一种虚拟同步发电机的有功环控制方法、装置及电子设备与流程

1.本公开涉及电力系统技术领域，具体而言，涉及一种虚拟同步发电机的有功环控制方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.目前，随着新能源发电比例日益增加，但是在高渗透率下传统分布式电源并网逆变器具有响应速度快的特点，但因缺乏惯量和阻尼容易导致系统频率运行稳定性下降，为此提出了基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)概念的并网逆变器控制策略。vsg技术是在传统下垂控制基础上引入同步发电机(synchronous generator，sg)摇摆方程，使并网逆变器能够模拟sg暂态特性参与系统调频、调压，提供惯性支撑。当出现系统功率不平衡时，vsg可以利用虚拟惯量和阻尼减小自身频率波动，进一步提升系统稳定运行能力。
3.但是，采用vsg技术向系统提供惯量支撑不可避免会引入功频振荡问题，其中转动惯量和阻尼系数对有功环的影响尤为突出，当同步发电机受到输入有功指令阶跃扰动时，由于惯性作用，阶跃扰动下有功功率不会立刻稳定在目标有功功率处，而是从在一定的功率区域内摇摆，最终在阻尼作用下最终稳定在初始值，频率如同功率也会出现摇摆，系统会出现功频振荡现象，进而导致电力系统的稳定性降低。


技术实现要素：

4.本公开实施例至少提供一种虚拟同步发电机的有功环控制方法、装置及电子设备，可以有效抑制虚拟同步发电机系统的功频振荡现象，并且具有较高的鲁棒性。
5.本公开实施例提供了一种虚拟同步发电机的有功环控制方法，所述方法包括：
6.根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率特征方程；
7.根据所述角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定所述虚拟同步发电机对应的功频控制方程；
8.根据所述功频控制方程构建所述虚拟同步发电机对应的有功环控制模型；
9.获取所述虚拟同步发电机的输出有功功率；
10.将所述输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为所述有功环控制模型的输入，由所述有功环控制模型输出所述虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。
11.一种可选的实施方式中，所述根据所述角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定所述虚拟同步发电机对应的功频控制方程，具体包括：
12.获取所述虚拟同步发电机预设的目标输出角频率；
13.根据预设的状态量系数矩阵和误差反馈增益，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率跟踪误差方程，其中，所述角频率跟踪误差方程用于使所述虚拟同步发电机对应的输出角频率准确跟踪所述目标输出角频率的变化；
14.根据所述角频率跟踪误差方程、所述角频率特征方程、所述目标输出角频率以及预设的控制系数矩阵，确定所述虚拟同步发电机对应的功频特征方程，其中，所述功频特征方程中包括有集总扰动项；
15.根据预设的滤波器对应的单位脉冲响应，确定所述虚拟同步发电机对应的集总扰动方程；
16.利用所述集总扰动方程替换所述集总扰动项，确定所述功频控制方程。
17.一种可选的实施方式中，所述根据所述功频控制方程构建所述虚拟同步发电机对应的有功环控制模型，具体包括：
18.根据所述功频控制方程构建不确定性和扰动估计控制单元；
19.在所述不确定性和扰动估计控制单元之后依次设置积分控制单元以及比例控制单元，其中，所述比例控制单元为根据所述虚拟同步发电机对应的逆变器输出电压有效值、电网电压有效值以及等效阻抗有效值确定得到的；
20.将所述不确定性和扰动估计控制单元、所述积分控制单元以及所述比例控制单元确定为所述有功环控制模型。
21.一种可选的实施方式中，所述根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率特征方程，具体包括：
22.确定所述虚拟同步发电机对应的转动惯量、阻尼系数以及所述电网额定角频率；
23.根据所述转动惯量、所述阻尼系数以及所述电网额定角频率，确定所述角频率特征方程，其中，所述角频率特征方程用于反映所述虚拟同步发电机对应的角频率、所述虚拟同步发电机对应的机械功率与输出有功功率的差值之间的关系。
24.一种可选的实施方式中，所述根据预设的滤波器对应的单位脉冲响应，确定所述虚拟同步发电机对应的集总扰动方程，具体包括：
25.将所述单位脉冲响应与所述集总扰动项进行卷积运算，得到所述集总扰动方程。
26.一种可选的实施方式中，所述角频率跟踪误差方程对应的角频率跟踪误差值逐渐收敛至零；
27.所述滤波器采用一阶低通滤波器。
28.本公开实施例还提供一种虚拟同步发电机的有功环控制装置，所述装置包括：
29.第一确定模块，用于根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率特征方程；
30.第二确定模块，用于根据所述角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定所述虚拟同步发电机对应的功频控制方程；
31.构建模块，用于根据所述功频控制方程构建所述虚拟同步发电机对应的有功环控制模型；
32.获取模块，用于获取所述虚拟同步发电机的输出有功功率；
33.控制模块，将所述输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为所述有功环控制模型的输入，由所述有功环控制模型输出所述虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。
34.一种可选的实施方式中，所述第二确定模块具体用于：
35.获取所述虚拟同步发电机预设的目标输出角频率；
36.根据预设的状态量系数矩阵和误差反馈增益，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率跟踪误差方程，其中，所述角频率跟踪误差方程用于使所述虚拟同步发电机对应的输出角频率准确跟踪所述目标输出角频率的变化；
37.根据所述角频率跟踪误差方程、所述角频率特征方程、所述目标输出角频率以及预设的控制系数矩阵，确定所述虚拟同步发电机对应的功频特征方程，其中，所述功频特征方程中包括集总扰动项；
38.根据预设的滤波器对应的单位脉冲响应，确定所述虚拟同步发电机对应的集总扰动方程；
39.利用所述集总扰动方程替换所述集总扰动项，确定所述功频控制方程。
40.一种可选的实施方式中，所述构建模块具体用于：
41.根据所述功频控制方程构建不确定性和扰动估计控制单元；
42.在所述不确定性和扰动估计控制单元之后依次设置积分控制单元以及比例控制单元，其中，所述比例控制单元为根据所述虚拟同步发电机对应的逆变器输出电压有效值、电网电压有效值以及等效阻抗有效值确定得到的；
43.将所述不确定性和扰动估计控制单元、所述积分控制单元以及所述比例控制单元确定为所述有功环控制模型。
44.一种可选的实施方式中，所述第一确定模块具体用于：
45.确定所述虚拟同步发电机对应的转动惯量、阻尼系数以及所述电网额定角频率；
46.根据所述转动惯量、所述阻尼系数以及所述电网额定角频率，确定所述角频率特征方程，其中，所述角频率特征方程用于反映所述虚拟同步发电机对应的角频率、所述虚拟同步发电机对应的机械功率与输出有功功率的差值之间的关系。
47.一种可选的实施方式中，所述第二确定模块还用于：
48.将所述单位脉冲响应与所述集总扰动项进行卷积运算，得到所述集总扰动方程。
49.本公开实施例还提供一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行上述虚拟同步发电机的有功环控制方法，或上述虚拟同步发电机的有功环控制方法中任一种可能的实施方式中的步骤。
50.本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述虚拟同步发电机的有功环控制方法，或上述虚拟同步发电机的有功环控制方法中任一种可能的实施方式中的步骤。
51.本公开实施例提供的一种虚拟同步发电机的有功环控制方法、装置及电子设备，通过获取虚拟同步发电机的输出有功功率；根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定虚拟同步发电机对应的角频率特征方程；根据角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定虚拟同步发电机对应的功频控制方程；根据功频控制方程构建虚拟同步发电机对应的有功环控制模型；将输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为有功环控制模型的输入，由有功环控制模型输出虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。可以有效抑制虚拟同步发电机系统的功频振荡现象，并且具有较高的鲁棒性。
52.为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合
所附附图，作详细说明如下。
附图说明
53.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书中的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
54.图1示出了本公开实施例所提供的一种虚拟同步发电机主电路拓扑和控制结构的示意图；
55.图2示出了本公开实施例所提供的一种角频率根轨迹的示意图；
56.图3示出了本公开实施例所提供的一种有功功率闭环根轨迹的示意图；
57.图4示出了本公开实施例所提供的一种角频率响应特性曲线的示意图；
58.图5示出了本公开实施例所提供的一种有功功率响应特性曲线的示意图；
59.图6示出了本公开实施例所提供的一种虚拟同步发电机的有功环控制方法的流程图；
60.图7示出了本公开实施例所提供的一种有功环控制模型的结构示意图；
61.图8示出了本公开实施例所提供的一种有功指令扰动下角频率跟踪误差的波形示意图；
62.图9示出了本公开实施例所提供的一种有功指令扰动下角频率响应的波形示意图；
63.图10示出了本公开实施例所提供的一种电网频率扰动下角频率响应的波形示意图；
64.图11示出了本公开实施例所提供的一种有功指令扰动下有功功率响应的波形示意图；
65.图12示出了本公开实施例所提供的一种电网频率扰动下有功功率响应的波形示意图；
66.图13示出了本公开实施例所提供的一种虚拟同步发电机的有功环控制装置的示意图；
67.图14示出了本公开实施例所提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
68.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本公开实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
69.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
70.本文中术语“和/或”，仅仅是描述一种关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括a、b、c中的至少一种，可以表示包括从a、b和c构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
71.经研究发现，目前采用vsg技术向系统提供惯量支撑不可避免会引入功频振荡问题，其中转动惯量和阻尼系数对有功环的影响尤为突出，当同步发电机受到输入有功指令阶跃扰动时，由于惯性作用，阶跃扰动下有功功率不会立刻稳定在目标有功功率处，而是从在一定的功率区域内摇摆，最终在阻尼作用下最终稳定在初始值，频率如同功率也会出现摇摆，系统会出现功频振荡现象，进而导致电力系统的稳定性降低。
72.基于上述研究，本公开提供了一种虚拟同步发电机的有功环控制方法、装置及电子设备，通过获取虚拟同步发电机的输出有功功率和输出角频率；根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定虚拟同步发电机对应的角频率特征方程；根据角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定虚拟同步发电机对应的功频控制方程；根据功频控制方程构建虚拟同步发电机对应的有功环控制模型；将输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为有功环控制模型的输入，由有功环控制模型输出虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。可以有效抑制虚拟同步发电机系统的功频振荡现象，并且具有较高的鲁棒性。
73.为便于对本实施例进行理解，首先对本公开实施例所公开的一种虚拟同步发电机主电路拓扑和控制结构进行详细介绍，参见图1所示，为本公开实施例提供的一种虚拟同步发电机主电路拓扑和控制结构的示意图。
74.如图1中所示，虚拟同步发电机的直流侧电压可以直接由直流电源u
dc
来代替；e
abc
＝[e
a e
b ec]
t
，代表逆变器桥臂中点电压；u
abc
＝[u
a u
b uc]
t
，代表逆变器输出端电压；u
gabc
＝[u
ga u
gb u
gc
]
t
，代表电网电压；ls代表滤波电感；c代表滤波电容；r代表寄生电阻；i
labc
＝[i
la i
lb i
lc
]
t
，代表滤波电感电流；lg为线路电感；pe代表虚拟同步发电机的输出有功功率；qe代表虚拟同步发电机的输出无功功率。p
set
代表虚拟同步发电机的输入有功指令值；q
set
代表虚拟同步发电机的无功功率指令值；δ代表输出电压给定值的相位；em代表输出电压给定值的幅值。
[0075]
这里，vsg技术的控制原理是在传统下垂控制基础上引入了sg摇摆方程，使逆变器能够模拟sg暂态特性参与系统调频、调压，并向系统提供惯性支撑，提升系统的运行稳定性。
[0076]
在虚拟同步发电机的具体应用过程中，当虚拟同步发电机受到输入有功指令阶跃扰动时，系统会出现功频振荡现象，例如，当有功指令由p1阶跃到p2时，系统有功功率出现摇摆。由于惯性作用，阶跃扰动下有功功率不会立刻稳定在p2，而是从p1至p2之间的功率区域摇摆到大于p2的功率区域内。当达到最大值p3之后从p2至p3之间的功率区域往p1至p2之间的功率区域运动，如此往复，最终在阻尼作用下稳定在p2。基于相同原因，频率同样也会出现振荡现象，最终在阻尼的作用下稳定在初始值。
[0077]
进一步的，基于图1中所示的虚拟同步发电机主电路拓扑和控制结构的示意图，可以推导出基于有功指令阶跃的角频率响应和有功功率响应闭环传递函数分别为：
[0078][0079][0080]
其中，公式(1)为基于有功指令阶跃的角频率响应闭环传递函数，公式(2)为基于有功指令阶跃的有功功率响应闭环传递函数，pm代表机械功率；j代表转动惯量；d代表阻尼系数，在公式(2)中e代表逆变器输出电压有效值；u代表电网电压有效值；z代表等效阻抗有效值。
[0081]
进一步的，通过画出系统输出角频率和有功功率闭环传递函数根轨迹以及相应输入有功指令阶跃响应仿真波形，可以分析转动惯量和阻尼系数对功频振荡特性影响。参见图2、图3，图2为本公开实施例提供的一种角频率根轨迹的示意图；图3为本公开实施例提供的一种有功功率闭环根轨迹的示意图。
[0082]
如图2和图3所示，当额定容量设置为20kva时，d∈[5,25]，j∈[0.05,2]。随着转动惯量j增大，角频率和有功功率闭环极点逐渐靠近虚轴，系统稳定裕度较小，振荡加剧。而随着阻尼系数d增大，闭环极点逐渐远离虚轴，振荡减弱。
[0083]
进一步的，参见图4、图5，图4为本公开实施例提供的一种角频率响应特性曲线的示意图；图5为本公开实施例提供的一种有功功率响应特性曲线的示意图。
[0084]
如图4和图5所示，随着转动惯量j增大，角频率和有功功率超调量增大，调整时间变长，振荡加剧。而随着阻尼增大，超调量减小，调整时间缩短，振荡减弱。因此可以得出对系统功频振荡影响较大的因素主要包括转动惯量j和阻尼系数d。
[0085]
其次，对本公开实施例所公开的一种虚拟同步发电机的有功环控制方法进行详细介绍，本公开实施例所提供的虚拟同步发电机的有功环控制方法的执行主体一般为具有一定计算能力的计算机设备，该计算机设备例如包括：终端设备或服务器或其它处理设备，终端设备可以为用户设备(user equipment，ue)、移动设备、用户终端、终端、蜂窝电话、无绳电话、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、手持设备、计算设备、车载设备、可穿戴设备等。在一些可能的实现方式中，该虚拟同步发电机的有功环控制方法可以通过处理器调用存储器中存储的计算机可读指令的方式来实现。
[0086]
参见图6所示，为本公开实施例提供的一种虚拟同步发电机的有功环控制方法的流程图，所述方法包括步骤s601～s605，其中：
[0087]
s601、根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率特征方程。
[0088]
该步骤中，根据虚拟同步发电机的转子运动方程(摇摆方程)，确定反映虚拟同步发电机角频率与功率之间关系的角频率特征方程。
[0089]
在具体实施过程中，基于以下方法确定角频率特征方程：确定所述虚拟同步发电机对应的转动惯量、阻尼系数以及所述电网额定角频率；根据所述转动惯量、所述阻尼系数以及所述电网额定角频率，确定所述角频率特征方程，其中，所述角频率特征方程用于反映所述虚拟同步发电机对应的角频率、所述虚拟同步发电机对应的机械功率与输出有功功率的差值之间的关系。
[0090]
这里，虚拟同步发电机的转子运动方程(摇摆方程)为：
[0091][0092]
其中，tm代表机械转矩，tm＝pm/ω，pm代表机械功率；te代表电磁转矩，te＝pe/ω，pe代表电磁功率；δ代表电压相位角、ωn代表电网额定角频率；j代表转动惯量；d代表阻尼系数。vsg通过有功环控制输出有功功率，参与系统一次调频，为系统提供惯性支撑和阻尼系统振荡。
[0093]
进一步的，根据公式(3)可以推导出，虚拟同步发电机对应的角频率特征方程为：
[0094][0095]
这里，令ps＝p
m-pe，作为系统控制输入；角频率ω作为控制变量，上述公式(4)可以进一步简化为：
[0096][0097]
其中，多项式分母中的转动惯量j不为零，可以认为δω是有界的。
[0098]
s602、根据所述角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定所述虚拟同步发电机对应的功频控制方程。
[0099]
该步骤中，由于不确定性和扰动估计控制(uncertainty and disturbance estimator，ude)算法在解决因参数不确定性和外部扰动造成系统振荡问题方面具有明显优势，有着较强的系统鲁棒性，因此采用ude算法确定所述虚拟同步发电机对应的功频控制方程。
[0100]
这里，首先以一阶线性时不变系统为例，对ude控制理论的原理进行简要介绍，对应的一阶动态系统可以为：
[0101][0102]
其中，x＝(x1，
…
，xn，)
t
代表控制状态量；u(t)＝[u1(t),
…
,un(t)]
t
代表系统控制输入；a代表已知的状态量系数矩阵；f代表未知不确定的状态量系数矩阵；b代表控制系数矩阵，且满足列满秩；d(t)代表外部扰动。
[0103]
为了通过选择合适的控制输入u(t)，使得系统状态量x渐进跟踪参考模型状态量xm，进而实现状态误差逐渐收敛至0，因此，可以设置参考模型的表达式为：
[0104][0105]
其中，xm代表参考模型状态量；c(t)代表参考模型给定量；am代表参考模型的状态量系数矩阵；bm代表参考模型的控制系数矩阵。
[0106]
进一步的，状态误差e的公式可以表示为：
[0107]
e＝x
m-x
ꢀꢀ
(8)
[0108]
进一步的，选择合适的控制输入u(t)使得如下公式(9)成立：
[0109]
[0110]
其中，am＜0、k＜0；k代表误差反馈增益。
[0111]
进一步的，将公式(6)至公式(9)进行联立，可以得到：
[0112]am
x bmc(t)-ax-fx-bu(t)-d(t)＝ke
ꢀꢀ
(10)
[0113]
根据公式(10)可以将控制输入u(t)表示为：
[0114]
u(t)＝b

[amx bmc(t)-ax-fx-d(t)-ke]
ꢀꢀ
(11)
[0115]
其中，b 代表控制系数矩阵b的伪逆矩阵，b

＝(b
t
b)-1bt
。
[0116]
这里，为满足状态误差逐渐收敛至0，因此根据上述公式(11)可知需要满足如下公式(12)成立：
[0117]
[i-bb

][amx bmc(t)-ax-fx-d(t)-ke]＝0
ꢀꢀ
(12)
[0118]
其中，如果b可逆，则上述公式(12)成立。若b不可逆，则可以通过选择合适参考模型和误差反馈增益来实现。
[0119]
进一步的，将上述公式(11)通过拉普拉斯变换转换到s域，可以得到如下公式(13)：
[0120]
u(s)＝b

[amx(s) bmc(s)-ax(s)-ke(s)] b

[-fx(s)-d(s)]
ꢀꢀ
(13)
[0121]
由公式(13)可知：
[0122]
ud(s)＝b

[-fx(s)-d(s)]
ꢀꢀ
(14)
[0123]
进一步的，由于ude核心思想是将系统中的不确定性和扰动等效为集总扰动，用具有合适带宽的滤波器来估计该集总扰动。因此，若存在具有单位增益的滤波器gf(s)具有合适的带宽，那么ude可以表示为：
[0124]
ude＝b

[-fx(s)-dx(s)]gf(s)
ꢀꢀ
(15)
[0125]
由此，基于公式(6)至公式(15)可知，基于ude的控制规律可以表示为：
[0126]
u(s)＝b

[amx(s) bmc(s)-ax(s)-ke(s)] ude
ꢀꢀ
(16)
[0127]
将公式(16)与公式(15)联立，可得到：
[0128]
u(s)＝(i-b

bgf(s))-1b
[amx bmc-ke-ax(1-gf(s))-sgf(s)x]
ꢀꢀ
(17)
[0129]
这样，由上述描述可知，ude控制策略的控制规律可以表示为公式(17)的形式。
[0130]
进一步的，将公式(6)至公式(15)所描述的ude控制算法应用至确定虚拟同步发电机对应的功频控制方程，其具体过程可以为：获取所述虚拟同步发电机预设的目标输出角频率；根据预设的状态量系数矩阵和误差反馈增益，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率跟踪误差方程，其中，所述角频率跟踪误差方程用于使所述输出角频率准确跟踪所述目标输出角频率的变化；根据所述角频率跟踪误差方程、所述角频率特征方程、所述目标输出角频率以及预设的控制系数矩阵，确定所述虚拟同步发电机对应的功频特征方程，其中，所述功频特征方程中包括有集总扰动项；根据预设的滤波器对应的单位脉冲响应，确定所述虚拟同步发电机对应的集总扰动方程；利用所述集总扰动方程替换所述集总扰动项，确定所述功频控制方程。
[0131]
具体的，由步骤s601可知虚拟同步发电机对应的角频率特征方程可以简化为公式(6)的形式，因此，基于ude控制算法，需要选择合适的控制输入ps使得虚拟同步发电机的输出角频率ω能够精确的跟踪输入指令ω
ref
，也就是预设的目标输出角频率的变化。因此，根据公式(9)可以将跟踪误差e
ω
＝ω
ref-ω对应的角频率跟踪误差方程表示为：
[0132]
[0133]
其中，am代表预设的控制系数矩阵；kω代表误差反馈增益，并且角频率跟踪误差值e
ω
最终可以逐渐收敛至0，因此公式(18)表示的角频率跟踪误差方程是渐进稳定的。
[0134]
进一步的，将公式(5)与公式(18)进行联立可以得到：
[0135][0136]
进一步的针对公式(19)进行整理可以得到虚拟同步发电机对应的功频特征方程，即控制输入ps需满足：
[0137][0138]
其中，c为角频率设定值，δω作为集总扰动项，由系统内部参数的不确定性和系统未知的外部扰动两部分组成。
[0139]
进一步的，选择合适的带宽滤波器对集总扰动进行估计，基于ude的集总扰动方程可以用如下公式(21)来表达：
[0140][0141]
这里，将所述单位脉冲响应与所述集总扰动项进行卷积运算，得到所述集总扰动方程。
[0142]
其中，*为卷积符号，gf为滤波器gf(s)的单位脉冲响应，gf(s)需要严格真分稳定且具有合适的带宽。
[0143]
进一步的，将公式(20)中的集总扰动项δω用公式(21)进行替换，经过整理后可得到：
[0144][0145]
这里，将包含转动惯量、阻尼系数、输入有功指令以及电网频率等影响功频振荡的不确定性和外部扰动用集总扰动来代替，并通过选择合适的滤波器对集总扰动进行估计。由于影响功频振荡的不确定性和外部干扰多为低频范围，因此本实施方式中选择一阶低通滤波器gf(s)。
[0146]
针对一阶低通滤波器gf(s)，其为对应的单位脉冲响应gf的拉普拉斯变换，gf(s)可以表示为：
[0147][0148]
其中，t＝1/ωf，t代表响应时间常数；ωf为系统中集总扰动频带上限。当ω《ωf时，滤波器保持单位增益。而当ω》ωf时，增益衰减为0。
[0149]
进一步的，将公式(22)与公式(23)进行联立，可以得到虚拟同步发电机对应的功频控制方程：
[0150][0151]
这样，公式(24)中已经不包含不确定性和未知扰动项。
[0152]
s603、根据所述功频控制方程构建所述虚拟同步发电机对应的有功环控制模型。
[0153]
该步骤中，根据公式(24)建立虚拟同步发电机的有功环控制结构，当集总干扰δω有界，滤波器gf(s)为严格真分稳定且在δω的频带内保持单位输出增益而在其他范围增益衰减到0，则虚拟同步发电机的有功环控制结构是有界稳定的。
[0154]
作为一种可能的实施方式，参见图7，图7为本公开实施例提供的一种有功环控制模型的结构示意图。
[0155]
具体的，根据所述功频控制方程构建不确定性和扰动估计控制单元；在所述不确定性和扰动估计控制单元之后依次设置积分控制单元以及比例控制单元，其中，所述比例控制单元为根据所述虚拟同步发电机对应的逆变器输出电压有效值、电网电压有效值以及等效阻抗有效值确定得到的；将所述不确定性和扰动估计控制单元、所述积分控制单元以及所述比例控制单元确定为所述有功环控制模型。
[0156]
如图7中所示，积分控制单元为1/s；比例控制单元为se，其中，比例控制单元为se可以根据上述公式(2)确定。
[0157]
这里，通过调节参考模型、误差反馈增益k
ω
以及滤波器gf(s)参数来保证渐进稳定跟踪，以获得足够高的稳态调节精度。由于滤波器带宽选取需大于集总扰动带宽并兼顾系统跟踪目标能力的要求，在实际应用过程中可以选取一阶低通滤波器截止频率ωf＝20π，k
ω
作为期望误差阶跃响应的带宽，其值应该小于ωf。设置参考模型参数c＝100π，|am|＝|bm|。
[0158]
作为一种可能的实施方式，有功环控制模型的参数设置可以如下表1中所示：
[0159]
表1基于ude的有功环控制模型参数
[0160]
参数数值参数数值ωf/rad
·
s-1
20πam-0.02k
ω-0.08bm0.02
[0161]
s604、获取所述虚拟同步发电机的输出有功功率和输出角频率。
[0162]
该步骤中，获取虚拟同步发电机的输出有功功率pe以及输出角频率ω。
[0163]
s605、将所述输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为所述有功环控制模型的输入，由所述有功环控制模型输出所述虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。
[0164]
该步骤中，将所述输出有功功率pe与预设的目标输入有功功率p
set
的差值作为所述有功环控制模型的输入，由所述有功环控制模型输出所述虚拟同步发电机对应的输出电压相位角δ。
[0165]
具体的，有功环控制模型可以位于如图1中所示虚拟同步发电机控制结构中的虚拟同步及控制模块，由有功环控制模型输出的输出电压相位角δ输入至如图1中所示虚拟同步发电机控制结构中的电压电流双环控制环节，由不确定性和扰动估计控制单元输出的输出角频率ω以及由输出电压相位角δ经过比例环节输出的输出有功功率pe负反馈回到有功环控制模型的输入处进行循环，不断补偿跟踪误差e
ω
，使角频率跟踪误差e
ω
逐渐收敛至0。
[0166]
作为一种可能的实施方式，本技术实施例基于matlab/simulink软件平台搭建了
单台20kw虚拟同步机并网仿真模型，具体参数如下表2所示：
[0167]
表2虚拟同步发电机仿真参数
[0168][0169][0170]
这里，对比仿真测试中取j＝0.05，d＝25，仿真时间设置为1s。分别设置输入有功指令阶跃扰动和电网频率扰动，具体仿真操作如下：(1)逆变器正常并网后，0.5s时刻设置输入有功功率指令阶跃下降至15kw，并在0.7s时刻恢复到20kw，输入无功功率指令值设置为0。(2)逆变器正常并网后，0.5s时刻设置电网频率阶跃上升至50.2hz，并在0.7s时刻恢复到50hz，输入无功功率指令值设置为0。
[0171]
参见图8，图8为本公开实施例提供的一种有功指令扰动下角频率跟踪误差的波形示意图。
[0172]
这里，如图8中所示，在有功指令阶跃扰动下，角频率仅在扰动瞬间有0.72rad/s的差值，而在其他时刻保持差值为0。
[0173]
参见图9、图10，图9为本公开实施例提供的一种有功指令扰动下角频率响应的波形示意图；图10为本公开实施例提供的一种电网频率扰动下角频率响应的波形示意图。
[0174]
这里，如图9中所示，有功指令阶跃扰动下，角频率传统控制下第一摆的最大幅值为1.25rad/s，采用文中所提方法第一摆最大幅值为0.72rad/s，差值为0.53rad/s，即输出角频率振荡幅度明显减小，并很快维持在初始值。同时在积分项的作用下，暂态调整过程明显缩短，系统动态性能得到提升。
[0175]
进一步的，如图10中所示，电网频率扰动下传统控制下第一摆的最大幅值为0.51rad/s，采用本文中所提方法第一摆最大幅值为0.19rad/s，差值为0.32rad/s。输出角频率振荡幅度相比传统控制明显减小，暂态调整过程缩短。
[0176]
参见图11、图12，图11为本公开实施例提供的一种有功指令扰动下有功功率响应的波形示意图；图12为本公开实施例提供的一种电网频率扰动下有功功率响应的波形示意图。
[0177]
这里，如图11中所示，在有功指令阶跃扰动下，有功功率传统控制下第一摆处最大幅值为2052w，采用本文中所提方法第一摆最大幅值为774w，差值为1278w。输出有功功率振荡幅度明显减小，暂态调整过程缩短。在输出角频率几乎不变情况下，控制输入也保持不变，使得有功输出pe能够快速的跟随指令变化并保持一致。
[0178]
进一步的，如图12中所示，在电网频率扰动下系统会不断调整控制输入，来提升输出角频率的稳定性。虽然输出有功功率不再与有功指令值保持一致，但是其在第一摆处最
大振荡幅度仅为1.32kw，依然比传统控制更小，暂态调整过程更短。
[0179]
本公开实施例提供的一种虚拟同步发电机的有功环控制方法，通过获取虚拟同步发电机的输出有功功率和输出角频率；根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定虚拟同步发电机对应的角频率特征方程；根据角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定虚拟同步发电机对应的功频控制方程；根据功频控制方程构建虚拟同步发电机对应的有功环控制模型；将输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为有功环控制模型的输入，由有功环控制模型输出虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。可以有效抑制虚拟同步发电机系统的功频振荡现象，并且具有较高的鲁棒性。
[0180]
本领域技术人员可以理解，在具体实施方式的上述方法中，各步骤的撰写顺序并不意味着严格的执行顺序而对实施过程构成任何限定，各步骤的具体执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。
[0181]
基于同一发明构思，本公开实施例中还提供了与虚拟同步发电机的有功环控制方法对应的虚拟同步发电机的有功环控制装置，由于本公开实施例中的装置解决问题的原理与本公开实施例上述虚拟同步发电机的有功环控制方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
[0182]
请参阅图13，图13为本公开实施例提供的一种虚拟同步发电机的有功环控制装置的示意图。如图13中所示，本公开实施例提供的有功环控制装置1300包括：第一确定模块1310；第二确定模块1320；构建模块1330；获取模块1340；控制模块1350。
[0183]
第一确定模块1310，用于根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率特征方程；
[0184]
第二确定模块1320，用于根据所述角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定所述虚拟同步发电机对应的功频控制方程；
[0185]
构建模块1330，用于根据所述功频控制方程构建所述虚拟同步发电机对应的有功环控制模型；
[0186]
获取模块1340，用于获取所述虚拟同步发电机的输出有功功率和输出角频率；
[0187]
控制模块1350，用于将所述输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为所述有功环控制模型的输入，由所述有功环控制模型输出所述虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。
[0188]
可选的，所述第二确定模块1320具体用于：
[0189]
获取所述虚拟同步发电机预设的目标输出角频率；
[0190]
根据预设的状态量系数矩阵和误差反馈增益，确定所述虚拟同步发电机对应的角频率跟踪误差方程，其中，所述角频率跟踪误差方程用于使所述输出角频率准确跟踪所述目标输出角频率的变化；
[0191]
根据所述角频率跟踪误差方程、所述角频率特征方程、所述目标输出角频率以及预设的控制系数矩阵，确定所述虚拟同步发电机对应的功频特征方程，其中，所述功频特征方程中包括集总扰动项；
[0192]
根据预设的滤波器对应的单位脉冲响应，确定所述虚拟同步发电机对应的集总扰动方程；
[0193]
利用所述集总扰动方程替换所述集总扰动项，确定所述功频控制方程。
[0194]
可选的，所述构建模块1330具体用于：
[0195]
根据所述功频控制方程构建不确定性和扰动估计控制单元；
[0196]
在所述不确定性和扰动估计控制单元之后依次设置积分控制单元以及比例控制单元，其中，所述比例控制单元为根据所述虚拟同步发电机对应的逆变器输出电压有效值、电网电压有效值以及等效阻抗有效值确定得到的；
[0197]
将所述不确定性和扰动估计控制单元、所述积分控制单元以及所述比例控制单元确定为所述有功环控制模型。
[0198]
可选的，所述第一确定模块1310具体用于：
[0199]
确定所述虚拟同步发电机对应的转动惯量、阻尼系数以及所述电网额定角频率；
[0200]
根据所述转动惯量、所述阻尼系数以及所述电网额定角频率，确定所述角频率特征方程，其中，所述角频率特征方程用于反映所述虚拟同步发电机对应的角频率、所述虚拟同步发电机对应的机械功率与输出有功功率的差值之间的关系。
[0201]
可选的，所述第二确定模块1320还用于：
[0202]
将所述单位脉冲响应与所述集总扰动项进行卷积运算，得到所述集总扰动方程。
[0203]
关于装置中的各模块的处理流程、以及各模块之间的交互流程的描述可以参照上述方法实施例中的相关说明，这里不再详述。
[0204]
本公开实施例提供的一种虚拟同步发电机的有功环控制装置，通过获取虚拟同步发电机的输出有功功率和输出角频率；根据虚拟同步发电机的转子运动方程，确定虚拟同步发电机对应的角频率特征方程；根据角频率特征方程，基于不确定性和扰动估计控制算法确定虚拟同步发电机对应的功频控制方程；根据功频控制方程构建虚拟同步发电机对应的有功环控制模型；将输出有功功率与预设的目标输入有功功率的差值作为有功环控制模型的输入，由有功环控制模型输出虚拟同步发电机对应的输出电压相位角。可以有效抑制虚拟同步发电机系统的功频振荡现象，并且具有较高的鲁棒性。
[0205]
对应于图6中的虚拟同步发电机的有功环控制方法，本公开实施例还提供了一种电子设备1400，如图14所示，为本公开实施例提供的电子设备1400的结构示意图，包括：
[0206]
处理器141、存储器142、和总线143；存储器142用于存储执行指令，包括内存1421和外部存储器1422；这里的内存1421也称内存储器，用于暂时存放处理器141中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器1422交换的数据，处理器141通过内存1421与外部存储器1422进行数据交换，当所述电子设备1400运行时，所述处理器141与所述存储器142之间通过总线143通信，使得所述处理器141执行图6中的定位检测方法的步骤。
[0207]
本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法实施例中所述的虚拟同步发电机的有功环控制方法的步骤。其中，该存储介质可以是易失性或非易失的计算机可读取存储介质。
[0208]
其中，上述计算机程序产品可以具体通过硬件、软件或其结合的方式实现。在一个可选实施例中，所述计算机程序产品具体体现为计算机存储介质，在另一个可选实施例中，计算机程序产品具体体现为软件产品，例如软件开发包(software development kit，sdk)等等。
[0209]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置
的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0210]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0211]
另外，在本公开各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0212]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0213]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。