CN107453412A - 基于vsg控制装置及方法、多vsg预同步并网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟同步发电机VSG控制装置，所述控制装置包括：主电路、PR控制电路、电磁方程电路、无功和电压调节电路、预同步电路、有功和频率调节电路；所述有功和频率调节电路包括：第一比较器、第一放大器、惯性调节电路、PI调节电路、第一开关、第二开关、第二加法器、第三比较器、第三积分器。本发明将有功和频率调节电路设置成PI调节电路和惯性调节电路，实现不同状态下选择不同的调节电路，再不增加控制算法复杂度的情况下，无需锁相环便实现不同模式之间平滑切换；当电网频率发生波动时，仍能实现并网运行VSG的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调。

Description

基于VSG控制装置及方法、多VSG预同步并网方法

技术领域

本发明涉及分布式发电微网控制领域，特别是涉及一种基于VSG控制装置及方法、一种多VSG预同步并网方法。

背景技术

基于虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术的逆变器控制策略在实现一次调频和一次调压功能的同时，能够模拟同步发电机的外特性，有效解决系统欠阻尼、低惯性的问题。

VSG既能并网运行，又能组网运行，当并网运行时，VSG需按照功率指令输出有功和无功功率，而输出有功功率的动态和稳态特性由虚拟惯量和阻尼放大的倍数的大小决定,无法兼顾动态和稳态性能，如果并网和组网采用相同的阻尼分量，系统的动态特性将会变差。

为此，一些学者提出了改进的控制策略，主要包括：基于微分补偿环节虚拟惯性的的方法，该方法在确保功率稳态控制性能的同时，加快了VSG的功率响应速度，增大了系统阻尼，改善了动态性能；自适应虚拟转子惯量的VSG控制算法，通过动态改变虚拟惯量与阻尼参数，在抑制相同频率扰动的情况下有效降低储能单元的能量流动。虽然以上两种改进后的控制策略可以提高VSG控制性能，但在电网频率发生波动时仍无法实现并网工况的恒功率控制。

还有学者通过增加PI调节器进行频率的闭环控制，进而可以实现并网稳态下VSG恒功率控制，但该方法增加了有功环的阶次，严重影响VSG原有的优越惯性和阻尼性能。还有学者将实时测量的电网频率作为VSG的频率参考，也可以实现并网稳态下VSG恒功率控制。但是，用于测量频率的锁相环存在非线性、响应慢、参数设计难等问题，这对VSG恒功率控制的动态性能和稳定性有很大影响。

综上，现有技术难以在电网频率发生波动时实现并网运行VSG的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于VSG控制装置及方法、一种多VSG预同步并网方法，通过将有功和频率调节电路设置成PI调节电路和惯性调节电路，实现不同状态下选择不同的调节电路，实现不同的模式切换，当电网频率发生波动时，仍能实现并网运行VSG的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调。

为实现上述目的，本发明提供一种基于虚拟同步发电机VSG控制装置，所述控制装置包括：主电路、PR控制电路、电磁方程电路、无功和电压调节电路、预同步电路、有功和频率调节电路；

所述主电路分别与所述电磁方程、所述无功和电压调节电路、所述预同步电路、所述PR控制电路相连；所述电磁方程电路分别与所述无功和电压调节电路、所述有功和频率调节电路、所述PR控制电路相连；所述预同步单元与所述有功和频率调节电路相连；

所述有功和频率调节电路包括：第一比较器、第一放大器、惯性调节电路、PI调节电路、第一开关、第二开关、第二加法器、第三比较器、第三积分器；

所述第一比较器的负极端与所述电磁方程电路相连，用于接收所述电磁方程电路发送的VSG瞬时有功功率，所述第一比较器的正极端输入VSG有功功率给定值，所述瞬时有功功率和所述有功功率给定值经过所述第一比较器获得第一有功功率误差；所述第一放大器的输入端与所述第一比较器的输出端相连，用于放大所述第一有功功率误差，获得第一放大有功功率；

所述惯性调节电路的输入端与所述第一放大器的输出端相连，用于根据第一放大有功功率获得第一角频率；

所述PI调节电路的输入端通过所述第二开关与所述第一放大器的输出端相连，用于根据第一放大有功功率获得第四角频率；

所述第三比较器的正极端输入并网的额定角频率，所述第三比较器的负极端与所述预同步电路相连，用于接收所述预同步电路发送的角频率调节量，所述并网的额定角频率和所述角频率调节量通过第三比较器获得第五角频率；

所述所述第二加法器的正极端通过所述第一开关与所述惯性调节电路的输出端相连，用于接收第一角频率，所述第二加法器的正极端与所述PI调节电路的输出端相连，用于接收第四角频率，所述第二加法器的正极端与所述第三比较器的输出端相连，用于接收第五角频率，第一角频率、第四角频率和第五角频率通过所述第二加法器获得第六角频率；所述第三积分器的输入端与所述第二加法器的输出端相连，用于根据所述第六角频率获得相位角；所述电磁方程电路与所述第三积分器的输出端相连，用于将相位角发送至所述电磁方程电路。

可选的，所述惯性调节电路包括：第二比较器、第二放大器、第三放大器、第一积分器；所述PI调节电路包括：第四放大器、第五放大器、第二积分器、第一加法器；

所述第二比较器的正极端与所述第一放大器的输出端相连，用于接收第一放大有功功率；所述第二比较器的负极端与所述第三放大器的输出端相连，用于接收第二放大有功功率；所述第一放大有功功率和所述第二放大有功功率通过所述第二比较器获得第二有功功率误差；所述第二放大器的输入端与所述第二比较器的输出端相连，所述第一积分器的输入端与所述第二放大器的输出端相连，所述第二有功功率误差依次通过第二放大器、第一积分器将获得第一角频率；所述第三放大器的输入端与所述第一积分器的输出端相连，用于根据所述第一角频率获得第二放大有功功率；

所述第四放大器的输入端通过所述第二开关与所述第一放大器的输出端相连，所述第二积分器的输入端与所述第四放大器的输出端相连，所述第一放大有功功率依次通过所述第四放大器、所述第二积分器获得第二角频率；所述第五放大器的输入端通过所述第二开关与所述第一放大器的输出端相连，用于根据第一放大有功功率获得第三角频率；所述第一加法器的正极端与所述第二积分器的输出端相连，用于接收所述第二角频率，所述第一加法器的正极端分别与所述第五放大器的输出端相连，用于接收第三角频率，所述第二角频率和所述第三角频率通过第一加法器获得第四角频率。

可选的，所述预同步单元包括：第四比较器、第六放大器、第一差积乘法器、第六开关、低通滤波器、PI调节器、第七开关；

所述主电路分别与所述第四比较器的正极端、负极端相连，所述第四比较器的输出端与所述第六放大器的输入端相连，所述第六放大器的输出端、所述主电路分别与所述第一差积乘法器的输入端相连，所述第一差积乘法器的输出端依次通过所述第六开关、所述低通滤波器、所述PI调节器、所述第七开关与所述有功和频率调节电路相连。

可选的，所述无功和电压调节电路包括：第二差积乘法器、第五比较器、第四积分器、第七放大器、电压调节电路、第三开关、第七比较器、第四开关、第五积分器、第九放大器、第五开关、第三加法器；所述电压调节电路包括第六比较器、第八放大器构成；

所述电磁方程电路与所述第二差积乘法器的输入端相连，所述第二差积乘法器的输出端与所述第五比较器的负极端相连，所述第五比较器的输出端与所述第四积分器输入端相连，所述第四积分器的输出端与所述第七放大器的输入端相连；

所述主电路与所述第六比较器的负极端相连，所述第六比较器的输出端与所述第八放大器的输入端，所述第八放大器的输出端与所述第三开关的一端相连；

所述主电路分别与所述第七比较器的正极端、负极端相连，所述第七比较器的输出端与所述第四开关的一端相连，所述第四开关的另一端与所述第五积分器的输入端相连，所述第五积分器的输出端与所述第九放大器的输入端相连，所述第九放大器的输出端与所述第五开关一端相连；

所述第七放大器的输出端、所述第三开关的另一端、所述第五开关的另一端分别与所述第三加法器的正极端相连，所述第三加法器的输出端与所述电磁方程电路相连。

可选的，所述电磁方程电路包括：第三差积乘法器、第十放大器、第八比较器、第十一放大器、第六积分器、第十二放大器、运算器、点积乘法器；

所述有功和频率调节电路与所述运算器的输入端相连，所述运算器的输出端、所述无功和电压调节电路分别与所述第三差积乘法器的输入端相连，所述第三差积乘法器的输出端与所述第十放大器的输入端相连，所述第十放大器的输出端与所述第八比较器的正极端相连，所述主电路、所述第十二放大器的输出端分别与所述第八比较器的负极端相连，所述第八比较器的输出端与所述第十一放大器的输入端相连，所述第十一放大器的输出端与所述第六积分器的输入端相连，所述第六积分器的输出端分别与所述第十二放大器的输入端、所述PR控制电路相连，所述第十放大器的输出端、所述第六积分器的输出端分别与所述点积乘法器的输入端相连，所述点积乘法器的输出端与所述有功和频率调节电路相连。

本发明还提供一种基于虚拟同步发电机VSG控制方法，所述方法应用于根据权利要求1至权利要求5任一项所述的基于VSG控制装置，所述方法包括：

当VSG预同步并网后，判断VSG的输出功率波动是否小于第一设定值；当VSG的输出功率波动小于第一设定值，则先将第五开关、第六开关、第七开关断开，再将Droop模式切换为PQ模式；否则，断开并网开关，VSG离网以Droop模式运行；

当VSG工作PQ模式时，判断VSG是否主动离网；当VSG主动离网，则将PQ模式切换为Droop模式，再断开并网开关；否则，检测到并网开关被动断开后，将PQ模式切换为Droop模式。

可选的，所述Droop模式为：闭合第一开关、第三开关，断开第二开关，接入惯性调节电路、电压调节电路，切出PI调节电路；

所述PQ模式为：闭合第二开关，断开第一开关、第三开关，接入PI调节电路，切出惯性调节电路、电压调节电路。

可选的，在所述当VSG预同步并网后，判断VSG的输出功率波动是否小于第一设定值步骤之前还包括：

当VSG离网以Droop模式运行时，判断VSG是否需要预同步并网；当需要预同步并网，则闭合无功和电压调节电路的第四开关、第五开关和VSG预同步电路的第六开关、第七开关；否则，重新进行判断。

当VSG的预同步电路接入后，判断VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值是否小于第二设定值；当VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值小于第二设定值，则认为预同步已完成，断开第四开关，同时闭合并网开关；否则，重新进行判断。

本发明还提供一种多VSG预同步并网方法，其特征在于，所述方法应用于根据权利要求1至权利要求5任一项所述的基于VSG控制装置，所述方法包括：

接收并网信号。

根据所述并网信号选取一台VSG为主控单元，剩余的VSG为从动单元。

控制所述主控单元VSG以Droop模式工作，从动单元VSG以PQ模式工作。

闭合主控单元VSG的第四开关、第五开关、第六开关、第七开关。

判断多个工频周期内VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值是否全部小于第三设定值；当所述电压差绝对值全部小于第三设定值，则断开第四开关，闭合并网开关；否则重新进行判断。

当并网开关闭合后，判断各VSG输出功率波动是否全部小于第四设定值；当各VSG输出功率波动全部小于第四设定值时，则断开所述主控单元VSG的第五开关、第六开关、第七开关，再将从动单元VSG的PQ模式切换成Droop模式；否则，重新进行判断。

可选的，所述Droop模式为：闭合第一开关、第三开关，断开第二开关，接入惯性调节电路、电压调节电路，切出PI调节电路。

所述PQ模式为：闭合第二开关，断开第一开关、第三开关，接入PI调节电路，切出惯性调节电路、电压调节电路。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明将有功和频率调节电路设置成PI调节电路和惯性调节电路，在有功和频率调节的惯性调节电路上并联PI调节旁路，实现不同状态下选择不同的调节电路，再不增加控制算法复杂度的情况下，无需锁相环便实现不同模式之间平滑切换；当电网频率发生波动时，仍能实现并网运行VSG的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于虚拟同步发电机VSG控制装置结构图；

图2为本发明实施例有功和频率调节电路结构图；

图3为本发明实施例有功环模型；

图4为本发明实施例基于虚拟同步发电机VSG控制方法流程图；

图5为本发明实施例多VSG并联预同步并网结构图。

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。

本发明的目的是提供一种基于VSG控制装置及方法以及一种多VSG预同步并网方法，当电网频率发生波动时，仍能实现并网运行VSG的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于虚拟同步发电机VSG控制装置结构图；图2为本发明实施例有功和频率调节电路5结构图；如图1、图2所示，D_vp、J_v为PI环节参数，D_p、k_v分别为下垂放大的倍数，J为虚拟惯量，k_q为无功积分放大的倍数，ω_s＝2πf_s，f_s为并网额定频率，ω_s为并网额定角频率，U_N为VSG的额定电压有效值，P_ref为VSG有功功率给定值、Q_ref为VSG无功功率给定值，P为VSG瞬时有功功率、Q′为VSG瞬时无功功率，L为VSG滤波电感(同时也是VSG的等效输出电感)，R为VSG等效输出电阻，C为VSG滤波电容，E为VSG内电势有效值，E₀为VSG空载电势，δ为VSG的功角(即VSG三相内电势e_abc与VSG三相输出端电压u_abc的相位角差)，为VSG三相输出端电压u_abc与并网点电压u_gabc的相位角差，U为VSG输出端电压有效值，U_g为并网点电压有效值，i_abc为VSG三相输出电流，i_refabc为VSG三相输出参考电流，L_g为电网等效电感，U_dc为VSG直流母线电压，Δω_syn角频率调节量，R_v为虚拟电阻，Q_syn为虚拟无功功率，Δω_syn为角频率调节量，k_vi为电压积分放大的倍数，为VSG内电势的相位角。

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机VSG控制装置，所述虚拟同步发电机控制装置包括：主电路1、PR控制电路2、电磁方程电路3、无功和电压调节电路4、预同步电路6、有功和频率调节电路5。

所述PR控制电路2实现电流快速跟踪控制；所述电磁方程电路3通过L和R灵活配置提高VSG动态与稳态性能；所述无功和电压调节电路4中的电压调节环通过k_v来实现电压下垂控制功能，无功调节环通过积分环节实现给定无功功率的准确响应；无功调节环通过积分环节实现给定无功功率的准确响应；所述无功和电压调节电路4通过反馈U与U_g来实现调幅功能；有功和频率调节环通过D_p和J来实现Droop模式VSG的惯量和阻尼比大小控制，同时实现下垂控制功能；通过J_v和D_vp来实现PQ模式的控制；预同步单元通过反馈Q_syn来实现调频与调相功能。

所述预同步单元分别与所述主电路1、所述有功和频率调节电路5相连，根据所述主电路1发送的VSG三相输出端电压u_abc、并网点电压u_gabc获得角频率调节量Δω_syn，并将所述角频率调节量Δω_syn发送至所述有功和频率调节电路5。

所述有功和频率调节电路5分别与所述预同步单元、所述电磁方程电路3相连，根据所述预同步单元发送的角频率调节量Δω_syn、所述电磁方程电路3发送的VSG瞬时有功功率P获得相位角，并将所述相位角发送至所述电磁方程电路3。

所述无功和电压调节电路4分别与所述主电路1、所述电磁方程电路3相连，根据所述主电路1发送的VSG输出端电压有效值U、VSG并网点电压有效值U_g和所述电磁方程电路3发送的VSG三相输出参考电流i_refabc、VSG三相内电势e_abc获得VSG内电势有效值E，并将所述VSG内电势有效值E发送至所述电磁方程电路3。

所述电磁方程电路3分别与所述主电路1、所述无功和电压调节电路4、所述有功和频率调节电路5、所述PR控制电路2相连，根据所述主电路1发送的VSG三相输出端电压u_abc、所述无功和电压调节电路4发送的所述VSG内电势有效值E、所述有功和频率调节电路5发送的相位角获得VSG三相输出参考电流i_refabc和VSG瞬时有功功率P，并将所述VSG三相输出参考电流i_refabc发送至所述PR控制电路2，并将所述VSG瞬时有功功率P发送至所述有功和频率调节电路5。

所述PR控制电路2分别与所述主电路1、所述电磁方程电路3相连，根据所述电磁方程电路3发送的三相输出参考电流i_refabc获得PWM控制信号，并将所述PWM控制信号发送至所述主电路1。

下面，1/ω_s为第一放大器放大的倍数，1/J为第二放大器放大的倍数，D_p为第三放大器放大的倍数，1/J_v为第四放大器放大的倍数，1/D_vp为第五放大器放大的倍数，1/R_v为第六放大器放大的倍数，k_q为第七放大器放大的倍数，k_v为第八放大器放大的倍数，k_vi为第九放大器放大的倍数，为第十放大器放大的倍数，1/L为第十一放大器放大的倍数，R为第十二放大器放大的倍数，为了方便对应查看，所以将放大的倍数当成标号进行论述。

所述有功和频率调节电路5包括：第一比较器、第一放大器1/ω_s、惯性调节电路8、PI调节电路7、第一开关S₁、第二开关S₂、第二加法器、第三比较器、第三积分器；所述惯性调节电路8包括：第二比较器、第二放大器1/J、第三放大器D_p、第一积分器；所述PI调节电路7包括：第四放大器1/J_v、第五放大器1/D_vp、第二积分器、第一加法器。

所述第一比较器的负极端与所述电磁方程电路3相连，用于接收所述电磁方程电路3发送的VSG瞬时有功功率P，所述第一比较器的正极端输入VSG有功功率给定值P_ref，所述瞬时有功功率P和所述有功功率给定值P_ref经过所述第一比较器获得第一有功功率误差ΔP₁′；所述第一放大器1/ω_s的输入端与所述第一比较器的输出端相连，用于放大所述第一有功功率误差ΔP₁′，获得第一放大有功功率P₁′；

所述惯性调节电路8的输入端与所述第一放大器1/ω_s的输出端相连，用于根据第一放大有功功率P₁′获得第一角频率ω₁；具体为：所述第二比较器的正极端与所述第一放大器1/ω_s的输出端相连，用于接收第一放大有功功率P₁′；所述第二比较器的负极端与所述第三放大器D_p的输出端相连，用于接收第二放大有功功率P₂′；所述第一放大有功功率P₁′和所述第二放大有功功率P₂′通过所述第二比较器获得第二有功功率误差ΔP₂′；所述第二放大器1/J的输入端与所述第二比较器的输出端相连，所述第一积分器的输入端与所述第二放大器1/J的输出端相连，所述第二有功功率误差ΔP₂′依次通过第二放大器1/J、第一积分器获得第一角频率ω₁；所述第三放大器D_p的输入端与所述第一积分器的输出端相连，用于根据所述第一角频率ω₁获得第二放大有功功率P₂′；所述第一开关S1的一端与第一积分器的输出端相连。

所述PI调节电路7的输入端通过所述第二开关S₂与所述第一放大器1/ω_s的输出端相连，用于根据第一放大有功功率P₁′获得第四角频率ω₄；具体为：所述第四放大器1/J_v的输入端通过所述第二开关S₂与所述第一放大器1/ω_s的输出端相连，所述第二积分器的输入端与所述第四放大器1/J_v的输出端相连，所述第一放大有功功率P₁′通过所述第四放大器1/J_v、所述第二积分器获得第二角频率ω₂；所述第五放大器1/D_vp的输入端通过所述第二开关S₂与所述第一放大器1/ω_s的输出端相连，用于根据第一放大有功功率获P₁′得第三角频率ω₃；所述第一加法器的正极端与所述第二积分器的输出端相连，用于接收所述第二角频率ω₂，所述第一加法器的正极端与所述第五放大器1/D_vp的输出端相连，用于接收所述第五放大器1/D_vp发送的第三角频率ω₃，所述第二角频率ω₂和所述第三角频率ω₃通过第一加法器获得第四角频率ω₄。

所述第三比较器的正极端输入并网的额定角频率ω_s，所述第三比较器的负极端与所述预同步电路6相连，用于接收所述预同步电路6发送的角频率调节量Δω_syn，所述并网的额定角频率ω_s和所述角频率调节量Δω_syn通过第三比较器获得第五角频率ω₅。

所述所述第二加法器的正极端通过所述第一开关S₁与所述惯性调节电路8的输出端相连，用于接收第一角频率ω₁，所述第二加法器的正极端与所述PI调节电路7的输出端相连，用于接收第四角频率ω₄，所述第二加法器的正极端还与所述第三比较器的输出端相连，用于接收第五角频率ω₅，第一角频率ω₁、第四角频率ω₄和第五角频率ω₅通过所述第二加法器获得第六角频率ω₆；所述第三积分器的输入端与所述第二加法器的输出端相连，用于根据所述第六角频率ω₆获得相位角；所述第三积分器的输出端与所述电磁方程电路3相连，用于将相位角发送至所述电磁方程电路3。

所述预同步单元包括：第四比较器、第六放大器1/R_v、第一差积乘法器、第六开关S₆、低通滤波器、PI调节器、第七开关S₇。

所述第四比较器的正极端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的VSG三相输出端电压u_abc；所述第四比较器的负极端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的并网点电压u_gabc，所述VSG三相输出端电压u_abc和并网点电压u_gabc经过所述第四比较器获得第一电压误差ΔU₁′；所述第六放大器1/R_v的输入端与所述第四比较器的输出端相连，用于放大所述第四比较器发送的所述第一电压误差ΔU₁′，获得第一电压U₁′；所述第一差积乘法器的输入端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的VSG三相输出端电压u_abc，所述第一差积乘法器的输入端还与所述第六放大器1/R_v的输出端相连，用于接收所述第六放大器1/R_v发送的第一电压U₁′，VSG三相输出端电压u_abc和第一电压U₁′通过所述第一差积乘法器获得虚拟无功功率Q_syn；所述第一差积乘法器的输出端依次通过所述第六开关S₆、所述低通滤波器、所述PI调节器、所述第七开关S₇与所述有功和频率调节电路5相连，虚拟无功功率Q_syn依次通过通过所述第六开关S₆、所述低通滤波器、所述PI调节器、所述第七开关S₇获得角频率调节量Δω_syn，并将所述角频率调节量Δω_syn发送至所述有功和频率调节电路5。

所述无功和电压调节电路4包括：第二差积乘法器、第五比较器、第四积分器、第七放大器k_q、电压调节电路、第三开关S₃、第七比较器、第四开关S₄、第五积分器、第九放大器k_vi、第五开关S₅、第三加法器；所述电压调节电路包括第六比较器、第八放大器k_v构成。

所述第二差积乘法器的输入端与所述电磁方程电路3相连，用于接收所述电磁方程电路3发送的VSG三相输出参考电流i_refabc，所述第二差积乘法器的输入端还与所述电磁方程电路3相连，用于接收所述电磁方程电路3发送的VSG三相内电势e_abc，所述VSG三相输出参考电流i_refabc和VSG三相内电势e_abc通过所述第二差积乘法器获得无功功率Q′；所述第五比较器的负极端与所述第二差积乘法器的输出端相连，用于接收所述第二差积乘法器发送的无功功率Q′，所述第五比较器的正极端输入VSG无功功率给定值Q_ref，所述VSG无功功率Q′和无功功率给定值Q_ref通过所述第五比较器获得无功功率误差ΔQ′；第四积分器的输入端与所述第五比较器的输出端相连，所述第七放大器k_q的输入端与所述第四积分器相连，无功功率误差ΔQ′依次通过所述第四积分器、所述第七放大器k_q获得第一电压E₁。

所述第六比较器的负极端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的VSG输出端电压有效值U，所述第六比较器的正极端输入VSG额定功率U_N，所述VSG输出端电压有效值U、所述VSG额定功率U_N通过所述第六比较器获得第二电压误差ΔU₂′，所述第八放大器k_v的输入端与所述第六比较器的输出端相连，所述第八放大器k_v的输出端与所述第三开关S₃的一端相连；所述第八放大器k_v用于放大所述第二电压误差ΔU₂′，获得第二电压E₂。

所述第七比较器的正极端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的VSG输出端电压有效值U，所述第七比较器的负极端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的并网点电压有效值U_g，所述VSG输出端电压有效值U和并网点电压有效值U_g通过所述第七比较器获得第三电压误差ΔQ₃′，所述第四开关S₄与所述第七比较器的输出端相连，所述第五积分器的输入端与所述第四开关S₄的另一端相连，所述第九放大器k_vi的输入端与所述第五积分器的输出端相连，所述第三电压误差ΔQ₃′依次通过所述第四开关S₄、所述第五积分器、所述第九放大器k_vi获得第三电压E₃；所述第九放大器k_vi的输出端与所述第五开关S₅一端相连。

所述第三加法器的正极端与所述第七放大器k_q的输出端相连，用于接收所述第七放大器k_q发送的第一电压E₁，所述第三加法器的正极端通过所述第三开关S₃与所述第八放大器输出端相连，用于接收第二电压E₂，所述第三加法器的正极端通过所述第五开关S₅与第九放大器的输出端相连，用于接收第九放大器发送的第三电压E₃，所述第三加法器的正极端输入VSG空载电势E₀，所述第一电压E₁、所述VSG空载电势E₀、所述第二电压E₂、所述第三电压E₃通过所述第三加法器获得VSG内电势有效值E；所述电磁方程电路3与所述第三加法器的输出端相连，用于将所述VSG内电势有效值E发送至所述电磁方程电路3。

所述电磁方程电路3包括：第三差积乘法器、第十放大器第八比较器、第十一放大器1/L、第六积分器、第十二放大器R、运算器、点积乘法器；

所述运算器的输入端与所述有功和频率调节电路5相连，用于接收所述有功和频率调节电路5发送的相位角；所述第三差积乘法器的输入端与所述无功和电压调节电路4相连，用于接收所述无功和电压调节电路4发送的VSG内电势有效值E，所述第三差积乘法器的输入端还与所述运算器的输出端相连，所述第三差积乘法器的输出端与所述第十放大器的输入端相连，用于根据所述相位角和VSG内电势有效值E确定VSG三相内电势e_abc；所述第八比较器的正极端与所述第十放大器的输出端相连，用于接收VSG三相内电势e_abc，所述第八比较器的负极端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的VSG三相输出端电压u_abc，所述第八比较器的负极端还与所述第十二放大器R的输出端相连，用于接收所述第十二放大器R发送的第四电压E₄，所述VSG三相内电势e_abc、VSG三相输出端电压u_abc、第四电压E₄通过所述第八比较器获得第四电压差ΔU₄′；所述第十一放大器1/L的输入端与所述第八比较器的输出端相连，所述第六积分器的输入端与所述第十一放大器1/L的输出端相连，所述第四电压差ΔU₄′依次通过所述第十一放大器1/L、所述第六积分器获得VSG三相输出参考电流i_refabc；所述第十二放大器R的输入端与所述第六积分器的输出端相连，用于根据VSG三相输出参考电流i_refabc获得第四电压E₄；所述PR控制电路2与所述第六积分器的输出端相连，用于将VSG三相输出参考电流i_refabc发送至所述PR控制电路2；所述点积乘法器的输入端与所述第六积分器的输出端相连，用于接收所述第六积分器发送的VSG三相输出参考电流i_refabc，所述点积乘法器的输入端还与所述第十放大器的输出端相连，用于接收VSG三相内电势e_abc，VSG三相内电势e_abc、VSG三相输出参考电流i_refabc通过所述点积乘法器获得VSG瞬时有功功率P；所述有功和频率调节电路5与所述点积乘法器的输出端相连，用于将VSG瞬时有功功率P发送至所述有功和频率调节电路5。

所述PR控制电路2包括：第九比较器、PR控制器、限流器、SVPWM。

所述第九比较器的正极端与所述电磁方程电路3相连，用于接收所述电磁方程电路3发送的VSG三相输出参考电流i_refabc，所述第九比较器的负极端与所述主电路1相连，用于接收所述主电路1发送的VSG三相输出电流i_abc，VSG三相输出参考电流i_refabc和VSG三相输出电流i_abc通过所述第九比较器获得电流误差Δi′；所述PR控制器的输入端与所述第九比较器的输出端相连，所述限流器的输入端与所述PR控制器的输出端相连，所述SVPWM的输入端与所述限流器的输出端相连，用于根据电流误差Δi′依次通过所述PR控制器、所述限流器获得PWM波；所述主电路1与所述SVPWM的输出端相连，用于根据所述SVPWM发送的所述PWM波控制所述主电路1。

本发明将有功和频率调节电路5设置成将惯性调节电路8和PI调节电路7并联，当电网频率发生波动时，根据VSG实际的工作状态选择不同的调节电路，实现并网运行VSG的恒功率控制与惯量、阻尼支撑相互协调。

所述Droop模式又称下垂模式，具体为：闭合第一开关、第三开关，断开第二开关，接入惯性调节电路8、电压调节电路，切出PI调节电路7。

所述PQ模式又称功率模式为：闭合第二开关，断开第一开关、第三开关，接入PI调节电路7，切出惯性调节电路8、电压调节电路。

图4为本发明实施例基于虚拟同步发电机VSG控制方法流程图；如图4所示，本发明还提供一种基于虚拟同步发电机VSG控制方法，所述方法包括：

步骤301：当VSG离网以Droop模式运行时，判断VSG是否需要预同步并网。

步骤302：当需要预同步并网时，则闭合无功和电压调节电路4的第四开关、第五开关和VSG预同步电路6的第六开关、第七开关；否则重新进行判断。

步骤303：当接入VSG的预同步电路6后，检测VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值是否小于第二设定值。

步骤304：当检测VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值小于第二设定值时，则认为预同步已完成，断开第四开关，同时闭合并网开关；否则重新进行检测。

步骤305：当VSG预同步并网后，判断VSG的输出功率波动是否小于第一设定值。

步骤306：当VSG的输出功率波动小于第一设定值时，则先将第五开关、第六开关、第七开关断开，再将Droop模式切换为PQ模式；否则断开并网开关，VSG离网以Droop模式运行。

步骤307：当VSG工作PQ模式时，判断VSG是否主动离网。

步骤308：当VSG为主动离网时，则将PQ模式切换为Droop模式，再断开并网开关。

步骤309：当VSG为被动离网时，检测到并网开关被动断开后，将PQ模式切换为Droop模式。

图5为本发明实施例多VSG并联预同步并网结构图。如图5所示，并网开关、调度中心、多台VSG；调度中心分别与并网开关、多台VSG相连，下面对多台VSG的具体控制方法进行论述，所述方法包括：

步骤501：接收并网信号；

步骤502：根据所述并网信号选取一台VSG为主控单元，剩余的VSG为从动单元；

步骤503：控制所述主控单元VSG以Droop模式工作，从动单元VSG以PQ模式工作；

步骤504：闭合主控单元VSG的第四开关、第五开关、第六开关、第七开关；

步骤505：判断多个工频周期内VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值是否全部小于第三设定值；当所述电压差绝对值全部小于第三设定值，则断开第四开关，闭合并网开关；否则重新进行判断；

步骤506：当并网开关闭合后，判断各VSG输出功率波动是否全部小于第四设定值；当各VSG输出功率波动全部小于第四设定值时，则断开所述主控单元VSG的第五开关、第六开关、第七开关，再将从动单元VSG的PQ模式切换成Droop模式；否则，重新进行判断。

PQ控制模式是指是将VSG控制算法中的惯性调节电路8替换为PI调节电路7，VSG可以实现电网频率扰动下有功给定值的无差跟踪；再将无功和电压调节电路4中的电压调节环断开，VSG可以实现无功给定值的无差跟踪。

PI调节电路7与惯性调节电路8的切换实现有功无差控制与频率下垂控制之间的平滑切换；通过电压调节环的断开与闭合来实现无功无差控制与电压下垂控制之间的切换。

本发明将D_vp设置成与D_p值相等的参数，其目的是实现控制器的平滑切换。具体计算D_p的公式为：

其中，Δω_set为角频率偏差设定值，S_N为VSG额定容量。

另外，图3中的K_P＝EU_g/Z，

图3为本发明实施例有功环模型；如图3所示。

在Droop模式下，VSG有功输入的开环传递函数为式(2)，闭环传递函数为式(3)，误差传递函数为式(4)；VSG频率扰动的闭环传递函数为式(5)，误差传递函数为式(6)。

由式(2)可知，G_rΙ(s)为典型Ⅰ型系统，因而可以实现阶跃输入信号的无差跟踪，但不能实现斜坡输入信号的无差跟踪。斜坡输入信号R_p/s²作用时，输出有功的稳态误差为：

Droop模式下，阶跃扰动信号Δω/s和斜坡扰动信号R_ω/s²作用时，输出有功的稳态误差为

PQ模式下，VSG有功输入的开环传递函数为式(9)，闭环传递函数为式(10)；误差传递函数为式(11)；VSG频率扰动的闭环传递函数为式(12)，误差传递函数为式(13)。

由式(9)可知，G_rΠ(s)为典型Ⅱ型系统，因而可以实现阶跃和斜坡输入信号的无差跟踪。PQ模式下，阶跃扰动信号Δω/s和斜坡扰动信号R_ω/s²作用时，输出有功的稳态误差为

表1为两种模式下VSG稳态第一有功功率误差对比，可知PQ模式的稳态性能明显优于Droop模式。

表1稳态第一有功功率误差对比

作用信号	Droop模式	PQ模式
			阶跃输入	0	0
斜坡输入	RpDpωs/Kp	0
			阶跃扰动	-ΔωDpωs	0
斜坡扰动	∞	-JvωsRω

动态性能分析：是具有闭环零点-D_p/Jv的二阶系统，零点的出现使系统响应速度加快，但超调量增大，因而PQ模式下VSG的惯性和阻尼性能均弱于Droop模式。由式(12)可知，与二阶带通滤波器传递函数的结构相同，因而通过控制参数的设计可以调节VSG对系统频率扰动的响应频段，进而可以调节频率扰动下VSG为系统提供的惯性功率和能量大小；与此同时，能够保持对高频扰动的抑制和稳态输出有功的精确控制。

以下对VSG的动态性能进行具体分析。

在Droop模式下，闭环系统的自然振荡角频率和阻尼比分别为：

PQ模式下，闭环系统的自然振荡角频率和阻尼比分别为：

对比式(15)与(16)，可知随着Z的增大，ξ_Π与ξ_Ι的变化规律相反。

用参数β表示Ф_rΠ(s)零点与复数极点实部ξ_Πω_nΠ之比，由式(18)可知，β＝0.5/ξ_Π ²。阻尼比ξ_Π>0.5时β<2，零极点距离较近，零点对系统性能有较大影响。具体为：Z一定时，J_v越大超调量越小，而响应速度越慢；J_v越小超调量越大，而响应速度越快。

频率扰动作用下的动态性能分析：由式(12)可知，二阶带通滤波器Ф_nΠ(s)的通带中心频率即为ω_nΠ，通带中心频率处的放大倍数为D_pω_s，品质因数Q＝0.5/ξ_Π。因此，放大倍数与Z、J_v无关，品质因数与ξ_Π成反比关系。

PQ模式下，Z和J_v的设计要求：

1)满足幅值和相位角稳定裕度的要求，

2)为抑制瞬时功率中100Hz以上脉动量对输出电压的影响，Ф_rΠ(s)的闭环截止频率应小于10Hz，

3)满足VSG物理储能约束，包括功率与容量约束，

4)根据系统频率扰动的频段，在满足要求1)、2)和3)的基础上设置ω_nΠ与Q。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于虚拟同步发电机VSG控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：主电路、PR控制电路、电磁方程电路、无功和电压调节电路、预同步电路、有功和频率调节电路；

所述主电路分别与所述电磁方程、所述无功和电压调节电路、所述预同步电路、所述PR控制电路相连；所述电磁方程电路分别与所述无功和电压调节电路、所述有功和频率调节电路、所述PR控制电路相连；所述预同步单元与所述有功和频率调节电路相连；

所述有功和频率调节电路包括：第一比较器、第一放大器、惯性调节电路、PI调节电路、第一开关、第二开关、第二加法器、第三比较器、第三积分器；

所述第一比较器的负极端与所述电磁方程电路相连，用于接收所述电磁方程电路发送的VSG瞬时有功功率，所述第一比较器的正极端输入VSG有功功率给定值，所述瞬时有功功率和所述有功功率给定值经过所述第一比较器获得第一有功功率误差；所述第一放大器的输入端与所述第一比较器的输出端相连，用于放大所述第一有功功率误差，获得第一放大有功功率；

所述惯性调节电路的输入端与所述第一放大器的输出端相连，用于根据第一放大有功功率获得第一角频率；

所述PI调节电路的输入端通过所述第二开关与所述第一放大器的输出端相连，用于根据第一放大有功功率获得第四角频率；

所述第三比较器的正极端输入并网的额定角频率，所述第三比较器的负极端与所述预同步电路相连，用于接收所述预同步电路发送的角频率调节量，所述并网的额定角频率和所述角频率调节量通过第三比较器获得第五角频率；

所述所述第二加法器的正极端通过所述第一开关与所述惯性调节电路的输出端相连，用于接收第一角频率，所述第二加法器的正极端与所述PI调节电路的输出端相连，用于接收第四角频率，所述第二加法器的正极端与所述第三比较器的输出端相连，用于接收第五角频率，第一角频率、第四角频率和第五角频率通过所述第二加法器获得第六角频率；所述第三积分器的输入端与所述第二加法器的输出端相连，用于根据所述第六角频率获得相位角；所述电磁方程电路与所述第三积分器的输出端相连，用于将相位角发送至所述电磁方程电路。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机VSG控制装置，其特征在于，所述惯性调节电路包括：第二比较器、第二放大器、第三放大器、第一积分器；所述PI调节电路包括：第四放大器、第五放大器、第二积分器、第一加法器；

所述第二比较器的正极端与所述第一放大器的输出端相连，用于接收第一放大有功功率；所述第二比较器的负极端与所述第三放大器的输出端相连，用于接收第二放大有功功率；所述第一放大有功功率和所述第二放大有功功率通过所述第二比较器获得第二有功功率误差；所述第二放大器的输入端与所述第二比较器的输出端相连，所述第一积分器的输入端与所述第二放大器的输出端相连，所述第二有功功率误差依次通过第二放大器、第一积分器将获得第一角频率；所述第三放大器的输入端与所述第一积分器的输出端相连，用于根据所述第一角频率获得第二放大有功功率；

所述第四放大器的输入端通过所述第二开关与所述第一放大器的输出端相连，所述第二积分器的输入端与所述第四放大器的输出端相连，所述第一放大有功功率依次通过所述第四放大器、所述第二积分器获得第二角频率；所述第五放大器的输入端通过所述第二开关与所述第一放大器的输出端相连，用于根据第一放大有功功率获得第三角频率；所述第一加法器的正极端与所述第二积分器的输出端相连，用于接收所述第二角频率，所述第一加法器的正极端分别与所述第五放大器的输出端相连，用于接收第三角频率，所述第二角频率和所述第三角频率通过第一加法器获得第四角频率。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机VSG控制装置，其特征在于，所述预同步单元包括：第四比较器、第六放大器、第一差积乘法器、第六开关、低通滤波器、PI调节器、第七开关；

所述主电路分别与所述第四比较器的正极端、负极端相连，所述第四比较器的输出端与所述第六放大器的输入端相连，所述第六放大器的输出端、所述主电路分别与所述第一差积乘法器的输入端相连，所述第一差积乘法器的输出端依次通过所述第六开关、所述低通滤波器、所述PI调节器、所述第七开关与所述有功和频率调节电路相连。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机VSG控制装置，其特征在于，所述无功和电压调节电路包括：第二差积乘法器、第五比较器、第四积分器、第七放大器、电压调节电路、第三开关、第七比较器、第四开关、第五积分器、第九放大器、第五开关、第三加法器；所述电压调节电路包括第六比较器、第八放大器构成；

所述电磁方程电路与所述第二差积乘法器的输入端相连，所述第二差积乘法器的输出端与所述第五比较器的负极端相连，所述第五比较器的输出端与所述第四积分器输入端相连，所述第四积分器的输出端与所述第七放大器的输入端相连；

所述主电路与所述第六比较器的负极端相连，所述第六比较器的输出端与所述第八放大器的输入端，所述第八放大器的输出端与所述第三开关的一端相连；

所述主电路分别与所述第七比较器的正极端、负极端相连，所述第七比较器的输出端与所述第四开关的一端相连，所述第四开关的另一端与所述第五积分器的输入端相连，所述第五积分器的输出端与所述第九放大器的输入端相连，所述第九放大器的输出端与所述第五开关一端相连；

所述第七放大器的输出端、所述第三开关的另一端、所述第五开关的另一端分别与所述第三加法器的正极端相连，所述第三加法器的输出端与所述电磁方程电路相连。

5.根据权利要求1所述的基于基于虚拟同步发电机VSG控制装置，其特征在于，所述电磁方程电路包括：第三差积乘法器、第十放大器、第八比较器、第十一放大器、第六积分器、第十二放大器、运算器、点积乘法器；

所述有功和频率调节电路与所述运算器的输入端相连，所述运算器的输出端、所述无功和电压调节电路分别与所述第三差积乘法器的输入端相连，所述第三差积乘法器的输出端与所述第十放大器的输入端相连，所述第十放大器的输出端与所述第八比较器的正极端相连，所述主电路、所述第十二放大器的输出端分别与所述第八比较器的负极端相连，所述第八比较器的输出端与所述第十一放大器的输入端相连，所述第十一放大器的输出端与所述第六积分器的输入端相连，所述第六积分器的输出端分别与所述第十二放大器的输入端、所述PR控制电路相连，所述第十放大器的输出端、所述第六积分器的输出端分别与所述点积乘法器的输入端相连，所述点积乘法器的输出端与所述有功和频率调节电路相连。

6.一种基于虚拟同步发电机VSG控制方法，其特征在于，所述方法应用于根据权利要求1至权利要求5任一项所述的基于VSG控制装置，所述方法包括：

当VSG预同步并网后，判断VSG的输出功率波动是否小于第一设定值；当VSG的输出功率波动小于第一设定值，则先将第五开关、第六开关、第七开关断开，再将Droop模式切换为PQ模式；否则，断开并网开关，VSG离网以Droop模式运行；

当VSG工作PQ模式时，判断VSG是否主动离网；当VSG主动离网，则将PQ模式切换为Droop模式，再断开并网开关；否则，检测到并网开关被动断开后，将PQ模式切换为Droop模式。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟同步发电机VSG控制方法，其特征在于，

所述Droop模式为：闭合第一开关、第三开关，断开第二开关，接入惯性调节电路、电压调节电路，切出PI调节电路；

所述PQ模式为：闭合第二开关，断开第一开关、第三开关，接入PI调节电路，切出惯性调节电路、电压调节电路。

8.根据权利要求6所述的基于虚拟同步发电机VSG控制方法，其特征在于，在所述当VSG预同步并网后，判断VSG的输出功率波动是否小于第一设定值步骤之前还包括：

当VSG离网以Droop模式运行时，判断VSG是否需要预同步并网；当需要预同步并网，则闭合第四开关、第五开关、第六开关、第七开关；否则，重新进行判断；

当VSG的预同步电路接入后，判断VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值是否小于第二设定值；当VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值小于第二设定值，则认为预同步已完成，断开第四开关，同时闭合并网开关；否则，重新进行判断。

9.一种多VSG预同步并网方法，其特征在于，所述方法应用于根据权利要求1至权利要求5任一项所述的基于VSG控制装置，所述方法包括：

接收并网信号；

根据所述并网信号选取一台VSG为主控单元，剩余的VSG为从动单元；

控制所述主控单元VSG以Droop模式工作，从动单元VSG以PQ模式工作；

闭合主控单元VSG的第四开关、第五开关、第六开关、第七开关；

判断多个工频周期内VSG三相输出端电压与并网点电压之间电压差的绝对值是否全部小于第三设定值；当所述电压差绝对值全部小于第三设定值，则断开第四开关，闭合并网开关；否则重新进行判断；

当并网开关闭合后，判断各VSG输出功率波动是否全部小于第四设定值；当各VSG输出功率波动全部小于第四设定值时，则断开所述主控单元VSG的第五开关、第六开关、第七开关，再将从动单元VSG的PQ模式切换成Droop模式；否则，重新进行判断。

10.根据权利要求9所述的基于VSG控制方法，其特征在于，

所述Droop模式为：闭合第一开关、第三开关，断开第二开关，接入惯性调节电路、电压调节电路，切出PI调节电路；

所述PQ模式为：闭合第二开关，断开第一开关、第三开关，接入PI调节电路，切出惯性调节电路、电压调节电路。