CN106208158B - 微网中多微源并列运行的惯量匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网中多微源并列运行的惯量匹配方法，所述方法使各微源逆变器或同步发电机的惯性常数H按照各自的下垂系数m的反比配置，或令惯性常数H与下垂系数m的乘积为常数；所述微源逆变器包含频率‑有功控制模块、无功‑电压控制模块、虚拟惯量控制模块。当同容量微源逆变器或同步发电机并列运行时，各微源逆变器或同步发电机必须配置相同的惯性常数H。当不同容量微源逆变器或同步发电机并列运行时，各微源逆变器或同步发电机应将惯性常数H与有功容量S成正比配置。

Description

微网中多微源并列运行的惯量匹配方法

技术领域

本发明涉及微网中多微源并列运行的惯量匹配方法，通过惯量匹配可以使微网系统有序分配负荷功率，从而提高系统的频率暂态稳定性。

背景技术

在全球变暖的碳减排压力和化石能源不可持续的危机之下，世界各国以风能、太阳能为代表的可再生能源开发利用步伐日益加快。多能互补是一种能源策略，按照不同资源条件和用能对象，采取多种能源互相补充，以缓解能源供需矛盾，合理保护自然资源，促进生态环境良性循环。世界石油危机使许多国家认识到依赖一、两种主要能源非常危险，而且大量使用化石燃料所造成的生态环境问题也日益严重。所以多种能源并重，充分开发利用包括煤、石油、天然气和核能等能源，特别是要不断增长新能源和可再生能源的比重，如水电、太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能和氢能等的开发利用。但是，新能源在给人类带来巨大方便和利益的同时也产生了许多问题，其中之一就是稳定性问题。

在多能互补微网中，风、光等分布式电源和水力同步发电机组等同时为微网提供电能，当负荷发生突然变化时，无惯量特性的分布式电源会争抢功率，尤其是当此类无惯量发电单元分配出力比重较大时会出现分布式电源过负荷，引起保护动作导致分布式电源从系统中脱落，造成微电网更大的功率缺额及系统频率出现大的波动，严重时会使系统崩溃。在逆变电源控制策略中加入了虚拟惯量环节，可以在一定程度上提高单个微源的频率稳定性，但对于多微源并列运行微网系统微源间惯量匹配问题有可能会带来系统频率抖动、振荡甚至解列。多能互补微网拓扑结构如图1所示，由于微源逆变器惯量环节均处在其控制策略中，为了便于说明问题，用恒压源模拟风电、光伏等分布式电源直流侧电源，滤波器采用LC型滤波器。

为了解决多能互补系统中由于惯量匹配原因造成的功率争抢、频率不稳定问题，本发明旨在提出一种能够准确虚拟惯量的微源控制策略，并用小信号建模仿真验证所虚拟出的惯量特性与同步发电机具有一致的动态响应过程，从线性变换角度对转子运动方程的标幺值形式进行线性等效，然后联立调差特性方程分析得到惯性时间常数与响应过渡时间的直接关系，从而给出多微源并列运行时的惯量匹配方法。

发明内容

本发明针对微网中多种微源并列运行的频率稳定性问题，提出一种用于提高微网频率稳定性的多种微源并列运行惯量匹配方法，该方法给出了微网系统中同步发电机之间、同步发电机与微源逆变器之间、以及微源逆变器之间的惯量匹配原则。

微电网中的微源主要有风电、光伏电池、风力发电机、蓄电池、柴油发电机、微型燃气轮机等。大多数微源都需要通过逆变器等电力电子变流器输出电能与电网相连，这些电力电子设备大多采用数字电路进行控制，暂态响应速度较快，且几乎没有惯性，也不参与电网的调频和调压。与传统的同步发电机相比，含逆变器接口的微源响应迅速，但是由于没有机械转子结构，微源逆变器不具备同步发电机的惯量特性，因此在系统遭受负荷波动时频率稳定性较差。针对不同的情况，维持电力系统稳定的方法也不尽相同。当负荷或电网的扰动较小且持续时间较短时，可以借助同步发电机的转子惯量维持电网稳定；而当没有惯性的微源容量比较小时，可依靠传统电网提供稳定的参考电压和频率，微源本身跟随电网进行能量传输。但当微源的容量增长到占电网中的一定比例之后，DG无惯性的特征会给电网的稳定造成威胁，在离网情况下这种电网稳定性问题就会更为突出。目前，解决这一问题的有效措施是利用新能源侧的储能系统，在微网逆变器控制策略中加入虚拟惯性环节，通过该控制环节可以利用储能系统的存储或发出能量来虚拟惯量，从而使微源具备同步发电机一样的惯量特性。但正是因为微源逆变器的惯量是虚拟出来的，并不受物理条件的限值，理论上是可以任意设置的，这就给多能互补微网中多微源并列运行带来频率稳定性问题，合理配置微网系统中同步发电机之间、同步发电机与微源逆变器之间、以及微源逆变器之间的惯量将能够有效抑制微网系统频率抖动和振荡。为了合理分配负荷和提高微源惯性，微网中微源逆变器大多采用下垂控制和虚拟惯量，但是多微源并列运行时如果各自惯性常数匹配不合理仍然会引起微网频率波动甚至频率振荡，

本发明正是针对这一问题，提出一种微网中多微源并列运行的惯量匹配方法，通过分析转子运动方程和微源逆变器下垂控制方程的内在联系，提出了微网系统中同步发电机之间、同步发电机与微源逆变器之间、以及微源逆变器之间的惯量匹配方法。通过该惯量匹配方法可以使得多能互补微网中各个发电单元之间频率变化具有相同的过渡时间或过渡过程，微网系统中各发电单元功率得到了有序分配，频率具有了更好的暂态稳定性。

本发明的技术方案是：一种微网中多微源并列运行的惯量匹配方法，其特征在于，所述方法使各微源逆变器或同步发电机的惯性常数H按照各自的下垂系数m的反比配置，或令惯性常数H与下垂系数m的乘积为常数；

所述微源逆变器包含频率-有功控制模块、无功-电压控制模块、虚拟惯量控制模块。

进一步，当同容量微源逆变器或同步发电机并列运行时，各微源逆变器或同步发电机必须配置相同的惯性常数H。

进一步，当不同容量微源逆变器或同步发电机并列运行时，各微源逆变器或同步发电机应将惯性常数H与有功容量S成正比配置。

附图说明

图1为现有技术多能互补微网拓扑结构图。

图2为有功-频率控制框图。

图3为无功-电压控制框图。

图4为微源逆变器控制原理框图。

图5为多能互补微网的等效拓扑结构图。

图6为惯量按匹配原则匹配时频率与功率波形图，其中

6(a)为不按容量正比匹配取值时的频率；

6(b)为不按容量正比匹配取值时的功率；

6(c)为不按容量正比匹配取值时公共节点频率、功率。

图7为惯量按匹配原则匹配时频率与功率波形图，其中

7(a)为按容量正比匹配取值时的频率；

7(b)为按容量正比匹配取值时的功率；

7(c)为按容量正比匹配取值时公共节点频率、功率。

图8为容量比4：1按匹配方法取值时频率、功率图，其中

8(a)为容量比4：1时按匹配方法取值时频率；

8(b)为容量比4：1时按匹配方法取值时功率；

8(c)为容量比4：1时按匹配方法取值时公共侧频率、功率。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

同步发电机组对传统电网的稳定起着重要作用。其主要原因在于大型同步发电机具有较大的转子旋转惯量，可存储较多转子动能。当电网频率发生扰动时，同步发电机可通过释放或增加转子动能来保持电网频率的稳定性。

在电力系统分析中，通常定义惯性常数H为发电机在同步角速度下机组转子储能与电机额定容量S_N之比，利用惯性常数H能够衡量不同功率等级下的同步发电机惯性，惯性常数H与惯性时间常数T_J之间的关系为T_J＝2H，其数值表征了同步发电机在额定转矩下空载时从静止启动到额定转速所需的时间，惯性常数H的物理意义就是额定转速。

转子运动方程反映了同步发电机组的转子惯性以及阻尼特征，其表达式如下：

其中H为惯性常数；P_m,P_e分别为原动机机械功率和发电机电磁功率；ω,ω_s分别为转子电角速度和电网同步电角速度；k_d为阻尼系数；t为时间，单位s。

针对包含储能系统的微源逆变器发电单元，在其控制策略中利用转子运动方程模拟出同步发电机惯量，即虚拟惯量，从而克服微网中微源惯性弱，频率抗扰动性能差的缺点，从而提高整个系统的稳定性。

微源逆变器的有功-频率下垂控制环节表达式如下：

其中P是微源逆变器输出有功功率的指令值，相当于同步发电机组原动机的机械功率P_m；P_ref是微源逆变器的输出有功功率参考值，一般为微源逆变器的额定功率或空载功率；ω_ref为微源逆变器的额定角频率或空载角频率；ω为微源逆变器输出角频率；m为有功功率的下垂系数(相当于同步发电机的调差系数)。

联立式(1)和式(2)可得微源逆变器的有功-频率控制关系式，如式(3)所示：

表达式(3)对应的有功-频率控制框图如图2所示。

微源逆变器无功-电压控制方程为

E＝E_ref+n(Q_ref-Q) (4)

其中，Q_ref,Q分别为微源逆变器无功参考功率和输出无功功率；n为无功功率的下垂系数；E_ref为微源逆变器电压参考值；E为微源逆变器输出端口电压。

图3为无功-电压控制框图。

图4为典型的带虚拟惯量控制环节的微源逆变器控制原理框图。在调速器与电压调节器之后增加了电压电流双闭环控制环节，可以改善输出电压波形质量，增强系统动态性能。

采用微源逆变器下垂控制可以使得微源具备类似传统电力系统中同步发电机的一次调频特性，采用虚拟惯性控制可以使得微源具备类似传统电力系统中同步发电机的转子机械惯性。但是微网中多微源并列运行时，若没有合理配置各个微源的惯性，势必会引起各个微源在微网系统遭受功率波动的暂态过程中出现功率分配的问题，引起各个微源逆变器输出功率不平衡甚至功率环流，从而严重威胁微网系统的稳定运行。

等值发电机的惯性常数是各台发电机归算到统一基准功率的惯性时间常数之和，即：

式中，H_J1、H_J2...H_Jn分别为各台发电机的惯性时间常数；S_B为功率基准值。

各台同步发电机的调差系数可以等效为等值发电机的调差系数；

1/R_Σ＝1/R₁+1/R₂+............+1/R_n (6)

式中R_Σ等值发电机的调差系数，R₁、R₂...R_n分别为各台同步发电机的调差系数。

利用等值同步发电机的思想，各个微源逆变器的下垂系数同样可以等效为一台微源逆变器的下垂系数：

1/m_Σ＝1/m₁+1/m₂+............+1/m_n (7)

式中，m₁、m₂...m_n分别为各个微源逆变器的下垂系数；m_Σ为等效下垂系数。

从而，由等值发电机概念可得出多能互补微网的等效拓扑结构如图5所示。将同类发电单元等效成等值发电机后再进行惯量匹配，会使惯量匹配方法的复杂程度大幅度降低。

由于发电单元输出功率的变化对应着频率的变化，如果各发电单元的频率或功率过渡时间存在着差异，必定影响微网中并列运行的各个微源的同期性和一致性；同时会造成响应快的发电单元在负荷突增时抢发功率，频率出现瞬间跌落的现象。惯性时间常数是体现频率响应速度的重要指标。以下重点分析惯性时间常数如何匹配才会使各发电单元频率过渡过程一致，并列运行效果达到最优。

在微源逆变器的控制策略中，角频率是整个控制系统中的一个全局变量，微源逆变器输出端角频率ω和微网系统角频率ω_s之差一般很小，由其引起的机械功率的变化量可以忽略不计，则式(1)将简化为式(8)：

其中P_m相当于微源逆变器功率外环指令值，P_e相当于微源逆变器输出功率，假设扰动发生前微源逆变器工作在稳态工作点1(对应表达式(9))，扰动发生后工作在稳态工作点2(对应表达式(10))，系统达到稳态时P_m1＝P_e1；P_m2＝P_e2。

再由下垂控制可得

ω₂-ω₁＝-m(P_e2-P_e1) (11)

△ω＝-m△P (12)

则：

P_m2＝P_e2＝P_e1+△P＝P_m1+△P (13)

当负荷扰动发生时，微源逆变器输出功率由P_e1变为P_e2，但此时微源逆变器输出功率指令值并没有立即响应，联立式(9)和式(13)可得：

联立式(12)和式(15)可得：

Δt＝2Hm (16)

多微源逆变器并列运行时，当负荷扰动引起系统频率波动时，若要使各微源逆变器获得相同的过渡时间△t，由式(16)可知，各微源逆变器惯性常数必须按照各自下垂系数的反比配置。

一般情况下，为了使并列运行的微源逆变器能够按容量比例分担负荷，第i个微源逆变器和第j个微源逆变器的系数和有功容量之间必须满足：

m_iP_i＝m_jP_j (17)

根据微源逆变器容量是否相同，可以得到以下结论：

a.各微源逆变器有功容量相同

由式(16)和式(17)可知，在此情况下，若要在相同△ω情况下得到相同的过渡时间△t，需要各微源逆变器惯性常数H也相同。

b.各微源逆变器有功容量不同

由式(16)和式(17)可知，在此情况下，若要在相同△ω情况下得到相同的过渡时间△t，需要惯性常数H与有功容量成正比。

实施例

利用Matlab/simulink软件对本发明所提出的微网中多微源并列运行的惯量匹配方法进行仿真。

首先，对容量2:1的情况进行验证，其中等值同步发电机额定有功容量为20kW，无功容量为0Var，下垂系数R_Σa为0.05Hz/kW，惯性常数为H_Σa；等值VSG逆变电源的额定有功容量为10kW，无功容量为0Var，下垂系数R_Σb为0.1Hz/kW，惯性常数为H_Σb。负荷容量为30kW，取第10s时刻负荷突增15kW，分两种情况进行仿真：

(1)惯性时间常数不按容量正比匹配取值。假设H_Σa取5s,H_Σb取1s，仿真如图6所示。

(2)惯性时间常数按容量正比匹配取值。假设H_Σa取6s,H_Σb取3s。仿真结果如图7所示。

对容量比4：1的情况仿真验证，等值同步发电机额定有功容量为40kW，无功容量为0Var，下垂系数R_Σa为0.025Hz/kW，惯性常数为4s；等值VSG逆变电源的额定有功容量为10kW，无功容量为0Var，下垂系数R_Σb为0.1Hz/kW，惯性常数为1s。惯性时间常数按容量比匹配。负荷容量为50kW，取10s负荷增加25kW。图8为容量比4：1按匹配方法取值时频率、功率图。

当图6中惯性常数取值不按匹配原则时，频率过渡出现不一致，输出功率也发生了争抢现象，公共节点频率与功率都出现了不稳定现象；反之图7与图8按匹配原则取值时，两等值发电单元频率过渡平滑，功率也进行了有序分配，未发生争抢现象，公共节点频率稳定，因此验证了惯量匹配方法的正确性。

如上所述，对本发明进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种微网中多微源并列运行的惯量匹配方法，其特征在于，所述微网中同步发电机之间、同步发电机与微源逆变器之间、以及微源逆变器之间的惯量匹配；所述方法使各微源逆变器或同步发电机的惯性常数H按照各自的下垂系数m的反比配置，或令惯性常数H与下垂系数m的乘积为常数；

当同容量微源逆变器或同步发电机并列运行时，各微源逆变器或同步发电机必须配置相同的惯性常数H；

当不同容量微源逆变器或同步发电机并列运行时，各微源逆变器或同步发电机应将惯性常数H与有功容量S成正比配置；

所述微源逆变器包含中央控制器、频率-有功控制模块、无功-电压控制模块、虚拟惯量控制模块、电压电流闭环控制模块；

所述频率-有功控制模块的关系式为，

式中H为惯性常数，P是微源逆变器输出有功功率的指令值，相当于同步发电机组原动机的机械功率P_m；P_ref是微源逆变器的输出有功功率参考值，一般为微源逆变器的额定功率或空载功率；ω_ref为微源逆变器的额定角频率或空载角频率；ω为微源逆变器输出角频率；m为有功功率的下垂系数；

所述无功-电压控制模块的控制方程为E＝Eref+n(Qref-Q)

式中Q_ref,Q分别为微源逆变器无功参考功率和输出无功功率；n为无功功率的下垂系数；E_ref为微源逆变器电压参考值；E为微源逆变器输出端口电压。