CN105811438A - 一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置。其中，所述方法包括：获取虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；根据输出电压和输出电流计算得到虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及平均有功功率计算得到虚拟同步机的相角；根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及平均无功功率计算得到虚拟同步机的输出电压幅值；根据输出电压幅值、输出电压、电感电流以及输出电流进行电压电流双闭环控制，得到虚拟同步机的控制信号；根据相角和控制信号实现基于虚拟同步机的无频差控制。本发明能够解决现有的下垂控制中存在的频率偏移问题。

Description

一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置

技术领域

本发明涉及微网逆变器的控制领域，具体地，涉及一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置。

背景技术

微网逆变器有并网和孤网两种工作模式。并网运行时，微网逆变器向主电网提供功率传输；孤网运行时，微网逆变器与其他分布式微源并联组网，为微网系统提供电压和频率支撑。下垂控制作为一种对等控制，无需互联通信线，能实现微网逆变器的并网、孤网操作，并且能够实现各逆变器间的功率分配，是微网逆变器的良好选择。但是，采用下垂控制的微网逆变器不具有传统同步发电机组的旋转惯性。因此，会给微网系统带来一定的动态冲击，并且当微网逆变器的输出功率偏离参考功率时，逆变器的输出频率也偏移给定参考频率。虚拟同步机控制技术可克服传统并网逆变器无惯性给电网带来的冲击，可提升电网接纳可再生能源的能力，在微电网中受到了广泛关注。采用虚拟同步机控制技术的微网逆变器叫做虚拟同步机(Virtualsynchronousgenerator，VSG)。由于虚拟同步机采用传统的有功频率下垂控制，在孤网模式下存在频率偏移。并且，当虚拟同步机的实际输出功率与给定参考功率相差越大，频率偏移越大。

图1是现有的虚拟同步机采用有功频率下垂控制的示意图。如图1所示，其特点是通过在控制上模拟同步发电机的转子运动方程，使虚拟同步机获得类似同步发电机的频率惯性。根据图1可得虚拟同步机的有功频率控制方程为：

[(ω_ref-ω_g)/D_p+P_ref-P_avg-K_d(ω-ω_g)]/(2Hs)＝ω(1)

式中，H表示虚拟惯性时间常数，ω_ref、ω_g、ω分别表示参考角频率、公共母线角频率和虚拟同步机的输出角频率，P_ref、P_avg分别表示有功功率参考值和经一阶滤波后的平均有功功率，K_d表示阻尼系数，D_p表示频率下垂系数，s表示拉普拉斯变换的复变量。

当虚拟同步机工作在并网模式时，无需虚拟同步机进行调频，(ω_ref-ω_g)/D_p＝0，调频控制器失效，阻尼模块保证虚拟同步机频率跟踪主电网频率。当虚拟同步机工作在孤网模式时，K_d(ω-ω_g)＝0，阻尼模块失效，频率动态由调频控制器决定得到

(ω_ref-ω)/D_p＝P_ref-P_avg(2)

由式(2)可知，孤网模式下，采用传统的有功频率下垂控制，会产生频率偏移。

图2是现有的虚拟同步机采用有功频率下垂控制的曲线图。如图2所示，Δω、ω_min和P_max分别表示相对于参考频率ω_ref的频率偏移、允许的最小输出角频率和与最小输出角频率对应的最大输出有功功率。由图2可知，当功率偏移越大，逆变器输出频率偏移也越大，并且频率偏移与下垂系数D_p有关。

此外，由式(1)(2)可知，在并网和孤网两种不同的工况下，有功频率控制器是不同的，这不利于虚拟同步机实现无缝切换。

虚拟同步机的输出频率偏移会对微网系统产生不利影响。一方面，将会导致微网系统微源间的频率交互，这将会影响微源的控制效果，同时也会对微网系统的电能质量产生影响，使系统产生更多的谐波。另一方面，将会对接入微网系统中的负载产生不利影响，严重情况可能导致负载不能正常工作。

为此，人们做了各种研究。如题为“微网逆变器并联运行的改进下垂控制策略”(姚骏，杜红彪，周特，等.电网技术，2015年，第39卷，第4期，第932-938页)的文章。文章提出了一种改进的下垂控制方法，即在下垂方程中增加积分和微分环节来修改下垂曲线，但这增加了系统的控制难度，同时也无法消除频差；题为“高压微网运行模式切换控制策略”(张明锐，杜志超，王少波，等.电工技术学报，2014年，第38卷第2期，第153-162页)的文章。文章提出用角度下垂代替频率下垂，能消除频差，但多逆变器并联时，需要一个公共频率参考，因此，需额外增加通信模块；题为“一种模式自适应的微网调频控制方法”(杜燕，苏建徽，张榴晨，等.中国电机工程学报，2013年，第33卷，第19期，第67-75页)的文章。文章提出在有功功率环中引进频率阻尼项，开环补偿孤网时产生的频率偏移，但仍然无法完全消除频率偏移。

综上所述，现有技术均未解决虚拟同步机下垂控制中存在的输出频率偏移问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟同步机的无频差控制方法以及装置。其中，所述方法能够实现无频差控制，解决了现有的下垂控制中存在的输出频率偏移问题。另一方面，该方法适用于并网和孤网两种不同的工况，能够实现虚拟同步机的多模式控制。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于虚拟同步机的无频差控制方法。所述方法包括：

获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；

根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；

根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；

根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；

根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；

根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。

可选地，所述获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流，包括：

采集所述虚拟同步机在第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；

根据所述相角将所述第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。

可选地，所述根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率，包括：

根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：

根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：

其中，P_avg表示所述平均有功功率，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Q_avg表示所述平均无功功率。

可选地，所述根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角，包括：

根据以下公式三和公式四计算得到所述虚拟同步机的相角：

θ＝ω/s公式四

其中，P_avg表示所述平均有功功率，P_ref表示预设的有功功率参考值，ω₀表示预设的空载时角频率参考值，K_ω、K_p、K_i分别表示与所述虚拟同步机的稳定性能和动态性能相关的系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，θ表示所述虚拟同步机的相角。

可选地，所述根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值，包括：

根据以下公式五计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值：

E＝E_set-K_mQ_avg公式五

其中，Q_avg表示所述平均无功功率，K_m表示无功电压下垂控制系数，E_set表示预设的空载时输出电压幅值参考值，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值。

可选地，所述根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号，包括：

根据以下公式六和公式七计算得到所述虚拟同步机的控制信号：

u_d＝[(E-u_od)(K_{p_v}+K_{i_v}/s)-ωC_fu_oq+i_od-i_ld]K_{p_c}-ωL_fi_lq+u_od公式六

u_q＝[(0-u_oq)(K_{p_v}+K_{i_v}/s)+ωC_fu_od+i_oq-i_lq]K_{p_c}+ωL_fi_ld+u_oq公式七

其中，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，K_{p_v}、K_{i_v}分别表示所述虚拟同步机的电压环PI控制器的比例系数和积分系数，K_{p_c}表示所述虚拟同步机的电流环P控制器的比例系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，C_f表示所述虚拟同步机的滤波电容，i_ld、i_lq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的电感电流分量，L_f表示所述虚拟同步机的交流滤波电感，u_d、u_q分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的控制信号分量。

可选地，所述根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制，包括：

根据所述相角将第二坐标系下的控制信号分量进行变换，得到第三坐标系下的控制信号分量；

将所述第三坐标系下的控制信号分量进行调制，得到PWM控制信号。

相应地，本发明还提供一种基于虚拟同步机的无频差控制装置。所述装置包括：

获取单元，用于获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；

第一计算单元，用于根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；

第二计算单元，用于根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；

第三计算单元，用于根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；

控制单元，用于根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；

实现单元，用于根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。

可选地，所述获取单元，具体用于：

采集所述虚拟同步机在第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；

根据所述相角将所述第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。

可选地，所述第一计算单元，具体用于：

根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：

根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：

其中，P_avg表示所述平均有功功率，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Q_avg表示所述平均无功功率。

通过上述技术方案，获取虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；根据输出电压和输出电流计算得到虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及平均有功功率计算得到虚拟同步机的相角；根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及平均无功功率计算得到虚拟同步机的输出电压幅值；根据输出电压幅值、输出电压、电感电流以及输出电流进行电压电流双闭环控制，得到虚拟同步机的控制信号；根据相角和控制信号实现基于虚拟同步机的无频差控制，能够实现无频差控制，解决了现有的下垂控制中存在的输出频率偏移问题。另一方面，该方法适用于并网和孤网两种不同的工况，能够实现虚拟同步机的多模式控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是现有的虚拟同步机采用有功频率下垂控制的示意图；

图2是现有的虚拟同步机采用有功频率下垂控制的曲线图；

图3是本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制方法的流程图；

图4是本发明一实施例提供的有功频率下垂控制的示意图；

图5是本发明一实施例提供的无功电压下垂控制的示意图；

图6是本发明一实施例提供的电压电流双闭环控制的示意图；

图7是本发明一实施例提供的整体控制的示意图；

图8是本发明一实施例提供的孤网仿真实验的曲线图；

图9是本发明一实施例提供的并网仿真实验的曲线图；

图10是本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制装置的结构示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

图3是本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制方法的流程图。如图3所示，本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制方法包括：

在步骤S101中，获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流。

具体地，该步骤包括：采集所述虚拟同步机在第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；根据所述相角将所述第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。

更为具体地，先采集虚拟同步机的输出电压u_oa、u_ob、u_oc，电感电流i_la、i_lb、i_lc和输出电流i_oa、i_ob、i_oc。经单同步旋转坐标变换得到输出电压dq轴分量u_od、u_oq、电感电流dq轴分量i_ld、i_lq和输出电流dq轴分量i_od、i_oq。计算公式如下：

其中，第一坐标系为三相静止坐标系，第二坐标系为两相同步旋转坐标系，所述虚拟同步机为采用虚拟同步机控制技术的微网逆变器。

接着，在步骤S102中，根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率。

具体地，该步骤包括：根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：

根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：

其中，P_avg表示所述平均有功功率，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Q_avg表示所述平均无功功率。

更为具体地，公式一为有功功率计算方程，公式二为无功功率计算方程，选取τ为500。

紧接着，在步骤S103中，根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角。

具体地，该步骤包括：根据以下公式三和公式四计算得到所述虚拟同步机的相角：

θ＝ω/s公式四

其中，P_avg表示所述平均有功功率，P_ref表示预设的有功功率参考值，ω₀表示预设的空载时角频率参考值，K_ω、K_p、K_i分别表示与所述虚拟同步机的稳定性能和动态性能相关的系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，θ表示所述虚拟同步机的相角。

图4是本发明一实施例提供的有功频率下垂控制的示意图。如图4所示，根据步骤S102得到的平均有功功率P_avg、虚拟同步机给定的有功功率参考值P_ref以及虚拟同步机给定的角频率参考值ω₀，经过新的有功频率控制方程得到相角θ。如图4，有功频率控制部分为：将传统的虚拟同步机控制算法中的阻尼模块替换为积分器K_i/s，用给定的有功功率参考值和虚拟同步机输出的平均有功功率之差(P_ref-P_avg)替代虚拟同步机的下垂控制方程，从而得到新的有功频率控制方程。经过新的有功频率控制方程得到虚拟同步机的输出角频率ω，对角频率进行积分得到虚拟同步机的相角θ。在本实施例中，选取K_ω＝0.1、K_i＝4000、K_p＝500。另外P_ref＝5Kw，ω₀＝100π。

对比图1所提出的方法，用比例积分模块K_p+K_i/s代替图1中的阻尼模块K_d，用给定的有功功率参考值和虚拟同步机输出的平均有功功率之差(P_ref-P_avg)替代虚拟同步机的下垂控制方程。当频率增量Δω(即ω-ω₀)不为0，比如当Δω大于0时，由于积分模块的累加特性和PWM控制信号的作用，负反馈支路输出增加，导致控制器K_ω/s的输入量减小，虚拟同步机的输出角频率ω减小。最终稳态下，虚拟同步机的输出角频率ω等于给定的角频率参考值ω₀。因此，本发明所提出的控制方法可以实现输出无频差控制。图中，θ为虚拟同步机输出的相角。

然后，在步骤S104中，根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值。

具体地，该步骤包括：根据以下公式五计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值：

E＝E_set-K_mQ_avg公式五

其中，Q_avg表示所述平均无功功率，K_m表示无功电压下垂控制系数，E_set表示预设的空载时输出电压幅值参考值，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值。

更为具体地，公式五为无功电压控制方程，K_m＝0.005。

图5是本发明一实施例提供的无功电压下垂控制的示意图。如图5所示，根据步骤S102得到的平均无功功率Q_avg、输出电压幅值的参考值E_set，经过无功电压控制方程得到虚拟同步机的输出电压幅值E。

接着，在步骤S105中，根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号。

具体地，该步骤包括：根据以下公式六和公式七计算得到所述虚拟同步机的控制信号：

u_d＝[(E-u_od)(K_{p_v}+K_{i_v}/s)-ωC_fu_oq+i_od-i_ld]K_{p_c}-ωL_fi_lq+u_od公式六

u_q＝[(0-u_oq)(K_{p_v}+K_{i_v}/s)+ωC_fu_od+i_oq-i_lq]K_{p_c}+ωL_fi_ld+u_oq公式七

其中，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，K_{p_v}、K_{i_v}分别表示所述虚拟同步机的电压环PI控制器的比例系数和积分系数，K_{p_c}表示所述虚拟同步机的电流环P控制器的比例系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，C_f表示所述虚拟同步机的滤波电容，i_ld、i_lq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的电感电流分量，L_f表示所述虚拟同步机的交流滤波电感，u_d、u_q分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的控制信号分量。

图6是本发明一实施例提供的电压电流双闭环控制的示意图。如图6所示，根据步骤S104得到的输出电压幅值E和步骤S101中得到的虚拟同步机的输出电压dq轴分量u_od、u_oq和虚拟同步机的电感电流dq轴分量i_ld、i_lq以及虚拟同步机的输出电流dq轴分量i_od、i_oq，经电压电流双闭环控制，得到虚拟同步机的控制信号分量u_d、u_q。其中，令电压电流双闭环参考电压的dq轴分量u^* _od＝E，u^* _oq＝0，并且选取K_{p_v}＝2，K_{i_v}＝10，K_{p_c}＝20。

最后，在步骤S106中，根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。

具体地，该步骤包括：根据所述相角将第二坐标系下的控制信号分量进行变换，得到第三坐标系下的控制信号分量；将所述第三坐标系下的控制信号分量进行调制，得到PWM控制信号。

更为具体地，根据以下公式将dq坐标下控制信号分量u_d、u_q转换到αβ坐标下，得到u_α、u_β：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& -sin\mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right)$

其中，第二坐标系为两相同步旋转坐标系，第三坐标系为两相静止坐标系。

根据相角将两相静止坐标系下的控制信号分量进行变换，得到两相同步旋转坐标系下的控制信号分量。在得到两相同步旋转坐标系下的控制信号分量之后，通过SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation，空间矢量脉宽调制)发生模块对控制信号分量进行调制，得到开关的PWM(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)控制信号。

图7是本发明一实施例提供的整体控制的示意图。如图7所示，虚拟同步机的直流母线电压U_dc为400v、虚拟同步机输出交流线电压有效值为190v、额定容量为10kw、交流滤波电感为L_f为1mH、滤波电容C_f为48uF和电网电压为380v。具体地，给定相角θ的初始值，根据相角的初始值将所述虚拟同步机在三相静止坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在两相静止坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。然后，以后续计算中得到的相角不断更新坐标变换中使用的相角，并根据更新后的相角将所述虚拟同步机在三相静止坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在两相静止坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。更为具体地，结合图4，当频率增量Δω不为0，比如当Δω大于0时，由于积分模块的累加特性和PWM控制信号的作用，负反馈支路输出增加，导致控制器K_ω/s的输入量减小，虚拟同步机的输出角频率ω减小。最终稳态下，虚拟同步机的输出角频率ω等于给定的角频率参考值ω₀。因此，本发明所提出的控制方法可以实现输出无频差控制。

在Matlab/Simulink下在对图7所示的虚拟同步机的整体控制搭建仿真模型，用仿真实验来验证本发明所提出的方法。

图8是本发明一实施例提供的孤网仿真实验的曲线图。如图8所示，P_avg表示所述平均有功功率，Q_avg表示所述平均无功功率，U_abc、I_abc分别表示虚拟同步机的输出电压和输出电流。虚拟同步机在0.7s时并入负载进行加载，负载功率从4Kw加载到8Kw，从仿真结果可以看出，在加载前后，频率最大偏移量不超过1rad，稳态后几乎没有频率偏移，虚拟同步机的输出角频率ω约为314rad，等于参考角频率ω₀(ω₀为电网频率100π)。

图9是本发明一实施例提供的并网仿真实验的曲线图。如图9所示，P_avg表示所述平均有功功率，Q_avg表示所述平均无功功率，U_abc、I_abc分别表示虚拟同步机的输出电压和输出电流。虚拟同步机在0.7s时，给定功率参考值从4kW加载到6kW。从图中可见，过程变化平稳，最大角频率偏移不超过4rad，稳态时虚拟同步机输出的角频率跟踪电网频率。

本实施例通过获取虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；根据输出电压和输出电流计算得到虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及平均有功功率计算得到虚拟同步机的相角；根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及平均无功功率计算得到虚拟同步机的输出电压幅值；根据输出电压幅值、输出电压、电感电流以及输出电流进行电压电流双闭环控制，得到虚拟同步机的控制信号；根据相角和控制信号实现基于虚拟同步机的无频差控制，能够实现无频差控制，解决了现有的下垂控制中存在的输出频率偏移问题。另一方面，该方法适用于并网和孤网两种不同的工况，能够实现虚拟同步机的多模式控制。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

图10是本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制装置的结构示意图。如图10所示，本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制装置包括：

获取单元201，用于获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；

第一计算单元202，用于根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；

第二计算单元203，用于根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；

第三计算单元204，用于根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；

控制单元205，用于根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；

实现单元206，用于根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。

在本发明一可选实施例中，所述获取单元201，具体用于：

采集所述虚拟同步机在第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；

根据所述相角将所述第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。

在本发明一可选实施例中，所述第一计算单元202，具体用于：

根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：

根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：

其中，P_avg表示所述平均有功功率，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Q_avg表示所述平均无功功率。

对于本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制装置还涉及的具体细节已在本发明一实施例提供的基于虚拟同步机的无频差控制方法中作了详细的描述，在此不再赘述。

应当注意的是，在本发明的系统的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；

根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；

根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；

根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；

根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；

根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流，包括：

采集所述虚拟同步机在第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；

根据所述相角将所述第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率，包括：

根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：

根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：

其中，P_avg表示所述平均有功功率，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Q_avg表示所述平均无功功率。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角，包括：

根据以下公式三和公式四计算得到所述虚拟同步机的相角：

θ＝ω/s公式四

其中，P_avg表示所述平均有功功率，P_ref表示预设的有功功率参考值，ω₀表示预设的空载时角频率参考值，K_ω、K_p、K_i分别表示与所述虚拟同步机的稳定性能和动态性能相关的系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，θ表示所述虚拟同步机的相角。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值，包括：

根据以下公式五计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值：

E＝E_set-K_mQ_avg公式五

其中，Q_avg表示所述平均无功功率，K_m表示无功电压下垂控制系数，E_set表示预设的空载时输出电压幅值参考值，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号，包括：

根据以下公式六和公式七计算得到所述虚拟同步机的控制信号：

u_d＝[(E-u_od)(K_{p_v}+K_{i_v}/s)-ωC_fu_oq+i_od-i_ld]K_{p_c}-ωL_fi_lq+u_od公式六

u_q＝[(0-u_oq)(K_{p_v}+K_{i_v}/s)+ωC_fu_od+i_oq-i_lq]K_{p_c}+ωL_fi_ld+u_oq公式七

其中，E表示所述虚拟同步机的输出电压幅值，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，K_{p_v}、K_{i_v}分别表示所述虚拟同步机的电压环PI控制器的比例系数和积分系数，K_{p_c}表示所述虚拟同步机的电流环P控制器的比例系数，s表示拉普拉斯变换的复变量，ω表示所述虚拟同步机的输出角频率，C_f表示所述虚拟同步机的滤波电容，i_ld、i_lq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的电感电流分量，L_f表示所述虚拟同步机的交流滤波电感，u_d、u_q分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的控制信号分量。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的无频差控制方法，其特征在于，所述根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制，包括：

根据所述相角将第二坐标系下的控制信号分量进行变换，得到第三坐标系下的控制信号分量；

将所述第三坐标系下的控制信号分量进行调制，得到PWM控制信号。

8.一种基于虚拟同步机的无频差控制装置，其特征在于，所述装置包括：

获取单元，用于获取所述虚拟同步机的输出电压、电感电流以及输出电流；

第一计算单元，用于根据所述输出电压和所述输出电流计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率和平均无功功率；

第二计算单元，用于根据预设的有功功率参考值、预设的空载时角频率参考值以及所述平均有功功率计算得到所述虚拟同步机的相角；

第三计算单元，用于根据预设的空载时输出电压幅值参考值以及所述平均无功功率计算得到所述虚拟同步机的输出电压幅值；

控制单元，用于根据所述输出电压幅值、所述输出电压、所述电感电流以及所述输出电流进行电压电流双闭环控制，得到所述虚拟同步机的控制信号；

实现单元，用于根据所述相角和所述控制信号实现基于所述虚拟同步机的无频差控制。

9.根据权利要求8所述的基于虚拟同步机的无频差控制装置，其特征在于，所述获取单元，具体用于：

采集所述虚拟同步机在第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量；

根据所述相角将所述第一坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量进行变换，得到所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量、电感电流分量以及输出电流分量。

10.根据权利要求8所述的基于虚拟同步机的无频差控制装置，其特征在于，所述第一计算单元，具体用于：

根据以下公式一计算得到所述虚拟同步机的平均有功功率：

根据以下公式二计算得到所述虚拟同步机的平均无功功率：

其中，P_avg表示所述平均有功功率，u_od、u_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电压分量，i_od、i_oq分别表示所述虚拟同步机在第二坐标系下的输出电流分量，τ表示所述虚拟同步机的低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯变换的复变量，Q_avg表示所述平均无功功率。