本发明专利技术公开了一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统，属于并网逆变器控制技术领域，所述方法包括：基于传统VSG系统引入VR的主电路拓扑和控制结构，进而获取VSG完全解耦判断条件，并对其进行分析和简化得到完全解耦近似判断条件；利用完全解耦近似判断条件构建PI控制器负反馈回路，最终进行动态虚拟电阻的PI控制，实现虚拟同步机的功率解耦。本方案无需获取线路阻抗特征信息，便可实现自适应调节，实用性强；能够保证VSG具备好的解耦性能，增强VSG的鲁棒性。此外，具备更强的无功波动抑制能力和更小的无功功率稳态误差，解耦能力更强，且解耦能力对功率变化不敏感。且解耦能力对功率变化不敏感。且解耦能力对功率变化不敏感。
【技术实现步骤摘要】
一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统
[0001]本专利技术属于并网逆变器控制
，更具体地，涉及一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统。
技术介绍
[0002]并网逆变器(GCC)作为可再生分布式发电系统中的关键电力电子设备，受到了广泛的关注。其中，虚拟同步机(VSG)控制通过模拟同步发电机实现有功功率频率控制和无功功率电压控制，无需锁相环，并且可通过虚拟惯性链路提高对电网电压和频率的支持，因此被深入研究。
[0003]有功回路与无功回路之间存在耦合关系是VSG控制在并网时的一个关键问题。一方面，中低压电网线路阻抗比(R/X)大，导致功率耦合强，虚拟惯性环节引起的振荡可能从有功环路耦合到无功环路，使GCC的动态性能和稳定性恶化。另一方面，由于功率耦合的存在，GCC需要无功功率来支撑有功功率，导致有功功率达不到额定值，甚至系统不能稳定运行。
[0004]针对上述功率耦合问题，目前的解决方案主要包括两类:(1)改进VSG控制回路以满足相应的线路阻抗特性；(2)通过虚拟阻抗方法改变GCC的外部阻抗，以满足VSG控制的要求。
[0005]第一类方法如文献“Power Management of Inverter Interfaced Autonomous Microgrid Based on Virtual Frequency
‑
Voltage Frame”等方案在2011年之前研究较多，目前很少被讨论与应用，究其原因是该类方法需要已知电网阻抗的精确信息，包括线路阻抗值和线路阻抗角度，但是这类信息在实际应用中很难获取。
[0006]第二类方法主要通过减小R/X从而实现功率解耦目的。目前虚拟阻抗方法的相关方案主要集中在虚拟电感(VI)方案上，包括“Power Coupling Mechanism Analysis and Improved Decoupling Control for Virtual Synchronous Generator”的q轴电压降功率解耦控制(QVPDC)、“Enhancement of Power Decoupling for Virtual Synchronous Generator:A Virtual Inductor and Virtual Capacitor Approach”的虚拟电感虚拟电容(VIVC)等实现方案，但这些方案也无法完全摆脱需要已知电网阻抗信息的缺陷，仅能实现在已知阻抗信息条件下的部分解耦能力，或存在解耦能力对功率变化敏感等问题。
技术实现思路
[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种虚拟同步机的功率解耦方法和控制系统，其目的在于通过在虚拟同步机VSG的功率解耦控制部分中引入虚拟电阻，在并网条件下自动识别电网线路阻抗特征，并根据特征动态调整虚拟电阻值，从而实现VSG的近似完全功率解耦效果，改善系统的动态性能和减小输出无功功率的稳态误差，由此解决现有的虚拟同步机解耦能力差和效率低的技术问题。
[0008]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种虚拟同步机的功率解耦方
法，包括：
[0009]S1：在虚拟同步机VSG的功率解耦控制部分中引入虚拟电阻，修正VSG的输出参考电压，得到VSG等效电路控制模型；
[0010]S2：计算所述VSG等效电路控制模型对应的小信号数学模型，获取所述小信号数学模型对应的相对增益矩阵和完全解耦条件；
[0011]S3：分析所述完全解耦条件中的已知量与未知量，采用所述未知量的相关已知量替代所述未知量，获得可行的完全解耦近似判断条件；
[0012]S4：获取所述虚拟电阻的取值与所述完全解耦近似判断条件之间的关系，以构建PI控制器负反馈回路；利用所述PI控制器负反馈回路进行动态虚拟电阻的PI控制，实现虚拟同步机的功率解耦。
[0013]在其中一个实施例中，所述S1包括：
[0014]S11：在VSG的功率解耦控制部分中引入所述虚拟电阻，修正VSG的输出参考电压的幅值和相位；
[0015]利用表征所述VSG等效电路控制模型的功率关系；
[0016]其中，P
vsg
为并网有功功率，P
’
vsg
为虚拟有功功率，R
v
为虚拟电阻，i0为输出电流；Q
vsg
为并网无功功率，Q
’
vsg
为虚拟无功功率。
[0017]S12：dq坐标系下修正VSG后的输出电压参考值表示为：
[0018][0019]其中，V'为虚拟电压值，上标ref表示改变量为参考值，下标d、q表示该变量在dq轴上分量，i
o_d
表示d轴上的输出电流分量。
[0020]在其中一个实施例中，所述S2包括：
[0021]S21：利用所述VSG并网等效电路模型计算对应的小信号数学模型，所述小信号模型的输出分别为有功功率P、无功功率Q，输入分别为虚拟电压V'和角度θ'；所述小信号模型表示为：其中，
[0022][0023]ΔP表示有功功率的小信号；ΔQ表示无功功率的小信号；k
11
、k
12
、k
21
、k
22
表示中间变量；V0'表示虚拟电压幅值；U
g
表示电网电压；Z
t
表示整体输出阻抗幅值；θ
zt
表示整体输出阻抗相角；θ0'表示虚拟电压相角；R
v
表示虚拟电阻；
[0024]S22：计算所述小信号模型的相对增益矩阵，利用所述相对增益矩阵选取所述完全解耦条件；
[0025]所述相对增益矩阵表示为：
[0026][0027]所述完全解耦条件表示为：θ0+θ
zt
＝90
°
。
[0028]在其中一个实施例中，将所述完全解耦条件简化为：U
g
＝V'cosθ，U
g
表示为电网电压，V'表示为VSG有功回路，θ表示为dq轴旋转角度，θ'表示无功回路输出量。
[0029]在其中一个实施例中，所述S3包括：
[0030]S31：分析所述完全解耦条件U
g
＝V'cosθ中的无法直接采样量θ；
[0031]S32：采用所述相关已知量θ'
‑
θ替代θ，得到所述完全解耦近似判断条件U
g
＝V'cos(θ'
‑
θ)；
[0032]S33：分析所述完全解耦近似判断条件U
g
＝V'cos(θ'
‑
θ)的可行性，若可行利用其执行所述S4。
[0033]在其中一个实施例中，所述S33包括：
[0034]分析所述完全解耦近似判断条件U
g
＝V'cos(θ'
‑
θ)的耦合系数误差与根轨迹，验证其可行本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，包括：S1：在虚拟同步机VSG的功率解耦控制部分中引入虚拟电阻，修正VSG的输出参考电压，得到VSG等效电路控制模型；S2：计算所述VSG等效电路控制模型对应的小信号数学模型，获取所述小信号数学模型对应的相对增益矩阵和完全解耦条件；S3：分析所述完全解耦条件中的已知量与未知量，采用所述未知量的相关已知量替代所述未知量，获得可行的完全解耦近似判断条件；S4：获取所述虚拟电阻的取值与所述完全解耦近似判断条件之间的关系，以构建PI控制器负反馈回路；利用所述PI控制器负反馈回路进行动态虚拟电阻的PI控制，实现虚拟同步机的功率解耦。2.如权利要求1所述的虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，所述S1包括：S11：在VSG的功率解耦控制部分中引入所述虚拟电阻，修正VSG的输出参考电压的幅值和相位；利用表征所述VSG等效电路控制模型的功率关系；其中，P
vsg
为并网有功功率，P
′
vsg
为虚拟有功功率，R
v
为虚拟电阻，i0为输出电流；Q
vsg
为并网无功功率，Q
′
vsg
为虚拟无功功率。S12：将dq坐标系下修正VSG后的输出电压参考值表示为：其中，V
′
为虚拟电压值，上标ref表示改变量为参考值，下标d、q表示该变量在dq轴上分量，i
o_d
表示d轴上的输出电流分量，i
o_q
表示在q轴上的输出电流分量，V
o_d
表示d轴上的输出电压分量，V
o_q
表示在q轴上的输出电压分量。3.如权利要求2所述的虚拟同步机的功率解耦方法，其特征在于，所述S2包括：S21：利用所述VSG并网等效电路模型计算对应的小信号数学模型，所述小信号模型的输出分别为有功功率P、无功功率Q，输入分别为虚拟电压V'和角度θ'；所述小信号模型表示为：其中，
ΔP表示有功功率的小信号；ΔQ表示无功功率的小信号；k
11
、k
12
、k
21
、k
22
表示中间变量；V0'...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹泉，鞠槟檑，付予齐，尹琪琛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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