CN108448641A - 一种用于对虚拟同步机进行pq解耦的仿真控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制方法，其特征在于，所述方法在逆变器的输出线路上引入虚拟阻抗从而重塑逆变器的输出阻抗，实现有功无功的解耦，具体包括：由虚拟同步机控制三相正弦波发生器确定参考电压，并计算虚拟阻抗上的压降；计算所述参考电压和虚拟阻抗上的压降的差值，并通过双环控制电路控制LC滤波器的出口电压跟踪所述差值，在所述虚拟同步机中加入虚拟阻抗；引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。本发明通过虚拟阻抗重塑逆变器的输出阻抗，改进控制，解决了有功无功之间的耦合问题。

Description

一种用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力控制技术领域，并且更具体地，涉及一种用于对虚拟 同步机进行PQ解耦的仿真控制方法及系统。
背景技术
在电力系统中，功率传输如图1所示。其中，z＝jx，同时一般情况下， 功角差很小，即θ≈0,cosθ≈1，此时有功无功的表达式如下：
由上述公式可知，调节电压相角可实现有功的控制，调节电压差可实 现无功的控制。但微网电压等级一般较低，而且线路的阻抗一般不是纯感 性，即z＝r+jx。
此时有功无功的数学表达式如下：
由上述公式可知，DG输出的有功无功之间存在耦合问题。虚拟阻抗可 以重塑逆变器的输出阻抗，改进控制，解决有功无功之间的耦合问题。但 具体如何引入虚拟阻抗，且不影响虚拟功率，是有待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制方法及 系统，以解决如何实现对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供一种用于对虚拟同 步机进行PQ解耦的仿真控制方法，其特征在于，所述方法在逆变器的输出 线路上引入虚拟阻抗从而重塑逆变器的输出阻抗，实现有功无功的解耦， 具体包括：
由虚拟同步机控制三相正弦波发生器确定参考电压，并计算虚拟阻抗 上的压降；
计算所述参考电压和虚拟阻抗上的压降的差值，并通过双环控制电路 控制LC滤波器的出口电压跟踪所述差值，在所述虚拟同步机中加入虚拟阻 抗；
引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗 对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。
优选地，其中所述虚拟阻抗为虚拟电感或者虚拟负电阻。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，通过电压差对逆变器 的实际出口的无功功率进行控制。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，通过电压差对逆变 器的实际出口的有功功率进行控制。
优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，电感阻抗远大于电阻阻 抗。
优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，负电阻阻抗数值与线 路上的电阻负载数值相等。
优选地，其中所述双环控制电路，包括外环电压控制和内环电流控制， 在外环电压控制和内环电流控制的电压跟踪器中，在dq坐标系下实现虚拟 阻抗的引入。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于对虚拟同步机进行PQ解耦 的仿真控制系统，其特征在于，所述系统在逆变器的输出线路上引入虚拟 阻抗从而重塑逆变器的输出阻抗，实现有功无功的解耦，具体包括：
压降计算单元，用于由虚拟同步机控制三相正弦波发生器确定参考电 压，并计算虚拟阻抗上的压降；
虚拟阻抗加入单元，用于计算所述参考电压和虚拟阻抗上的压降的差 值，并通过双环控制电路控制LC滤波器的出口电压跟踪所述差值，在所述 虚拟同步机中加入虚拟阻抗；
解耦实现单元，用于引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通 过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。
优选地，其中所述虚拟阻抗为虚拟电感或者虚拟负电阻。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，通过电压差对逆变器 的实际出口的无功功率进行控制。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，通过电压差对逆变 器的实际出口的有功功率进行控制。
优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，电感阻抗远大于电阻阻 抗。
优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，负电阻阻抗数值与线 路上的电阻负载数值相等。
优选地，其中所述双环控制电路，包括外环电压控制和内环电流控制， 在外环电压控制和内环电流控制的电压跟踪器中，在dq坐标系下实现虚拟 阻抗的引入。
本发明提供了一种用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制方法及 系统，首先由虚拟同步机控制得出参考电压，计算虚拟阻抗上的压降，用 参考电压减去虚拟阻抗上的压降作为LC滤波器出口电压参考值，通过双环 控制使LC滤波器出口电压跟踪该参考值，即可实现在控制中加入虚拟阻 抗。由于非纯感性阻抗的原因，有功功率和无功功率之间存在耦合。有功 功率的波动会体现在VSG输出的无功功率中，反之亦然。因此，基于耦合 存在的原因，通过引入的虚拟阻抗控制，可以在控制电路中削弱阻抗中的 电阻部分，构造感性阻抗条件，通过几组对比的仿真结果，验证了虚拟阻 抗解耦的有效性。虽然不能完全消去耦合，但是能够大幅削弱耦合。通过 虚拟阻抗重塑逆变器的输出阻抗，改进控制，解决了有功无功之间的耦合 问题。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为功率传输示意图；
图2为根据本发明实施方式的用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控 制方法200的流程图；
图3为根据本发明实施方式的引入虚拟阻抗的示意图；
图4为根据本发明实施方式的含虚拟阻抗的虚拟同步机控制框图；
图5为根据本发明实施方式的虚拟阻抗与电压电流双环控制框图；
图6为根据本发明实施方式的主电路的仿真模型。
图7为根据本发明实施方式的锁相环框图。
图8为根据本发明实施方式的有功频率控制框图。
图9为根据本发明实施方式的无功电压控制框图。
图10为根据本发明实施方式的虚拟阻抗与电压电流解耦双环控制框 图。
图11为根据本发明实施方式的前三组仿真实验波形图。
图12为根据本发明实施方式的后三组仿真实验波形图。
图13为根据本发明实施方式的用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真 控制系统1300的示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许 多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例 是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分 传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是 对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的 技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典 限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应 该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图2为根据本发明实施方式的用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控 制方法200的流程图。如图2所示，本发明的实施方式提供的用于对虚拟 同步机进行PQ解耦的仿真控制方法，首先由虚拟同步机控制得出参考电 压，计算虚拟阻抗上的压降，用参考电压减去虚拟阻抗上的压降作为LC 滤波器出口电压参考值，通过双环控制使LC滤波器出口电压跟踪该参考 值，即可实现在控制中加入虚拟阻抗。由于非纯感性阻抗的原因，有功功 率和无功功率之间存在耦合。有功功率的波动会体现在VSG输出的无功功 率中，反之亦然。因此，基于耦合存在的原因，通过引入的虚拟阻抗控制， 可以在控制电路中削弱阻抗中的电阻部分，构造感性阻抗条件，通过几组 对比的仿真结果，验证了虚拟阻抗解耦的有效性。虽然不能完全消去耦合， 但是能够大幅削弱耦合。通过虚拟阻抗重塑逆变器的输出阻抗，改进控制， 解决了有功无功之间的耦合问题。本发明的实施方式提供的用于对虚拟同 步机进行PQ解耦的仿真控制方法100在逆变器的输出线路上引入虚拟阻抗 从而重塑逆变器的输出阻抗，实现有功无功的解耦。具体包括，在步骤101 由虚拟同步机控制三相正弦波发生器确定参考电压，并计算虚拟阻抗上的 压降。优选地，其中所述虚拟阻抗为虚拟电感或者虚拟负电阻。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，通过电压差对逆变器 的实际出口的无功功率进行控制。优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟电 感时，电感阻抗远大于电阻阻抗。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，通过电压差对逆变 器的实际出口的有功功率进行控制。优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟 负电阻时，负电阻阻抗数值与线路上的电阻负载数值相等。
本发明的原理为：虚拟阻抗可以重塑逆变器的输出阻抗，改进控制。 引入虚拟阻抗后的系统等效如图3所示。其中，C点是逆变器的公共耦合 点，B点是逆变器的实际出口，A点是逆变器的虚拟出口。线路阻抗ZL＝R+jX， 虚拟阻抗Zvirtual。如果Zvirtual+ZL为纯感性，A点的功率即可实现解 耦。具体方法分为虚拟电感控制和虚拟负电阻控制，接下来对两种方法进 行详细介绍。
当引入虚拟电感时，即Zvirtual＝Xvirtual，如果Xvirtual+X远大于 R，A点的功率即可实现解耦。在B点：
P＝P′
由上述公式可知，B点的无功仍可通过电压差来控制。
当引入虚拟负电阻时，即Zvirtual＝-Rvirtual，如果Rvirtual＝R，输 出阻抗呈纯感性，A点的功率即可实现解耦。在B点：
Q＝Q′
由上述公式可知，B点的有功仍可通过电压相角来控制。
综上所述，虚拟阻抗技术可以优化传统虚拟同步发电机控制，实现有 功无功的解耦。
优选地，在步骤102计算所述参考电压和虚拟阻抗上的压降的差值， 并通过双环控制电路控制LC滤波器的出口电压跟踪所述差值，在所述虚拟 同步机中加入虚拟阻抗。
优选地，其中所述双环控制电路，包括外环电压控制和内环电流控制， 在外环电压控制和内环电流控制的电压跟踪器中，在dq坐标系下实现虚拟 阻抗的引入。
优选地，在步骤103引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通 过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。
在本发明的实施方式中，根据虚拟阻抗的原理，首先由虚拟同步机控 制得出参考电压uref，计算虚拟阻抗上的压降uvirtual，用uref减去 uvirtual作为LC滤波器出口电压参考值，通过双环控制使LC滤波器出口 电压跟踪该参考值，即可实现在控制中加入虚拟阻抗。具体实现如图4所 示。
图5为根据本发明实施方式的含虚拟阻抗的虚拟同步机控制框图，在 dq坐标系下的虚拟阻抗实现。如图4所示，为基于虚拟阻抗的虚拟同步机 控制原理。有关功率控制部分此处不赘述。由于电压跟踪器采用在同步坐 标系下电压外环，电流内环的解耦控制方式，所以需要将虚拟阻抗在dq坐 标系下实现。选择的dq变化坐标系如图所示。所以，下垂控制求出的电 压E，虚拟同步发电机输出电压的参考值Vo*，和虚拟阻抗rζ+j·ω·lζ上 的压降之间的关系为：
io为虚拟同步发电机输出电流，rξ是虚拟电阻，lξ是虚拟电感，ω 是虚拟同步发电机输出角频率。
在dq坐标下进行变换得：
其中Vo*,d，Vo*,q是虚拟同步发电机输出电压的参考值d、q轴分 量；Ed，Eq是下垂控制求出的电压的d、q轴分量；io,d，io,q是虚 拟同步发电机输出电流d、q轴分量。图6为根据本发明实施方式的虚拟 阻抗与电压电流双环控制框图。
图6为根据本发明实施方式的主电路的仿真模型。如图6所示，为主 电路的仿真模型。其中，直流电压源的电压为0.8kV；滤波电感为0.044mH； 滤波电感的阻值为0.0005ohm；滤波电容值为1332F；电网电阻为 0.0017ohm，电网电感为0.0055mH；电网线电压有效值是0.69kV。Ifabc、 Igabc、分别是电感电流和并网电流；Uabc是电容电压。
图7为根据本发明实施方式的锁相环框图。其中，Ud是逆变器输出电 压d轴分量，Uq是逆变器输出电压q轴分量，ωg是电网电压，ωPLL是 锁相环检测出的电网电压，OPLL是锁相环输出的锁相角，PI控制器的比 例系数为0.084，积分系数为4.69，传递函数为
图8为根据本发明实施方式的有功频率控制框图。其中，ωref是参 考角频率，ω是经过下垂控制计算出的逆变器输出角频率，O是经过下垂 控制计算出的逆变器输出角度，ωPLL是网侧角频率，ωB是角频率参考 值，Pref是有功参考值，Pe是逆变器输出有功功率，传递函数为
图9为根据本发明实施方式的无功电压控制框图。Qref是无功功率参 考值，Qe是无功功率测量值，Eo是电压参考值，E是电压计算值。PI调 节器的比例系数为0.001，积分常数为0.15。0是有功下垂控制得到的角 度，E是无功下垂控制得到的电压幅值，ea，eb，ec是合成的三相电压， Ed，Eq是是经过下垂控制得到的电压的d，q分量。
图10为根据本发明实施方式的虚拟阻抗与电压电流解耦双环控制框 图。其中，Ed，Eq是经过下垂控制得到的电压的d，q分量；igd，igq是 逆变器输出电流的d，q分量；ωVSM是逆变器输出频率；Ud、Uq是逆变 器输出电压测量值的d，q轴分量；ifd，ifq是电感电流的d，q分量；电 压环的PI控制器比例系数为0.59，积分常数为736；电流环的PI控制器 比例系数为1.27，积分常数为14.3；oi是直流电压标幺值；md,mq是PWM 调制信号。虚拟同步机主电路的各项参数如表1所示。
表1虚拟同步机参数表
图11为根据本发明实施方式的前三组仿真实验波形图。由波形图可 知，当逆变器输出端的R/X＝1时，有功变化的峰值为0.17pu；当逆变器 输出端的R/X＝0.02时，有功变化的峰值为0.09pu；当逆变器输出端的R/X ＝0.005时，有功变化的峰值为0.043pu；由此可见，当虚拟电感足够大时， 无功受有功变化的影响渐趋减弱，可以实现解耦。
图12为根据本发明实施方式的后三组仿真实验波形图。由波形图可 知，当逆变器输出端的R/X＝1时，有功变化的峰值为-0.17pu；当逆变器 输出端的R/X＝0.02时，有功变化的峰值为-0.087pu；当逆变器输出端的 R/X＝0.005时，有功变化的峰值为-0.03pu；由此可见，当虚拟电感足够大 时，无功受有功变化的影响渐趋减弱，可以实现解耦。
图13为根据本发明实施方式的用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真 控制系统1300的示意图。如图13所示，本发明的实施方式提供的用于对 虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制系统1300在逆变器的输出线路上引入 虚拟阻抗从而重塑逆变器的输出阻抗，实现有功无功的解耦，所示系统具 体包括：压降计算单元1301、虚拟阻抗加入单元1302和解耦实现单元1303。 优选地，在所述压降计算单元，用于由虚拟同步机控制三相正弦波发生器确定参考电压，并计算虚拟阻抗上的压降。优选地，其中所述虚拟阻抗为 虚拟电感或者虚拟负电阻。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，通过电压差对逆变器 的实际出口的无功功率进行控制。优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟电 感时，电感阻抗远大于电阻阻抗。
优选地，其中当引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，通过电压差对逆变 器的实际出口的有功功率进行控制。优选地，其中引入的虚拟阻抗为虚拟 负电阻时，负电阻阻抗数值与线路上的电阻负载数值相等。
优选地，在所述虚拟阻抗加入单元1302，计算所述参考电压和虚拟阻 抗上的压降的差值，并通过双环控制电路控制LC滤波器的出口电压跟踪所 述差值，在所述虚拟同步机中加入虚拟阻。
优选地，在所述解耦实现单元1303，引入虚拟阻抗后线路上的输出阻 抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有 功无功的解耦。优选地，其中所述双环控制电路，包括外环电压控制和内 环电流控制，在外环电压控制和内环电流控制的电压跟踪器中，在dq坐标 系下实现虚拟阻抗的引入。
本发明的实施例的用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制系统 1300与本发明的另一个实施例的用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控 制方法200相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所 公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他 的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常 含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装 置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除 非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的 顺序运行，除非明确地说明。

Claims (14)

1.一种用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制方法，其特征在于，所述方法在逆变器的输出线路上引入虚拟阻抗从而重塑逆变器的输出阻抗，实现有功无功的解耦，具体包括：
由虚拟同步机控制三相正弦波发生器确定参考电压，并计算虚拟阻抗上的压降；
计算所述参考电压和虚拟阻抗上的压降的差值，并通过双环控制电路控制LC滤波器的出口电压跟踪所述差值，在所述虚拟同步机中加入虚拟阻抗；
引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟阻抗为虚拟电感或者虚拟负电阻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，通过电压差对逆变器的实际出口的无功功率进行控制。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，通过电压差对逆变器的实际出口的有功功率进行控制。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，电感阻抗远大于电阻阻抗。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，负电阻阻抗数值与线路上的电阻负载数值相等。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述双环控制电路，包括外环电压控制和内环电流控制，在外环电压控制和内环电流控制的电压跟踪器中，在dq坐标系下实现虚拟阻抗的引入。
8.一种用于对虚拟同步机进行PQ解耦的仿真控制系统，其特征在于，所述系统在逆变器的输出线路上引入虚拟阻抗从而重塑逆变器的输出阻抗，实现有功无功的解耦，具体包括：
压降计算单元，用于由虚拟同步机控制三相正弦波发生器确定参考电压，并计算虚拟阻抗上的压降；
虚拟阻抗加入单元，用于计算所述参考电压和虚拟阻抗上的压降的差值，并通过双环控制电路控制LC滤波器的出口电压跟踪所述差值，在所述虚拟同步机中加入虚拟阻抗；
解耦实现单元，用于引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述虚拟阻抗为虚拟电感或者虚拟负电阻。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，通过电压差对逆变器的实际出口的无功功率进行控制。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，通过电压差对逆变器的实际出口的有功功率进行控制。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，引入的虚拟阻抗为虚拟电感时，电感阻抗远大于电阻阻抗。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，引入的虚拟阻抗为虚拟负电阻时，负电阻阻抗数值与线路上的电阻负载数值相等。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的系统，其特征在于，所述双环控制电路，包括外环电压控制和内环电流控制，在外环电压控制和内环电流控制的电压跟踪器中，在dq坐标系下实现虚拟阻抗的引入。
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