一种虚拟同步机的功率解耦控制方法、装置及系统

1.本发明属于新能源发电技术领域，更具体地，涉及一种虚拟同步机的功率解耦控制方法、装置及系统。


背景技术：

2.随着新能源在电网中渗透率的不断提高，高比例电力电子化装备可能带来低惯量问题，进一步威胁电力系统的安全性和可靠性。因此，虚拟同步机(virtual synchronous generator，vsg)控制凭借可以模仿同步发电机的惯性、阻尼特性，受到广泛关注。但是，该控制方法由于自身控制结构原因，存在固有的功率耦合问题，即有功控制环与无功控制环之间的相互作用。这种耦合作用不仅会影响vsg自身的动态性能，还会恶化多机间的功率均分，引发更多系统稳定性问题。
3.目前解决功率耦合问题广泛应用的是基于虚拟阻抗的解耦法。传统的虚拟阻抗法主要使得等效输出阻抗呈感性，有利于保留与传统同步机类似的p-f，q-v解耦特性，比如采用虚拟电感、虚拟负阻抗来抵消系统阻抗中的阻性成分。但以上研究仅关注了线路阻抗角带来的耦合影响，而在实际应用场景中，功角的变化也会对功率耦合产生重要影响。
4.基于此，有一些改进的虚拟阻抗法的研究工作，例如：文献[1]提出采用自适应虚拟阻抗来实现功率解耦，利用变化的虚拟阻抗来实时补偿功角带来的影响。文献[2]提出利用虚拟阻抗实现阻抗角解耦,再叠加电流前馈补偿方法来实现功角解耦，但该方法依赖于实时准确的频率来设计相关参数。文献[3]揭示功率耦合问题可以用d、q轴电流表征，并首次提出将虚拟阻抗引入到功率环中来改进无功环，实现电压静差的补偿。文献[4]揭示虚拟电感可以解耦的本质原因源于电压补偿，并提出了一种基于q轴压降的功率解耦控制方法(qvpdc)来进一步降低功率耦合。
[0005]
相关文献的索引信息如下：
[0006]
[1]屈子森,蔡云旖,杨欢,董宁波,赵荣祥,韩俊飞.基于自适应虚拟阻抗的虚拟同步机功率解耦控制策略[j].电力系统自动化,2018,42(17):58-66.
[0007]
[2]李明烜,王跃,徐宁一,周晖,雷万钧.松弛小功角约束条件的虚拟同步发电机功率解耦策略[j].电力系统自动化,2018,42(9):59-68.
[0008]
[3]李旭枫,陆立民,成乐祥,王建华,吕志鹏,李文兵,等.基于自适应虚拟阻抗改进无功环路的虚拟同步功率解耦控制策略[j].电网技术,2019,43(10):3752-3760.
[0009]
[4]t.wen,d.zhu,x.zou,b.jiang,l.peng,y.kang.power coupling mechanism analysis and improved decoupling control for virtual synchronous generator[j].ieee transactions on power electronics,2021,36(3):3028-3041.
[0010]
上述方法一定程度上可以实现虚拟同步机中的功率解耦，但是，这些方法仅考虑了高r/x工况(即线路电压等级为低压或中压)下的功率耦合，在低r/x工况(即线路电压等级为高压)下计及功角和无功控制环影响时仍会存在功率耦合问题，因此，并不能解决不同线路阻抗特性工况下的功率耦合问题。


技术实现要素：

[0011]
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种虚拟同步机的功率解耦控制方法、装置及系统，其目的在于，实现不同线路阻抗特性工况下的功率解耦控制，提高系统稳定性。
[0012]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种虚拟同步机的功率解耦控制方法，包括：
[0013]
(1)在虚拟同步机的输出端至并网点间的线路上引入虚拟阻抗后，计算计及虚拟阻抗的虚拟输出电压参考值vc′
和虚拟功角θ
′
；
[0014]
(2)从虚拟输出电压参考值vc′
中减去虚拟阻抗所引起的d轴压降δv
zv_d
，得到d轴电压参考值并设置q轴电压参考值为
[0015]
(3)对d轴电压参考值和q轴电压参考值进行电压电流双环控制，得到d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
；
[0016]
(4)根据虚拟功角θ
′
对d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
进行空间矢量脉宽调制，得到用于控制并网逆变器中开关器件的开关信号，并输入至并网逆变器，实现功率解耦控制。
[0017]
进一步地，虚拟阻抗的电阻分量εv满足|εv|≤rg；
[0018]
并且，在高r/x比工况下，εv＜0，在低r/x比工况下，εv＞0；
[0019]
其中，rg表示线路阻抗；高r/x比工况下，线路阻抗的电阻分量与电感分量的比值大于预设阈值，低r/x比工况下，线路阻抗的电阻分量与电感分量的比值不大于预设阈值。
[0020]
进一步地，θ
′
＝θ；
[0021]
其中，θ表示引入虚拟阻抗前的功角。
[0022]
进一步地，计算计及虚拟阻抗的虚拟输出电压参考值vc′
，包括：
[0023]
获取虚拟同步机的三相输出电压v
c_abc
、三相网侧电感电流i
o_abc
、三相逆变器侧电感电流i
l_abc
，并利用虚拟功角θ
′
对所获取的电压和电流进行派克变换，得到d轴输出电压v
cd
和q轴电压v
cq
，以及d轴网侧电感电流i
od
和q轴网侧电感电流i
oq
；
[0024]
按照计算虚拟同步机输出的有功功率p
vsg
和无功功率q
vsg
；
[0025]
利用虚拟同步机的惯性-阻尼控制环节对虚拟同步机的输出无功功率参考值q
ref
与输出无功功率q
vsg
的差值进行控制，得到控制量v
ctrl
；
[0026]
将虚拟同步机的输出电压额定值v
cn
与控制量v
ctrl
相加，得到虚拟输出电压参考值vc′
。
[0027]
进一步地，本发明提供的虚拟同步机的功率解耦控制方法，还包括：
[0028]
建立虚拟同步机的小信号模型如下：
[0029]
[0030]
其中，其中，δp
vsg
、δq
vsg
、δθ'和δvc'分别表示虚拟同步机输出的有功功率p
vsg
、无功功率q
vsg
、虚拟功角θ
′
和虚拟输出电压参考值vc′
的变化量；v'
c0
和θ'0分别表示虚拟输出电压参考值vc′
和虚拟功角θ
′
的初始值；εv表示虚拟阻抗的电阻分量，rg和xg分别表示线路电阻和线路电感，vg表示电网电压；zg表示线路阻抗，θ
zg
表示对应的线路阻抗角；z
t
表示计及虚拟阻抗的等效线路阻抗，θ
zt
表示对应的等效线路阻抗角。
[0031]
按照本发明的另一个方面，提供了一种虚拟同步机的功率解耦控制装置，包括：虚拟阻抗引入模块、参考电压修正模块、电压电流双环控制模块以及空间矢量脉宽调制模块；
[0032]
虚拟阻抗引入模块，与虚拟同步机相连，用于在虚拟同步机的输出端至并网点间的线路上引入虚拟阻抗后，计算计及虚拟阻抗的虚拟输出电压参考值vc′
和虚拟功角θ
′
；
[0033]
参考电压修正模块，其输入端连接至虚拟阻抗引入模块的第一输出端，用于从虚拟输出电压参考值vc′
中减去虚拟阻抗所引起的d轴压降δv
zv_d
，得到d轴电压参考值并设置q轴电压参考值为
[0034]
电压电流双环控制模块，其输入端连接至参考电压修正模块的输出端，用于对d轴电压参考值和q轴电压参考值进行电压电流双环控制，得到d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
；
[0035]
空间矢量脉宽调制模块，其第一输入端连接至电压电流双环控制模块的输出段，其第二输入端连接至虚拟阻抗引入模块的第二输出端，其输出端与并网逆变器相连，用于虚拟功角θ
′
对d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
进行空间矢量脉宽调制，得到用于控制并网逆变器中开关器件的开关信号，并输入至并网逆变器，实现功率解耦控制。
[0036]
进一步地，虚拟阻抗的电阻分量εv满足|εv|≤rg；
[0037]
并且，在高r/x比工况下，εv＜0，在低r/x比工况下，εv＞0；
[0038]
其中，rg表示线路阻抗；高r/x比工况下，线路阻抗的电阻分量与电感分量的比值大于预设阈值，低r/x比工况下，线路阻抗的电阻分量与电感分量的比值不大于预设阈值。
[0039]
进一步地，θ
′
＝θ；
[0040]
其中，θ表示引入虚拟阻抗前的功角。
[0041]
按照本发明的又一个方面，提供了一种虚拟同步机系统，包括：虚拟同步机和本发明提供的上述虚拟同步机的功率解耦控制装置。
[0042]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，通过引入虚拟阻抗的方式进行虚拟同步机的功率解耦控制，由于在控制过程中，仅保留了虚拟阻抗所引起的d轴压降，而去除了虚拟阻抗所引起的q轴压降，相当于引入了一种只会产生d轴压降的虚拟阻抗；基于所引入的特殊虚拟阻抗，虚拟同步机的输出电压可随着虚拟阻抗取值的变化在原本额定值1的基础上增大或减小，既能够提供电压正补偿，也可以提供电压负补偿，而由于在高r/x比工况(低压或中压电路)下需要提供正补偿，在低r/x工况下(高压电路)下需要提供负补偿，相比于传统的虚拟阻抗控制方法仅能提供电压正补偿，本发明能够实现不同线路阻抗特性工况下的功率解耦控制，提高系统稳定性。
附图说明
[0043]
图1为rg＝0.1,xg＝0.1p.u.工况下，有功阶跃后，采用现有的功率解耦控制方法时，不同xv下的电压变化、无功变化；
[0044]
图2为rg＝0.1,xg＝0.2p.u.，有功阶跃后，采用现有的功率解耦控制方法时，不同xv下的电压变化、无功变化；
[0045]
图3为rg＝0.1,xg＝0.308p.u.，有功阶跃后，采用现有的功率解耦控制方法时，不同xv下的电压变化、无功变化；
[0046]
图4为rg＝0.1,xg＝0.37p.u.，有功阶跃后，采用现有的功率解耦控制方法时，不同xv下的电压变化、无功变化；
[0047]
图5为rg＝0.1,xg＝0.4p.u.，有功阶跃后，采用现有的功率解耦控制方法时，不同xv下的电压变化、无功变化；
[0048]
图6为本发明实施例提供的接入虚拟阻抗后的虚拟同步机控制框图；
[0049]
图7为本发明实施提供的虚拟同步机的功率解耦控制方法、装置及系统示意图；
[0050]
图8为采用传统功率解耦控制方法在有功功率从0.5p.u.阶跃至1.0p.u.时的有功功率和无功功率的仿真结果；
[0051]
图9为高r/x工况(rg＝0.1p.u.,xg＝0.2p.u.)下采用本发明提供的解耦控制方法的有功功率和无功功率的仿真结果；
[0052]
图10为低r/x工况(rg＝0.1p.u.,xg＝0.37p.u.)下采用本发明提供的解耦控制方法的有功功率和无功功率的仿真结果。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0054]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)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。
[0055]
针对现有技术通过引入虚拟阻抗的方式对虚拟同步机进行功率解耦控制时，不能解决不同线路阻抗特性工况下的功率耦合问题的技术问题，本发明提供了一种虚拟同步机的功率解耦控制方法、装置及系统，其整体思路在于：深入分析虚拟同步机在不同线路阻抗特性工况下，为了实现功率解耦控制，所需要进行的电压补偿，并设置相应的虚拟阻抗以提供所需的电压补偿，实现不同线路阻抗特性工况下的功率解耦控制，提高系统稳定性。
[0056]
在详细解释本发明的技术方案之前，先对本发明所依据的相关原理进行简要分析如下。
[0057]
r/x即线路阻抗的阻感比，通常，低压或中压线路的阻感比较高，对应高r/x工况，高压线路的阻感比较低，对应低r/x工况。
[0058]
为了深入探究功率解耦与电压补偿的关系，可首先建立虚拟同步机的综合模型，并针对所建综合模型，分别绘制有功功率阶跃情况下，无功功率变化和电压变化与虚拟阻抗的关系(为简化分析，这里选用经典虚拟阻抗法，以仅考虑虚拟电感为例)。
[0059]
当线路阻抗的电阻分量rg＝0.1，线路阻抗的电感分量xg＝0.1p.u.时，有功功率从0.5p.u.阶跃到1.0p.u.，无功变化δq
vsg
以及电压变化δvc随虚拟阻抗的电感分量xv的变化关系如图1所示。由图1可知，当系统不加入虚拟阻抗时，即xv＝0，vsg功率耦合特性严重，此时虚拟同步机输出的无功功率q
vsg
的变化量δq
vsg
的大小为|δq
vsg
|＝0.275p.u.；当加入虚拟阻抗xv＝0.4p.u.时，功率耦合并没有降低，反而与不加入虚拟阻抗时效果类似。由此可以分析出，针对计及线路阻抗角、功角、无功控制环影响的vsg模型，并非等效输出阻抗的感性越强则解耦效果越好。图2所示为rg＝0.1,，xg＝0.2p.u.的工况下，有功功率从0.5p.u.阶跃到1.0p.u.，无功变化δq
vsg
以及电压变化δvc随xv的变化关系。从图2可以看出，加入虚拟阻抗xv＝0.4p.u.，与加入虚拟负阻抗xv＝-0.1p.u.的功率耦合程度类似，由此也充分说明，并非等效输出阻抗感性越强则解耦效果越好。
[0060]
图3所示为rg＝0.1，xg＝0.308p.u.的工况下，有功功率从0.5p.u.阶跃到1.0p.u.，无功变化δq
vsg
以及电压变化δvc随xv的变化关系。由图3可知，此时系统处于完全解耦的状态，即δq
vsg
＝0，δvc＝0，不需额外的解耦措施，即它的最佳虚拟阻抗为0。而图1、图2的工况如果想实现完全解耦，需要提供更多的电压正补偿使δq
vsg-xv曲线移动到类似图3的位置。对比图1～图3可知，随着线路感性成分的增强，vsg功率解耦所需的正电压补偿δvc在减小，尤其在rg＝0.1，xg＝0.308p.u.的工况下，δvc＝0，不需要电压补偿。按照这个趋势来看，如果继续增大线路感性成分，也就是在低r/x工况中，可能存在需要电压负补偿的情况，而且电压负补偿值会随之增大，与电压正补偿值规律保持一致。
[0061]
为了进一步探究低r/x工况下的解耦情况，选取rg＝0.1，xg＝0.37p.u.及rg＝0.1，xg＝0.4p.u.的工况，分别绘制有功功率从0.5p.u.阶跃到1.0p.u.时，无功变化δq
vsg
以及电压变化δvc随xv的变化关系，分别如图4和图5所示。从图4可以发现，在该工况选择xv＝-0.243p.u.或者xv＝0.23p.u.时，|δq
vsg
|均可以取到0，系统实现理想解耦，此时的δvc＝-0.052p.u.。再根据图5可知，在该工况选择xv＝-0.293或者xv＝0.291时，|δq
vsg
|也可以取到0，此时δvc＝-0.075p.u.。由此可见，低r/x工况下，最优虚拟阻抗解耦的物理本质是为vsg提供了一定的电压负补偿，而且随着线路感性成分比例增大，所需电压负补偿也在增大，与高r/x工况下电压补偿的变化趋势一致。
[0062]
综上来看，虚拟阻抗可以改善vsg功率耦合的原因，不应当局限于为系统提供电压
正补偿。在高r/x工况下，系统需要虚拟阻抗提供电压正补偿改善功率耦合；而在低r/x工况下，则需要虚拟阻抗提供电压负补偿来改善功率耦合。因此，为了改善不同线路工况的功率耦合情况，很有必要找到一个既能提供电压正补偿也能提供电压负补偿的方法，并且尽可能可以实现最优解耦(|δq
vsg
|可以取到较小的值)。
[0063]
图6所示为接入虚拟阻抗后的虚拟同步机控制框图，虚拟阻抗的电阻分量和电感分量分别为rv和xv，s表示拉普拉斯复变量；根据图6，加入虚拟阻抗后，虚拟同步机系统输出电压参考值发生变化，其中虚拟阻抗上的电压降落d、q轴分量δv
zv_d
,δv
zv_q
表示为：
[0064][0065]
其中，i
od
和i
oq
分别表示vsg输出电流io的d、q轴分量。
[0066]
考虑虚拟阻抗的电压降落后，电压控制环的输入表示为：
[0067][0068]
其中，和分别表示d轴电压参考值和q轴电压参考值，v
′
表示加入虚拟阻抗后的虚拟输出电压参考值。
[0069]
未加入虚拟阻抗时，虚拟同步机输出的有功功率p
vsg
、无功功率q
vsg
与功角θ和输出电压参考值vc的关系为：
[0070][0071]
其中，vg表示电网电压，zg表示线路阻抗，θ
zg
表示对应的线路阻抗角；
[0072]
加入虚拟阻抗后，系统的被控对象发生改变，由原来的p
vsg
,q
vsg
与θ,vc的关系转变为p
vsg
、q
vsg
与θ
′
、vc′
的关系，θ
′
表示计及虚拟阻抗的虚拟功角，vc′
表示计及虚拟阻抗的虚拟输出电压参考值。为了建立虚拟阻抗解耦的模型，也就是p
vsg
、q
vsg
与θ
′
、vc′
关系，需要首先推导计及虚拟阻抗的虚拟功率有功功率p'
vsg
、虚拟无功功率q'
vsg
与θ
′
、vc′
的关系，再考虑有无虚拟阻抗间功率的差异，得到真实功率与虚拟阻抗功率的关系。
[0073]
根据公式(3)，p'
vsg
,q'
vsg
与θ
′
,vc′
关系可以表示为：
[0074][0075]
其中，z
t
表示计及虚拟阻抗的等效线路阻抗，θ
zt
表示对应的等效线路阻抗角。
[0076]
考虑到加入虚拟阻抗后，真实输出功率p
vsg
,q
vsg
可表示为：
[0077][0078]
其中，vsg输出电流io的表达式为：
[0079][0080]
结合公式(4)～(6)，可得真实功率p
vsg
,q
vsg
与θ
′
,v'c关系为：
[0081][0082]
将公式(7)线性化，可得δp
vsg
,δq
vsg
与δv
c0
,δθ0的小信号方程为：
[0083][0084]
其中，δp
vsg
、δq
vsg
、δθ'和δvc'分别表示虚拟同步机输出的有功功率p
vsg
、无功功率q
vsg
、虚拟功角θ
′
和虚拟输出电压参考值vc′
的变化量；v'
c0
和θ'0分别表示虚拟输出电压参考值vc′
和虚拟功角θ
′
的初始值；公式(8)中，元素b
11
、b
12
、b
21
、b
22
的表达式如下：
[0085][0086]
由于单独的公式(8)无法表征有功扰动给无功功率带来的影响，无功控制环又是功率耦合的一个重要影响因素，因此引入vsg控制中的无功环方程，来求解有功扰动与无功变化的关系。简化的无功环小扰动表达式为：
[0087][0088]
其中，dq表示无功环下垂系数；
[0089]
将式(10)带入式(8)可得：
[0090]
[0091]
化简式(11)，定义耦合系数ξ
vsg
表征无功扰动与有功扰动的比值，可得耦合系数的表达式如下：
[0092][0093]
耦合系数ξ
vsg
反映了功率解耦的程度，其值越接近于0，表明功率解耦的效果越好。
[0094]
针对上述建立的计及多耦合因素的虚拟同步机模型，虚拟阻抗可以改善系统功率耦合的物理本质在于电压补偿，基于上述分析可知，在高r/x工况下，系统需要虚拟阻抗提供电压正补偿改善功率耦合；而在低r/x工况下，则需要虚拟阻抗提供电压负补偿来改善功率耦合。因此，为了改善不同线路阻抗工况的功率耦合情况，很有必要找到一个既能提供电压正补偿也能提供电压负补偿的方法，并且尽可能可以实现最优解耦(|δq
vsg
|可以取到较小的值)。
[0095]
根据上述加入虚拟阻抗后的计及多耦合因素的虚拟同步机模型，此时输出电压标幺值可以表示为：
[0096][0097]
随着虚拟阻抗进一步增大，可能出现负值，因此无法为系统提供足够的电压补偿，影响到功率解耦性能。如果去除d轴压降，即δv
zv_d
＝0，那么输出电压公式将变换为此时输出电压只能随着虚拟阻抗的取值变化在原本额定值1的基础上增大，即只能提供正电压补偿，无法提供负补偿，也就无法改善低r/x工况下的功率耦合。如果去除q轴压降，即δv
zv_q
＝0，那么输出电压公式将变换为此时输出电压可以随着虚拟阻抗的取值变化在原本额定值1的基础上增大或减小，既可以提供正电压补偿，又可以提供负电压补偿，符合不同线路阻抗工况功率解耦的需求。而且由于i
oq
很小几乎可忽略，因此根据公式(1)可知δv
zv_d
＝i
odrv
来简化分析，此时xv＝(-i
oqrv
)/i
od
。由于在控制过程中，仅保留了虚拟阻抗所引起的d轴压降，而去除了虚拟阻抗所引起的q轴压降，相当于引入了一种只会产生d轴压降的虚拟阻抗，为了表示该虚拟阻抗的特殊性，以εv来表示该虚拟阻抗的电阻分量，相应地，δv
zv_d
＝i
od
εv，xv＝(-i
oq
εv)/i
od
。最终输出电压公式可以变换为：
[0098][0099]
经典虚拟阻抗解耦法即虚拟电感法，同时考虑引入的d、q轴压降，但无法为系统提供足够的电压补偿，无法适用于所有的线路阻抗特性工况；根据式(14)，本发明引入只产生d轴电压降的特殊虚拟阻抗后，输出电压可以随着虚拟阻抗的取值变化在原本额定值1的基础上增大电压或者减小电压，根据不同工况提供相应的电压补偿，可实现不同线路阻抗特性工况下的功率解耦控制，提高系统稳定性。
[0100]
基于所引入的特殊虚拟阻抗，本发明中，输出电压vc的表达式为：
[0101][0102]
其中，v
cd
和v
cq
分别表示输出电压vc的d、q轴分量。
[0103]
解耦控制策略的变化相当于改变了整个系统的被控对象，因此接下来需要针对所提方法完成等效被控对象的建模，也就是寻找p
vsg
,q
vsg
与θ
′
,v'c的关系。
[0104]
根据加入虚拟阻抗后虚拟同步机等效电路向量图，输出电压可表示为：
[0105][0106]
联立式(15)和(16)，可得d、q轴输出电流i
od
和i
oq
表达式为：
[0107][0108]
其中，系数n
d1
、n
d2
、n
q1
、n
q2
的具体表示为：
[0109][0110]
将式(15)和式(17)代入功率计算表达式，可以得到基于虚拟阻抗d轴压降的解耦控制方法下的p
vsg
,q
vsg
与θ
′
,v'c的关系：
[0111][0112]
将式(19)线性化，可以得到功率p
vsg
,q
vsg
与θ
′
,v'c的小信号方程为：
[0113][0114]
其中，系数e
11
、e
12
、e
21
、e
22
的表达式为：
[0115]
[0116]
由于公式(20)的建立过程中，考虑了无功环的影响，因此，公式(20)所示的小信号模型能够准确表征有功扰动给无功功率带来的影响。
[0117]
由于虚拟阻抗q轴电压压降被忽略，因此输出电压可以认为与d轴同向，此时输出电压的dq轴分量关系为：
[0118][0119]
根据式(22)可以解得功角的关系式为：
[0120]
θ'＝θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0121]
最后将式(10)代入式(20)，可得耦合系数ξ
vsg
的表达式为：
[0122][0123]
以下为实施例。
[0124]
实施例1：
[0125]
一种虚拟同步机的功率解耦控制方法，如图7所示，包括：
[0126]
(1)在虚拟同步机的输出端至并网点间的线路上引入虚拟阻抗后，计算计及虚拟阻抗的虚拟输出电压参考值vc′
和虚拟功角θ
′
；
[0127]
为了在不影响vsg正常工作的情况下实现功率解耦控制，本实施例中，虚拟阻抗的电阻分量εv满足|εv|≤rg；rg表示线路阻抗；
[0128]
并且，基于以上分析可知，在高r/x比工况下，εv＜0，以提供正电压补偿，实现功率解耦控制；在低r/x比工况下，εv＞0，以提供负电压补偿；
[0129]
其中，高r/x比工况和低r/x比工况可通过对线路阻感比设定一个阈值来进行界定，线路阻感比高于该阈值，则视为高r/x比工况，否则，视为低r/x比工况；通常，低压或中压线路对应高r/x工况，高压线路对应低r/x工况；
[0130]
参阅图6和图7，本实施例中，计算计及虚拟阻抗的虚拟输出电压参考值vc′
，包括：
[0131]
获取虚拟同步机的三相输出电压v
c_abc
、三相网侧电感电流i
o_abc
、三相逆变器侧电感电流i
l_abc
，并利用虚拟功角θ
′
对所获取的电压和电流进行派克变换，得到d轴输出电压v
cd
和q轴电压v
cq
，以及d轴网侧电感电流i
od
和q轴网侧电感电流i
oq
；
[0132]
按照计算虚拟同步机输出的有功功率p
vsg
和无功功率q
vsg
；
[0133]
利用虚拟同步机的惯性-阻尼控制环节对虚拟同步机的输出无功功率参考值q
ref
与输出无功功率q
vsg
的差值进行控制，得到控制量v
ctrl
；
[0134]
将虚拟同步机的输出电压额定值v
cn
与控制量v
ctrl
相加，得到虚拟输出电压参考值vc′
；
[0135]
基于以上分析可知，本实施例中，θ
′
＝θ；θ表示引入虚拟阻抗前的功角；
[0136]
(2)从虚拟输出电压参考值vc′
中减去虚拟阻抗所引起的d轴压降δv
zv_d
，得到d轴电压参考值并设置q轴电压参考值为
[0137]
(3)对d轴电压参考值和q轴电压参考值进行电压电流双环控制，得到d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
；
[0138]
(4)根据虚拟功角θ
′
对d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
进行空间矢量脉宽调制，得到用于控制并网逆变器中开关器件的开关信号，并输入至并网逆变器，实现功率解耦控制。
[0139]
为了便于对控制方法做进一步的评估与分析，本实施例还包括：
[0140]
根据式(20)，建立虚拟同步机的小信号模型如下：
[0141][0142]
实施例2：
[0143]
一种虚拟同步机的功率解耦控制装置，如图7所示，包括：虚拟阻抗引入模块、参考电压修正模块、电压电流双环控制模块以及空间矢量脉宽调制模块；
[0144]
虚拟阻抗引入模块，与虚拟同步机相连，用于在虚拟同步机的输出端至并网点间的线路上引入虚拟阻抗后，计算计及虚拟阻抗的虚拟输出电压参考值vc′
和虚拟功角θ
′
；
[0145]
参考电压修正模块，其输入端连接至虚拟阻抗引入模块的第一输出端，用于从虚拟输出电压参考值vc′
中减去虚拟阻抗所引起的d轴压降δv
zv_d
，得到d轴电压参考值并设置q轴电压参考值为
[0146]
电压电流双环控制模块，其输入端连接至参考电压修正模块的输出端，用于对d轴电压参考值和q轴电压参考值进行电压电流双环控制，得到d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
；
[0147]
空间矢量脉宽调制模块，其第一输入端连接至电压电流双环控制模块的输出段，其第二输入端连接至虚拟阻抗引入模块的第二输出端，其输出端与并网逆变器相连，用于虚拟功角θ
′
对d轴调制电压矢量v
d*
和q轴调制电压矢量v
q*
进行空间矢量脉宽调制，得到用于控制并网逆变器中开关器件的开关信号，并输入至并网逆变器，实现功率解耦控制。
[0148]
同样地，为了在不影响vsg正常工作的情况下实现功率解耦控制，本实施例中，虚拟阻抗的电阻分量εv满足|εv|≤rg；rg表示线路阻抗；
[0149]
并且，基于以上分析可知，在高r/x比工况下，εv＜0，以提供正电压补偿，实现功率解耦控制；在低r/x比工况下，εv＞0，以提供负电压补偿；
[0150]
其中，高r/x比工况和低r/x比工况可通过对线路阻感比设定一个阈值来进行界定，线路阻感比高于该阈值，则视为高r/x比工况，否则，视为低r/x比工况；通常，低压或中压线路对应高r/x工况，高压线路对应低r/x工况；
[0151]
基于以上分析可知，本实施例中，θ
′
＝θ；θ表示引入虚拟阻抗前的功角。
[0152]
实施例3：
[0153]
一种虚拟同步机系统，包括：虚拟同步机和上述实施例2提供的虚拟同步机的功率解耦控制装置。
[0154]
以下以一台虚拟同步机(系统参数见表1)为例进行了仿真研究，以进一步说明本发明所能取得的有益效果。仿真工况为：(1)经典虚拟电感解耦法的有功功率从0.5p.u.阶
跃至1.0p.u.；(2)本发明方法的有功功率从0.5p.u.阶跃至1.0p.u.。
[0155]
表1虚拟同步发电机仿真系统参数
[0156][0157]
仿真结果如下：
[0158]
图8给出了rg＝0.1p.u.，xg＝0.2p.u.采取经典虚拟电感解耦法时不同xv对应的输出有功功率p
vsg
和无功功率q
vsg
的波形。当xv＝0p.u.时，即不加入虚拟阻抗时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.09p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.18；当xv＝0.1p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.08p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.16，此时功率耦合得到一定改善；当xv＝0.2p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.09p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.18，与不加虚拟电感时的功率耦合程度一样；当xv＝0.3p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.11p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.22，此时耦合反而恶化；继续增大xv＝0.4p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.15p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.3，耦合更加严重。由此可得，经典虚拟电感解耦法解耦效果非常有限，甚至会加重功率耦合情况。
[0159]
图9给出了高r/x(rg＝0.1p.u.,xg＝0.2p.u.)工况下采取本发明方法时不同εv对应的输出有功功率p
vsg
和无功功率q
vsg
的波形。当εv＝0p.u.时，即不加入虚拟阻抗时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.09p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.18；当εv＝-0.05p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.01p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.02，此时耦合得到较大改善，基本消除了耦合；当εv＝-0.1p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝0.05p.u.，对应的ξ
vsg
＝0.1，耦合程度有所降低。可见，采用本发明所提控制方法可以有效消除高r/x工况下的功率耦合。
[0160]
图10给出了低r/x(rg＝0.1p.u.,xg＝0.37p.u.)工况下采用本发明方法时不同εv对应的输出有功功率p
vsg
和无功功率q
vsg
的波形。当εv＝0p.u.时，即不加入虚拟阻抗时，有功阶跃后的δq
vsg
＝0.05p.u.，对应的ξ
vsg
＝0.1；当εv＝0.05p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝0p.u.，对应的ξ
vsg
＝0，此时耦合得到较大改善，基本消除了耦合；当εv＝0.1p.u.时，有功阶跃后的δq
vsg
＝-0.045p.u.，对应的ξ
vsg
＝-0.09。可见，采用本发明所提控制方法可以有效消除低r/x工况下的功率耦合。
[0161]
由上述仿真结果可知，无论是在高r/x还是低r/x工况下，有功功率从0.5p.u.阶跃至1.0p.u.，采用本发明所提控制方法后无功功率基本不随有功功率波动，即系统的功率耦合得到有效抑制，系统具有更优的抗扰性和稳定性。
[0162]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。