CN105915140A - 一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法及装置。一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法包括：建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程；将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式；根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量；分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制。本发明实施例提供的技术方案实现了真正意义上的电压电流dq解耦控制，微电网系统鲁棒性及适应性更为良好。

Description

一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法及装置。

背景技术

随着全球范围内的能源问题日益突出和环境压力不断增大，人们的焦点从传统发电技术领域转移到了新能源领域、分布式发电技术、微电网技术上，分布式电源在电力系统中的渗透率不断提升。分布式发电的输出大多为直流电，需要通过并网逆变器接入配电网。常规的分布式并网发电控制较多采用电力电子并网逆变器模式，该模式响应速度非常快，转动惯量微乎其微，无法参与电网调节，不能保证电网稳定。

为了解决分布式发电系统的稳定性问题，人们提出虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator)控制技术。用电压源形式的并网逆变装置控制虚拟同步发电机，组成电压源型且具备虚拟同步机特性的并网逆变器，实现了分布式电源并离网无缝切换这一功能。

在利用电压源形式的逆变装置实现虚拟同步发电机并离网无缝切换时，需实现微电网电压电流dq解耦。采用传统的PI控制算法可以实现对电压电流的dq解耦，但在传统的PI控制器中电阻参数和滤波电感会存在摄动，从而与控制器设定的参数之间存在差异，且前反馈本身就是一种削弱耦合的补偿控制，无法实现真正意义上的解耦，效果不太理想。

发明内容

基于上述现有技术中的缺陷和不足，本发明提出一种基于虚拟同步发电机的自抗扰解耦控制方法及装置，更好地实现对电压电流的dq解耦控制。

本发明提供一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法，包括：

建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程；

将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式；

根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量；

分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制。

进一步地，所述建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程，包括：

根据电压源型并网逆变器拓扑结构图，结合虚拟同步发电机的电压电流基本关系，建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=e_a-u_a-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=e_b-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=e_c-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_a}{dt}=i_a-i_{oa}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_b}{dt}=i_b-i_{ob}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}=i_c-i_{oc}\end{array}\right.$

式中，R、L、C分别是虚拟同步机的阻抗、滤波电感、滤波电容；i_a、i_b、i_c分别是滤波电感的三相电流；i_oa、i_ob、i_oc分别是流向公共母线的三相电流；u_a、u_b、u_c分别是三相滤波电容的输出电压；e_a、e_b、e_c为逆变器输出电压。

进一步地，所述将LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式，包括：

通过坐标变换，将三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系，得到滤波器方程在dq坐标系中的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-R{i}_d+\mathrm{\ω}L{i}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ωLi}}_d+e_q-u_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=i_d-i_{od}+{\mathrm{\ωCu}}_q\\ C\frac{{\mathrm{du}}_q}{dt}=i_q-i_{oq}-{\mathrm{\ωCu}}_d\end{array}\right.$

式中，e_d，e_q为逆变侧三相交流电压在d轴和q轴的分量；i_d，i_q为逆变侧三相交流电流的d轴分量和q轴分量；u_d，u_q为同步发电机的机端电压的d轴分量和q轴分量。

进一步地，所述根据滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量，包括：

取状态变量为x₁＝i_d,x₂＝i_q，x₃＝u_d,x₄＝u_q，将状态变量代入滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别得到电流在d轴、q轴的状态方程，电压在d轴、q轴的状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=\frac{1}{L}(-R{x}_1+\mathrm{\ω}L{x}_2+e_d-u_d)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{1}{L}(-R{x}_2+\mathrm{\ω}L{x}_1+e_q-u_q)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_3=\frac{1}{C}(i_d+{\mathrm{\ωCx}}_4)-\frac{1}{C}{i}_{od}\\ {\stackrel{\·}{x}}_4=\frac{1}{C}(i_q+{\mathrm{\ωCx}}_3)-\frac{1}{C}{i}_{oq}\end{array}\right.$

式中，

进一步地，所述分别对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制，包括：

根据设定的电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的目标值分别安排过渡过程，得到光滑的输出信号，并提取输出信号的微分信号；

对电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量以及内外扰动进行估计，得到电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值以及扰动估计值；

分别对所述输出信号与所述电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值取差值，得到状态变量误差；

利用所述状态变量误差对应的非线性反馈和所述扰动估计值对应的补偿量一起组成控制量；

按照控制量分别对电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量进行自抗扰解耦控制。

本发明提供一种基于虚拟同步发电机的解耦控制装置，包括：

方程建立单元，用于建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程；

坐标转换单元，用于将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式；

分量获取单元，用于根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量；

自抗扰解耦控制单元，用于分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制。

进一步地，所述方程建立单元，具体用于：

根据电压源型并网逆变器拓扑结构图，结合虚拟同步发电机的电压电流基本关系，建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=e_a-u_a-R{i}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=e_b-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=e_c-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_a}{dt}=i_a-i_{oa}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_b}{dt}=i_b-i_{ob}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}=i_c-i_{oc}\end{array}\right.$

式中，R、L、C分别是虚拟同步机的阻抗、滤波电感、滤波电容；i_a、i_b、i_c分别是滤波电感的三相电流；i_oa、i_ob、i_oc分别是流向公共母线的三相电流；u_a、u_b、u_c分别是三相滤波电容的输出电压；e_a、e_b、e_c为逆变器输出电压。

进一步地，所述坐标转换单元，具体用于：

通过坐标变换，将三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系，得到滤波器方程在dq坐标系中的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-{\mathrm{Ri}}_d+{\mathrm{\ωLi}}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ωLi}}_d+e_q-u_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=i_d-i_{od}+\mathrm{\ω}C{u}_q\\ C\frac{{\mathrm{du}}_q}{dt}=i_q-i_{oq}-{\mathrm{\ωCu}}_d\end{array}\right.$

式中，e_d，e_q为逆变侧三相交流电压在d轴和q轴的分量；i_d，i_q为逆变侧三相交流电流的d轴分量和q轴分量；u_d，u_q为同步发电机的机端电压的d轴分量和q轴分量。

进一步地，所述分量获取单元，包括：

状态变量取值单元，用于取状态变量为x₁＝i_d,x₂＝i_q，x₃＝u_d,x₄＝u_q；

代入计算单元，用于将状态变量代入滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别得到电流在d轴、q轴的状态方程，电压在d轴、q轴的状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=\frac{1}{L}(-R{x}_1+\mathrm{\ω}L{x}_2+e_d-u_d)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{1}{L}(-R{x}_2+\mathrm{\ω}L{x}_1+e_q-u_q)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_3=\frac{1}{C}(i_d+\mathrm{\ω}C{x}_4)-\frac{1}{C}{i}_{od}\\ {\stackrel{\·}{x}}_4=\frac{1}{C}(i_q+{\mathrm{\ωCx}}_3)-\frac{1}{C}{i}_{oq}\end{array}\right.$

式中，

进一步地，所述自抗扰解耦控制单元，包括：

非线性跟踪微分器，用于根据设定的电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的目标值分别安排过渡过程，得到光滑的输出信号，并提取输出信号的微分信号；

扩张状态观测器，用于对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量以及内外扰动进行估计，得到电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值以及扰动估计值；

取差值单元，用于分别对所述输出信号与所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值取差值，得到状态变量误差；

非线性误差反馈控制律，用于利用状态变量误差的非线性反馈与扩张状态观测器得到的扰动估计值的补偿量一起组成控制量；

解耦控制单元，用于按照上述控制量分别对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量进行自抗扰解耦控制。

本发明采用上述方法及装置，所取得的有益效果在于：本发明构建了同步发电机dq等效模型，在实现同步发电机与电压源型变流器在同一dq坐标系下的模型融合的同时，分别获取电流与电压在d轴和q轴的分量，对各分量分别利用自抗扰解耦控制技术进行自抗扰解耦控制。自抗扰解耦控制技术性能良好，控制简单，精度高，具有强鲁棒性和可实现性。本发明利用自抗扰解耦控制技术，在真正意义上实现了具有虚拟同步发电机特性的电压源型变流器的电压电流dq解耦控制，系统鲁棒性及适应性更为良好。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法的流程示意图；

图2是电压源型并网逆变器拓扑结构图；

图3是本发明实施例提供的一种基于虚拟同步发电机的解耦控制装置的示意图；

图4是自抗扰控制基本结构图；

图5是具有自抗扰解耦控制功能的虚拟同步发电机系统框图。

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。

本发明实施例提供一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法，参见图1，该方法包括：

S101、建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程；

S102、将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式；

所述LC滤波器方程的数学模型物理意义清晰、直观，但在这种数学模型中，交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计。为此，可以通过坐标变换将所述LC滤波器方程的坐标转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系。这样经坐标旋转变换后，所述LC滤波器方程坐标系中的基波正弦变化量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计。

S103、根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量；

本发明的目的是实现电压和电流的dq解耦控制，因此，获取电流和电压的d轴和q轴分量是实现后续控制的基础。

S104、分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制。

本发明使用自抗扰解耦控制技术对所述各分量进行解耦控制，这一步是实现电压和电流的dq解耦控制的关键步骤。自抗扰解耦控制技术性能良好、控制简单、精度高、具有强鲁棒性和可实现性，本发明在这一步骤利用自抗扰解耦控制技术，使得本发明鲁棒性及适应性更为良好。

本发明从建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程入手，通过坐标转换得到虚拟同步发电机的dq等效模型，进一步分别获取电流与电压在d轴和q轴的分量，对各分量利用自抗扰解耦技术进行自抗扰解耦控制。自抗扰解耦控制技术本身具有性能良好、控制简单、精度高等优点，本发明将自抗扰解耦控制技术应用于对电压电流dq解耦控制中，实现了真正意义上的电压电流dq解耦，系统鲁棒性及适应性更为良好。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程，包括：

参见图2所示电压源型并网逆变器拓扑结构图，结合虚拟同步发电机的电压电流基本关系，建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=e_a-u_a-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=e_b-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=e_c-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_a}{dt}=i_a-i_{oa}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_b}{dt}=i_b-i_{ob}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}=i_c-i_{oc}\end{array}\right.$

式中，R、L、C分别是虚拟同步机的阻抗、滤波电感、滤波电容；i_a、i_b、i_c分别是滤波电感的三相电流；i_oa、i_ob、i_oc分别是流向公共母线的三相电流；u_a、u_b、u_c分别是三相滤波电容的输出电压；e_a、e_b、e_c为逆变器输出电压。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述将LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式，包括：

通过坐标变换，将所述LC滤波器方程所处的三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系，得到滤波器方程在dq坐标系中的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-R{i}_d+\mathrm{\ω}L{i}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ωLi}}_d+e_q-u_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=i_d-i_{od}+\mathrm{\ω}C{u}_q\\ C\frac{{\mathrm{du}}_q}{dt}=i_q-i_{oq}-{\mathrm{\ωCu}}_d\end{array}\right.$

式中，e_d，e_q为逆变侧三相交流电压在d轴和q轴的分量；i_d，i_q为逆变侧三相交流电流的d轴分量和q轴分量；u_d，u_q为同步发电机的机端电压的d轴分量和q轴分量。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述根据滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量，包括：

取状态变量为x₁＝i_d,x₂＝i_q，x₃＝u_d,x₄＝u_q，将状态变量代入滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别得到电流在d轴、q轴的状态方程，电压在d轴、q轴的状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=\frac{1}{L}(-R{x}_1+\mathrm{\ω}L{x}_2+e_d-u_d)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{1}{L}(-R{x}_2+\mathrm{\ω}L{x}_1+e_q-u_q)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_3=\frac{1}{C}(i_d+\mathrm{\ω}C{x}_4)-\frac{1}{C}{i}_{od}\\ {\stackrel{\·}{x}}_4=\frac{1}{C}(i_q+{\mathrm{\ωCx}}_3)-\frac{1}{C}{i}_{oq}\end{array}\right.$

式中，

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述分别对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制，包括：

1)根据设定的电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的目标值分别安排过渡过程，得到光滑的输出信号，并提取输出信号的微分信号；

这一步骤根据需要安排给定输入的过渡过程，实现了对输入信号快速无超调跟踪，减小了系统的初始误差，解决了系统响应快速性和超调性之间的矛盾。

2)对电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量以及内外扰动进行估计，得到电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值以及扰动估计值；

这一步骤在对被控变量进行估计的同时，把影响被控输出的扰动量和不确定量扩张成新的状态变量，将含未知干扰的非线性不确定性对象化为积分串联型对象，以便后续对其进行控制。

3)分别对所述输出信号与所述电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值取差值，得到状态变量误差；

这一步骤得到的状态变量误差，是后续获取得到最终控制量的先决条件。

4)利用所述状态变量误差对应的非线性反馈和所述扰动估计值对应的补偿量一起组成控制量；

所述控制量由所述状态变量误差对应的非线性反馈和所述扰动估计值对应的补偿量叠加构成。

5)按照控制量分别对电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量进行自抗扰解耦控制。

本发明实施例提供了一种基于虚拟同步发电机的解耦控制装置，参见图3，该装置包括：方程建立单元201、坐标转换单元202、分量获取单元203、自抗扰解耦控制单元204。

其中，方程建立单元201，用于建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程；

坐标转换单元202，用于将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式；

所述方程建立单元201建立的LC滤波器方程的数学模型物理意义清晰、直观，但在这种数学模型中，交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计。为此，坐标变换单元通过坐标变换将所述LC滤波器方程的坐标转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系。这样经坐标旋转变换后，所述LC滤波器方程坐标系中的基波正弦变化量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计。

分量获取单元203，用于根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量；

本发明的目的是实现电压和电流的dq解耦控制，因此，分量获取单元203获取电流和电压的d轴和q轴分量是实现后续控制的基础。

自抗扰解耦控制单元204，用于分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制。

自抗扰解耦控制单元204使用自抗扰解耦控制技术对所述各分量进行解耦控制，这一步是实现电压和电流的dq解耦控制的关键步骤。自抗扰解耦控制技术性能良好、控制简单、精度高、具有强鲁棒性和可实现性，本发明在这一步骤利用自抗扰解耦控制技术，使得本发明鲁棒性及适应性更为良好。

本发明所述装置在工作过程中，首先由方程建立单元201建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程，然后坐标转换单元202将该方程坐标系转换为dq坐标系，得到虚拟同步发电机的dq等效模型，进而由分量获取单元203从所述dq等效模型中获取电压与电流在d轴和q轴的分量，最后自抗扰解耦控制单元204对各分量进行自抗扰解耦控制。所述装置在工作过程中，坐标转换单元202对坐标进行转换，简化了控制系统设计。自抗扰控制技术本身具有性能良好、控制简单、精度高等优点，自抗扰解耦控制单元204利用自抗扰解耦控制技术对电压和电流的d轴分量和q轴分量分别进行解耦控制，实现了真正意义上的电压电流dq解耦，系统鲁棒性及适应性更为良好。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述方程建立单元201，具体用于：

根据电压源型并网逆变器拓扑结构图，结合虚拟同步发电机的电压电流基本关系，建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=e_a-u_a-R{i}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=e_b-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=e_c-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_a}{dt}=i_a-i_{oa}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_b}{dt}=i_b-i_{ob}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}=i_c-i_{oc}\end{array}\right.$

式中，R、L、C分别是虚拟同步机的阻抗、滤波电感、滤波电容；i_a、i_b、i_c分别是滤波电感的三相电流；i_oa、i_ob、i_oc分别是流向公共母线的三相电流；u_a、u_b、u_c分别是三相滤波电容的输出电压；e_a、e_b、e_c为逆变器输出电压。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述坐标转换单元202，具体用于：

通过坐标变换，将三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系，得到滤波器方程在dq坐标系中的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-R{i}_d+\mathrm{\ω}L{i}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ωLi}}_d+e_q-u_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=i_d-i_{od}+\mathrm{\ω}C{u}_q\\ C\frac{{\mathrm{du}}_q}{dt}=i_q-i_{oq}-{\mathrm{\ωCu}}_d\end{array}\right.$

式中，e_d，e_q为逆变侧三相交流电压在d轴和q轴的分量；i_d，i_q为逆变侧三相交流电流的d轴分量和q轴分量；u_d，u_q为同步发电机的机端电压的d轴分量和q轴分量。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述分量获取单元203，包括：

状态变量取值单元，用于取状态变量为x₁＝i_d,x₂＝i_q，x₃＝u_d,x₄＝u_q；

代入计算单元，用于将状态变量代入滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别得到电流在d轴、q轴的状态方程，电压在d轴、q轴的状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=\frac{1}{L}(-R{x}_1+\mathrm{\ω}L{x}_2+e_d-u_d)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{1}{L}(-R{x}_2+\mathrm{\ω}L{x}_1+e_q-u_q)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_3=\frac{1}{C}(i_d+\mathrm{\ω}C{x}_4)-\frac{1}{C}{i}_{od}\\ {\stackrel{\·}{x}}_4=\frac{1}{C}(i_q+{\mathrm{\ωCx}}_3)-\frac{1}{C}{i}_{oq}\end{array}\right.$

式中，

可选的，在本发明的另一个实施例中，参见图4所示，所述自抗扰解耦控制单元204，包括：

非线性跟踪微分器(TD)，用于根据设定的电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的目标值V分别安排过渡过程，得到光滑的输出信号V₁，并提取输出信号的微分信号；

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{V}}_1=-\mathrm{\λ}fal(\mathrm{\ϵ},a_0,{\mathrm{\δ}}_0)\\ \mathrm{\ϵ}=V_1-x\end{array}\right.$

其中，fal为最优综合控制函数；x为输入信号；V₁为x的跟踪信号；λ为跟踪速度因子。

非线性微分跟踪器根据需要安排过渡过程，实现对输入信号快速无超调跟踪，减小了系统的初始误差，解决了系统响应快速性和超调性之间的矛盾。

扩张状态观测器(ESO)，用于对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量以及内外扰动进行估计，得到电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值以及扰动估计值；

以电流d轴或q轴分量为例：扩张状态观测器以系统输入和输出得到电流d轴或q轴状态变量的估计z₁，并把影响被控输出的扰动量和不确定量扩张成新的状态变量z₂。

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2-{\mathrm{\β}}_{1}fal({\mathrm{\ϵ}}_1,a_1,{\mathrm{\δ}}_1)+\frac{1}{L}(-R{Z}_1-u_d)+\frac{1}{L}{e}_d\\ {\stackrel{\·}{Z}}_2=-{\mathrm{\β}}_{2}fal({\mathrm{\ϵ}}_1,a_1,{\mathrm{\δ}}_1)\end{array}\right.$

ε₁＝Z₁-x

其中，Z₁为x的跟踪信号；Z₂是对总扰动的估计；β₁、β₂为输出误差校正增益；fal为最优综合控制函数；δ₁为滤波因子。

取差值单元，用于分别对所述输出信号与所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值取差值，得到状态变量误差；

状态变量误差ε₁＝v₁-z₁。

非线性误差反馈控制律(NLSEF)，用于利用状态变量误差的非线性反馈与扩张状态观测器得到的扰动估计值的补偿量一起组成控制量；

非线性误差反馈控制律(NLSEF)根据误差ε₁来决定控制纯积分器串联型对象控制律u₀，对误差反馈控制量u₀用扰动估计值z₂的补偿来决定最终的控制量：u＝u₀-z₂/b₀，这里，参数b₀是决定补偿强弱的“补偿因子”，作为可调参数来用。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_0=k_{1}fal({\mathrm{\ϵ}}_1,a_1{\mathrm{\δ}}_1)\\ e_d=-L(u_0-Z_2)+R{Z}_1+u_d\end{array}\right.$

其中，fal为最优综合控制函数；δ₁为滤波因子。

解耦控制单元，用于按照上述控制量分别对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量进行自抗扰解耦控制。

将自抗扰解耦控制技术应用于虚拟同步发电机，得到如图5具有自抗扰解耦控制功能的虚拟同步发电机系统框图所示的虚拟同步发电机系统。

在该系统中，虚拟同步机的功率部分，即整体结构中的并网逆变器部分是整个系统的主体，分布式电源并网通过并网逆变器来实现。在功率部分的电路中，U_d是等效直流电压源，即逆变系统的储能部分所提供的直流电压；I₁～I₆是桥式逆变器中的六个IGBT开关；R、L、C分别是虚拟同步机的阻抗、滤波电感、滤波电容；i_a、i_b、i_c分别是滤波电感的三相电流；i_oa、i_ob、i_oc分别是流向公共母线的三相电流；u_oa、u_ob、u_oc分别是三相滤波电容的输出电压，即虚拟同步机的输出电压，也是公共电网三相电压。

在系统工作过程中，中央控制器给出的功率的参考值P_ref、Q_ref与电压的参考值E_ref经过VSG控制(包括有功-频率控制、无功-电压控制)得到三相电压e_abc，三相电压e_abc经过dq变换后引入虚拟阻抗，通过自抗扰解耦控制技术实现电压电流dq解耦，最后，电压经过dq反变换后经PWM发生器来控制三相桥臂的开通与关断。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟同步发电机的解耦控制方法，其特征在于，包括：

建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程；

将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式；

根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量；

分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程，包括：

根据电压源型并网逆变器拓扑结构图，结合虚拟同步发电机的电压电流基本关系，建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=e_a-u_a-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=e_b-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=e_c-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_a}{dt}=i_a-i_{oa}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_b}{dt}=i_b-i_{ob}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}=i_c-i_{oc}\end{array}\right.$

式中，R、L、C分别是虚拟同步机的阻抗、滤波电感、滤波电容；i_a、i_b、i_c分别是滤波电感的三相电流；i_oa、i_ob、i_oc分别是流向公共母线的三相电流；u_a、u_b、u_c分别是三相滤波电容的输出电压；e_a、e_b、e_c为逆变器输出电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式，包括：

通过坐标变换，将三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系，得到滤波器方程在dq坐标系中的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-R{i}_d+\mathrm{\ω}L{i}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ωLi}}_d+e_q-u_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=i_d-i_{od}+{\mathrm{\ωCu}}_q\\ C\frac{{\mathrm{du}}_q}{dt}=i_q-i_{oq}-{\mathrm{\ωCu}}_d\end{array}\right.$

式中，e_d，e_q为逆变侧三相交流电压在d轴和q轴的分量；i_d，i_q为逆变侧三相交流电流的d轴分量和q轴分量；u_d，u_q为同步发电机的机端电压的d轴分量和q轴分量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量，包括：

取状态变量为x₁＝i_d,x₂＝i_q，x₃＝u_d,x₄＝u_q，将状态变量代入滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别得到电流在d轴、q轴的状态方程，电压在d轴、q轴的状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=\frac{1}{L}(-R{x}_1+\mathrm{\ω}L{x}_2+e_d-u_d)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{1}{L}(-R{x}_2+\mathrm{\ω}L{x}_1+e_q-u_q)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_3=\frac{1}{C}(i_d+\mathrm{\ω}C{x}_4)-\frac{1}{C}{i}_{od}\\ {\stackrel{\·}{x}}_4=\frac{1}{C}(i_q+{\mathrm{\ωCx}}_3)-\frac{1}{C}{i}_{oq}\end{array}\right.$

式中，

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制，包括：

根据设定的电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的目标值分别安排过渡过程，得到光滑的输出信号，并提取输出信号的微分信号；

对电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量以及内外扰动进行估计，得到电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值以及扰动估计值；

分别对所述输出信号与所述电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值取差值，得到状态变量误差；

利用所述状态变量误差对应的非线性反馈和所述扰动估计值对应的补偿量一起组成控制量；

按照控制量分别对电流的d轴分量、电流的q轴分量、电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量进行自抗扰解耦控制。

6.一种基于虚拟同步发电机的解耦控制装置，其特征在于，包括：

方程建立单元，用于建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程；

坐标转换单元，用于将所述LC滤波器方程的坐标系转换成dq坐标系，得到所述LC滤波器方程在dq坐标系中的表达式；

分量获取单元，用于根据所述滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别获取电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量；

自抗扰解耦控制单元，用于分别对所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量进行自抗扰解耦控制。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述方程建立单元，具体用于：

根据电压源型并网逆变器拓扑结构图，结合虚拟同步发电机的电压电流基本关系，建立虚拟同步发电机的LC滤波器方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=e_a-u_a-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=e_b-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=e_c-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_a}{dt}=i_a-i_{oa}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_b}{dt}=i_b-i_{ob}\\ C\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}=i_c-i_{oc}\end{array}\right.$

式中，R、L、C分别是虚拟同步机的阻抗、滤波电感、滤波电容；i_a、i_b、i_c分别是滤波电感的三相电流；i_oa、i_ob、i_oc分别是流向公共母线的三相电流；u_a、u_b、u_c分别是三相滤波电容的输出电压；e_a、e_b、e_c为逆变器输出电压。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述坐标转换单元，具体用于：

通过坐标变换，将三相对称静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系，得到滤波器方程在dq坐标系中的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=-R{i}_d+\mathrm{\ω}L{i}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=-{\mathrm{Ri}}_q+{\mathrm{\ωLi}}_d+e_q-u_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=i_d-i_{od}+{\mathrm{\ωCu}}_q\\ C\frac{{\mathrm{du}}_q}{dt}=i_q-i_{oq}-{\mathrm{\ωCu}}_d\end{array}\right.$

式中，e_d，e_q为逆变侧三相交流电压在d轴和q轴的分量；i_d，i_q为逆变侧三相交流电流的d轴分量和q轴分量；u_d，u_q为同步发电机的机端电压的d轴分量和q轴分量。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分量获取单元，包括：

状态变量取值单元，用于取状态变量为x₁＝i_d,x₂＝i_q，x₃＝u_d,x₄＝u_q；

代入计算单元，用于将状态变量代入滤波器方程在dq坐标系中的表达式，分别得到电流在d轴、q轴的状态方程，电压在d轴、q轴的状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=\frac{1}{L}(-R{x}_1+\mathrm{\ω}L{x}_2+e_d-u_d)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{1}{L}(-R{x}_2+\mathrm{\ω}L{x}_1+e_q-u_q)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_3=\frac{1}{C}(i_d+\mathrm{\ω}C{x}_4)-\frac{1}{C}{i}_{od}\\ {\stackrel{\·}{x}}_4=\frac{1}{C}(i_q+{\mathrm{\ωCx}}_3)-\frac{1}{C}{i}_{oq}\end{array}\right.$

式中，

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述自抗扰解耦控制单元，包括：

非线性跟踪微分器，用于根据设定的电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的目标值分别安排过渡过程，得到光滑的输出信号，并提取输出信号的微分信号；

扩张状态观测器，用于对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量以及内外扰动进行估计，得到电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值以及扰动估计值；

取差值单元，用于分别对所述输出信号与所述电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量的估计值取差值，得到状态变量误差；

非线性误差反馈控制律，用于利用状态变量误差的非线性反馈与扩张状态观测器得到的扰动估计值的补偿量一起组成控制量；

解耦控制单元，用于按照上述控制量分别对电流的d轴分量和电流的q轴分量以及电压的d轴分量和电压的q轴分量对应的状态变量进行自抗扰解耦控制。