技术领域本发明涉及一种电网不平衡条件下虚拟同步机控制系统，还涉及一种电网不平衡条件下虚拟同步机控制方法，属于电网技术领域。
背景技术：
为了提高了分布式发电系统和微电网的运行可靠性，国内外学者提出了虚拟同步发电机技术，该技术通过模拟同步发电机的转子运动方程、有功调频及无功调压等特性，使并网逆变器从运行机制和特性上可与传统同步发电机相比拟。当微电网或配电网发生电压频率异常事件时，能有效地为电网提供必要的有功和无功支撑，极大提高了分布式发电系统和微电网的运行可靠性，特别适用于储能装置、新能源发电装置与配电网之间的连接。目前，关于虚拟同步机控制策略大多针对理想的三相平衡电网开展相关研究，如何实现虚拟同步机在电网不平衡时正常运行，提高虚拟同步机在电网不平衡工况下的运行能力和其工作稳定性是虚拟同步机控制的重点和难点。因此，研究适用于电网不平衡条件下虚拟同步机控制方法，保证虚拟同步机在电网不平衡时下依然能够输出平衡的入网电流，提高虚拟同步机在分布式发电系统和微电网领域的运行可靠性，对实现新能源并网装置高效稳定并网运行具有重要的理论意义和实用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电网不平衡条件下虚拟同步机控制系统，能够实现虚拟同步机在电网不平衡时正常运行，提高虚拟同步机在电网不平衡工况下的运行能力和其工作稳定性。为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电网不平衡条件下虚拟同步机控制系统，包括电流采集模块、电压采集模块、功率计算模块、电压参考信号幅值计算模块、电压参考信号相位信息计算单元、三相电压参考信号计算模块、三相电流参考信号计算单元、逆变器三相调制信号计算单元和脉宽调制模块；电流采集模块采集逆变器三相输出电感电流iABC分别输出至功率计算模块、逆变器三相调制信号计算单元；电压采集模块采集逆变器输出电压uoABC分别输出至功率计算模块、三相电流参考信号计算单元和逆变器三相调制信号计算单元；功率计算模块根据逆变器三相输出电感电流iABC、逆变器输出电压uoABC计算逆变器实际输出有功功率po和逆变器实际输出无功功率qo；电压参考信号幅值计算模块，根据无功功率下垂给定值Qd、无功功率给定值Qref和逆变器实际输出无功功率qo计算电压参考信号幅值Vref；电压参考信号相位信息计算单元，根据有功功率下垂给定值Pd、有功功率给定值Pref和逆变器实际输出有功功率po计算电压参考信号的相位信息θo；三相电压参考信号计算模块根据电压参考信号幅值Vref、电压参考信号的相位信息θo计算三相电压参考信号vrefABC，并输出至三相电流参考信号计算单元；三相电流参考信号计算单元根据逆变器输出电压uoABC、三相电压参考信号vrefABC计算三相电流参考信号irefABC；逆变器三相调制信号计算单元根据三相电流参考信号irefABC、逆变器三相输出电感电流iABC计算逆变器三相调制信号vmABC；逆变器三相调制信号vmABC与载波信号vc一同送入脉宽调制模块产生控制逆变器功率开关的控制信号d。所述电压参考信号幅值计算模块包括：顺序连接的幅值检测模块、电压-无功功率下垂控制调节模块、积分调节模块；幅值检测模块根据电压采集模块输出的逆变器输出电压uoABC计算逆变器输出电压幅值Vo；电压-无功功率下垂控制调节模块根据逆变器输出电压幅值Vo、电网电压额定幅值Vn计算无功功率下垂给定值Qd；积分调节模块根据无功功率下垂给定值Qd、无功功率给定值Qref和逆变器实际输出无功功率qo计算电压参考信号幅值Vref。所述电压参考信号相位信息计算单元包括：频率-有功功率下垂控制调节模块、虚拟转动惯量模块和逆变器相位生成模块；频率-有功功率下垂控制调节模块根据电网电压额定角频率ωn、逆变器输出电压角频率ωo计算有功功率下垂给定值Pd；虚拟转动惯量模块根据有功功率下垂给定值Pd、有功功率给定值Pref和逆变器实际输出有功功率po计算输出电压角频率ωo；逆变器相位生成模块根据逆变器输出电压角频率ωo计算逆变器输出电压相位信息θo。所述逆变器三相调制信号计算单元包括：电流环调节模块和调制波生成模块；电流环调节模块根据三相电流参考信号irefABC和逆变器三相输出电感电流iABC计算输出的信号经调制波生成模块计算逆变器三相调制信号vmABC。本发明还公开了一种电网不平衡条件下虚拟同步机控制方法，包括如下步骤：步骤一：根据逆变器输出电压幅值Vo、电网电压额定幅值Vn，计算无功功率下垂给定值Qd；步骤二：根据无功功率下垂给定值Qd、无功功率给定值Qref和逆变器实际输出无功功率qo计算电压参考信号幅值Vref；步骤三：根据电网电压额定角频率ωn、电压参考信号角频率ωo，计算有功功率下垂给定值Pd；步骤四：根据有功功率下垂给定值Pd、有功功率给定值Pref和逆变器实际输出有功功率po经虚拟转动惯量模块、逆变器相位生成模块计算电压参考信号的相位信息θo；步骤五：电压参考信号的相位信息θo结合步骤二计算出的电压参考信号幅值Vref，计算三相电压参考信号vrefABC；步骤六：三相电压参考信号vrefABC和逆变器输出电压uoABC相结合计算得到三相电流参考信号irefABC；步骤七：根据三相电流参考信号irefABC、逆变器三相输出电感电流iABC和逆变器输出电压uoABC计算得到逆变器三相调制信号vmABC；步骤八：将逆变器三相调制信号vmABC与载波信号vc一同送入脉宽调制模块产生控制逆变器功率开关的控制信号d。所述无功功率下垂给定值Qd的计算公式如式(1)所示：Qd＝(Vn-Vo)·kv(1)式中：Vn为电网电压额定幅值，Vo为逆变器输出电压幅值，kv为电压-无功下垂系数。所述有功功率下垂给定值Pd的计算公式如式(2)所示：Pd＝(ωn-ωo)·kf(2)式中：ωn为电网电压额定角频率，ωo为电压参考信号角频率，kf为频率-有功下垂系数；电压参考信号角频率ωo的计算公式如式(3)所示：ωo=(Pd+Pref-po)·1Jωns---(3)]]>式中：Pref为有功功率给定值，po为逆变器实际输出有功功率，J为虚拟转动惯量。所述电压参考信号幅值Vref的计算公式如式(4)所示：Vref=(Qd+Qref-qo)·1Ks---(4)]]>式中：Qref为无功功率给定值，qo为逆变器实际输出无功功率，K为积分系数。电压参考信号的相位信息θo的计算公式如式(5)所示：θo=ωo·1s---(5).]]>所述逆变器三相调制信号vmABC的计算公式如式(6)所示：vmABC=(irefABC-iABC)(kp+kis)---(6)]]>式中：kp为电流环调节器比例系数，ki为电流环调节器积分系数。与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：能够免去常规控制中所需电压/电流正负序分离及环路单独控制，极大简化了系统控制结构；可实现三相电网不平衡时，虚拟同步机向电网输送平衡的三相正弦波电流，保证虚拟同步机在电网电压不平衡条件下安全稳定运行，对实现新能源并网装置高效稳定并网运行具有重要意义。附图说明图1是本发明提供的电网不平衡条件下虚拟同步机控制系统的结构框图。图2是虚拟同步机工作在电网不平衡条件下，未采用本发明所提出的控制策略时，虚拟同步机输出三相电流和三相电压仿真结果示意图。图3是同步逆变器工作在电网不平衡条件下，采用本发明所提出的控制策略时，虚拟同步机输出三相电流和三相电压仿真结果示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。一种电网不平衡条件下虚拟同步机控制系统，包括电流采集模块、电压采集模块、功率计算模块、电压参考信号幅值计算模块、电压参考信号相位信息计算单元、三相电压参考信号计算模块、三相电流参考信号计算单元、逆变器三相调制信号计算单元和脉宽调制模块。电流采集模块采集逆变器三相输出电感电流iABC分别输出至功率计算模块、逆变器三相调制信号计算单元。电压采集模块采集逆变器输出电压uoABC分别输出至功率计算模块、三相电流参考信号计算单元和逆变器三相调制信号计算单元。功率计算模块根据逆变器三相输出电感电流iABC、逆变器输出电压uoABC计算逆变器实际输出有功功率po和逆变器实际输出无功功率qo。电压参考信号幅值计算模块包括：顺序连接的幅值检测模块、电压-无功功率下垂控制调节模块、积分调节模块；幅值检测模块根据电压采集模块输出的逆变器输出电压uoABC计算逆变器输出电压幅值Vo；电压-无功功率下垂控制调节模块根据逆变器输出电压幅值Vo、电网电压额定幅值Vn计算无功功率下垂给定值Qd；积分调节模块根据无功功率下垂给定值Qd、无功功率给定值Qref和逆变器实际输出无功功率qo计算电压参考信号幅值Vref。电压参考信号相位信息计算单元包括：频率-有功功率下垂控制调节模块、虚拟转动惯量模块和逆变器相位生成模块；频率-有功功率下垂控制调节模块根据电网电压额定角频率ωn、逆变器输出电压角频率ωo计算有功功率下垂给定值Pd；虚拟转动惯量模块根据有功功率下垂给定值Pd、有功功率给定值Pref和逆变器实际输出有功功率po计算逆变器输出电压角频率ωo；逆变器相位生成模块根据逆变器输出电压角频率ωo计算电压参考信号的相位信息θo。三相电压参考信号计算模块根据电压参考信号幅值Vref、电压参考信号的相位信息θo计算三相电压参考信号vrefABC，并输出至三相电流参考信号计算单元。三相电流参考信号计算单元包括电流环参考信号生成模块和谐振控制器模块，谐振控制器模块的传递函数为：其中：ω为谐振点，Q为品质因数。电流环参考信号生成模块根据逆变器输出电压uoABC、三相电压参考信号vrefABC计算三相电流参考信号irefABC。逆变器三相调制信号计算单元包括：电流环调节模块和调制波生成模块；电流环调节模块根据三相电流参考信号irefABC和逆变器三相输出电感电流iABC计算得到的信号经调制波生成模块产生逆变器三相调制信号vmABC。逆变器三相调制信号vmABC与载波信号vc一同送入脉宽调制模块产生控制逆变器功率开关的控制信号d。本发明公开的电网不平衡条件下虚拟同步机控制方法是基于上述控制系统实现的，具体包括如下步骤：步骤一：根据逆变器输出电压幅值Vo、电网电压额定幅值Vn，计算无功功率下垂给定值Qd；无功功率下垂给定值Qd的计算公式如式(1)所示：Qd＝(Vn-Vo)·kv(1)式中：Vn为电网电压额定幅值，Vo为逆变器输出电压幅值，kv为电压-无功下垂系数。步骤二：根据无功功率下垂给定值Qd、无功功率给定值Qref和逆变器实际输出无功功率qo计算电压参考信号幅值Vref；电压参考信号幅值Vref的计算公式如式(4)所示：Vref=(Qd+Qref-qo)·1Ks---(4)]]>式中：Qref为无功功率给定值，qo为逆变器实际输出无功功率，K为积分系数。步骤三：根据电网电压额定角频率ωn、电压参考信号角频率ωo，计算有功功率下垂给定值Pd；有功功率下垂给定值Pd的计算公式如式(2)所示：Pd＝(ωn-ωo)·kf(2)式中：ωn为电网电压额定角频率，ωo为电压参考信号角频率，kf为频率-有功下垂系数；电压参考信号角频率ωo的计算公式如式(3)所示：ωo=(Pd+Pref-po)·1Jωns---(3)]]>式中：Pref为有功功率给定值，po为逆变器实际输出有功功率，J为虚拟转动惯量。步骤四：根据有功功率下垂给定值Pd、有功功率给定值Pref和逆变器实际输出有功功率po经虚拟转动惯量模块、逆变器相位生成模块计算电压参考信号的相位信息θo；电压参考信号的相位信息θo的计算公式如式(5)所示：θo=ωo·1s---(5).]]>步骤五：电压参考信号的相位信息θo结合步骤二计算出的电压参考信号幅值Vref，计算三相电压参考信号vrefABC；计算公式如式(6)所示：vrefA=Vrefcos(θo)vrefB=Vrefcos(θo-120)vrefC=Vrefcos(θo+120)---(6)]]>步骤六：三相电压参考信号vrefABC和逆变器输出电压uoABC相结合计算得到三相电流参考信号irefABC；步骤七：根据三相电流参考信号irefABC、逆变器三相输出电感电流iABC和逆变器输出电压uoABC计算得到逆变器三相调制信号vmABC；逆变器三相调制信号vmABC的计算公式如式(7)所示：vmABC=(irefABC-iABC)(kp+kis)---(7)]]>式中：kp为电流环调节器比例系数，ki为电流环调节器积分系数。步骤八：将逆变器三相调制信号vmABC与载波信号vc一同送入脉宽调制模块产生控制逆变器功率开关的控制信号d。为说明本发明的正确性和可行性，对所提出的一种电网不平衡条件下的虚拟同步机控制方法进行了仿真验证，其中仿真参数为：虚拟同步机直流输入电压Uin为700VDC，变流器输出滤波电感L均为0.15mH，输出滤波电容C均为200μF(三角型连接)，三相不平衡电网电压幅值分别为205VAC、257VAC、257VAC。图2给出了未采用本发明所提出的控制策略时，虚拟同步机在上述不平衡电网条件下运行时的三相输出电压和三相输出电感电流波形。图3给出了采用本发明所提出的控制策略时，虚拟同步机在上述不平衡电网条件下运行时的三相输出电压和三相输出电感电流波形。图2图3给出的仿真波形显示，未采用本发明控制方法时，虚拟同步机在电网电压不平衡条件下，三相输出电感电流严重不平衡。采用本发明控制方法的虚拟同步机工作在同样电网不平衡条件下时，虚拟同步机三相输出电感电流波形得到了极大的改善，仿真波形显示此时虚拟同步机输出电感平衡的三相正弦波。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。