]
进一步，步骤s1中传统vsg控制结构和引入vr后的等效结构模型如下：
[0060]
s11、依据采用功率解耦的传统vsg的控制模型如下：
[0061][0062]
其中，p
ref
，q
ref
分别是有功功率和无功功率参考值。pf，qf则表示瞬时功率理论计算且滤波处理后的输出功率。d
p
，dq分别是有功和无功功率环路的下垂系数，j
p
，jq分别是有功功率回路的惯性系数和无功功率回路的励磁电压调节系数。v0和w0是输出电压的额定幅值和角频率，v'和w'
vsg
分别代表有功回路角频率的参考值和无功回路输出电压幅值的参考值。θ'作为w'
vsg
的积分，代表控制系统中的dq坐标系旋转角度值。
[0063][0064]io_dq
和u
o_dq
分别代表dq坐标系下vsg的实际输出电压和输出电流。通常采用低通滤
波器lpf滤除高阶噪声。
[0065]
s12、采用vr的vsg等效电路控制模型(图2)功率关系表示：
[0066][0067]
dq坐标系下修正后的输出电压参考值可以表示为：
[0068][0069]
其中v∠θ指代输出电压，线路阻抗zg∠θ
zg
＝r
line
+jω(l2+lg)(为便于计算，将l2看作线路电感的一部分)。考虑在输出电压理想情况下虚拟阻抗zv∠θ
zv
＝rv可代表输出阻抗，整体输出阻抗可以表示为z
t
∠θ
zt
＝zv∠θ
zv
+zg∠θ
zg
，p’vsg
和q’vsg
为虚拟有功功率和无功功率，pg和qg分别是并网有功功率和无功功率。
[0070]
进一步，步骤s2中采用vr的vsg完全解耦判断条件获取包括如下步骤：
[0071]
s21、依据采用vr的vsg并网等效电路模型(图2)计算对应的小信号数学模型，小信号模型(图3)的输出分别为有功功率p、无功功率q，输入分别为虚拟电压v'和角度θ'；小信号模型如下所示：
[0072][0073][0074]
其中下标“0”代表稳态情况，ug为电网电压，rv为虚拟电阻值，z
t
∠θ
zt
＝zg∠θ
zg
+ω0l2+rv代表整体阻抗，ω0＝2π
·
50取电网基波频率。v'和θ'分别为vsg有功回路和无功回路的输出量。
[0075]
s22、计算小信号模型的相对增益矩阵，对完全解耦条件ρ
12
＝0进行分析和选择；
[0076]
相对增益矩阵定义如下：
[0077][0078]
完全解耦条件可表示为：
[0079]
进一步地，则k
12
＝0或k
21
＝0均可保证vsg完全解耦。接下来对完全解耦条件分别进行讨论。结合k
12
＝0的向量图(图4)和小信号模型可知，v'可表示为：
[0080]
为保证整体的电阻值为正，v'的约束条件为：
[0081][0082]
上述约束条件明显不成立，因此不考虑k
12
＝0。k
21
＝0的完全解耦条件可以表示为：cos(θ
zt
+θ0)＝0。
[0083]k21
＝0的完全解耦条件成立，因此选择该条件。根据图4可知，完全解耦判断条件为：ug＝v'cosθ。
[0084]
进一步，步骤s3中近似判断条件与误差分析包括如下步骤：
[0085]
s31、分析完全解耦条件中的已知量与未知量；
[0086]
由于线路阻抗zg∠θ
zg
的影响，在公共耦合点(pcc)采样获得的电网电压的幅值和相位与理想大电网的存在一定偏差，且受到并网功率的影响，这将导致θ＝0，极大地影响耦合性能。可设定ug＝220v，但无法获得精确的电网电压相位信息，导致θ为未知量。
[0087]
s32、采用相关已知量替代未知量，获得完全解耦的近似判断条件；
[0088]
为保证功角大范围条件下vr的解耦性能，选择θ'-θ替换θ，相应的完全解耦近似判断条件为：ug＝v'cos(θ'-θ)。
[0089]
对应的近似误差图(图5)中可见，当θ
zg
小的时候，θ变小，近似误差(灰色阴影部分代表近似误差随θ的变化趋势)变小，则该方法在θ
zg
小的低压电网中可以保证好的解耦能力；在θ
zg
的高压电网中，vsg本身处于弱耦合，dvr方法仍可进一步解耦。但近似误差将导致对应的虚拟电阻值进一步减小，因此该方法的解耦能力和稳定性需要验证。
[0090]
在其中一个实施例中，步骤s3还包括：
[0091]
s33、分析完全解耦近似判断条件的耦合系数误差与根轨迹，确保近似过程的可行性；
[0092]
根据上述相对增益矩阵可得不同线路阻抗条件下vsg的耦合系数曲线图(图6)，通过验证可见，该近似方法在不同阻抗条件下的解耦性能好。
[0093]
vsg的状态空间方程为：
[0094]
其中：x＝[δv' δθ' δω]
t
，y＝[δp
vsg δq
vsg δω]
t
，u＝[δp
ref δq
ref δω0]
t
。a,b,c,d分别为：
[0095][0096]
d＝0
[0097]
根据状态空间方程可以获得系统的根轨迹曲线(图7)，系统在线路阻抗变化情况下具备良好的稳定性，因此该近似方法可行。
[0098]
进一步，步骤s4中基于pi控制器负反馈实现的dvr控制结构包括如下步骤：
[0099]
s41、分析vr取值与完全解耦近似判断条件的关系，构建pi控制器负反馈回路；
[0100]
将完全解耦近似判断条件作为pi控制器的误差输入，并构成负反馈结构，则误差输入可以表示为：
[0101][0102]
与图5所对应的负反馈过程如表所示：
[0103][0104][0105]
其中a、c点分别为rv动态调节过程的上限、下限，b、d点分别代表完全解耦近似判断条件和判断条件的稳态工作点。相应的动态虚拟电阻控制结构见图8.
[0106]
s42、选择小于内电压-电流双闭环pi控制器带宽的dvr-pi控制器带宽，并带入matlab/simulink仿真与实际模型中进行测试，获取可行的dvr-pi控制器参数；
[0107]
通过图9a、图9b和图9c中的试验结果对比可见，有功功率从0阶跃到10kw和从10kw阶跃到5kw的动态过程中，dvr方法的无功功率波动与无功功率稳态误差均最小，证明dvr方法具有更好的解耦能力，且解耦能力对功率不敏感。
[0108]
按照本发明的另一方面，提供了一种虚拟同步机的控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0109]
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0110]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，包括：s1：在虚拟同步机vsg的功率解耦控制部分中引入虚拟电阻，修正vsg的输出参考电压，得到vsg等效电路控制模型；s2：计算所述vsg等效电路控制模型对应的小信号数学模型，获取所述小信号数学模型对应的相对增益矩阵和完全解耦条件；s3：分析所述完全解耦条件中的已知量与未知量，采用所述未知量的相关已知量替代所述未知量，获得可行的完全解耦近似判断条件；s4：获取所述虚拟电阻的取值与所述完全解耦近似判断条件之间的关系，以构建pi控制器负反馈回路；利用所述pi控制器负反馈回路进行动态虚拟电阻的pi控制，实现虚拟同步机的功率解耦。2.如权利要求1所述的虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，所述s1包括：s11：在vsg的功率解耦控制部分中引入所述虚拟电阻，修正vsg的输出参考电压的幅值和相位；利用表征所述vsg等效电路控制模型的功率关系；其中，p
vsg
为并网有功功率，p
′
vsg
为虚拟有功功率，r
v
为虚拟电阻，i0为输出电流；q
vsg
为并网无功功率，q
′
vsg
为虚拟无功功率。s12：将dq坐标系下修正vsg后的输出电压参考值表示为：其中，v
′
为虚拟电压值，上标ref表示改变量为参考值，下标d、q表示该变量在dq轴上分量，i
o_d
表示d轴上的输出电流分量，i
o_q
表示在q轴上的输出电流分量，v
o_d
表示d轴上的输出电压分量，v
o_q
表示在q轴上的输出电压分量。3.如权利要求2所述的虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，所述s2包括：s21：利用所述vsg并网等效电路模型计算对应的小信号数学模型，所述小信号模型的输出分别为有功功率p、无功功率q，输入分别为虚拟电压v'和角度θ'；所述小信号模型表示为：其中，
δp表示有功功率的小信号；δq表示无功功率的小信号；k
11
、k
12
、k
21
、k
22
表示中间变量；v0'表示虚拟电压幅值稳态值；u
g
表示电网电压；z
t
表示整体输出阻抗幅值；θ
zt
表示整体输出阻抗相角；θ
′0表示虚拟电压相角；s22：计算所述小信号模型的相对增益矩阵，利用所述相对增益矩阵选取所述完全解耦条件；所述相对增益矩阵表示为：所述完全解耦条件表示为：θ0+θ
zt
＝90
°
。4.如权利要求3所述的虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，将所述完全解耦条件简化为：u
g
＝v'cosθ，u
g
表示为电网电压，v'表示为虚拟电压，θ表示为dq轴旋转角度，θ'表示无功回路输出量。5.如权利要求4所述的虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，所述s3包括：s31：分析所述完全解耦条件u
g
＝v'cosθ中的无法直接采样量θ；s32：采用所述相关已知量θ'-θ替代θ，得到所述完全解耦近似判断条件u
g
＝v'cos(θ'-θ)；s33：分析所述完全解耦近似判断条件u
g
＝v'cos(θ'-θ)的近似误差，若可行利用其执行所述s4。6.如权利要求5所述的虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，所述s4包括：根据所述完全解耦近似判断条件，所述虚拟电阻的取值与所述完全解耦近似判断条件之间的关系为：θ'-θ＝|arctan(v
0_q
/v
0_d
)|；其中，r
v_min
是虚拟电阻实际值；根据上述关系，构建pi控制器负反馈回路；利用所述pi控制器负反馈回路进行动态虚
拟电阻的pi控制，实现虚拟同步机的功率解耦。7.一种虚拟同步机的控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统，属于并网逆变器控制技术领域，所述方法包括：基于传统VSG系统引入VR的主电路拓扑和控制结构，进而获取VSG完全解耦判断条件，并对其进行分析和简化得到完全解耦近似判断条件；利用完全解耦近似判断条件构建PI控制器负反馈回路，最终进行动态虚拟电阻的PI控制，实现虚拟同步机的功率解耦。本方案无需获取线路阻抗特征信息，便可实现自适应调节，实用性强；能够保证VSG具备好的解耦性能，增强VSG的鲁棒性。此外，具备更强的无功波动抑制能力和更小的无功功率稳态误差，解耦能力更强，且解耦能力对功率变化不敏感。且解耦能力对功率变化不敏感。且解耦能力对功率变化不敏感。


技术研发人员：尹泉 鞠槟檑 付予齐 尹琪琛
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/23