CN105186554B - 具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法 - Google Patents

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Abstract

具有转动惯量和阻尼自趋优的超越虚拟同步发电机方法，步骤如下：步骤(1)：建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程；步骤(2)：虚拟同步发电机模型中的转动惯量J和阻尼D随|Δf|变大而变大，Δf是电网额定频率与虚拟同步发动机实际频率之差的绝对值。步骤(3)：根据上述转动惯量J和阻尼D的自我调整，对|Δf|进行闭环控制，最终实现分布式光伏发电系统的并网。本发明提供的具有转动惯量和阻尼自趋优的超越虚拟同步发电机方法，其中，虚拟同步发电机中转动惯量J和阻尼D随|Δf|的变化而做自适应的调整，调整后的转动惯量J和阻尼D又反馈调节|Δf|，最终实现光伏逆变器并网时的“零”冲击，提高电网对分布式光伏发电系统的接纳能力。

Description

具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，具体涉及一种基于具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机(VSG+)方法，其中虚拟同步发电机的英文为Virtual SynchronousGenerator，简称VSG。
背景技术
随着全球范围内的能源危机和气候问题日益突出，太阳能作为一种洁净的可再生资源得到了越来越广泛的应用和发展，分布式光伏发电系统已经开始大规模的接入电网，其能量渗透率也在不断增加。然而，分布式光伏发电系统中含有大量的并网逆变器，尤其是常规并网逆变器响应速度快、几乎没有转动惯量、难以参与电网调节，无法为含有分布式光伏发电系统的主动配电网提供必要的电压和频率支持。目前常规光伏逆变器的并网控制策略(PQ控制、V/f控制、Droop下垂控制)都难以解决光伏逆变器惯性缺乏的问题，难以参与电网电压和频率的调节，这些都给配电网和微电网的安全稳定运行带来了巨大的挑战。
传统的同步发电机具有高阻抗、大惯性、自同步的特性，若能够使得分布式发电系统中并网逆变器从外特性和机理上都具有同步发电机的良好特性，必然能够提高含并网逆变器的分布式发电系统和微电网的运行性能。基于该思想，有学者提出：将同步发电机的上述特性植入到并网逆变器的控制策略中，进而提高分布式发电系统并网的能力。因此，虚拟同步发电机(VSG)的思想应运而生。
发明专利《一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法》(专利号为CN103972928 A)给出了该方案的一种实施方法，建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程，通过虚拟同步发电机的建立使得分布式光伏发电系统的光伏逆变器具有惯性和阻尼，具备参与配网调节的能力。
然而上述实施方式中，电网中的转动惯量和阻尼大小不能够自适应的做出调整，为更好的实现分布式光伏发电系统的并网，需要一种更佳的方案来提高并网稳定域。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，用以提高分布式光伏发电系统并网稳定域，实现分布式光伏发电系统中光伏逆变器的“电网友好型”特征和组网特性。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，步骤如下：
步骤(1)：建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程；
步骤(2)：虚拟同步发电机模型中的转动惯量J和阻尼D随|Δf|变大而变大，Δf是电网额定频率与虚拟同步发电机实际频率之差的绝对值。
步骤(3)：根据上述转动惯量J和阻尼D的自我调整，对|Δf|实现闭环控制，最终实现分布式光伏发电系统的并网。
进一步的，步骤(2)中转动惯量参数闭环控制的具体方程为
其中，fN为电网系统额定频率，f为虚拟同步发电机实际频率，kJ为转动惯量自适应比例常数，J0为转动惯量初始给定值。
进一步的，步骤(2)中阻尼参数闭环控制的具体方程为
其中，fN为电网系统额定频率，f为虚拟同步发电机实际频率，kD为阻尼自适应比例常数,D0为阻尼初始给定值。
进一步的，步骤(1)中，虚拟同步发电机的机械方程为
其中，J为虚拟发电机的转动惯量,单位是kg·m2；PT'和PVSG分别为输入虚拟机械功率和虚拟电磁功率，单位为kW；ω为虚拟同步发电机转子的角速度，ωN为电网同步角速度，单位为rad/s；D为阻尼系数，单位为N·m·s/rad；θ为电角度，单位为rad。
进一步的，步骤(1)中，虚拟同步发电机的电磁方程为
其中，为逆变器桥侧输出电压，等效于同步发电机电势。为虚拟同步发电机的机端电压。R和X分别为虚拟同步发电机的同步电阻和同步电抗。
进一步的，分布式光伏发电系统中设有储能装置，储能装置采用如下控制方式：将计算得到的电网实时功率与光伏输出功率之差ΔP作为储能装置功率的参考值，然后其与储能装置功率的差值送入PI控制器后进行限幅，其输出与功率ΔP除以母线电压的商值(即功率前馈环节)之和作为储能装置实际电流参考值，与储能装置实际电流值之差送入PI控制器，得到最终PWM脉冲信号以控制储能装置功率的输出和接受。
本发明提供一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，其中，虚拟同步发电机中转动惯量J和阻尼D随|Δf|的变化而做自适应的调整，从而实现自趋优的控制目的，解决现有VSG技术中转动惯量和阻尼采用定值，不能够自动趋于优化的问题，最终实现光伏逆变器并网时的“零”冲击，提高电网对分布式光伏发电系统的接纳能力。
附图说明
图1是具备转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机VSG+基本思想原理图；
图2是具备转动惯量和阻尼自趋优的VSG+技术控制策略框图；
图3是基于VSG+技术的光储联合并网发电系统的能量控制原理图；
图4是基于功率外环、电流内环的蓄电池自动充放电控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明涉及一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，在光伏发电系统一侧并联蓄能装置，根据电网频率的波动程度，分布式光伏发电系统自动的向电网吸收或者注入需要的功率，实现分布式光伏发电系统中光伏逆变器并网时对配电网或者微电网的“零冲击”，解决以往VSG控制方法中转动惯量和阻尼不能够自动趋于优化的问题，提高配电网或者微电网对分布式光伏发电系统的接纳能力。具体的来说，包括如下三个步骤：
步骤(1)：建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程；
步骤(2)：虚拟同步发电机模型中的转动惯量J和阻尼D随|Δf|变大而变大，Δf是电网额定频率与虚拟同步发电机实际频率之差的绝对值。
步骤(3)：根据上述转动惯量J和阻尼D的自我调整，对|Δf|实现闭环控制，最终实现分布式光伏发电系统的并网。
对应于步骤(1)的，根据附图1具备转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机VSG+基本思想原理图，虚拟同步发电机的机械方程表示如下：
其中，J为虚拟发电机的转动惯量,单位是kg·m2；PT'和PVSG分别为输入虚拟机械功率和虚拟电磁功率，单位为kW；ω为虚拟同步发电机转子的角速度，ωN为电网同步角速度，单位为rad/s；D为阻尼系数，N·m·s/rad；θ为电角度，单位为rad。
公式(1)中，机械功率PT'的计算如下：
PT'＝kf*(|fN-f|)+PT…(2)
其中，PT为虚拟同步发电机在额定频率下的初始输出有功功率，kf为频率调节系数，即下垂系数，用以反映系统中负载突变时相应的频率变化情况。
上述公式中虚拟发电机转动惯量的存在，使得分布式光伏发电系统中的光伏逆变器在并网中遇到电网扰动时，有了惯性；阻尼系数D的存在，使得分布式光伏发电系统的光伏逆变器具有了阻碍系统功率震荡的能力，这两个变量对于配电网或者微电网的运行性能具有重要的改善能力。
对应于步骤(1)的，虚拟同步发电机的电磁方程可以表示为
其中，为逆变器桥侧输出电压，相当于同步发电机电势。为虚拟同步发电机的机端电压。R和X分别为虚拟同步发电机的同步电阻和同步电抗。
上述步骤(1)虚拟同步发电机机械方程和电磁方程的建立，属于现有技术，本发明的主要改进点在于步骤(2)。
相应于步骤(2)的，根据分布式光伏发电系统的运行特性和电网频率波动强度，自动改变其转动惯量和阻尼大小，实现转动惯量和阻尼参数的自动趋于优化。根据附图2，可以得到具体方程如下：
其中，fN为电网系统额定频率，f为虚拟同步发电机实际频率，kJ为转动惯量自适应比例常数，kD为阻尼自适应比例常数，J0为转动惯量初始给定值，D0为阻尼初始给定值。
从公式(4)中可以看出，转动惯量J与频率波动|Δf|成线性关系，具体调节过程如下：当配电网系统或微电网系统运行的实际频率与额定频率差别较大时，即系统频率波动|Δf|较大时，由公式(4)中转动惯量与频率波动的线性关系可知此时转动惯量J也相应的变大，进而配电网或微电网运行的惯性变大，从而使得系统频率的变化趋于平缓，系统动态响应变慢；同理，当配电网系统或微电网系统运行的实际频率比较接近于额定频率时，系统频率波动|Δf|变小时，转动惯量J也变小，此时配电网或微电网的惯性较小，从而使得系统频率的变化趋于快速，系统动态响应变快；需要注意的是，对于kJ*|Δf|的大小要选择合适的值，以防止因转动惯量J过大或者过小而导致系统动态响应速度过慢或过快。
从公式(5)中可以看出，阻尼D与系统频率波动|Δf|成线性关系，具体调节过程如下：当系统受到较大的扰动或频率变化时，系统频率波动|Δf|变大，阻尼D也相应的变大，配电网或微电网的系统阻尼也变大，从而使得配电网或微电网的暂态过程变短；当系统运行比较平稳或者受到较小的扰动或频率变化时，系统频率波动|Δf|变小，阻尼D也相应的变小，配电网或微电网的系统阻尼也变小，从而使得配电网或微电网的暂态过程变长。需要注意的是，要选择合适的kD为阻尼自适应比例常数，以避免D过大或者过小从而导致配电网或者微电网系统阻尼过大或者过小，进而使得暂态过程太长或者太短。
上述事实方式中转动惯量J和阻尼D随|Δf|线性变化，作为其他实施方式，转动惯量J和阻尼D与|Δf|的关系也可以不是线性关系，只要满足转动惯量J和阻尼D随|Δf|的变化而变化的关系即可。
如图2所示，实际输出功率PVSG在计算完成后又反馈回来与PT'做差运算，形成闭环控制调节，其中该公式可知，θ在D和J的作用下，在θ值每次发生变化时D和J都会阻碍其变化趋势，进而阻碍实际输出功率PVSG的变化趋势。而且在调节过程中D和J根据电网波动的大小自我调节、自动趋于优化，使得电网调节的暂态过程不会太长或者太短、相应速度也不会太快或者太慢，分布式光伏发电系统在并网时能够更好实现分布式发电系统中的光伏逆变器并网时“零”冲击，使得分布式光伏发电系统具有自适应的虚拟惯性作用，同时使得光伏逆变器从外特性和机理上均具有同步发电机的良好特性，
相应于步骤(3)的，在转动惯量和阻尼参数自动趋于优化的基础上进行光储联合并网发电系统的能量控制。如图3所示，在分布式光伏发电系统一侧并联有用于储能的蓄电池以及用于控制其充放电的双向DC/DC装置和充放电控制器。PVSG是VSG+技术计算出来的实时有功功率，相当于需要上送电网的有功功率，该功率应等于光伏出力Ppv与储能输出功率Pbat之和，由系统的控制框图可知：
PVSG＝Ppv+Pbat…(6)
从公式(6)中可以看出，通过PVSG可以间接的进行Ppv控制，在实时有功功率PVSG计算出来、而且光伏发电出力Ppv已知时，合理控制蓄能装置充放电调节其输出功率Pbat，使得电网实时有功功率得到满足，实现分布式光伏发电系统的自适应虚拟惯性功能。
关于蓄能装置充放电的具体控制方式如下：
如图4所示，蓄能装置充放电采用功率外环、电流内环、功率前馈相结合的能量控制策略，实时有功功率PVSG与光伏输出功率Ppv之差ΔP作为蓄电池功率的参考值，然后将功率差值ΔP与蓄电池功率的差值送入到PI控制器后进行限幅调节，另一方面功率差值ΔP与母线电压Udc做商运算，运算结果与PI控制器限幅调节后的输出值做和运算，和运算的结果作为蓄电池实际电流参考值，该蓄电池实际电流参考值与蓄电池实际电流Ibat之差送入PI控制器，得到最终PWM脉冲信号，PWM脉冲信号用以控制双向DC/DC功率单元中功率管的开通和关断。从而实现对蓄电池充放电的控制，用以保证光伏发电出力与储能输出功率之和等于上送电网的实际有功功率。同时，功率前馈环节可以加快蓄电池输出或吸收功率的响应速度，实现快速调节。
以上给出了本发明涉及主题的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，其特征在于，步骤如下：
步骤(1)：建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程；
步骤(2)：虚拟同步发电机模型中的转动惯量J和阻尼D随|Δf|变大而变大，Δf是电网额定频率与虚拟同步发电机实际频率之差的绝对值；
步骤(3)：根据上述转动惯量J和阻尼D的自我调整，对|Δf|进行闭环控制，最终实现分布式光伏发电系统的并网；
其中，所述闭环控制方法为：当系统频率波动|Δf|较大时，转动惯量J和阻尼D相应增大，使配电网或微电网的惯性和阻尼变大，从而使系统动态响应变慢，暂态过程变短，系统频率变化趋于平缓；当系统频率波动|Δf|较小时，转动惯量J和阻尼D相应减小，使配电网或微电网的惯性和阻尼变小，从而使系统动态响应变快，暂态过程变长。
2.根据权利要求1所述的一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，其特征在于，所述步骤(2)中转动惯量参数闭环控制的具体方程为
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其中，fN为电网系统额定频率，f为虚拟同步发电机实际频率，kJ为转动惯量自适应比例常数，J0为转动惯量初始给定值。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，其特征在于，所述步骤(2)中阻尼参数闭环控制的具体方程为
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>D</mi> </msub> <mo>*</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mo>|</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> <mo>|</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，fN为电网系统额定频率，f为虚拟同步发电机实际频率，kD为阻尼自适应比例常数,D0为阻尼初始给定值。
4.根据权利要求1所述的一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，其特征在于，所述步骤(1)中，虚拟同步发电机的机械方程为
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>J</mi> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>T</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>V</mi> <mi>S</mi> <mi>G</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;omega;</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，J为虚拟发电机的转动惯量,单位是kg·m2；PT'和PVSG分别为输入虚拟机械功率和虚拟电磁功率，单位为kW；ω为虚拟同步发电机转子的角速度，ωN为电网同步角速度，单位为rad/s；D为阻尼系数，单位为N·m·s/rad；θ为电角度，单位为rad。
5.根据权利要求1所述的一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，其特征在于，所述步骤(1)中，虚拟同步发电机的电磁方程为
<mrow> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <mi>j</mi> <mi>X</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> </mrow> 1
其中，为逆变器桥侧输出电压，等效于同步发电机电势；为虚拟同步发电机的机端电压；为虚拟同步发电机的输出电流；R和X分别为虚拟同步发电机的同步电阻和同步电抗。
6.根据权利要求1所述的一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，其特征在于，所述分布式光伏发电系统中设有储能装置，储能装置采用如下控制方式：将计算得到的电网实时功率与光伏输出功率之差ΔP作为储能装置功率的参考值，然后其与储能装置功率的差值送入PI控制器后进行限幅，其输出与功率ΔP除以母线电压的商值之和作为储能装置实际电流参考值，与储能装置实际电流值之差送入PI控制器，得到最终PWM脉冲信号以控制储能装置功率的输出和接受。
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