CN105634004B - 一种基于虚拟同步发电机控制的电压源换流器等值方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机控制的电压源型换流器等值方法，属于输配电技术领域。针对目前电网电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）的同调判别困难，参数聚合依据不明，无法较好的进行等值的问题。本发明利用虚拟同步发电机控制使VSC具有了类似同步发电机的功角特性，设计了合理的VSC类同调判据与类同调VSC参数聚合方法，并将等值方法由两电平VSC扩展到模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）。本发明的核心技术方案是：通过本发明设计的VSC类同调判据判断VSC同调性，将VSC分成不同的类同调群，针对两电平VSC拓扑结构，对各个类同调VSC群分别进行控制参数聚合和类同调VSC群电路参数聚合。若换流器拓扑结构为MMC，则增加子模块电容及子模块个数的参数聚合步骤以最终实现MMC群的等值。

Description

一种基于虚拟同步发电机控制的电压源换流器等值方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机控制的电压源换流器等值方法。

背景技术

虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制，是基于同步发电思想的逆变器控制，它的提出使新能源并网逆变器具有了类似发电机外特性的性质，解决了电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）运行时输出阻抗小、阻尼小、无惯性等问题，提高了系统的稳定性，将成为日后新能源并网VSC控制的主要控制方式。对于采用这种控制后新能源并网VSC外特性表现与传统同步发电机一样，一些经典的传统电网的分析方法便可以用来分析这些含新能源并网的电力系统。随着电网中新能源并网增多，使得电网换流器急剧增加，其结构包括两电平与模块化多电平换流器（Modular MultilevelConverter，MMC）等，系统的暂态过程具有很强的非线性特性，精确仿真超大规模交直流电网的电磁暂态过程所需计算机硬件资源和仿真用时都是无法接受的。为了研究复杂系统实时仿真、安全稳定性分析和控制与保护设计，需要对其进行局部的等值简化。交流系统的同步发电机同调等值已经有很多文献涉及，而VSC的同调判别困难，参数聚合依据不明确，是含新能源接入的大电网等值简化的关键科学和工程实际问题。

发明内容

针对上述背景技术中提到含新能源接入的大电网仿真中VSC等值问题，本发明提出利用虚拟同步发电机控制技术，通过VSG控制使得VSC具有了类似同步发电机的功角特性，借鉴交流系统中同步发电机的同调等值方法，设计了适用于VSC的类同调判据与基于虚拟同步发电机控制的VSC参数聚合方法，实现了类同调VSC的同调性判断和等值。

本发明的技术方案的特征包括以下步骤：

步骤1：类比交流同步发电机同调判据，基于VSG控制的VSC具有的功角特性，设计符合VSC容量与特性的类同调判据。

步骤2：根据VSC的类同调判据，将VSC分成不同的类同调群，针对两电平VSC拓扑结构，进行类同调VSC群控制参数聚合和类同调VSC群电路参数聚合。

步骤3：将两电平VSC等值方法推广到MMC型换流器，根据MMC拓扑与两电平VSC拓扑的区别，补充类同调VSC群电路参数聚合方法。

本发明通过上述三个步骤，能够解决VSC逆变器同调难判别且等值无依据的问题，较好的进行VSC的等值，减小计算机仿真资源的占用，提高仿真效率。

附图说明

图1为VSG控制框图。图中P _ref 、Q _ref 为有功功率和无功功率整定值，D _p 、D _q 、K和J为控制器参数，ω _n 为系统额定转速。图2为n台并联VSC电路结构图。图中R _si 、R _gi 、L _si 、L _gi 和C _i 为VSCi的电路电阻、电感和电容参数。图3为5台VSC等值过程示意图，其中1、2和3号VSC归为同一个类同调群，4、5号VSC归为应一个类同调群，分别将其等值为VSC_A和VSC_B。

具体实施方式

下面将对本发明涉及的一种基于虚拟同步发电机控制的电压源型换流器等值方法作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明所要解决的技术问题是通过设置合适的VSC类同调判据，对两电平VSC和MMC进行参数聚合，使得系统等值简化，减小系统仿真计算机资源占用量，提高电力系统分析效率。本发明采用如下技术方案实现：

本发明通过如下三步来实现：

步骤1：类比交流同步发电机同调判据，基于VSG控制的VSC具有的功角特性，设计符合VSC容量与特性的类同调判据。

（1）

式（1）中t ₀表示扰动加入时刻,Δδ _i 、Δδ _j 表示两台VSC相对于各自功角初值的差。若在所加扰动后，不同的基于虚拟同步发电机控制的VSC同时满足式（1），则称这些VSC换流器为类同调VSC群。

步骤2：根据VSC的类同调判据，将VSC分成不同的类同调群，针对两电平VSC拓扑结构，对各个类同调VSC群分别进行控制参数聚合和类同调VSC群电路参数聚合。

类同调VSC群控制参数是虚拟转子运动方程的直接体现，在做转子运动方程的参数聚合时，为了保持其原来的虚拟转子运动特性，利用了虚拟同步发电机控制与同步发电机机械转矩的内在联系，最终体现为控制参数有名值叠加的过程。

(2)

(3)

(4)

(5)

式（2）~（5）中，J _eq 、D _peq 、D _qeq 和K _eq 为等值VSC控制器参数。

n台类同调VSC接在同一母线上电路结构如图2所示。需要将VSC的LCL滤波电路进行参数聚合。结合同步发电机电磁回路聚合方法来聚合VSC电路参数。n台类同调VSC等值后的电路形式与单台VSC形式保持一致，电路参数即为所求的等值参数。

步骤3：将两电平VSC等值方法推广到MMC型换流器，根据MMC拓扑与两电平VSC拓扑的区别，补充类同调MMC群电路参数聚合方法。

基于VSG控制的MMC型换流器控制主控制系统结构与两电平VSC基本一致，只是多了子模块电容电压均衡排序控制，但是这不影响主控制器参数聚合。

类同调MMC群电路参数较之两电平VSC多了子模块个数与子模块电容容值。将MMC子模块电容等效为一个直流侧电容

（6）

式中C _eq 为直流侧等效电容，N为子模块个数，C _SM 为子模块电容容值。电容的容值体现了MMC逆变器所能提供惯性的大小，MMC等值聚合后所能提供的惯性增大，等值MMC的等效电容相当于各台MMC的等效电容的并联，如式（7）所示。

（7）

式中C _{eq_eq} 为等值MMC直流侧等效电容，C _eqi 为第i台MMC直流侧等效电容。

等值MMC的子模块个数为各台MMC子模块个数基于容量的加权后的值，如式（8）所示。

（8）

式中N _eq 为等效子模块个数，若计算出来不为正整数，需要四舍五入近似为正整数值。S _MMCi 为第i台MMC的容量，N _MMCi 为第i台MMC的子模块个数。

在得到等效子模块个数和直流侧等值电容值后，需要把直流侧等效电容换算回等值MMC的子模块电容容值。

（9）

式中C _{SM_eq} 为等值MMC的子模块电容。

需要说明的是步骤1,2和3整体作为发明内容，步骤3是整个体系的扩充，保证了系统中换流器拓扑的多样性，三个步骤为有机的不可分割的整体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于虚拟同步发电机控制的电压源换流器等值方法，其特征是利用虚拟同步发电机控制（Virtual Synchronous Generator，VSG）使电压源型换流器（Voltage SourceConverter，VSC）具有了类似同步发电机的功角特性并设计VSC类同调判据，进行VSC参数聚合，对含VSC逆变器系统局部等值简化；包括以下步骤：步骤1：类比交流同步发电机同调判据，基于VSG控制的VSC具有的功角特性，设计符合VSC容量与特性的类同调判据；步骤2：根据VSC的类同调判据，将VSC分成不同的类同调群，针对两电平VSC拓扑结构，进行类同调VSC群控制参数聚合和类同调VSC群电路参数聚合；步骤3：将两电平VSC等值方法推广到模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC），根据MMC拓扑与两电平VSC拓扑的区别，将MMC子模块电容等效为一个直流侧电容，等值MMC的电容容值相当于各台类同调MMC的等效电容的并联后的容值；等值MMC的子模块个数为各台MMC子模块个数基于容量的加权后的值； 得到等效子模块个数和直流侧等值电容值后，再把直流侧等效电容换算回等值MMC的子模块电容容值；以上方法解决VSC逆变器同调难判别且等值无依据的问题，开展VSC的等值，可以减小计算机仿真资源的占用，提高系统仿真效率。