CN105896570B - 基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，该方法通过将阻尼功率经PI调节器实现对虚拟同步发电机的稳态输出频率与参考输出频率差值的补偿；孤岛模式时，有功负荷波动将引起虚拟同步发电机输出频率变化；将输出频率与参考输出频率的差值作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入，其乘以阻尼系数后得到的阻尼功率作为阻尼绕组的输出；暂态过程中，阻尼功率不为零，起到抑制输出有功功率振荡的作用；同时，阻尼功率与设定的稳态阻尼功率参考值0相比较，经PI调节器去补偿输出频率与参考输出频率的偏差；稳态时，PI调节器的输出为参考输出频率与虚拟同步发电机输出频率的差值，消除了阻尼功率对有功功率分配的影响。

Description

基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法

技术领域：

本发明属于虚拟同步发电机领域，具体涉及一种基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法。

背景技术：

近些年来，随着光伏、风电等新能源发电地快速发展，以电力电子逆变器为并网接口的分布式发电装置得到了广泛的应用。与传统同步发电机不同，目前并网逆变器通常以电流源模式并网，缺少对电网的惯性支撑和阻尼作用，同时无法参与电网的调频调压过程。随着分布式可再生能源渗透率的进一步提高，必将对电网的安全稳定运行带来严峻挑战。虚拟同步发电机作为近年来提出的一种适合分布式发电单元并网运行的控制技术，通过模拟同步发电机的机械特性和部分电磁特性，使分布式发电单元具备惯性和阻尼特性，并向电网提供调频调压作用。其中，虚拟同步发电机控制技术通过模拟阻尼绕组使分布式发电单元具备阻尼特性，抑制输出有功功率的振荡。

分布式发电单元通常要求具备孤岛运行的能力。多台并联的分布式发电单元在孤岛运行时涉及到逆变器之间功率自动均分的问题。通常根据额定容量，通过设计每台分布式发电单元各自的下垂控制模块中的参数来实现功率均分。现有的虚拟同步发电机控制技术所采用的阻尼绕组模拟方法均采用恒定的阻尼系数，其控制结构如图2所示。从图2可见，当虚拟同步发电机稳态输出频率不等于设定的参考输出频率时，现有的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法在稳态时提供的阻尼功率不等于0，分布式发电单元的静态有功下垂特性曲线发生改变。如图3所示，实线为不加入阻尼绕组时单台分布式发电单元的静态有功下垂特性曲线，其斜率为下垂控制模块中设定的下垂系数m的负值；虚线为加入阻尼绕组后的静态有功下垂特性曲线，其斜率为－m/(1+Dm)。可见，阻尼系数D会改变分布式发电单元的静态下垂特性曲线的斜率，使其不再按照下垂控制模块中设定的下垂特性曲线对逆变器稳态输出有功功率进行控制。分布式发电单元的静态下垂特性曲线的斜率是根据其本身的额定容量确定的，采用现有的阻尼绕组模拟方法后将使各台分布式发电单元输出的有功功率无法按照各自的额定容量均分，导致每台分布式发电单元的容量得不到充分利用。通过减小阻尼系数能够减小现有的阻尼绕组模拟方法对有功下垂控制的影响，但较小的阻尼系数则可能导致输出有功功率的振荡。因此，采用现有的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法虽然能够解决输出有功功率振荡的问题，但会影响孤岛运行时各台并联分布式发电单元之间稳态输出有功功率的分配。

发明内容：

本发明的目的是针对传统虚拟同步发电机阻尼绕组模仿方法在孤岛运行时稳态阻尼功率不为零，从而会影响各分布式发电单元之间稳态有功功率均分，提出一种基于稳态频率差值补偿控制的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，该方法通过将阻尼功率经PI调节器实现对虚拟同步发电机的稳态输出频率与参考输出频率差值的补偿；

当采用虚拟同步发电机控制策略的多台并联分布式发电单元运行在孤岛模式时，有功负荷波动通过转子机械方程模拟部分引起虚拟同步发电机稳态输出频率变化；将虚拟同步发电机的稳态输出频率与参考输出频率的差值作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入，其乘以阻尼系数后得到的阻尼功率作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输出；阻尼功率作用于转子机械方程模拟部分，在暂态过程中，虚拟同步发电机的稳态输出频率不等于参考输出频率，阻尼功率不等于零，起到抑制输出有功功率振荡的作用；同时，阻尼功率与设定的稳态阻尼功率参考值0相比较，经过PI调节器去补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率与参考输出频率的偏差；稳态时，PI调节器的输出等于参考输出频率减去虚拟同步发电机的稳态输出频率的差值，从而使稳态阻尼功率等于0。

本发明进一步的改进在于，具体包括以下步骤：

1)转子机械方程模拟部分，将前级有功下垂控制给出的输出有功功率参考指令P_m与实际输出有功功率P_e作差，根据设定的转动惯量J，经积分后得到虚拟同步发电机的稳态输出频率ω，并将ω经积分作为后级电压电流双闭环控制中输出电压的参考相位θ_ref；

2)将虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s作差，作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入；

3)将虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值与设定的阻尼系数相乘后得到阻尼功率P_damp；

4)稳态频率差值补偿，将阻尼功率P_damp与设定的稳态阻尼功率参考值0相比较，作为PI调节器的输入，PI调节器的输出ω_pi反馈到虚拟同步发电机阻尼绕组的输入端来补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值；

5)补偿后的虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值再作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入，重复步骤1)至步骤4)的过程，从而形成闭环反馈回路；当系统达到稳态时，PI调节器的输出完全补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值，从而使稳态阻尼功率为0。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，虚拟同步发电机的稳态输出频率ω的计算公式如下：

后级电压电流双闭环控制中输出电压的参考相位θ_ref的计算公式如下：

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，阻尼功率P_damp的计算公式如下：

P_damp＝D·(ω-ω_s) (3)

其中，D为阻尼系数。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，PI调节器的输出ω_pi的计算公式如下：

其中，k_p和k_i分别为PI调节器的比例系数和积分系数。

相比于现有技术，本发明基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法的优点体现在：

本发明基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法在保持现有技术能够抑制输出有功功率振荡的同时，通过加入稳态频率差值补偿控制使阻尼功率在稳态时等于零，消除了阻尼功率对前级有功下垂控制的影响。在孤岛模式时，多台并联分布式发电单元能够完全按照各自的有功下垂控制单元设定的参数依据容量进行有功功率分配，而不再受到虚拟同步发电机阻尼绕组设计参数的影响，实现了两个控制模块之间功能的相互独立，从而提高分布式发电单元的性能，并减小了虚拟同发电机控制参数设计的复杂性。

附图说明：

图1为本发明基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法控制框图；

图2为采用现有阻尼绕组模拟方法的虚拟同步发电机控制结构；

图3为单台分布式发电单元的静态有功下垂特性曲线；

图4为不采用阻尼绕组模拟方法时输出有功功率波形；

图5为采用现有阻尼绕组模拟方法时输出有功功率波形；

图6为采用本发明提出的基于稳态频率差值补偿的阻尼绕组模拟方法时输出有功功率波形。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示为本发明基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法的控制原理图。图中P_e为虚拟同步发电机输出有功功率，P_m为虚拟同步发电机输出有功功率的参考指令，P_damp为虚拟阻尼绕组提供的阻尼功率，J为虚拟同步发电机的转动惯量，D为阻尼系数，ω为虚拟同步发电机稳态输出频率，ω_s为虚拟同步发电机参考输出频率，等于314rad/s，ω_pi为PI调节器的输出，m为有功下垂系数，θ_ref为虚拟同步发电机输出电压的参考相位。基于稳态频率差值补偿控制的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，具体采用以下步骤：

步骤一：转子机械方程模拟部分，将前级有功下垂控制给出的输出有功功率参考指令P_m与实际输出有功功率P_e作差，根据设定的转动惯量J，经积分后得到虚拟同步发电机的稳态输出频率ω，具体公式如下：

将ω经积分作为后级电压电流双闭环控制中输出电压的参考相位θ_ref，具体公式如下所示：

步骤二：将虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s作差，作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入；

步骤三：将虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值与设定的阻尼系数相乘后得到阻尼功率P_damp，具体公式如下：

P_damp＝D·(ω-ω_s) (3)

阻尼功率P_damp为虚拟同步发电机阻尼绕组的输出，作用于转子机械方程模拟部分。在暂态过程中，虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s不相等，阻尼功率P_damp不为0，起到抑制有功功率振荡的作用；

步骤四：稳态频率差值补偿，将阻尼功率P_damp与设定的稳态阻尼功率参考值0相比较，作为PI调节器的输入，PI调节器的输出ω_pi反馈到虚拟同步发电机阻尼绕组的输入端来补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值，具体公式如(4)所示。

其中，k_p和k_i分别为PI调节器的比例系数和积分系数。

步骤五：补偿后的虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值再作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入，重复步骤一至步骤四的过程，从而形成闭环反馈回路。当系统达到稳态时，PI调节器的输出完全补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值，从而使稳态阻尼功率为0。

实施例：

以两台并联的分布式发电单元孤岛运行为例，当系统有功负荷发生变化时，通过观察两台分布式发电单元输出有功功率的响应波形，将本发明提出的基于稳态频率差值补偿的阻尼绕组模拟方法分别与现有阻尼绕组模拟方法以及不采用阻尼绕组模拟方法这两种控制方式进行对比分析。

图4、图5和图6分别给出了不采用阻尼绕组模拟方法、采用现有阻尼绕组模拟方法和本发明提出的基于稳态频率差值补偿的阻尼绕组模拟方法这三种控制方式下两台并联分布式发电单元孤岛运行时输出有功功率的仿真波形。在0到5秒时间段，系统中的有功负荷为5kW。系统在额定频率下运行，此时虚拟同步发电机稳态输出频率与参考输出频率无偏差，两台分布式发电单元根据各自容量分别提供3kW和2kW的有功功率。在第5秒时刻，向系统中加入10kW的有功负荷。

如图4所示，当不采用阻尼绕组模拟方法时两台分布式发电单元输出有功功率发生振荡。而采用本发明提出的基于稳态频率差值补偿的阻尼绕组模拟方法，如图6所示，两台分布式发电单元输出有功功率均不发生振荡。通过对比图4和图6验证了本发明提出的阻尼绕组模拟方法具备抑制输出有功功率振荡的作用。

如图5所示，采用现有的阻尼绕组模拟方法虽然可以有效抑制输出有功功率振荡，但是稳态时两台分布式发电单元输出有功功率并没有按照容量比以3:2的比例均匀分配。而采用本发明提出的阻尼绕组模拟方法，稳态时两台分布式发电单元按照容量比以3:2的比例均匀分配。通过对比图5和图6验证了本发明提出的阻尼绕组模拟方法能够消除阻尼功率对有功下垂控制的影响，使并联分布式发电单元完全按照各自的有功下垂控制单元设定的参数依据容量进行有功功率分配。

表1实施例参数

Claims (5)

1.基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，其特征在于，该方法通过将阻尼功率经PI调节器实现对虚拟同步发电机的稳态输出频率与参考输出频率差值的补偿；

当采用虚拟同步发电机控制策略的多台并联分布式发电单元运行在孤岛模式时，有功负荷波动通过转子机械方程模拟部分引起虚拟同步发电机稳态输出频率变化；将虚拟同步发电机的稳态输出频率与参考输出频率的差值作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入，其乘以阻尼系数后得到的阻尼功率作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输出；阻尼功率作用于转子机械方程模拟部分，在暂态过程中，虚拟同步发电机的稳态输出频率不等于参考输出频率，阻尼功率不等于零，起到抑制输出有功功率振荡的作用；同时，阻尼功率与设定的稳态阻尼功率参考值0相比较，经过PI调节器去补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率与参考输出频率的偏差；稳态时，PI调节器的输出等于参考输出频率减去虚拟同步发电机的稳态输出频率的差值，从而使稳态阻尼功率等于0。

2.根据权利要求1所述的基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)转子机械方程模拟部分，将前级有功下垂控制给出的输出有功功率参考指令P_m与实际输出有功功率P_e作差，根据设定的转动惯量J，经积分后得到虚拟同步发电机的稳态输出频率ω，并将ω经积分作为后级电压电流双闭环控制中输出电压的参考相位θ_ref；

2)将虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s作差，作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入；

3)将虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值与设定的阻尼系数相乘后得到阻尼功率P_damp；

4)稳态频率差值补偿，将阻尼功率P_damp与设定的稳态阻尼功率参考值0相比较，作为PI调节器的输入，PI调节器的输出ω_pi反馈到虚拟同步发电机阻尼绕组的输入端来补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值；

5)补偿后的虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值再作为虚拟同步发电机阻尼绕组的输入，重复步骤1)至步骤4)的过程，从而形成闭环反馈回路；当系统达到稳态时，PI调节器的输出完全补偿虚拟同步发电机的稳态输出频率ω与参考输出频率ω_s的差值，从而使稳态阻尼功率为0。

3.根据权利要求2所述的基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，其特征在于，步骤1)中，虚拟同步发电机的稳态输出频率ω的计算公式如下：

后级电压电流双闭环控制中输出电压的参考相位θ_ref的计算公式如下：

4.根据权利要求2所述的基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，其特征在于，步骤3)中，阻尼功率P_damp的计算公式如下：

P_damp＝D·(ω-ω_s) (3)

其中，D为阻尼系数。

5.根据权利要求2所述的基于稳态频率差值补偿的虚拟同步发电机阻尼绕组模拟方法，其特征在于，步骤4)中，PI调节器的输出ω_pi的计算公式如下：

其中，k_p和k_i分别为PI调节器的比例系数和积分系数。