CN112994098A - 一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法。该方法通过在有功‑频率环节，无功‑电压环节增加前馈控制，并设计J,D参数，调节励磁系数k_f来调整模型根位，结合动态虚拟复阻抗控制方法，实现并联虚拟同步机功率解耦，运用保持滤波器优化系统惯性，运用自适应偏差调节器调节频率偏差，提高了系统的响应速度和稳定性，实现了运行条件变化时频率和功率的动态调节。

Description

一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法

技术领域：

本发明专利属于虚拟同步发电机控制领域，主要涉及了一种新的并联虚拟同步机功率解耦方案。

背景技术：

新能源技术不断向前发展，分布式电源逐渐融入到电力系统中。虚拟同步机技术成为近些年来研究热点，虚拟同步机并网有功功率和无功功率在中低压线路呈现阻感特性时的存在很强的耦合，影响电能质量和系统稳定。

文献《SHINTAI T,MIURA Y,ISE T.Oscillation damping of a distributedgenerator using a virtual synchronous generator[J]》没有从根本上解除有功功率和无功功率控制环之间的耦合，由功率耦合本身引起的稳态误差和稳定裕度降低等问题依然存在。

虚拟同步电机控制技术可以分为有功功率环路和无功功率环路两个控制环路，通常情况下有功环路和无功环路的控制是相互耦合的，而由于有功和无功之间的耦合会导致如下问题：(1)在并网模式下，由于有功功率P和无功功率Q之间的严重耦合会降低功率控制的特性，功率设定值在动态变动的时候会造成耦合功率出现动态的耦合超调，当功率设定值达到稳态的时候会使得耦合功率出现稳态误差；(2)在孤岛模式下，由于不匹配的系统阻抗会导致多台并联运行逆变器的无功功率分配变得复杂；(3)在孤岛和并网模式下系统稳定裕度会变低，当出现参摄摄动的时候可能会使得系统出现不稳定现象。因此由于虚拟同步电机的功率耦合问题对并网逆变器的控制性能造成了严重的影响，对其进行解耦研究就很有要。

VSG经阻感性线路并网时，耦合现象尤其严重。针对功率解耦许多学者做了大量的有价值的研究工作，可以分为基于虚拟阻抗的策略、基于虚拟功率的策略以及基于虚拟频率/电压的策略三类。些方法虽然能够很好地消除较大的线路阻抗比对功率耦合的影响，但依赖“功角近似为零”的假设才能实现近似解耦方法。

传统虚拟同步发电机的无功功率分配与传输阻抗有关，影响无功功率分配精度，同时由于虚拟同步控制策略参数差异以及主电路器件非线性，导致虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)输出电压的幅值和相位不能完全一致，在并联瞬间极易产生电流冲击。采用虚拟阻抗技术可以改变系统的等效输出阻抗，引入虚拟阻抗使得逆变器的输出阻抗为纯阻性，改善了功率均分效果，但系统的等效输出阻抗会加大，从而减小输出电压，使得电能质量下降。

文献《万晓凤,詹子录,丁小华,郗瑞霞,王胜利.基于虚拟同步发电机的多逆变器并联改进控制策略[J].电机与控制学报,2020,24(02):118-127.》。该策略主要分为电压负反馈和积分环节、虚拟复阻抗控制模块、预同步单元等3个步骤，即首先在无功功率环中引入负载电压负反馈和积分环节，减小负载电压波动和实现无功功率与传输阻抗的解耦，提高无功功率分配精度。然后引入虚拟复阻抗，降低VSG输出电压跌落，改善电能质量。最后进行了预同步单元的设计，减小并联瞬间电流冲击，加快动态响应。该策略涉及的装置的主要组成为直流电源、逆变器、电感电容、PQ计算、VSG控制模型、UI双闭环、SPWM；解耦中，由于未将MPPT点电压与储能电容两端电压进行比较，没有保持滤波器以及频率偏差自适应调节器无法对系统响应性稳定性的频率支持进行支撑。所以，需要一种可以根据调节控制器参数和动态虚拟复阻抗相结合的方法，调节励磁系数k_f来调整模型根位来使系统处于稳定状态，设计最佳的J,D并增加动态虚拟复阻抗，在有功-频率环节、无功-电压环节设定前馈控制并在功-频环节增加自适应偏差调节器以及保持滤波器进行惯性优化，提供了响应性和稳定性的频率支持，完成并联VSG功率解耦。

发明内容：

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供了一种实现并联虚拟同步机自适应功率解耦的方法。该方法通过在有功-频率环节，无功-电压环节增加前馈控制，并设计J,D参数，调节励磁系数k_f来调整模型根位，结合动态虚拟复阻抗控制方法，实现并联虚拟同步机功率解耦，运用保持滤波器优化系统惯性，运用自适应偏差调节器调节频率偏差，提高了系统的响应速度和稳定性，实现了运行条件变化时频率和功率的动态调节。

本发明的技术方案为：

一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，该方法包括以下步骤：

第一步，用TTU测量出储能电容两端电压，然后与MPPT点电压进行比较，使VSG工作在最大功率点处，生成对应的电网电压电流；

第二步，在上面得到电网电压电流下，确定VSG模块的有功-频率环节和无功-电压环节参数J(惯性系数)、D(阻尼系数)以及K_f(励磁系数)的参数给定，实现对虚拟同步逆变器的电压、频率、有功功率和无功功率的控制，得出以下参数；

其中，有功-频率环节，根据以下公式，得到ω_cq，J，D_P：

PM＝180°+∠T_P(jω_cp)≥PM_req；

f_p为有功-频率环节转折频率，D_p为有功阻尼下垂系数，J为惯性系数，PM为相位裕度，PM_ref为相位裕度参考值，ω_cp穿越频率，ΔT为转矩变化量，ΔP为有功功率变化量，ω_n为额定角频率，ΔT_max为转矩变化最大量，Δω_max为角频率变化最大量,En为VSG稳态时输出电动势幅值，ω_n为自然震荡频率，X为线路感抗值，U为输出端电压，∠T_P(jω_cq)为有功环开环传函惯性环节的相频特性。

在无功-电压环节，得到D_q和K_f：

f_q为无功-电压环节转折频率，ω_n为额定频率，D_q无功频率调节系数，k为无功环增益系数，ΔQ_max无功功率变化最大量，ΔU_max为电网电压变化最大量，k_f为无功-电压环节励磁系数，ω_cq为系统无功环开环传函的幅值穿越频率,X为线路感抗值，U为输出端电压，f_g为工频电网频率。

第三步，保持滤波器控制VSG有功-频率环节：

根据示波器的波形曲线显示，按照上一步的公式，调整转动惯量J和有功下垂系数D_p的数值，根据引入了保持滤波器传递函数H(s)条件下，得到角频率响应Δω与负载有功变化量ΔP的比值，从而降低初始频率变化率，频率保持在49.9-50.1Hz；

其中，Δp为负载有功变化量，ω_n为额定角频率，D_p为有功阻尼下垂系数，J为惯性系数，H(s)为保持滤波器传递函数，T为采样时间，s为复频率。

第四步，频率自适应偏差调节器控制VSG有功-频率环节：

通过设定特定虚拟惯性上下限的值以及区分惯性范围的灵敏度因子，输入有功-频率通道的参考角频率、实际角频率，得到频率自适应偏差调节器的传递函数F(s)，调节有功-频率环节频率偏差，保证在有功-频率环节角频率变化时，使电网频率保持在49.9-50.1Hz；

其中，

根据

得到

K_a为区分惯性范围的灵敏度因子，K_g为比例系数，K_d为角频率偏差权重，ω为实际角频率，ω_ref为参考角频率，P₀实际有功功率，P_ref参考有功功率，F(s)为频率偏差自适应调节器传递函数，H_h为虚拟惯性上限，H₀为虚拟惯性下限。

第五步，在有功-频率环节和无功-电压环节加入前馈控制：

逆变器输出的电压电流经过LC滤波器后，由功率测量环节计算后流向VSG模块，过J_ω，ω₀，K_ω得到K_d的取值范围，来确实小信号模型下有功-频率环节以及小信号模型无功-电压环节放大系数K_pd和K_qe，进行前馈补偿控制，提高系统响应速度。

其中，

K_d＝K_pd＝K_qe；

K_d为微分系数，J_ω为虚拟惯量，ω₀的额定角频率，K_ω为P-f下垂系数，K_pd为小信号模型有功-频率环节放大系数，K_qe为小信号模型无功-电压环节放大系数。

进而确定小信号模型下有功-频率环节和无功-电压环节前馈增益传递函数与求得的K_pd，K_qe组成前馈补偿控制。

在小信号模型下有功-频率环节前馈增益传递函数为:

小信号模型下无功-电压环节前馈增益传递函数为：

ω_b为带宽，ω_n为自然震荡频率，D_p为阻尼系数,K为比例系数，F_P(s)为有功-频率环前馈增益传递函数，F_Q(s)为无功-电压环前馈增益传递函数。

第六步，动态虚拟复阻抗控制无功-电压环节：

当多台VSG并联时，初始时设置R_vi、L_vi、k_l、Q_ref参数一致，VSG输出的无功功率自适应调整使得等效输出阻抗得以调整，最终使得VSG等效阻抗相等；

其中-R_vi为虚拟负电阻，L_vi为初始给定的虚拟电感，K_l为阻抗调节系数，Q_ref为无功功率指令值，Q_n为无功功率测量值，s为复频率。

第七步，进而，多台VSG并联下，在无功-电压环节环引入负载电压负反馈，使电压稳定，进行相位同步，调整ω实现相位同步，预同步控制的相位同步过程为VSG 1输出电压经过dq坐标系锁相环得到相角θ1，VSG 2输出相角为θ2，将两者差值送入闭环反馈的PI控制器，输出得到相位补偿量，可实现相位跟踪：

ω＝ω₂-ω_n+PI(θ₁-θ₂)；

其中ω₂为VSG 2输出角频率，ω_n为额定角频率，ω为VSG1输出角频率，θ1为VSG1输出相位，θ2为VSG1输出相位，PI为比例积分调节器。

第八步，准比例谐振控制：

在无功-电压环节环引入准比例谐振控制，其传递函数为：

其中G_PR(s)为准比例谐振传递函数，K_p为比例项系数，K_r为谐振项系数，ω_e为谐振穿越频率，ω₀为谐振频率，s为复频率。

最后，电压电流经过有源阻尼模块和SVPWM调制器连接至逆变装置，实现一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦控制方法。

本发明的有益效果为：

本发明提高并联虚拟同步发电机有功、无功功率动态响应性能的方法的优点体现在：

其在有功-频率环节、无功-电压环节加入前馈补偿从而增加了动态特性的控制自由度，提高响应速度，通过动态虚拟复阻抗实现并联虚拟同步机有功/无功功率完全解耦，并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流。在提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流。采用保持滤波器控制时，虚拟同步机对于频率的惯性支撑，虚拟同步机在负载功率突变的时候具有线性的频率响应过程，具有更低的响应初始频率变化率，进一步降低频率偏移范围，提供更加稳定的频率支撑运用频率自适应偏差调节器调节频率偏差，提高了系统的响应速度和稳定性，实现了运行条件变化时频率和功率的动态调节。实现有功/无功功率稳态特性和动态特性的解耦控制。基于微分补偿的一阶虚拟惯性VSG并网系统的动态特性由J_ω、K_ω、和K_d共同决定。通过调节微分系数K_d可对闭环极点和闭环零点的位置进行调节，从而增加了动态特性的控制自由度，实现有功功率稳态特性和动态特性的解耦控制。微分补偿环节增大了VSG并网系统的阻尼比，改善了系统的动态特性。阻尼比随K_d的增大而增大，且在本发明所提控制图处进行微分补偿的VSG并网系统阻尼比最大，选用SVPWM控制比于典型SPWM控制电压利用率提高15％左右。

附图说明：

图1为并联虚拟同步机解耦控制总框图；

图2为2台VSG并联等效电路；

图3为保持滤波器控制图；

图4为前馈控制框图；

图5为小信号模型有功环前馈控制模型；

图6为小信号模型无功环前馈控制模型；

图7为准比例谐振控制框图；

图8为未加控制策略前电网电流；

图9为加入控制策略后电网电流；

图10加入控制策略后电网电压；

图11未加控制策略前频率；

图12增加频率自适应调节器的电网频率；

图13未加控制策略VSG有功功率和无功功率；

图14加入控制策略VSG1/VSG2功率实现2：1均分；

图15加入控制策略VSG1/VSG2无功功率；

图16加入控制策略后0.5s时突加负载时VSG1/VSG2惯性模拟下有功功率响应；

图17加入控制策略后0.5s时突加负载时VSG1/VSG2惯性阻尼模拟下有功功率响应

图18整体控制步骤流程图；

具体实施步骤：

下面结合具体实施例对本发明进行更清楚的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明的作用，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

接下来结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明，参照图1所示为根据本发明的系统总体控制框图。

一种设计控制器参数和动态虚拟复阻抗结合的方法改善虚拟同步机动态响应性能提供在有功-频率通道和无功-电压通道加入前馈控制的功率解耦控制装置，包括(如图1)PV(光伏发电板)、储能装置(储能电容C1)、逆变器、LC滤波器、功率测量器、保持滤波器(如图3)、自适应偏差调节器、前馈控制(如图4、5、6所示)、功频控制器、励磁控制器、可调虚拟复阻抗模块、准PR控制环节(如图7)、有源阻尼、SVPWM控制、TTU(配电变压器监测终端)、直流端额外控制,VSG2，公共连接点(PCC)。

其中①PV(光伏发电板)连接②储能装置(C1)，输送至③逆变器，其中MPPT(最大功率点追踪)电压与TTU测量的电容C1电压比较进行模式调节使光伏发电系统保持稳定的工作状态，再与直流端额外控制连接进行自适应模式调节，直流端额外控制后合成的P_ref成为虚拟调速器的参数给定。模式选择完成后送至VSG(虚拟同步机)模块，然后，P_ref接到虚拟调速器模块，其输出P_in连接虚拟转子模块；电网电压电流经过LC滤波器后，通过三相VI测量环节输出电压u_out和电流i_out采样后经功率计算到PQ变换输出有功功率P_out和无功功率Q_out，分别送入虚拟同步机的虚拟转子和虚拟励磁器模块；三相整流桥调节后输出经过④LC滤波器，功率测量环节检测到电网电压电流，然后经过VSG模块，设计J、D范围以及进一步调节励磁系数k_f来调整模型根位来使系统处于稳定状态，在功频模块加入保持滤波器环节(如图7)引入保持滤波器使得虚拟同步机在负载功率突变的时候具有线性的频率响应过程，具有更低的响应初始频率变化率，进一步降低频率偏移范围，提供更加稳定的频率支撑。和频率自适应偏差调节器，调节有功-频率环节频率偏差，保证在有功-频率环节角频率变化时，使电网频率保持在49.9-50.1Hz；此时频率维持在50Hz(如图12),进一步在有功频率通道和无功电压通道就前馈控制(如图5、6)增加前馈补偿的以及虚拟惯性环节相当于对系统进行串联超前校正，增大闭环带宽，中和滞后环节，从而减小超调，提高响应速度，进行可调虚拟复阻抗模块控制无功-电压环节，通过虚拟负的阻性分量减小传输阻抗中的阻性成分，虚拟正的感性分量增大传输阻抗中的感性成分，使得功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流。(如图14、15)，通过准PR控制准确跟踪电压相位，其中P_out和P_in送入虚拟转子模块后得到电网角频率ω_m，Q_out进入虚拟励磁器模块输出定子电动势指令U再进入电压电流控制模块；定子电动势指令U、电角度指令和电网角频率ω_m送入虚拟阻抗控制模块得到三相电压指令，滤波前电流i_abc、滤波后电流i_out和三相VI测量环节出口电压u_out经clark变换模块得到两相电压调制信号；经过有源阻尼模块后，进行park变换模块将电压电流双闭环控制模块与SVPWM调制器连接，将电压电流控制模块得出的电压调制比输送到SVPWM，然后和SVPWM调制器连接至逆变装置，并且在负载波动时能很好地模拟惯性阻尼，实现并联虚拟同步机功率解耦(如图16、17)。

本发明所述的一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，包括如下步骤：

第一步，用TTU测量出储能电容两端电压与MPPT点电压进行比较，控制电网电压电流，实现正常运行：

当U_dc>U_dc-mpp,储能电容释放电能，此时光伏发电系统正常运行，光伏发电系统电源输出端的限幅模块使得PI控制器的输入为0，此时虚拟同步机等同于没有直流电压附加控制，虚拟同步机装置将按照传统方式运行；而当U_dc低于U_dc-mpp时，储能电容C1吸收电能，光伏电源PV进入了不稳定工作区，电压的偏差通过PI控制器调节，进而降低虚拟同步机实际的输出功率，使得直流端电压上升回U_dc-mpp，光伏发电系统电源工作回到最大功率点，生成电网电压电流，实现正常运行。

这么做是为了用TTU测量出储能电容两端电压与MPPT点电压进行比较，进行模式调节使光伏发电系统保持稳定的工作状态，再与直流端额外控制连接进行自适应模式调节，使光伏发电系统工作在最大功率点处，保持系统高效稳定运行。

第二步，设计VSG模块的有功-频率环节和无功-电压环节参数J(惯性系数)D(阻尼系数)以及K_f(励磁系数)通，用于进一步对VSG进行控制调节的参数给定，实现对虚拟同步逆变器的电压、频率、有功功率和无功功率的控制。设计PM相位裕度是有功-频率环节在开环特性T_p(jω_cp)在幅值穿越频率ω_cp处所对应的相角与-180的差，使其大于等于工程要求的PM_req值45°，计算出穿越频率取值范围ω_cp，来保证系统稳定运行，同时计算出J，D_P，D_q，K_f用于用于后续控制中调节参数。

有功-频率环节：

有功-频率环节转折频率f_p为：

系统有功环开环传函的幅值穿越频率设为ω_cp，ω_cp＝2πf_cp，此时，系统开环频率特性幅值为1，即|Tp(jωcp)|＝1，得：

PM＝180°+∠T_P(jω_cp)≥PM_req

T_P(jω_cq)为有功-频率环节开环传函惯性环节的相频特性，E_n为VSG稳态时输出电动势幅值，U为输出端电压，X为线路感抗值，ω_n为额定角频率，D_p有功阻尼下垂系数，J惯性系数，ω_cp穿越频率，PM为相位裕度，PM_ref为相位裕度，ΔP为有功功率变化量，ΔT为转矩变化量，ΔT_max转矩变化最大量，Δω_max角频率变化最大量。

无功-电压环节：通过无功-电压环节无功功率变化以及电网电压变化得到D_q用于设计无功-电压环节下垂系数，进而调节无功控制回路调节励磁系数k_f，降低消除输出功率的振荡。无功-电压环节转折频率f_q为：

系统无功环开环传函的幅值穿越频率设为ω_cq，ω_cq＝2πf_cq，此时，系统开环频率特性幅值为1，即|TQ(jωcq)|＝1，得：

其中T_Q(jω_cq)无功环开环传函惯性环节的相频特性，U为输出端电压,X为线路感抗值，D_q无功阻尼下垂系数，k为无功环增益系数，ω_n为额定角频率，ω_cq为系统无功环开环传函的幅值穿越频率,ΔQ_max无功功率变化最大量，ΔU_max电网电压变化最大量，k_f为无功-电压环节励磁系数f_g为工频电网频率；

通过设计J,D用于第三步中调节保持滤波器采样时间的取值，通过无功-电压环节无功功率变化以及电网电压变化得到D_q用于设计无功-电压环节下垂系数，进而调节无功控制回路调节励磁系数k_f，降低消除输出功率的振荡，使输出功率动态响应不足，有功功率，无功功率耦合减少，保证后续控制快速稳定运行。

第三步，电网电压电流经过LC滤波器后，功率测量环节检测到电网电压电流，然后经过VSG模块，在VSG有功-频率引入保持滤波器控制，通过调节其暂态特性，由转动惯量J和有功下垂系数D_p得到负载有功变化量Δω到角频率响应ΔP的传递函数，采用保持滤波器架构时，虚拟同步机对于频率的惯性支撑,与传统虚拟同步机惯性时间常数相同，采用保持滤波器控制模拟同步发电机不会改变惯性时间常数，二者具有相同的频率响应时间。虚拟同步机在负载功率突变的时候具有线性的频率响应过程，具有更低的响应初始频率变化率，进一步降低频率偏移范围，提供更加稳定的频率支撑。

其中，Δω为角频率响应变化率，Δp为负载有功变化量，ω_n为额定角频率；D_p为有功阻尼下垂系数，J为惯性系数，H(s)为保保持滤波器传递函数；T为采样时间；s为复频率；

这么做因为保持滤波器实际上是一个低通滤波器，保持虚拟同步机惯性支持。

第四步，频率自适应偏差调节器控制VSG有功-频率环节：在有功-频率通道进行频率自适应偏差调节器，通过设定特定虚拟惯性上下限的值以及区分惯性范围的灵敏度因子，和有功-频率环节的参考角频率、实际角频率之间的关系得到自适应偏差调节器计算公式，频率调节或功率调节是单独进行的，为了实现频率调节和功率调节之间的平衡，K_a是自适应灵敏度因子，其中K_g是一个预先设计的常数。对超调影响的差异表明，设计好的VSG控制器应同时考虑有功功率特性和频率特性，以获得满意的动态性能。

根据

得到

其中，K_a为区分惯性范围的灵敏度因子，K_g为比例系数，K_d为角频率偏差权重，ω为实际角频率，ω_ref为参考角频率，P₀实际有功功率，P_ref参考有功功率，F(s)为频率偏差自适应调节器传递函数，H_h为虚拟惯性上限，H₀为虚拟惯性下限。

这么做是进行频率自适应偏差调节，是电网频率保持在49.9-50.1Hz,在运行条件变化时调节稳定电网频率。

第五步，在有功-频率环节和无功-电压环节加入前馈控制：

逆变器输出的电压电流经过LC滤波器后，由功率测量环节计算后流向VSG模块，用有功/无功通道加入前馈补偿虚拟同步机环节，通过J_ω，ω₀，K_ω得到K_d的取值范围，基于前馈补偿的一阶虚拟惯性VSG组网系统的动态特性由J_ω、K_ω、和K_d共同决定。通过调节微分系数K_d可对闭环极点和闭环零点的位置进行调节，从而增加了动态特性的控制自由度，通过K_d来确定小信号模型下有功-频率环节以及小信号模型无功-电压环节放大系数K_pd和K_qe，进而确定小信号模型下有功-频率环节和无功-电压环节前馈增益传递函数与求得的K_pd，K_qe组成前馈补偿控制，实现有功功率稳态特性和动态特性的解耦控制。

K_d＝K_pd＝K_qe

其中K_d为微分系数，J_ω为虚拟惯量，ω₀的额定角频率，K_ω为P-f下垂系数，K_pd为小信号模型有功-频率环节放大系数，K_qe为小信号模型无功-电压环节放大系数；

内环频率环时间常数τ_f远小于外环功率环时间常数τ_t也远小于平均功率计算环节时间常数1/ω_b近似为1/ω_nD_p,小信号模型下有功-频率环前馈增益:

小信号模型下无功-电压环前馈支路增益：

其中ω_b为带宽，ω_n为自然震荡频率，D_p为有功阻尼下垂系数,K为比例系数。

VSG有功－频率环节作为该VSG模块的内环响应速度必须足够快，设计内环频率环时间常数τ_f远小于外环功率环时间常数τ_t也远小于平均功率计算环节时间常数1/ω_b近似为1/ω_nD_p,在小信号模型下有功-频率环节前馈增益传递函数为:

小信号模型下无功-电压环节前馈增益传递函数为：

其中ω_b为带宽，ω_n为自然震荡频率，D_p为有功阻尼下垂系数,K为比例系数，F_P(s)为有功-频率环前馈增益传递函数，F_Q(s)为无功-电压环前馈增益传递函数。前馈支路鲁棒性优化后虚拟同步机的暂态稳定性和振荡趋势不受平均功率计算环节带宽ω_b影响。计算得到的有功-频率环节，无功-电压环节前馈增益传递函数F_p(s)、F_Q(s)，如图5、图6所示对有功-频率环节、无功-电压环节进行前馈控制，对系统进行串联超前校正，增大闭环带宽，中和滞后环节，从而减小超调，提高系统响应速度,为后续步骤运行提供支撑。

在有功-频率环节、无功-电压环节增加前馈控制相当于对系统进行串联超前校正，增大闭环带宽，中和滞后环节，从而减小超调，提高响应速度，实现并联虚拟同步机功率解耦。

第六步，动态虚拟复阻抗控制无功-电压环节：

当多台VSG并联时，初始时设置R_vi、L_vi、k_l、Q_ref参数一致，VSG输出的无功功率自适应调整使得等效输出阻抗得以调整，最终使得VSG等效阻抗相等。引入无功功率构造可变虚拟阻抗，采用动态调整方法重新构造VSG的输出阻抗，从而进一步减少输电线路阻抗的影响，与传统虚拟同步控制相比，既提高功率均分也使得电压跌落减小，抑制环流，动态虚拟复阻抗的表达式为：

其中-R_vi为虚拟负电阻；L_vi为初始给定的虚拟电感；K_l为阻抗调节系数；Q _ref为无功功率指令值；Q_n为无功功率测量值。s为复频率；

引入含有阻性及感性分量的虚拟复阻抗，通过虚拟负的阻性分量减小传输阻抗中的阻性成分，虚拟正的感性分量增大传输阻抗中的感性成分，使得功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流。初始时设置R_vi、L_vi、k_l、Q _ref参数一致，当多台VSG并联时，等效输出阻抗随着VSG的输出无功功率变化而自动调整，使得VSG的等效阻抗接近一致。与传统虚拟同步控制相比，在提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流。

进行这一步动态虚拟复阻抗可以引入含有阻性及感性分量的虚拟复阻抗，通过虚拟负的阻性分量减小传输阻抗中的阻性成分，虚拟正的感性分量增大传输阻抗中的感性成分，使得功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流，实现并联VSG功率解耦同时减小了环流。

第七步，进而，多台VSG并联下，在Q-U环引入负载电压负反馈，使电压稳定在一定范围，进行相位同步，调整ω实现相位同步，通过对VSG2输出相位θ2与VSG1输出相位θ1差经过PI控制输出补偿在功率环上，形成闭环控制，实现快速跟踪到VSG1的相位，以降低并联瞬间的电流冲击，相位通过调整ω实现同步，有：

ω₂＝ω+ω_n-PI(θ₁-θ₂)

其中ω₂为VSG 2输出角频率，ω_n为额定角频率，ω为VSG1输出角频率；θ1为VSG1输出相位，θ2为VSG1输出相位，PI为比例积分调节器。

预同步控制的相位同步过程为VSG 1输出电压经过dq坐标系锁相环得到相角θ1，VSG 2输出相角为θ2，将两者差值送入闭环反馈的PI控制器，输出得到相位补偿量，可实现相位跟踪。

这一步操作可以实现电压相位同步跟踪,使得输出电压相位能完美跟踪，进而对下一步操作奠定基础。

第八步，经过动态虚拟复阻抗控制以及电压相位预同步控制后的电压电流流经PI控制器会存在一定相位误差，为了准确跟踪输出电压的指令值，采用准比例谐振控制器控制电压回路，其传递函数为：

其中G_PR(s)为准比例谐振控制器传递函数，K_p为比例项系数，K_r为谐振项系数，ω_e为谐振穿越频率，ω₀为谐振频率，U₀输出电压，K_pwm是主电路比例放大系数，K_d阻尼系数，L和C为滤波器电感电容，s为复频率；

这一步经过动态虚拟复阻抗控制以及电压相位预同步控制后的电压电流流经PI控制器会存在一定相位误差，为了准确跟踪输出电压的指令值，采用准比例谐振控制器控制电压回路。

最后经过有源阻尼模块和SVPWM调制器连接至逆变装置。使得并联VSG功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流，提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流。通过有源阻尼模块解决LC谐振尖峰，同时SVPWM提供电压利用率，最终提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流，实现控制并联虚拟同步机功率解耦。

实施例1，

采用MATLAB/Simulink仿真平台搭建并联虚拟同步机仿真模型，仿真模型参数如表1所示，通过表1设定的参数采用本发明控制方法进行并联VSG功率解耦控制仿真，得到的控制效果显著。采用模型化并联逆变器，组建两台容量比为2：1的虚拟同步机，第一步，利用TTU测量出储能电容两端电压与MPPT点电压进行比较使光伏发电系统电源工作在最大功率点，经过逆变器后电压电流进行LC滤波器后通过功率测量环节，接着连入VSG模块；第二步，设计J,D参数进而调节K_f；第三步，在功频模块增加保持滤波器(如图3)第四步，在有功-频率通道增加自适应频率偏差调节器，调节器器根据频率偏差及时调整惯性，实现调频后频率维持在50Hz如图12，频率保持在49.9-50.1Hz，图8为未加控制策略前电网电压电流，波形有明显谐波尖峰，电压利用率较低，加入控制策略后此时电网电压电流稳定(如图9、10)，保持电网电压幅值和频率恒定，与图8未加控制策略时电网电压电流形成对比，调整好波形改进很大；第五步，通过在有功-频率通道，无功-电压通道增加前馈控制(如图5、6)；第六步，结合动态虚拟复阻抗控制方法，引入含有阻性及感性分量的虚拟复阻抗，通过虚拟负的阻性分量减小传输阻抗中的阻性成分，虚拟正的感性分量增大传输阻抗中的感性成分，使得功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流；第七步，在无功电压环进行电压相位预同步控制，通过对VSG2输出相位θ2与VSG1输出相位θ1差经过PI控制输出补偿在功率环上，形成闭环控制，实现快速跟踪到VSG1的相位，以降低并联瞬间的电流冲击，相位通过调整ω实现同步；第八步，进行准PR控制会跟踪电压电流，然后经过有源阻尼模块和SVPWM调制器连接至逆变装置。使得并联VSG功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流，提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流。提高了系统的响应速度和稳定性，实现了运行条件变化时频率和功率的动态调节。调节后容量比为2:1的两台并联虚拟同步机系统按2:1的比例分配负载有功功率和负载无功功率，并且在负载波动情况下很好的进行惯性阻尼模拟，(如图14、15、16、17)图14是VSG1/VSG2有功功率在输入分别为2Kvar和1kvar时，进行本发明进行功率解耦控制后实现2：1均分；

图15是VSG1/VSG2无功功率在输入0kvar时，进行本发明进行功率解耦控制后仍为0Kvar；

图16加入控制策略后0.5s时突加负载时VSG1/VSG2惯性模拟下有功功率响应,图谱显示，在0.5s时VSG1/VSG2有功功率突然增加，经过0.1s后恢复原有功率，顺利模拟了并联VSG在突加负载时的惯性变化；

图17加入控制策略后0.5s时突加负载时VSG1/VSG2惯性阻尼模拟下有功功率响应，图谱显示，在0.5s时VSG1/VSG2有功功率突然增加并保持此时功率值附近稳定，模拟了并联VSG在突加负载时的惯性阻尼变化，实现一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦控制。

表1仿真模型参数

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (10)

1.一种基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为该方法包括以下步骤：

第一步，生成对应的电网电压电流；

第二步，实现对虚拟同步逆变器的电压、频率、有功功率和无功功率的控制；

第三步，保持滤波器控制VSG有功-频率环节；

第四步，频率自适应偏差调节器控制VSG有功-频率环节；

第五步，在有功-频率环节和无功-电压环节加入前馈控制；

第六步，动态虚拟复阻抗控制无功-电压环节；

第七步，实现相位跟踪；

第八步，准比例谐振控制。

2.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第一步具体包括：用TTU测量出储能电容两端电压，然后与MPPT点电压进行比较，使VSG工作在最大功率点处，生成对应的电网电压电流。

3.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第二步具体包括：在上面得到电网电压电流下，确定VSG模块的有功-频率环节和无功-电压环节参数J(惯性系数)、D(阻尼系数)以及K_f(励磁系数)的参数给定，实现对虚拟同步逆变器的电压、频率、有功功率和无功功率的控制，得出以下参数；

其中，有功-频率环节，根据以下公式，得到ω_cp，J，D_P：

PM＝180°+∠T_P(jω_cp)≥PM_req；

f_p为有功-频率环节转折频率，D_p为有功频率调节系数，J为惯性系数，PM为相位裕度，PM_ref为相位裕度参考值，ω_cp穿越频率，ΔT为转矩变化量，ΔP为有功功率变化量，ΔT_max为转矩变化最大量，Δω_max为角频率变化最大量,E_n为VSG稳态时输出电动势幅值，ω_n为额定角频率，X为线路感抗值，U为输出端电压，T_P(jω_cq)为有功环开环传函惯性环节的相频特性；

在无功-电压环节，得到D_q和K_f：

f_q为无功-电压环节转折频率，ω_n为额定频率，D_q无功频率调节系数，k为无功环增益系数，ΔQ_max无功功率变化最大量，ΔU_max为电网电压变化最大量，k_f为无功-电压环节励磁系数，ω_cq为系统无功环开环传函的幅值穿越频率,X为线路感抗值，U为输出端电压，f_g为工频电网频率。

4.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第三步保持滤波器控制VSG有功-频率环节具体包括：

根据示波器的波形曲线显示，按照上一步的公式，调整转动惯量J和有功下垂系数D_p的数值，根据引入了保持滤波器传递函数H(s)条件下，得到角频率响应Δω与负载有功变化量ΔP的比值，从而降低初始频率变化率，频率保持在49.9-50.1Hz。

其中，Δp为负载有功变化量，Δω为角频率响应变化率，ω_n为额定角频率；D_p为有功阻尼下垂系数，J为惯性系数，H(s)为保持滤波器传递函数，T为采样时间，s为复频率。

5.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第四步，频率自适应偏差调节器控制VSG有功-频率环节具体包括：

通过设定特定虚拟惯性上下限的值以及区分惯性范围的灵敏度因子，输入有功-频率通道的参考角频率、实际角频率，得到频率自适应偏差调节器的传递函数F(s)，调节有功-频率环节频率偏差，保证在有功-频率环节角频率变化时，使电网频率保持在49.9-50.1Hz。

其中，

根据

得到

K_a为区分惯性范围的灵敏度因子，K_g为比例系数，K_d为角频率偏差权重，ω为实际角频率，ω_ref为参考角频率，P₀实际有功功率，P_ref参考有功功率，F(s)为频率偏差自适应调节器传递函数，H_h为虚拟惯性上限，H₀为虚拟惯性下限。

6.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第五步，在有功-频率环节和无功-电压环节加入前馈控制具体包括：

逆变器输出的电压电流经过LC滤波器后，由功率测量环节计算后流向VSG模块，过J_ω，ω₀，K_ω得到K_d的取值范围，来确实小信号模型下有功-频率环节以及小信号模型无功-电压环节放大系数K_pd和K_qe，进行前馈补偿控制，提高系统响应速度。

其中，

K_d＝K_pd＝K_qe；

K_d为微分系数，J_ω为虚拟惯量，ω₀的额定角频率，K_ω为P-f下垂系数，K_pd为小信号模型有功-频率环节放大系数，K_qe为小信号模型无功-电压环节放大系数；

进而确定小信号模型下有功-频率环节和无功-电压环节前馈增益传递函数与求得的K_pd，K_qe组成前馈补偿控制；

在小信号模型下有功-频率环节前馈增益传递函数为:

小信号模型下无功-电压环节前馈增益传递函数为：

ω_b为带宽，ω_n为额定角频率，D_p为阻尼系数，K为比例系数，F_P(s)为有功-频率环前馈增益传递函数，F_Q(s)为无功-电压环前馈增益传递函数。

7.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第六步，动态虚拟复阻抗控制无功-电压环节具体包括：

当多台VSG并联时，初始时设置R_vi、L_vi、k_l、Q_ref参数一致，VSG输出的无功功率自适应调整使得等效输出阻抗得以调整，最终使得VSG等效阻抗相等。

其中，-R_vi为虚拟负电阻，L_vi为初始给定的虚拟电感，K_l为阻抗调节系数，Q_ref为无功功率指令值，Q_n为无功功率测量值，s为复频率。

8.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第七步，实现相位跟踪具体包括：进而，多台VSG并联下，在无功-电压环节环引入负载电压负反馈，使电压稳定，进行相位同步，调整ω实现相位同步，预同步控制的相位同步过程为VSG 1输出电压经过dq坐标系锁相环得到相角θ1，VSG2输出相角为θ2，将两者差值送入闭环反馈的PI控制器，输出得到相位补偿量，可实现相位跟踪；

ω＝ω₂-ω_n+PI(θ₁-θ₂)；

其中，ω₂为VSG2输出角频率，ω_n为额定角频率，ω为VSG1输出角频率，θ1为VSG1输出相位，θ2为VSG1输出相位，PI为比例积分调节器。

9.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为所述的第八步，准比例谐振控制包括：

在无功-电压环节环引入准比例谐振控制，其传递函数为：

其中G_PR(s)为准比例谐振传递函数，K_p为比例项系数，K_r为谐振项系数，ω_e为谐振穿越频率，ω₀为谐振频率，s为复频率。

10.如权利要求1所述的基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦方法，其特征为完成第九步后，电压电流经过有源阻尼模块和SVPWM调制器连接至逆变装置，实现基于前馈控制的并联虚拟同步机功率解耦控制。

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