CN117543549A - 抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统 - Google Patents

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CN117543549A CN202311487766.2A CN202311487766A CN117543549A CN 117543549 A CN117543549 A CN 117543549A CN 202311487766 A CN202311487766 A CN 202311487766A CN 117543549 A CN117543549 A CN 117543549A
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王娴
陈文文
贾恒杰
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胡玉婷
敖伟
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崔宫
洪焕森
李俊杰
翁财宏
蓝海文
胡静春
刘军
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Abstract

本发明公开了一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统。其中，方法包括：瞬时功率计算模块根据虚拟同步发电机输出电压以及虚拟同步发电机输出电流，确定虚拟同步发电机有功功率的输出值和虚拟同步发电机无功功率的输出值；虚拟同步发电机有功功率输出值经过并联了数字低通滤波器反馈模块的改进反馈回路处理后产生反馈信号，并输出至有功功率控制模块；有功功率控制模块根据虚拟同步发电机有功功率参考值和反馈信号对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制。本发明通过在原有反馈回路中并联数字低通滤波器反馈模块，改变了原有虚拟同步发电机的功率反馈通道的传输特性，可以有效抑制电网频率扰动时的虚拟同步发电机输出有功功率暂态振荡。

Description

抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统
技术领域
本发明涉及配电网技术领域，尤其涉及一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统。
背景技术
随着风电、光电等分布式能源及其电力电子变流器的大面积接入电网，传统同步发电机的比例减小，电网的旋转备用容量及转动惯量相对减少，频率变化率变大，有超出电网标准的风险。采用虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术，通过结合直流侧储能单元，将同步发电机的机电暂态方程加入到变流器的控制中，使得变流器不仅具有调压调频特性，而且为电网提供惯性和阻尼，成为新能源发电连接电网的理想方式。
当功率指令突变时，传统VSG有功功率和输出频率会出现暂态振荡。现有众多VSG控制改进方法在可以改善传统VSG在功率指令突变下的功率响应暂态特性。但是，现有方法都没有研究在电网频率暂变与波动时，诱发的VSG输出功率振荡的问题；而且现有VSG控制改进方法反而还恶化了电网频率扰动所引发的VSG有功功率的振荡问题。
发明内容
本发明提供了一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统，以解决电网频率扰动导致虚拟同步发电机的有功功率暂态振荡的问题。
本发明实施例提供了一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统，其中，方法包括：瞬时功率计算模块根据虚拟同步发电机输出电压以及虚拟同步发电机输出电流，确定虚拟同步发电机有功功率的输出值和虚拟同步发电机无功功率的输出值；虚拟同步发电机有功功率输出值经过并联了数字低通滤波器反馈模块的改进反馈回路处理后产生反馈信号，并输出至有功功率控制模块；有功功率控制模块根据虚拟同步发电机有功功率参考值和反馈信号对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制。本发明通过在原有反馈回路中并联数字低通滤波器反馈模块，改变了原有虚拟同步发电机的功率反馈通道的传输特性，增加了虚拟同步发电机有功控制环路的相位裕度，解决了电网频率波动导致虚拟同步发电机的有功功率暂态振荡的问题，有效抑制了电网频率扰动时的有功功率暂态振荡；同时该控制方法不改变原有虚拟同步发电机的惯性支撑特性和下垂特性。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有相关技术提供的一种虚拟同步发电机的控制方框图。
图2为本发明提供的一种传统虚拟同步发电机系统的Bode图。
图3为本发明实施例提供的一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制装置的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法的流程图。
图5为本发明实施例提供的一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统的功率传输模型。
图6为本发明实施例提供的当功率指令突变时，加入并联低通滤波器反馈模块前后有功功率暂态振荡曲线的对比图。
图7为本发明实施例提供的当电网频率突变时，加入并联低通滤波器反馈模块前后有功功率暂态振荡曲线的对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1是现有相关技术提供的一种虚拟同步发电机的控制方框图，参考图1，ΔPref表示虚拟同步发电机有功功率的参考值，ΔP表示虚拟同步发电机有功功率的输出值，表示积分器的传递函数，Δωg表示网侧角频率。
其中，G1和G2分别表示控制器和虚拟同步发电机的功率传输模型的传递函数，表达式如下：
其中，G1表示控制器的传递函数，J表示虚拟同步发电机的虚拟惯量系数，ω0表示参考角频率，s为拉普拉斯算子，D表示下垂系数，G2表示虚拟同步发电机的功率传输模型的传递函数，U表示虚拟同步发电机输出电压，Ug表示电网侧电压，Xg表示虚拟同步发电机与电网之间的等效线路阻抗。
需要说明的是，本发明使用小信号模型分析法建立虚拟同步发电机系统的小信号模型，从而对虚拟同步发电机系统进行分析，Δ均表示小信号模型。
图2是本发明提供的一种传统虚拟同步发电机系统的Bode图，由图2可知，一方面虚拟惯量J的引入可以提升虚拟同步机的惯性，提升对电网的惯量支撑；但另一方面在传统虚拟同步发电机系统传递函数中，固有的积分项引入了90度相位滞后，并随着虚拟惯量J增加，一阶惯性环节极点向左移动，导致幅频特性以-40dB/dec穿越0dB线，这就导致了虚拟同步机会在电网频率波动下引发功率暂态振荡。
为解决以上问题，本发明提出一种虚拟同步发电机有功功率传输模型，通过在虚拟同步发电机控制系统图(图3)中并联数字低通滤波器反馈模块，从而实现虚拟同步发电机控制系统框图(图5)中的功率传输模型。
图3为本发明实施例提供的一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统的结构示意图，图4为本发明实施例提供的一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法的流程图，本实施例可适用于电网频率波动导致虚拟同步发电机的有功功率暂态振荡的情况，该方法可以由抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统来执行。参见图3，该系统包括：依次连接的瞬时功率计算模块11、有功功率控制模块13、无功功率控制模块14、电压生成模块15、电压电流控制模块16、PWM调制模块17和逆变器18；
数字低通滤波器反馈模块12并联在虚拟同步发电机的反馈回路中；
瞬时功率计算模块11接入虚拟同步发电机输出电压u以及虚拟同步发电机输出电流i2，瞬时功率计算模块用于根据虚拟同步发电机输出电压u以及虚拟同步发电机输出电流i2，确定虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout和虚拟同步发电机无功功率的输出值Qout；
数字低通滤波器反馈模块12接入虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout，输出虚拟同步发电机有功功率反馈信号至有功功率控制模块13，用于改变虚拟同步发电机的功率反馈通道的传输特性；其中数字低通滤波器反馈模块12与虚拟同步发电机的反馈回路属于并联关系；
有功功率控制模块13用于根据虚拟同步发电机有功功率参考值Pref和反馈的虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值θref；
无功功率控制模块14用于根据虚拟同步发电机无功功率参考值Qref和反馈的虚拟同步发电机无功功率的输出值Qout对虚拟同步发电机输出的无功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值Uref；
电压生成模块15用于根据虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值θref和虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值Uref确定虚拟同步发电机输出电压的参考值uref；
电压电流控制模块16用于跟随虚拟同步发电机输出电压的参考值uref；
PWM调制模块17用于输出驱动逆变器18的斩波信号。
本发明实施例提供的抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统的工作过程为：瞬时功率计算模块接入虚拟同步发电机输出电压以及虚拟同步发电机输出电流，功率计算模块根据虚拟同步发电机输出电压以及虚拟同步发电机输出电流，确定虚拟同步发电机有功功率的输出值和虚拟同步发电机无功功率的输出值；数字低通滤波器反馈模块接入虚拟同步发电机有功功率的输出值，输出虚拟同步发电机有功功率输出反馈信号至有功功率控制模块；有功功率控制模块根据虚拟同步发电机有功功率参考值和经过改进反馈回路处理后的信号对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值；无功功率控制模块根据虚拟同步发电机无功功率参考值和反馈的虚拟同步发电机无功功率的输出值对虚拟同步发电机输出的无功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值；电压生成模块根据虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值和虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值确定虚拟同步发电机输出电压的参考值；电压电流控制模块跟随虚拟同步发电机输出电压的参考值；PWM调制模块输出驱动逆变器的斩波信号，并根据斩波信号控制逆变器。
参见图4，本发明实施例提供的抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法包括：
S210、瞬时功率计算模块11根据虚拟同步发电机输出电压u以及虚拟同步发电机输出电流i2，确定虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout和虚拟同步发电机无功功率的输出值Qout。
具体地，瞬时功率计算模块11可以采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法。可以采用功率控制器对有功功率的输出值和无功功率的输出值进行处理，得到虚拟同步发电机输出电压的参考值。
示例性的，可以根据以下公式确定虚拟同步发电机有功功率的输出值和虚拟同步发电机无功功率的输出值。在静止坐标系下：
其中，Pout表示虚拟同步发电机有功功率的输出值，Qout表示虚拟同步发电机无功功率的输出值，uα表示虚拟同步发电机输出电压在静止坐标系下α轴的分量，uβ表示虚拟同步发电机输出电压在静止坐标系下β轴的分量，i2α表示虚拟同步发电机输出电流i2在静止坐标系下α轴的分量，i2β表示虚拟同步发电机输出电流i2在静止坐标系下β轴的分量。
S220、数字低通滤波器反馈模块12接入虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout，输出虚拟同步发电机有功功率输出反馈信号至有功功率控制模块13。
S230、有功功率控制模块13根据虚拟同步发电机有功功率参考值Pref和经过改进反馈回路处理后的信号对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值θref。
具体地，有功功率控制模块13可以根据以下公式获得虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值：
Pref-Pout-Dp(ωm-ω0)＝Jω0s；
式中，Pref表示虚拟同步发电机有功功率的参考值，Pout表示虚拟同步发电机有功功率的输出值，Dp表示有功功率的下垂控制系数，J表示虚拟惯量，s表示拉普拉斯算子，ωm表示虚拟同步发电机的参考角频率，ω0为额定频率，θref表示虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值。
无功功率控制模块130还根据虚拟同步发电机无功功率参考值Qref和反馈的虚拟同步发电机无功功率的输出值Qout对虚拟同步发电机输出的无功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值Uref。
具体地，无功有功功率控制模块14可以根据以下公式得到虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值：
式中，Qref表示虚拟同步发电机无功功率的参考值，Qout表示虚拟同步发电机无功功率的输出值，Uref表示虚拟同步发电机输出电压的幅值的参考值，U0表示额定输出电压振幅，Uout表示虚拟同步发电机输出电压的采样值，D表示下垂系数，s表示拉普拉斯算子。
电压生成模块14可以根据以下公式确定虚拟同步发电机输出电压的参考值：
urefa＝Urefsin(θref)；
式中，urefa表示A相的虚拟同步发电机输出电压的参考值，urefb表示B相的虚拟同步发电机输出电压的参考值，urefc表示C相的虚拟同步发电机输出电压的参考值Uref表示虚拟同步发电机输出电压的幅值的参考值，θref表示虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值。
本发明实施例提供了一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统，其中，方法包括：瞬时功率计算模块根据虚拟同步发电机输出电压以及虚拟同步发电机输出电流，确定虚拟同步发电机有功功率的输出值和虚拟同步发电机无功功率的输出值；虚拟同步发电机有功功率输出值经过并联了数字低通滤波器反馈模块的改进反馈回路处理后产生反馈信号，并输出至有功功率控制模块；有功功率控制模块根据虚拟同步发电机有功功率参考值和反馈信号对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制。本发明通过在原有反馈回路中并联数字低通滤波器反馈模块，改变了原有虚拟同步发电机的功率反馈通道的传输特性，增加了虚拟同步发电机有功控制环路的相位裕度，解决了电网频率波动导致虚拟同步发电机的有功功率暂态振荡的问题，有效抑制了电网频率扰动时的有功功率暂态振荡；同时该控制方法不改变原有虚拟同步发电机的惯性支撑特性和下垂特性。
可选的，并联的数字低通滤波器反馈模块的传递函数满足如下关系：
其中，Gc为数字低通滤波器反馈模块的传递函数，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，s为拉普拉斯算子。
可选的，并联数字低通滤波器反馈模块之后，输出有功功率与输出频率之间的传递函数满足如下关系：
其中，P为虚拟同步发电机的输出有功功率，ωm为虚拟同步发电机的参考角频率，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，s为拉普拉斯算子，D为下垂系数，J为虚拟惯量系数，ω0为额定角频率，G1为控制器的传递函数。
在反馈通道中并联数字低通滤波器反馈模块后，输出频率与功率参考值之间的传递函数满足如下关系:
其中Gp2为虚拟同步发电机的输出角频率与所述有功功率参考值的传递函数，Δωm为虚拟同步发电机的输出角频率，ΔPref为虚拟同步发电机的输出功率参考值，G1为控制器的传递函数，G2为功率传输模块的传递函数，/>为低通滤波器反馈模块的传递函数，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，/>为积分环节，s为拉普拉斯算子。
有功功率控制模块13基于并网模式下有功功率参考值与输出角频率的传递函数采用以下公式计算并网模式下的频率变化率。
其中RoCoF为频率变化率，P为虚拟同步发电机的输出有功功率，J为虚拟惯量系数，ω0为虚拟同步发电机的额定角频率。
有功功率控制模块13根据并网模式下的频率变化率确定在并网模式下，并联数字低通滤波器反馈模块是否影响虚拟同步发电机系统的惯性支撑特性。
具体地，由公式②可知，频率变化率与反馈值无关，因此在并网模式下并联加入低通滤波器反馈模块不会影响虚拟同步发电机系统的惯性支撑特性。在不影响虚拟同步发电机系统的惯性支撑特性的情况下，有功功率控制模块130通过计算有功功率传递函数，调节有功功率传递函数的参数对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制。
本发明实施例提供的技术方案，通过判断并联数字低通滤波器反馈模块是否改变虚拟同步发电机的惯性支撑特性，在不影响惯性支撑特性和频率偏移特性的情况下，通过计算有功功率传递函数，调节有功功率传递函数的参数对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，进一步提升了虚拟同步发电机控制的稳定性。
可选的，电网角频率与输出有功功率的传递函数满足以下关系：
其中，P为虚拟同步发电机的输出有功功率，J为虚拟惯量系数，ωg为电网角频率，ω0为虚拟同步发电机的额定角频率，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，s为拉普拉斯算子，D为下垂系数，Xg虚拟同步发电机总的输出阻抗，Ug网侧电压幅值，E为逆变器输出的电压。
离网模式下虚拟同步发电机的输出角频率与有功功率参考值的传递函数满足如下公式：
其中Gpo2为虚拟同步发电机的输出角频率与有功功率参考值的传递函数，D为下垂系数，ΔP为虚拟同步发电机的输出有功功率小信号线性化。
基于离网模式下输出有功功率参考值与输出角频率的传递函数计算离网模式下的频率变化率。
具体地，采用以下公式计算离网模式下的频率变化率
其中RoCoF为频率变化率，P为虚拟同步发电机的输出有功功率，J为虚拟惯量系数，ω0为虚拟同步发电机的额定角频率。
根据离网模式下的频率变化率确定在离网模式下，并联数字低通滤波器反馈模块是否影响虚拟同步发电机系统的频率偏移特性。
本发明实施例提供的技术方案，通过判断并联数字低通滤波器反馈模块是否改变虚拟同步发电机的频率偏移特性，在不影响频率偏移特性的情况下，通过计算有功功率传递函数，调节有功功率传递函数的参数对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，进一步提升了虚拟同步发电机控制的稳定性。
示例性地，本发明实施例截止频率取8rad/s，传统虚拟同步发电机在截止频率为8rad/s时的相位裕度为20°。本发明实施例以典型二阶系统在最佳阻尼比ξ＝0.707时作为设计参照，此时相位裕度为45°，因此本发明实施例的截止频率取8rad/s时，理想的相位裕度PM*＝45°。本发明实施例所提供的参数为：
考虑电网频率波动时，网侧由于不具备惯性，在负载突变时网侧频率也将发生突变，值得注意的是，电网频率不会阶跃式的变化，因为整个系统中必然存在一些惯量支撑；而本发明实施例采用阶跃式工况来测试抗网侧频率扰动的能力，实现对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制。
图5为本发明实施例提供的一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统的功率传输模型，参见图5，ΔPref表示虚拟同步机有功功率的参考值，ΔP表示虚拟同步机有功功率的输出值，表示积分器的传递函数，Δωg表示网侧角频率。/>表示控制器的传递函数，/>表示虚拟同步发电机的功率传输模型的传递函数，/>表示数字低通滤波器反馈模块的传递函数，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，s为拉普拉斯算子。
图6为本发明实施例提供的当功率指令突变时，加入并联低通滤波器反馈模块前后有功功率暂态振荡曲线的对比图，参见图6，横坐标表示时间，纵坐标表示功率，1表示加入并联低通滤波器反馈模块前的有功功率暂态振荡曲线，2表示加入并联低通滤波器反馈模块后的有功功率暂态振荡曲线。
由图6可知，与加入并联低通滤波器反馈模块前的有功功率暂态振荡曲线相比，加入并联低通滤波器反馈模块后，功率指令突变为10kW时，功率响应无振荡环节，且无超调，调节时间约为1.5s，与传统虚拟同步发电机的超调量63％，调节时间3s相比，暂态性能提升明显。
图7为本发明实施例提供的当电网频率突变时，加入并联低通滤波器反馈模块前后有功功率暂态振荡曲线的对比图，参见图7，横坐标表示时间，纵坐标表示功率，1表示加入并联低通滤波器反馈模块前的有功功率暂态振荡曲线，2表示加入并联低通滤波器反馈模块后的有功功率暂态振荡曲线。
由图7可知，最终的稳态值与功率指令值不同，这是下垂系数D在频率变化之后的作用，稳态功率偏差与加入并联低通滤波器反馈模块前的有功功率相同，证明本发明实施例提供的参数设计不影响虚拟同步发电机的阻尼特性。与加入并联低通滤波器反馈模块前的有功功率暂态振荡曲线相比，加入低通滤波器反馈模块后，电网频率突降0.1Hz后，功率响应无振荡环节，且超调量仅为19％，调节时间约0.7s，与传统VSG的超调量75％，调节时间3s相比，暂态性能提升明显。
因此，本发明实施例提供的技术方案在不影响功率指令阶跃时虚拟同步发电机暂态性能的同时，有效抵御了电网频率扰动对虚拟同步发电机输出的有功功率暂态振荡的影响。
本发明实施例提供的技术方案，通过计算电网角频率与输出有功功率的传递函数，并根据电网角频率与输出有功功率的传递函数对虚拟同步发电机输出的有功功率，使得当电网频率波动时，有效抑制电网频率波动导致虚拟同步发电机的有功功率暂态振荡，进一步提升了电网运行的稳定性。
继续参见图3，本发明实施例提供了一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统的结构示意图，该系统包括：依次连接的瞬时功率计算模块11、有功功率控制模块13、无功功率控制模块14、电压生成模块15、电压电流控制模块16、PWM调制模块17和逆变器18；
数字低通滤波器反馈模块12并联在虚拟同步发电机的反馈回路中；
瞬时功率计算模块11接入虚拟同步发电机输出电压u以及虚拟同步发电机输出电流i2，功率计算模块用于根据虚拟同步发电机输出电压u以及虚拟同步发电机输出电流i2，确定虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout和虚拟同步发电机无功功率的输出值Qout；
数字低通滤波器反馈模块12接入虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout，输出虚拟同步发电机有功功率输出反馈信号至有功功率控制模块13，用于改变虚拟同步发电机的功率反馈通道的传输特性；其中数字低通滤波器反馈模块12与虚拟同步发电机的反馈回路属于并联关系；
有功功率控制模块13用于根据虚拟同步发电机有功功率参考值Pref和反馈的虚拟同步发电机有功功率的输出值Pout对虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值θref；
无功功率控制模块14还用于根据虚拟同步发电机无功功率参考值Qref和反馈的虚拟同步发电机无功功率的输出值Qout对虚拟同步发电机输出的无功功率进行控制，以得到虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值Uref；
电压生成模块15用于根据虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值θref和虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值Uref确定虚拟同步发电机输出电压的参考值uref；
电压电流控制模块16用于跟随虚拟同步发电机输出电压的参考值uref；
PWM调制模块17用于输出驱动逆变器18的斩波信号，并根据斩波信号控制逆变器18。
本发明实施例所提供的抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统可执行本发明任意实施例所提供的抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法及系统，其特征在于，包括：瞬时功率计算模块、数字低通滤波器反馈模块、有功功率控制模块、无功功率控制模块、电压生成模块、电压电流内环控制模块、PWM调制模块和逆变器；
所述瞬时功率计算模块接入虚拟同步发电机输出电压以及虚拟同步发电机输出电流，所述功率计算模块用于根据所述虚拟同步发电机输出电压以及所述虚拟同步发电机输出电流，确定所述虚拟同步发电机有功功率的输出值和所述虚拟同步发电机无功功率的输出值；
所述数字低通滤波器反馈模块接入所述虚拟同步发电机有功功率的输出值，并输出虚拟同步发电机有功功率反馈信号至所述有功功率控制模块，用于改变虚拟同步发电机的功率反馈通道的传输特性；其中所述数字低通滤波器反馈模块与虚拟同步发电机的反馈回路属于并联关系；
所述有功功率控制模块用于根据虚拟同步发电机有功功率参考值和经过改进反馈回路处理后的信号对所述虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，以得到所述虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值；
所述无功功率控制模块用于根据虚拟同步机无功功率参考值和反馈的所述虚拟同步机无功功率的输出值对所述虚拟同步机输出的无功功率进行控制，以得到所述虚拟同步机输出电压幅值的参考值；
所述电压生成模块用于根据所述虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值和所述虚拟同步机输出电压幅值的参考值确定所述虚拟同步发电机输出电压的参考值；
所述电压电流控制模块用于控制所述虚拟同步发电机的输出电压，使其跟随所述虚拟同步发电机输出电压的参考值；
所述PWM调制模块用于输出驱动所述逆变器的斩波信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述并联的数字低通滤波器反馈模块的传递函数满足如下关系：
其中，Gc为数字低通滤波器反馈模块的传递函数，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，s为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，并联所述数字低通滤波器反馈模块之后，输出有功功率与输出频率之间的传递函数满足如下关系：
其中，P为虚拟同步发电机的输出有功功率，ωm为虚拟同步发电机的参考角频率，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，s为拉普拉斯算子，D为下垂系数，J为虚拟惯量系数，ω0为额定角频率，G1为控制器的传递函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电网角频率与输出有功功率的传递函数满足以下关系：
其中，P为虚拟同步发电机的输出有功功率，J为虚拟惯量系数，ωg为电网角频率，ω0为虚拟同步发电机的额定角频率，β为相角幅值的参考值，α为电压幅值的参考值，s为拉普拉斯算子，D为下垂系数，Xg虚拟同步发电机总的输出阻抗，Ug网侧电压幅值，E为逆变器输出的电压。
5.根据权利要求1所述的基于拓展功率传输模块的虚拟同步发电机，其特征在于，所述瞬时功率计算模块根据以下公式确定所述虚拟同步发电机有功功率的输出值和所述虚拟同步发电机无功功率的输出值：
其中，Pout表示虚拟同步发电机有功功率的输出值，Qout表示虚拟同步发电机无功功率的输出值，uα表示虚拟同步发电机输出电压在静止坐标系下α轴的分量，uβ表示虚拟同步发电机输出电压在静止坐标系下β轴的分量，i2α表示虚拟同步发电机输出电流i2在静止坐标系下α轴的分量，i2β表示虚拟同步发电机输出电流i2在静止坐标系下β轴的分量。
6.根据权利要求1所述的基于拓展功率传输模块的虚拟同步发电机，其特征在于，有功功率控制模块根据以下公式得到所述虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值：
Pref-Pout-Dp(ωm-ω0)＝Jω0s；
式中，Pref表示虚拟同步发电机有功功率的参考值，Pout表示虚拟同步发电机有功功率的输出值，Dp表示有功功率的下垂控制系数，J表示虚拟惯量，s表示拉普拉斯算子，ωm表示虚拟同步发电机的参考角频率，ω0为额定频率，θref表示虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值。
7.根据权利要求1所述的基于拓展功率传输模块的虚拟同步发电机，其特征在于，无功功率控制模块根据以下公式得到所述虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值：
式中，Qref表示虚拟同步发电机无功功率的参考值，Qout表示虚拟同步发电机无功功率的输出值，Uref表示虚拟同步发电机输出电压的幅值的参考值，U0表示额定输出电压振幅，Uout表示虚拟同步发电机输出电压的采样值，Dq表示无功功率的下垂控制系数，s表示拉普拉斯算子。
8.根据权利要求1所述的基于拓展功率传输模块的虚拟同步发电机，其特征在于，电压生成模块根据以下公式确定所述虚拟同步发电机输出电压的参考值：
urefa＝Urefsin(θref)；
式中，urefa表示A相的虚拟同步发电机输出电压的参考值，urefb表示B相的虚拟同步发电机输出电压的参考值，urefc表示C相的虚拟同步发电机输出电压的参考值Uref表示虚拟同步发电机输出电压的幅值的参考值，θref表示虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值。
9.一种抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，用于执行权利要求1-8中任一所述的抵抗电网频率扰动的虚拟同步发电机控制方法，所述系统包括：依次连接的瞬时功率计算模块、有功功率控制模块、无功功率控制模块、电压生成模块、电压电流控制模块、PWM调制模块和逆变器；
数字低通滤波器反馈模块并联在所述虚拟同步发电机的反馈回路中；
所述瞬时功率计算模块接入虚拟同步发电机输出电压以及虚拟同步发电机输出电流，所述功率计算模块用于根据所述虚拟同步发电机输出电压以及所述虚拟同步发电机输出电流，确定所述虚拟同步发电机有功功率的输出值和所述虚拟同步发电机无功功率的输出值；
所述数字低通滤波器反馈模块接入所述虚拟同步发电机有功功率的输出值，输出虚拟同步发电机有功功率输出反馈信号至所述有功功率控制模块，用于改变虚拟同步发电机的功率反馈通道的传输特性；其中所述数字低通滤波器反馈模块与虚拟同步发电机的反馈回路属于并联关系；
所述有功功率控制模块用于根据虚拟同步发电机有功功率参考值和反馈的所述虚拟同步发电机有功功率的输出值对所述虚拟同步发电机输出的有功功率进行控制，以得到所述虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值；
所述无功功率控制模块还用于根据虚拟同步发电机无功功率参考值和反馈的所述虚拟同步发电机无功功率的输出值对所述虚拟同步发电机输出的无功功率进行控制，以得到所述虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值；
所述电压生成模块用于根据所述虚拟同步发电机输出电压相位角的参考值和所述虚拟同步发电机输出电压幅值的参考值确定所述虚拟同步发电机输出电压的参考值；
所述电压电流控制模块用于跟随所述虚拟同步发电机输出电压的参考值；
所述PWM调制模块用于输出驱动所述逆变器的斩波信号。
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