构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法及相关装置

技术领域

本发明涉及新能源并网发电技术领域，具体是一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法及相关装置。

背景技术

与常规的跟网型变流器不同，构网型变流器可以工作于电压源并网模式，输出三相可调的交流电压，实现“构网”运行模式。构网型变流器常常采用虚拟同步机控制技术，以提高新能源并网逆变器的惯量和阻尼，增强其对电网的支撑能力。因此，近年来，构网型变流器的虚拟同步机技术得到广泛关注和研究。然而，虚拟惯量的引入使有功频率闭环控制系统变成一个典型二阶振荡系统，在并网有功参考指令和电网频率两种常规扰动下不可避免地会出现功率动态振荡、超调和静差。虽然增加虚拟阻尼可以抑制有功功率的震荡和超调，但虚拟阻尼还会引入阻尼功率，在电网频率变化时，会导致产生较大的有功功率稳态误差。因此，常规构网型变流器虚拟同步机有功功率控制存在动态性能和稳态性能难以平衡的问题。

文献“石荣亮,杨桂华,王国斌等.基于有功分数阶微分校正的储能VSG并网有功响应策略[J/OL].电力自动化设备:1-9[2023-09-06].”提出了一种基于有功分数阶微分校正的虚拟同步机改进暂态阻尼控制策略，该方法在虚拟阻尼为零时也实现了有功功率震荡抑制和稳态误差消除。然而，分数阶微分运算实现较为困难。

文献“兰征,龙阳,曾进辉等.引入暂态电磁功率补偿的VSG控制策略[J].电网技术,2022,46(04):1421-1429.”提出了一种基于暂态功率补偿的虚拟同步机控制策略，该策略在常规的有功功率控制环基础上，增加一个经过滞后环节的电磁功率与其自身构造的暂态功率差，乘以补偿系数后加到功率控制中，从而在功率波动过程中形成暂态电磁功率补偿，达到抑制振荡的效果。然而，该方法需要微分运算，容易引入高频噪声的影响。

文献“王跃,牛瑞根,李明烜等. 基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法[P]. 陕西省：CN104734598B,2017-08-15.”提出了一种基于带通阻尼电压型变流器虚拟同步电机控制方法，通过设计带通阻尼控制方法，消除了电网频率偏移时的有功功率误差。然而，带通滤波器的设计较复杂。

由上述分析可知，现有技术虽然可以解决传统构网型变流器虚拟同步机在并网有功参考指令和电网频率两种常规扰动下不可避免地会出现功率动态振荡、超调和静差问题，但大部分算法存在或需要引入微分运算、或设计较复杂等问题。

发明内容

为了克服常规构网型变流器虚拟同步机有功功率控制动态存在震荡和稳态存在功率偏差的矛盾问题，本发明公开了一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法及相关装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法，包括如下步骤：

步骤1、将设定的电网额定角频率ω

其中，电网额定角频率ω

步骤2、将设定的虚拟同步机有功功率参考值P

步骤3、将步骤2得到的第二功率偏差

其中，s表示拉普莱斯算子，J表示虚拟同步机的虚拟惯量；

步骤4、将步骤3得到的第一频率偏差

步骤5、对步骤4得到的虚拟同步机输出的角频率ω进行积分运算，得到虚拟同步机输出的第一角度θ

步骤6、将步骤5得到的虚拟同步机输出的第一角度θ

步骤7、根据步骤6得到的虚拟同步机输出的第二角度θ

进一步的，步骤2中的虚拟同步机输出的有功功率P

步骤2-1、采样虚拟同步机输出的abc三相并网电压u

步骤2-2、采样虚拟同步机输出的abc三相并网电流i

步骤2-3、根据步骤2-1得到的电压α分量u

。

进一步的，步骤6中的基于有功功率P

其中，ω

一种基于功角校正的构网型变流器虚拟同步机控制策略虚拟同步机有功功率控制装置，包括：

第一功率偏差计算模块，用于将设定的电网额定角频率ω

其中，电网额定角频率ω

第二功率偏差计算模块，用于将设定的虚拟同步机有功功率参考值P

第一频率偏差计算模块，用于将第二功率偏差计算模块计算得到的第二功率偏差

其中，s表示拉普莱斯算子，J表示虚拟同步机的虚拟惯量；

角频率获取模块，用于将第一频率偏差计算模块计算得到的第一频率偏差

第一角度计算模块，用于对角频率获取模块得到的虚拟同步机输出的角频率ω进行积分运算，得到虚拟同步机输出的第一角度θ

第二角度计算模块，用于将第一角度计算模块得到的虚拟同步机输出的第一角度θ

虚拟同步机控制模块，用于根据第二角度计算模块计算得到的虚拟同步机输出的第二角度θ

进一步的，所述虚拟同步机输出的有功功率P

步骤2-1、采样虚拟同步机输出的abc三相并网电压u

步骤2-2、采样虚拟同步机输出的abc三相并网电流i

步骤2-3、根据步骤2-1得到的电压α分量u

。

进一步的，所述第二角度计算模块基于有功功率P

其中，ω

一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法。

一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法。与常规方法不同的是，本发明引入了基于虚拟同步机输出有功功率P

附图说明

图1为常规的构网型变流器虚拟同步机有功功率控制框图；

图2为本发明构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法的控制框图；

图3为虚拟同步机主电路及功率计算框图；

图4为常规虚拟同步机和本发明所提方法的对比仿真结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明第一方面提供一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法，包括如下步骤：

步骤1、将设定的电网额定角频率ω

其中，电网额定角频率ω

步骤2、将设定的虚拟同步机有功功率参考值P

步骤3、将步骤2得到的第二功率偏差

其中，s表示拉普莱斯算子，J表示虚拟同步机的虚拟惯量。

步骤4、将步骤3得到的第一频率偏差

步骤5、对步骤4得到的虚拟同步机输出的角频率ω进行积分运算，得到虚拟同步机输出的第一角度θ

步骤6、将步骤5得到的虚拟同步机输出的第一角度θ

步骤7、根据步骤6得到的虚拟同步机输出的第二角度θ

其中，步骤2中的虚拟同步机输出的有功功率P

步骤2-1、采样虚拟同步机输出的abc三相并网电压u

步骤2-2、采样虚拟同步机输出的abc三相并网电流i

步骤2-3、根据步骤2-1得到的电压α分量u

。

步骤6中的基于有功功率P

其中，ω

本发明第二方面提供一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制装置，包括：

第一功率偏差计算模块，用于将设定的电网额定角频率ω

其中，电网额定角频率ω

第二功率偏差计算模块，用于将设定的虚拟同步机有功功率参考值P

第一频率偏差计算模块，用于将第二功率偏差计算模块计算得到的第二功率偏差

其中，s表示拉普莱斯算子，J表示虚拟同步机的虚拟惯量。

角频率获取模块，用于将第一频率偏差计算模块计算得到的第一频率偏差

第一角度计算模块，用于对角频率获取模块得到的虚拟同步机输出的角频率ω进行积分运算，得到虚拟同步机输出的第一角度θ

第二角度计算模块，用于将第一角度计算模块得到的虚拟同步机输出的第一角度θ

虚拟同步机控制模块，用于根据第二角度计算模块计算得到的虚拟同步机输出的第二角度θ

为了验证本发明所提方法的有效性，与常规的构网型变流器虚拟同步机有功功率控制策略（图1所示）进行了对比仿真研究。仿真时，有功功率参考值P

图4给出了常规构网型变流器虚拟同步机有功功率控制和本发明所提构网型变流器虚拟同步机有功功率控制的对比仿真结果。仿真时，常规方法虚拟阻尼系数D分别取0和5Ws/rad。本发明方法取ω

由图4可见，在虚拟阻尼系数D为0时，常规虚拟同步机控制策略输出的有功功率出现了明显的震荡和超调。当虚拟阻尼系数D增大到5时，震荡得到明显抑制。然而，由图4可见，虚拟阻尼系数的增大也会导致电网频率出现偏差时（6s后），有功功率稳态偏差也明显增大。可见，常规的虚拟同步机有功功率控制策略无法通过调节虚拟阻尼系数同时实现有功功率动态震荡抑制和稳态静差消除。

由图4可见，虚拟阻尼系数D为0（即与图1所示常规方法相比，本发明方法忽略了阻尼功率P

与常规方法不同的是，本发明引入了基于构网型变流器虚拟同步机输出有功功率P

本发明另一方面提供了一种构网型变流器虚拟同步机有功功率控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法。

本发明另一方面提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的构网型变流器虚拟同步机有功功率控制方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。