CN107528329B - 一种含储能单元的虚拟同步机控制器及其控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含储能单元的虚拟同步机控制器及其控制方法和装置，所述虚拟同步机控制器包括：αβ/dq坐标变换器、功率计算单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、一次调频控制单元、一次调压控制单元、功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、第二加法器、同期控制单元、电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块；本发明提供的技术方案，可以使储能变流器模拟同步发电机一次调频调压特性，并具有同步发电机的阻尼特性及惯性支撑能力。通过本发明方法可提高储能变流器在微电网中支撑系统电压/频率的能力，以解决微电网系统的低惯量、欠阻尼问题，以达到提高微电网电压频率抗扰性及稳定性的目的。
Description
技术领域
本发明涉及储能变流器控制技术领域，具体涉及一种含储能单元的虚拟同步机控制器及其控制方法和装置。
背景技术
微电网作为分布式发电的一种结构形式，是未来智能电网的关键技术之一，目前已成为国内外电力工业界的共识。储能变流器作为微网系统孤岛运行时可控的组网电源，起着维持微网系统电压和频率稳定的重要支撑作用。
储能变流器因储能环节的存在，为支撑系统惯性和阻尼所需要的能量提供了条件，通过惯性和阻尼控制环节，可降低储能变流器在受扰动时输出电压、频率的灵敏度及波动幅度。因此，通过改变控制环节使储能变流器具备阻尼特性及惯性支撑能力从而提高微电网电压、频率抗扰性及稳定性显得尤为重要。为此，有人提出虚拟同步机的概念，即利用变流器模拟同步发电机功角摇摆方程及励磁调节功能来提高储能变流器的惯性支撑能力及调频调压能力。为简化同步发电机的高阶数学模型，大多数虚拟同步机控制算法采用简化的二阶数学模型，且大都具有相同的机械方程，不同的是在电气方程，即励磁模拟环节，以及闭环方式上表现出不同的实现方式。
常规储能变流器在微网组网运行时多采用下垂控制，变流器在受外部扰动时，其输出电压、频率将快速根据下垂指令变化，电压、频率下垂幅度与下垂控制系数有关。若下垂系数选取不适，可能会威胁到微电网的电压、频率稳定性。即使配备了充足的储能，若变流器不加以适当的控制，微电网仍然是一个惯性很弱的系统。
发明内容
本发明提供一种含储能单元的虚拟同步机控制器及其控制方法和装置，其目的是可以使储能变流器模拟同步发电机一次调频调压特性，并具有同步发电机的阻尼特性及惯性支撑能力。通过本发明方法可提高储能变流器在微电网中支撑系统电压/频率的能力，以解决微电网系统的低惯量、欠阻尼问题，以达到提高微电网电压频率抗扰性及稳定性的目的。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种含储能单元的虚拟同步机控制器，其改进之处在于，所述虚拟同步机控制器包括：αβ/dq坐标变换器、功率计算单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、一次调频控制单元、一次调压控制单元、功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、第二加法器、同期控制单元、电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块；
所述αβ/dq坐标变换器与所述功率计算单元连接，所述功率计算单元分别与所述第一低通滤波器和第二低通滤波器连接，所述第一低通滤波器与所述一次调频控制单元连接，所述第二低通滤波器与所述一次调压控制单元连接，所述一次调频控制单元和一次调压控制单元均与所述功率外环控制单元连接，所述功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、电压内环控制单元依次连接，所述功率外环控制单元、第二加法器、电压内环控制单元依次连接，所述同期控制单元通过所述第一加法器和第二加法器与所述电压内环控制单元连接，所述电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块依次连接。
优选的，所述一次调频控制单元包括：依次连接的第四加法器、第一比例控制器和第三加法器，所述一次调压控制单元包括：依次连接的第六加法器、第二比例控制器和第五加法器，所述功率外环控制单元包括：第三比例控制器、第一积分控制器、第四比例控制器、第一零输出控制器和第八加法器，所述惯性阻尼控制单元包括：第七加法器、第二积分控制器和第五比例控制器；
其中，所述第一低通滤波器与所述第三加法器的输入端连接，所述第三加法器的输出端与所述第三比例控制器连接，所述第三比例控制器与所述第七加法器的输入端连接，第七加法器与所述第二积分控制器连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接的连接点通过所述第五比例控制器与所述第七加法器形成负反馈连接，所述第二低通滤波器与所述第五加法器的输入端连接，所述第五加法器的输出端分别与所述第一积分控制器和第四比例控制器连接，所述第一积分控制器和第一零输出控制器分别通过所述第一开关与所述第八加法器的输入端连接，所述第四比例控制器与所述第八加法器的输入端连接，所述第八加法器的输出端与所述第二加法器的输入端连接，所述功率计算单元分别将储能变流器的有功功率和无功功率输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器。
进一步的，所述同期控制单元包括：第十三加法器、第一比例积分器、第四开关、第五零输出控制器、第十四加法器、第二比例积分控制器、第五开关和第四零输出控制器；
其中，所述第十三加法器与所述第一比例积分器连接，所述第一比例积分器和第四零输出控制器均通过所述第四开关与所述第二加法器连接，所述第五零输出控制器、第十四加法器和第二比例积分控制器依次连接，所述第四零输出控制器和所述第二比例积分控制器均通过所述第五开关与所述第一加法器连接。
进一步的，所述电压内环控制单元包括：第三积分控制器、第九加法器、第四积分控制器、第六比例控制器、第二零输出控制器、第二开关、第十一加法器、第十加法器、第五积分控制器、第七比例控制器、第三零输出控制器、第三开关和第十二加法器；
其中，所述第一加法器、第三积分器和dq/αβ度变换器依次连接，所述第二加法器、第九加法器、第六比例控制器和第十一加法器依次连接，所述第四积分控制器和第二零输出控制器均通过所述第二开关与所述第十一加法器连接，所述第十一加法器与所述dq/αβ度变换器连接，所述第十加法器、第七比例控制器和第十二加法器依次连接，所述第五积分控制器和第三零输出控制器均通过所述第三开关与所述第十二加法器连接，所述第十二加法器与所述dq/αβ度变换器连接。
进一步的，所述αβ/dq坐标变换器的输入信号包括：uabc、iabc和θ，uabc为储能变流器输出端三相电压，iabc为储能变流器输出端三相电流，θ为参考角度，所述功率计算单元分别将储能变流器输出端有功功率P和无功功率Q输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器，所述第一加法器的输入信号包括+ω0，ω0为基准频率，所述第二加法器的输入信号包括+E0，E0为基准电压，所述第三加法器的输入信号包括+Pref，Pref为有功功率给定值，所述第四加法器的输入信号包括+ωref和-ωfb，ωref为角频率给定值，ωfb为反馈并网点角频率，所述第五加法器的输入信号包括+Qref，Qref为无功功率给定值，所述第六加法器的输入信号包括+vref和-vfb，vref为电压给定值，vfb为反馈并网点电压，所述第一比例控制器的比例系数为kw，kw为一次调频系数，所述第二比例控制器的比例系数为kv，kv为一次调压系数，所述第九加法器的输入信号包括-vod，所述第十加法器的输入信号包括-voq，所述第十三加法器的输入信号包括-vod，vod为储能变流器输出电压d轴分量，所述第十四加法器的输入信号包括-voq，voq为储能变流器输出电压q轴分量，所述第二积分控制器的传递函数为
J为惯性常数，s为复变量，所述第三积分控制器的传递函数为所述第五比例控制器的比例系数为D，D为阻尼系数，所述第一零输出控制器、第二零输出控制器、第三零输出控制器、第四零输出控制器、第五零输出控制器和第六零输出控制器均用于输出信号0。
一种含储能单元的虚拟同步机控制器的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：
当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能；
当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元；
当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元。
优选的，所述当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一积分控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第二零输出控制器连通，第三开关与第三零输出控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
优选的，所述当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
优选的，所述当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关与第一比例积分控制器连通，第五开关与第二比例积分控制器连通。
一种含储能单元的虚拟同步机控制器的控制装置，其改进之处在于，所述装置包括：
第一控制模块，用于当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能；
第二控制模块，用于当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元；
第三控制模块，用于当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元。
本发明的有益效果：
本发明专利提供的技术方案，通过在功率-电压双环控制架构的储能变流器基础上实现的，在储能变流器功率-电压双环控制方式基础上引入一次调频、一次调压控制环节，并在有功控制环节引入惯性与阻尼环节，可模拟同步发电机调频调压功能及具备阻尼特性与惯性支撑能力，以解决微电网系统的低惯量、欠阻尼问题，同时到提高微电网电压频率抗扰性及稳定性的目的。该方案便于虚拟同步机算法兼容常规储能变流器功率-电压双环控制，无需电流内环，且无需改变控制结构，可实现虚拟同步机并/离网双模式无缝切换，避免了虚拟同步机因模式切换而可能引起的电流冲击及功率波动。
附图说明
图1是本发明一种含储能单元的虚拟同步机控制器的控制框图；
图2是本发明一种含储能单元的虚拟同步机控制器的控制方法流程图；
图3是本发明实施例中虚拟同步机控制器的控制流程图；
图4是本发明一种含储能单元的虚拟同步机控制器的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种含储能单元的虚拟同步机控制器，由功率外环、电压内环、一次调频、一次调压、惯性阻尼控制、预同步等控制环节组成，其控制框图如图1所示。在储能变流器功率外环与电压内环的基础上，通过引入一次调频、一次调压控制环节，并在有功控制环节引入惯性与阻尼控制，使其具有类似同步发电机的调频调压能力以及旋转惯量与阻尼特性，模拟同步发电机运行外特性，所述虚拟同步机控制器，包括：αβ/dq坐标变换器、功率计算单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、一次调频控制单元、一次调压控制单元、功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、第二加法器、同期控制单元、电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块；
所述αβ/dq坐标变换器与所述功率计算单元连接，所述功率计算单元分别与所述第一低通滤波器和第二低通滤波器连接，所述第一低通滤波器与所述一次调频控制单元连接，所述第二低通滤波器与所述一次调压控制单元连接，所述一次调频控制单元和一次调压控制单元均与所述功率外环控制单元连接，所述功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、电压内环控制单元依次连接，所述功率外环控制单元、第二加法器、电压内环控制单元依次连接，所述同期控制单元通过所述第一加法器和第二加法器与所述电压内环控制单元连接，所述电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块依次连接。
其中，根据同步发电机调频调压特性，一次调频、一次调压均属于有差调节。本发明所提虚拟同步机一次调频功能，其实现方法是在有功外环的反馈通路上经滤波环节后，通过给定参考角频率与反馈角频率进行比较并做有差调节，获得的有功指令与参考指令相叠加作为新的有功参考指令进行有功调节。当反馈角频率与给定参考角频率存在偏差时，虚拟同步机算法会根据偏差做有功调整，模拟同步发电机一次调频功能。
本发明所提虚拟同步机一次调压功能，其实现方法是在无功外环的反馈通路上经滤波环节后，通过给定参考电压与反馈电压进行比较并做有差调节，获得的无功指令与参考指令相叠加作为新的无功参考指令进行无功调节。当反馈电压与给定参考电压存在偏差时，虚拟同步机算法会根据偏差做无功调整，模拟同步发电机一次调压功能。
进一步的，所述一次调频控制单元包括：依次连接的第四加法器、第一比例控制器和第三加法器，所述一次调压控制单元包括：依次连接的第六加法器、第二比例控制器和第五加法器，所述功率外环控制单元包括：第三比例控制器、第一积分控制器、第四比例控制器、第一零输出控制器和第八加法器，所述惯性阻尼控制单元包括：第七加法器、第二积分控制器和第五比例控制器；
其中，所述第一低通滤波器与所述第三加法器的输入端连接，所述第三加法器的输出端与所述第三比例控制器连接，所述第三比例控制器与所述第七加法器的输入端连接，第七加法器与所述第二积分控制器连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接的连接点通过所述第五比例控制器与所述第七加法器形成负反馈连接，所述第二低通滤波器与所述第五加法器的输入端连接，所述第五加法器的输出端分别与所述第一积分控制器和第四比例控制器连接，所述第一积分控制器和第一零输出控制器分别通过所述第一开关与所述第八加法器的输入端连接，所述第四比例控制器与所述第八加法器的输入端连接，所述第八加法器的输出端与所述第二加法器的输入端连接，所述功率计算单元分别将储能变流器的有功功率和无功功率输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器；
所述同期控制单元包括：第十三加法器、第一比例积分器、第四开关、第五零输出控制器、第十四加法器、第二比例积分控制器、第五开关和第四零输出控制器；
其中，所述第十三加法器与所述第一比例积分器连接，所述第一比例积分器和第四零输出控制器均通过所述第四开关与所述第二加法器连接，所述第五零输出控制器、第十四加法器和第二比例积分控制器依次连接，所述第四零输出控制器和所述第二比例积分控制器均通过所述第五开关与所述第一加法器连接；
所述电压内环控制单元包括：第三积分控制器、第九加法器、第四积分控制器、第六比例控制器、第二零输出控制器、第二开关、第十一加法器、第十加法器、第五积分控制器、第七比例控制器、第三零输出控制器、第三开关和第十二加法器；
其中，所述第一加法器、第三积分器和dq/αβ度变换器依次连接，所述第二加法器、第九加法器、第六比例控制器和第十一加法器依次连接，所述第四积分控制器和第二零输出控制器均通过所述第二开关与所述第十一加法器连接，所述第十一加法器与所述dq/αβ度变换器连接，所述第十加法器、第七比例控制器和第十二加法器依次连接，所述第五积分控制器和第三零输出控制器均通过所述第三开关与所述第十二加法器连接，所述第十二加法器与所述dq/αβ度变换器连接。
其中，所述αβ/dq坐标变换器的输入信号包括：uabc、iabc和θ，uabc为储能变流器输出端三相电压，iabc为储能变流器输出端三相电流，θ为参考角度，所述功率计算单元分别将储能变流器输出端有功功率P和无功功率Q输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器，所述第一加法器的输入信号包括+ω0，ω0为基准频率，所述第二加法器的输入信号包括+E0，E0为基准电压，所述第三加法器的输入信号包括+Pref，Pref为有功功率给定值，所述第四加法器的输入信号包括+ωref和-ωfb，ωref为角频率给定值，ωfb为反馈并网点角频率，所述第五加法器的输入信号包括+Qref，Qref为无功功率给定值，所述第六加法器的输入信号包括+vref和-vfb，vref为电压给定值，vfb为反馈并网点电压，所述第一比例控制器的比例系数为kw，kw为一次调频系数，所述第二比例控制器的比例系数为kv，kv为一次调压系数，所述第九加法器的输入信号包括-vod，所述第十加法器的输入信号包括-voq，所述第十三加法器的输入信号包括-vod，vod为储能变流器输出电压d轴分量，所述第十四加法器的输入信号包括-voq，voq为储能变流器输出电压q轴分量，所述第二积分控制器的传递函数为
J为惯性常数，s为复变量，所述第三积分控制器的传递函数为
所述第五比例控制器的比例系数为D，D为阻尼系数，所述第一零输出控制器、第二零输出控制器、第三零输出控制器、第四零输出控制器、第五零输出控制器和第六零输出控制器均用于输出信号0。
进一步的，本发明提供的一种含储能单元的虚拟同步机控制器的控制方法，虚拟同步机需要运行在并网、离网、同期等多种模式下，虚拟同步机运行在并网模式时，有功功率外环采用比例控制，无功功率外环采用比例-积分控制。电压内环用于对功率外环输出参考电压进行快速调节，且便于离网模式下的电压控制。虚拟同步机运行在并网模式时，电压内环采用比例控制，积分环节不起作用且电压内环积分结果清零。
当虚拟同步机运行在离网模式时，有功、无功功率外环积分环节不起作用且积分结果清零，即功率外环做有差调节，便于单台或多台储能变流器实现有功-频率及无功-电压的自动下垂均分；同时，电压内环采用比例-积分控制，可实现离网模式下储能变流器对功率控制环节输出参考电压的无差跟踪控制。
当虚拟同步机处于离网状态且需要同期并网时，使能自动同期控制单元，虚拟同步机在自动同期控制作用下将向微电网或大电网作预同步调整，并实现并网运行。同期控制模式下，将电网电压有功分量作为参考与虚拟同步机实际输出电压有功分量相比较，并按比例-积分无差控制；同时将电压无功分量参考值设置为0，并且与虚拟同步机实际输出电压无功分量相比较，并且做比例-积分无差控制。
当虚拟同步机由并网模式切换到离网模式，或者由离网模式同期到并网模式时，虚拟同步机根据当前系统电压和频率，相位等信息做出自身运行模式判断。
具体的，如图2所示，包括：
101.当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能；
102.当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元；
103.当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元。
其中，所述当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一积分控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第二零输出控制器连通，第三开关与第三零输出控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
所述当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
所述当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关与第一比例积分控制器连通，第五开关与第二比例积分控制器连通。
本发明实施例中，为实现含储能单元的虚拟同步机无电流内环的控制方法，设计程序实施步骤，如图3所示，包括：
第一步：虚拟同步机采样并网点或公共耦合点处三相电压uabc、三相电流iabc值；
第二步：将uabc、iabc值经αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的电压值udq和电流值idq；
第三步：在dq坐标系下，利用电压值udq和电流值idq经功率计算单元计算有功功率P和无功功率Q；
第四步：将功率计算单元输出的有功功率P和无功功率Q经低通滤波单元获得滤波后的有功和无功功率值PLPF和QLPF。
第五步：将有功功率给定值Pref和无功功率给定值Qref分别与PLPF和QLPF作比较，在此基础上叠加一次调频、调压输出有功指令ΔPf，和无功偏差指令ΔQv，构成功率外环控制；
第六步：将Pref与PLPF作比较后叠加ΔPf，经过比例控制环节输出需要调整的角频率偏差Δω；
第七步：将Qref与QLPF作比较后叠加ΔQv，经比例-积分控制环节输出需要调整的电压偏差ΔE；
第八步：将有功外环获得的角频率偏差Δω经惯性与阻尼控制环节后与基准频率ω0以及同期(如需同期)调整的角频率偏差Δωsyn相加，相加结果作为角频率参考值ω，经积分后得到参考角度θ。
第九步：将获得的电压偏差ΔE与基准电压E0以及同期(如需同期)调整的电压偏差ΔEsyn相加，相加结果作为电压参考值E；
第十步：将电压参考值E作为电压内环有功分量参考值
0作为电压内环无功分量参考值，并分别与虚拟同步机并网点电压或公共耦合点电压d轴分量vod及q轴分量voq相比较，构成电压内环控制；
第十一步：将电压有功和无功分量偏差经比例-积分控制环节输出电压指令值Udref及Uqref；
第十二步：将获得的输出电压指令值Udref及Uqref经dq/αβ度变换后，再经SVPWM模块发出脉冲信号驱动功率开关管。
第十三步：在上述步骤的基础上，虚拟同步机判断当前并/离网状态，并根据当前状态(M的值)决定是否需要执行并离网切换或自同期操作？
第十四步：如果虚拟同步机处于并网状态，即M＝1，此时无功功率外环积分通道有效，同时电压内环积分通道无效及同期控制输出为0；
第十五步：如果虚拟同步机处于离网状态，即M＝2，此时无功功率外环积分通道无效，同时电压内环积分通道有效，同期控制无效且输出为0；
第十六步：如果虚拟同步机处接收到同期指令，即M＝3，此时同期控制输出有效，无功功率外环积分通道有效，同时电压内环积分通道无效。
本发明提供还一种含储能单元的虚拟同步机控制器的控制装置，如图4所示，所述装置包括：
第一控制模块，用于当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能；
第二控制模块，用于当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元；
第三控制模块，用于当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元。
其中，所述当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一积分控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第二零输出控制器连通，第三开关与第三零输出控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
所述当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
所述当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关与第一比例积分控制器连通，第五开关与第二比例积分控制器连通。
其中，所述虚拟同步机控制器包括：αβ/dq坐标变换器、功率计算单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、一次调频控制单元、一次调压控制单元、功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、第二加法器、同期控制单元、电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块；
所述αβ/dq坐标变换器与所述功率计算单元连接，所述功率计算单元分别与所述第一低通滤波器和第二低通滤波器连接，所述第一低通滤波器与所述一次调频控制单元连接，所述第二低通滤波器与所述一次调压控制单元连接，所述一次调频控制单元和一次调压控制单元均与所述功率外环控制单元连接，所述功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、电压内环控制单元依次连接，所述功率外环控制单元、第二加法器、电压内环控制单元依次连接，所述同期控制单元通过所述第一加法器和第二加法器与所述电压内环控制单元连接，所述电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块依次连接。
所述一次调频控制单元包括：依次连接的第四加法器、第一比例控制器和第三加法器，所述一次调压控制单元包括：依次连接的第六加法器、第二比例控制器和第五加法器，所述功率外环控制单元包括：第三比例控制器、第一积分控制器、第四比例控制器、第一零输出控制器和第八加法器，所述惯性阻尼控制单元包括：第七加法器、第二积分控制器和第五比例控制器；
其中，所述第一低通滤波器与所述第三加法器的输入端连接，所述第三加法器的输出端与所述第三比例控制器连接，所述第三比例控制器与所述第七加法器的输入端连接，第七加法器与所述第二积分控制器连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接的连接点通过所述第五比例控制器与所述第七加法器形成负反馈连接，所述第二低通滤波器与所述第五加法器的输入端连接，所述第五加法器的输出端分别与所述第一积分控制器和第四比例控制器连接，所述第一积分控制器和第一零输出控制器分别通过所述第一开关与所述第八加法器的输入端连接，所述第四比例控制器与所述第八加法器的输入端连接，所述第八加法器的输出端与所述第二加法器的输入端连接，所述功率计算单元分别将储能变流器的有功功率和无功功率输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器；
所述同期控制单元包括：第十三加法器、第一比例积分器、第四开关、第五零输出控制器、第十四加法器、第二比例积分控制器、第五开关和第四零输出控制器；
其中，所述第十三加法器与所述第一比例积分器连接，所述第一比例积分器和第四零输出控制器均通过所述第四开关与所述第二加法器连接，所述第五零输出控制器、第十四加法器和第二比例积分控制器依次连接，所述第四零输出控制器和所述第二比例积分控制器均通过所述第五开关与所述第一加法器连接；
所述电压内环控制单元包括：第三积分控制器、第九加法器、第四积分控制器、第六比例控制器、第二零输出控制器、第二开关、第十一加法器、第十加法器、第五积分控制器、第七比例控制器、第三零输出控制器、第三开关和第十二加法器；
其中，所述第一加法器、第三积分器和dq/αβ度变换器依次连接，所述第二加法器、第九加法器、第六比例控制器和第十一加法器依次连接，所述第四积分控制器和第二零输出控制器均通过所述第二开关与所述第十一加法器连接，所述第十一加法器与所述dq/αβ度变换器连接，所述第十加法器、第七比例控制器和第十二加法器依次连接，所述第五积分控制器和第三零输出控制器均通过所述第三开关与所述第十二加法器连接，所述第十二加法器与所述dq/αβ度变换器连接。
所述αβ/dq坐标变换器的输入信号包括：uabc、iabc和θ，uabc为储能变流器输出端三相电压，iabc为储能变流器输出端三相电流，θ为参考角度，所述功率计算单元分别将储能变流器输出端有功功率P和无功功率Q输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器，所述第一加法器的输入信号包括+ω0，ω0为基准频率，所述第二加法器的输入信号包括+E0，E0为基准电压，所述第三加法器的输入信号包括+Pref，Pref为有功功率给定值，所述第四加法器的输入信号包括+ωref和-ωfb，ωref为角频率给定值，ωfb为反馈并网点角频率，所述第五加法器的输入信号包括+Qref，Qref为无功功率给定值，所述第六加法器的输入信号包括+vref和-vfb，vref为电压给定值，vfb为反馈并网点电压，所述第一比例控制器的比例系数为kw，kw为一次调频系数，所述第二比例控制器的比例系数为kv，kv为一次调压系数，所述第九加法器的输入信号包括-vod，所述第十加法器的输入信号包括-voq，所述第十三加法器的输入信号包括-vod，vod为储能变流器输出电压d轴分量，所述第十四加法器的输入信号包括-voq，voq为储能变流器输出电压q轴分量，所述第二积分控制器的传递函数为
J为惯性常数，s为复变量，所述第三积分控制器的传递函数为
所述第五比例控制器的比例系数为D，D为阻尼系数，所述第一零输出控制器、第二零输出控制器、第三零输出控制器、第四零输出控制器、第五零输出控制器和第六零输出控制器均用于输出信号0。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含储能单元的虚拟同步机控制器，其特征在于，所述虚拟同步机控制器包括：αβ/dq坐标变换器、功率计算单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、一次调频控制单元、一次调压控制单元、功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、第二加法器、同期控制单元、电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块；
所述αβ/dq坐标变换器与所述功率计算单元连接，所述功率计算单元分别与所述第一低通滤波器和第二低通滤波器连接，所述第一低通滤波器与所述一次调频控制单元连接，所述第二低通滤波器与所述一次调压控制单元连接，所述一次调频控制单元和一次调压控制单元均与所述功率外环控制单元连接，所述功率外环控制单元、惯性阻尼控制单元、第一加法器、电压内环控制单元依次连接，所述功率外环控制单元、第二加法器、电压内环控制单元依次连接，所述同期控制单元通过所述第一加法器和第二加法器与所述电压内环控制单元连接，所述电压内环控制单元、dq/αβ度变换器和SVPWM模块依次连接。
2.如权利要求1所述的虚拟同步机控制器，其特征在于，所述一次调频控制单元包括：依次连接的第四加法器、第一比例控制器和第三加法器，所述一次调压控制单元包括：依次连接的第六加法器、第二比例控制器和第五加法器，所述功率外环控制单元包括：第三比例控制器、第一积分控制器、第四比例控制器、第一零输出控制器和第八加法器，所述惯性阻尼控制单元包括：第七加法器、第二积分控制器和第五比例控制器；
其中，所述第一低通滤波器与所述第三加法器的输入端连接，所述第三加法器的输出端与所述第三比例控制器连接，所述第三比例控制器与所述第七加法器的输入端连接，第七加法器与所述第二积分控制器连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接，所述第二积分控制器与所述第一加法器的输入端连接的连接点通过所述第五比例控制器与所述第七加法器形成负反馈连接，所述第二低通滤波器与所述第五加法器的输入端连接，所述第五加法器的输出端分别与所述第一积分控制器和第四比例控制器连接，所述第一积分控制器和第一零输出控制器分别通过第一开关与所述第八加法器的输入端连接，所述第四比例控制器与所述第八加法器的输入端连接，所述第八加法器的输出端与所述第二加法器的输入端连接，所述功率计算单元分别将储能变流器的有功功率和无功功率输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器。
3.如权利要求2所述的虚拟同步机控制器，其特征在于，所述同期控制单元包括：第十三加法器、第一比例积分器、第四开关、第五零输出控制器、第十四加法器、第二比例积分控制器、第五开关和第四零输出控制器；
其中，所述第十三加法器与所述第一比例积分器连接，所述第一比例积分器和第四零输出控制器均通过所述第四开关与所述第二加法器连接，所述第五零输出控制器、第十四加法器和第二比例积分控制器依次连接，所述第四零输出控制器和所述第二比例积分控制器均通过所述第五开关与所述第一加法器连接。
4.如权利要求3所述的虚拟同步机控制器，其特征在于，所述电压内环控制单元包括：第三积分控制器、第九加法器、第四积分控制器、第六比例控制器、第二零输出控制器、第二开关、第十一加法器、第十加法器、第五积分控制器、第七比例控制器、第三零输出控制器、第三开关和第十二加法器；
其中，所述第一加法器、第三积分器和dq/αβ度变换器依次连接，所述第二加法器、第九加法器、第六比例控制器和第十一加法器依次连接，所述第四积分控制器和第二零输出控制器均通过所述第二开关与所述第十一加法器连接，所述第十一加法器与所述dq/αβ度变换器连接，所述第十加法器、第七比例控制器和第十二加法器依次连接，所述第五积分控制器和第三零输出控制器均通过所述第三开关与所述第十二加法器连接，所述第十二加法器与所述dq/αβ度变换器连接。
5.如权利要求4所述的虚拟同步机控制器，其特征在于，所述αβ/dq坐标变换器的输入信号包括：uabc、iabc和θ，uabc为储能变流器输出端三相电压，iabc为储能变流器输出端三相电流，θ为参考角度，所述功率计算单元分别将储能变流器输出端有功功率P和无功功率Q输入至所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器，所述第一加法器的输入信号包括+ω0，ω0为基准频率，所述第二加法器的输入信号包括+E0，E0为基准电压，所述第三加法器的输入信号包括+Pref，Pref为有功功率给定值，所述第四加法器的输入信号包括+ωref和-ωfb，ωref为角频率给定值，ωfb为反馈并网点角频率，所述第五加法器的输入信号包括+Qref，Qref为无功功率给定值，所述第六加法器的输入信号包括+vref和-vfb，vref为电压给定值，vfb为反馈并网点电压，所述第一比例控制器的比例系数为kw，kw为一次调频系数，所述第二比例控制器的比例系数为kv，kv为一次调压系数，所述第九加法器的输入信号包括-vod，所述第十加法器的输入信号包括-voq，所述第十三加法器的输入信号包括-vod，vod为储能变流器输出电压d轴分量，所述第十四加法器的输入信号包括-voq，voq为储能变流器输出电压q轴分量，所述第二积分控制器的传递函数为
J为惯性常数，s为复变量，所述第三积分控制器的传递函数为
所述第五比例控制器的比例系数为D，D为阻尼系数，所述第一零输出控制器、第二零输出控制器、第三零输出控制器、第四零输出控制器、第五零输出控制器和第六零输出控制器均用于输出信号0。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的含储能单元的虚拟同步机控制器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
当储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能；
当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元；
当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当所述储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制单元的第一开关与第一积分控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第二零输出控制器连通，第三开关与第三零输出控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关和第五开关均与第四零输出控制器连通。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元，包括：
控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制单元的第一开关与第一零输出控制器连通，电压内环控制单元中的第二开关与第四积分控制器连通，第三开关与第五积分控制器连通，同期控制单元中的第四开关与第一比例积分控制器连通，第五开关与第二比例积分控制器连通。
10.一种基于权利要求1-5任一项所述的含储能单元的虚拟同步机控制器的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
第一控制模块，用于当储能变流器运行于并网模式时，则控制所述虚拟同步机控制器中功率外环控制单元的无功功率外环积分环节使能，电压内环控制单元的积分结果清零，同期控制单元不使能；
第二控制模块，用于当所述储能变流器运行于离网模式且不需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，不使能同期控制单元；
第三控制模块，用于当所述储能变流器运行于离网模式且需要同期控制时，则控制所述虚拟同步机控制器中电压内环控制单元的积分环节使能，功率外环控制单元的无功功率外环积分环节结果清零，使能同期控制单元。
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