(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111581039.3 (22)申请日 2021.12.2 2 (71)申请人 国网辽宁省电力有限公司电力科 学 研究院 地址 110006 辽宁省沈阳市和平区四平街 39-7号 申请人 国家电网有限公司 (72)发明人 闫振宏　王同　卢盛阳　蔡玉朋　 卢岩　张武洋　王海鑫　楚天丰　 厍世达　宋保泉　李鹏里　王英明　 周佳旭　史松杰　 (74)专利代理 机构 辽宁沈阳国兴知识产权代理 有限公司 21 100 代理人 何学军　侯景明(51)Int.Cl. H02J 3/40(2006.01) H02J 3/38(2006.01) H02J 3/24(2006.01) H02P 27/08(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06Q 50/06(2012.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种基于虚拟同步发电机功率环的建模与 参数计算方法 (57)摘要 本发明属于电力系统建模与仿 真技术领域， 尤其涉及一种基于虚拟同步发电机功率环的建 模与参数计算方法。 包括： 步骤1.建立基于虚拟 同步发电机功率环的数学模型； 步骤2.基于建立 的数学模型， 证明在一定条件下虚拟同步发电机 有功环和无功环为近似解耦； 步骤3.根据经证明 的有功环和无功环为近似解耦， 得到基于虚拟同 步发电机参数的计算方法。 本发 明计算方法能够 实现快速准确地计算出相应的控制参数， 并兼顾 系统的稳定性、 动态性能与对功率脉动的抑制能 力， 使电网的稳定性和安全性得到 显著的提升 。 权利要求书9页 说明书20页 附图4页 CN 114374228 A 2022.04.19 CN 114374228 A 1.一种基于虚拟同步发电机功率环的建模与参数计算方法， 其特 征是： 包括以下步骤： 步骤1.建立基于虚拟同步发电机功率环的数 学模型； 步骤2.基于建立的数学模型， 对于闭环控制的VSG， 当输出阻抗很小时， 其有功环和无 功环是近似解耦； 步骤3.根据经证明的有功环和无功环为近似解耦， 得到基于虚拟同步发电机参数的计 算方法。 2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机功率环的建模与参数计算方法， 其 特征是： 步骤1所述建立基于虚拟同步发电机功率环的数 学模型， 包括： 步骤(1)计算虚拟同步发电机 输出有功 功率和无功 功率； 步骤(2)计算半个工频周期平均化后的瞬时功率； 步骤(3)建立和推导基于虚拟同步发电机 工频小信号模型。 3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机功率环的建模与参数计算方法， 其 特征是： 步骤(1)所述计算虚拟同步发电机VSG输出有功功率和无功功率， 有功功率为Pe， 无 功功率为Qe， 计算步骤如下： 在VSG主电路拓扑和控制 结构中， Q1 ‑Q6组成三相逆变桥； 逆变器侧电感L1、 滤波电容C 和网侧电感L2构成LCL型 滤波器； 虚拟同步发电机VSG输出有功 功率Pe和无功功率Qe通过瞬时功率理论计算得到： 其中： Eα和Eβ为逆变器桥臂中点电压的基波在α、 β 坐标系下的表 达式； Iα和Iβ为电感L1中 的电流在α 、 β 坐标系下的表达式； 公式化VSG有功 环和无功 环数学方程； 虚拟同步发电机VSG有功环模拟同步发电机的惯性和一次调频特性， 无功环模拟同步 发电机的一次调压特性， 可 得VSG有功 环和无功 环的数学方程如下： 其中： PSET和Qset为有功功率和无功功率给定； TSET为转矩给定； Te为电磁转矩； Dp为有功‑ 频率下垂阻系数； Dq为无功‑电压下垂系数； ω为VSG角频率； ωn为额定角频率； Uo为输出电 压有效值； Un为额定电压有效值； J为虚拟转动惯量， Pe为VSG输出有功功率， Qe为无功功率， * 为乘法符号， d为 微分符号， t为 微分公式 中的时间变量， K为VSG惯性系数； 可知， 虚拟同步发电机VSG有功环和无功环可以模拟同步发电机特性， VSG有功环的输 出作为逆变 器调制波的频率和相位， 无功 环的输出作为逆变 器调制波的幅值； 步骤(2)所述计算半个工频周期平均化后的瞬时功率， 包括： 当三相电压不平衡或者存在谐波或虚拟同步发电机VSG带本地不平衡负荷或者非线性权　利　要　求　书 1/9 页 2 CN 114374228 A 2负荷时， 虚拟同步 发电机VSG输出的瞬时有功功 率和无功功 率中含有 脉动量， 其脉动量的最 低频率为两倍工频； VSG输出瞬时有功功率和无功功率时， 仅考虑两倍工频的脉动， 结合 式(2)中VS G有功环 和无功环的数学方程可知， 若有功环和无功环在两倍工频处的增益达到50％以上， 瞬时有 功功率中的两倍工频脉动量会通过环路反映到调制波的频率和相角中， 使调制波的频率和 相角中含有两倍工频的脉动； 瞬时无功功率中两倍工频的脉动量通过环路反映到调制波的 幅值中， 使调制波的幅值中含有两倍工频的脉动； 使调制波发生畸变， 导致输出电压发生畸 变； 因此， 为抑制反馈功率中的脉动量对输出电压的影响， 有功环和无功环的环路截止频率 取两倍工频的1/10以内； 当有功环和无功环环路的截止频率取两倍工频的1/10以内时， 瞬时有功功率和无功功 率中的两倍工频以及更高次的脉动量被环路大大衰减， 小于其直流量与低频小信号分量之 和； 近似认为瞬时有功功率和瞬时无功功率在半个工频周期 内的平均值与其瞬时值相等， 而不会引起较大的误差， 半个工频周期平均化后功率表达式如下： 其中： 为瞬时有功功率在半个工频周期内平均值， 为瞬时无功功率在半 个工频周期内平均值， Tline为工频周期， Pe为VSG输出有功 功率， Qe为无功功率； 将并网逆变器等效为一个理想电压源与其输出阻抗串联， 其中， Zo为逆变器输出阻抗； Zg为电网阻抗， 定义Z＝Zo+Zg＝r+jXs； 其中， r为逆变器输出阻抗与电网阻抗 中阻性分量， Xs 为逆变器输出阻抗与电网阻抗中感性分量； 由于所关心的频率低于两倍工频， 用正弦电压 电流的相量计算半个工频周期内的平均功率； 定义桥臂中点电压基波的相量为E∠δ， 电网 电压的相量 为Ug∠0， 其中δ 为两个电压相量之间的相位差(亦称功角)， 其表达式为： δ ＝ ∫(ω‑ωg)dt    (4) 式中： ωg为电网电压的角频率； 逆变器输出电压和电网电压之间的阻抗呈阻感性， 可调整逆变器的控制环路， 等效虚 拟一个与L2串联的电感， 使Xs＞＞r， 则逆变器馈入电网的有功功率和无功功率的表达式 为： 式中： Ug为电网电压， XS为逆变器输出阻抗与电网阻抗中感性分量， E为VSG桥臂中点电 压； 以上两式分别与同步发电机稳态工作时输出的有功功率和无功功率表达 式相同， 表示 的是经过半个工频周期平均化后的功率表达式， 利用这两个表达式得到的模型只能反映系 统两倍工频以内频 段的特性；权　利　要　求　书 2/9 页 3 CN 114374228 A 3