一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统技术方案

本发明专利技术属于电力电子装置控制技术领域，涉及一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统。首先获取虚拟同步发电机输出功率P

Power decoupling control method and system of virtual synchronous generator based on voltage feedforward compensation

The invention belongs to the technical field of power electronic device control, and relates to a power decoupling control method and system of virtual synchronous generator based on voltage feedforward compensation. First, obtain the output power P of virtual synchronous generator

【技术实现步骤摘要】
一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统
本专利技术属于电力电子装置控制
，更具体地，涉及一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统。
技术介绍
随着化石能源的逐渐枯竭，风能、太阳能等分布式能源受到了广泛的关注。近年来，国内建立了以电力电子变换器为接口的大型新能源电站，致使电力系统惯量降低，对电网稳定运行造成不利影响。传统同步电机具有对电网天然友好的优势，其转动惯量和阻尼特性能在维持电网稳定运行方面起重要作用。据此，学者提出了虚拟同步发电机的概念，虚拟同步机可实现与传统同步发电机在内部机理和外部特性上的等效。虚拟同步发电机是通过下垂控制实现对于有功功率和无功功率的控制，然而，下垂控制以功率解耦为前提，当虚拟同步机的输出阻抗不表现为纯感性时，有功和无功不能实现独立控制，会发生有功功率回路和无功功率回路之间的耦合。这对分布式电源的并网控制、有功无功的出力分配、系统的稳定运行等产生了不利影响。学术界认为线路感性成分越大越有利于解耦，故采用虚拟电感以获得感性主导的线路。然而，感性主导的线路并不意味着输出电压与电网电压之间的相位差非常小且其影响可忽略。长久以来人们对于虚拟电感在功率解耦中所起作用的认识并不充分，实际上，经研究发现虚拟电感的投入并非越大越好，且虚拟电感对功率耦合的改善能力有限，无法做到完全解耦。因此，针对虚拟同步发电机存在的功率耦合问题，本专利技术提出了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统，显著改善了有功分量与无功分量间的耦合影响，同时降低了对VSC的容量需求。
技术实现思路
针对现有技术中虚拟同步发电机的功率耦合会影响其输出功率的控制精度、动态响应以及系统稳定性的问题，提出了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法及系统，显著改善了有功功率回路和无功功率回路之间的耦合问题，缓解了电网无功缺额，降低了对逆变器的容量需求。本专利技术提供了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法，包括以下步骤：(1)获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和有功功率环给出的功角θ′，经派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，再根据虚拟同步发电机功率计算表达式得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；(2)给定无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压同时设定q轴初始参考电压(3)预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod；(4)根据d轴初始参考电压得到电压控制环参考指令根据q轴初始参考电压减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令(5)根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令。进一步地，步骤(1)中所述虚拟同步发电机功率计算表达式为：其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗。进一步地，所述无功功率环的惯性方程表达式为：有功功率环的惯性方程表达式为：其中Dq是无功功率环下垂系数，V为输出电压，Vn为额定电压，Jq为无功功率环惯性系数，Pref为有功功率参考值，Dp是有功功率环下垂系数，ωn为额定角频率，Jp为有功功率环惯性系数。进一步地，步骤(4)包括：(401)电压控制环参考指令和经电压控制环生成电流控制环参考指令和(402)电流控制环参考指令和经电流控制环生成SVPWM调制控制电压和(403)SVPWM调制控制电压和经SVPWM生成SVPWM驱动波。本专利技术还提供了一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制系统，包括：(1)输出功率获取模块：用于获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和有功功率环给出的功角θ′，经派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，根据虚拟同步发电机功率计算表达式得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；(2)参考电压生成模块；用于根据给定的无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg，再经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压同时设定q轴初始参考电压(3)前馈补偿模块：用于预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod，并利用所述前馈电压调整电压控制环参考指令；(4)SVPWM控制模块：用于根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令。进一步地，所述虚拟同步发电机功率计算表达式为：其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗。进一步地，所述无功功率环的惯性方程表达式为：有功功率环的惯性方程表达式为：进一步地，所述前馈补偿模块根据前馈电压调整电压控制环参考指令包括：根据d轴初始参考电压得到电压控制环参考指令根据q轴初始参考电压减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令进一步地，所述SVPWM控制模块生成SVPWM控制指令包括：电压控制环参考指令和经电压控制环生成电流控制环参考指令和电流控制环参考指令和经电流控制环生成SVPWM调制控制电压和SVPWM调制控制电压和经SVPWM生成SVPWM驱动波。本专利技术还提供了一种虚拟同步发电机，使用上述控制系统。本专利技术具有如下有益效果：(1)通过使用电压前馈补偿控制，改善了虚拟同步机d、q轴的耦合问题，该解耦控制方法显著改善了有功分量与无功分量间的耦合影响，降低了对VSC的容量需求。(2)采用三环控制，增大了系统阻尼，提高了系统的稳定性，使系统具有更大的稳定裕度，同时具备控制精度与跟踪性好等优点，取得了较强的鲁棒性和良好的动、静态性能。附图说明图1为根据本专利技术实施方式的虚拟同步发电机主拓扑及控制图；图2为根据本专利技术实施方式的虚拟同步发电机小信号模型的框图；图3为根据本专利技术实施方式的ΔPvsg和ΔQvsg之间关系的框图；图4为根据本专利技术实施方式的ΔPvsg和ΔQvsg关系的简化框图；图5为根据本专利技术实施方式的带电压前馈等效感抗的并网VSG系统的等效电路图；图6为采用虚拟电感进行解耦的拓扑图；图7为采用虚拟电感进行解耦的仿真结果；图8为根据本专利技术实施方式的Q轴电压前馈解耦仿真结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。首先对虚拟同步发电机的拓扑进行说明。参见图1，该拓扑包括三相电压源逆变器1、LCL滤波器2、电网3和虚拟同步发电机控制器4，其中虚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压V

【技术特征摘要】
1.一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取虚拟同步发电机三相输出滤波电容电压Vabc、三相网侧电感电流Ioabc、三相机侧电感电流Iabc和有功功率环给出的功角θ′，经派克变换得到Vdq、Iodq、Idq，再根据虚拟同步发电机功率计算表达式得到虚拟同步发电机输出功率Pvsg、Qvsg；
(2)给定无功功率参考值Qref，减去虚拟同步发电机输出的无功功率Qvsg经无功功率环的惯性方程获得d轴初始参考电压同时设定q轴初始参考电压
(3)预设电压前馈等效感抗Xv，生成前馈电压Xviod，其中iod通过所述派克变换得到；
(4)根据d轴初始参考电压得到电压控制环参考指令根据q轴初始参考电压减去前馈电压Xviod得到电压控制环参考指令
(5)根据电压控制环参考指令经电压控制环和电流控制环生成SVPWM控制指令。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述虚拟同步发电机功率计算表达式为：



其中V为输出电压，U为电网电压，θzg是网侧电感与电网线路阻感带来的阻抗角，θ是输出电压和电网电压之间的相位差，zg是电网等效阻抗。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无功功率环的惯性方程表达式为：有功功率环的惯性方程表达式为：其中Dq是无功功率环下垂系数，V为输出电压，Vn为额定电压，Jq为无功功率环惯性系数，Pref为有功功率参考值，Dp是有功功率环下垂系数，ωn为额定角频率，Jp为有功功率环惯性系数。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：
(401)电压控制环参考指令和经电压控制环生成电流控制环参考指令和
(402)电流控制环参考指令和经电流控制环生成SVPWM调制控制电压和
(403)SVPWM调制控制电压和经SVPWM生成SVPWM驱动波。


5.一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制系统，其特征在于，包括：
(1)输出功率获取模块：用于获取虚拟同步发电机三相输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹旭东，蒋秉辰，温提亮，江伟斌，吴伟标，郭祥，姜聪聪，彭敏强，郭超，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42