CN107317347A - 基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，包括有功‑频率控制和无功‑电压控制两个部分，虚拟惯性控制由虚拟机械转动惯量Jω₀s和机械阻尼Dω₀组成；有功‑频率控制P‑f的控制方程为：无功‑电压控制Q‑U的稳定控制方程为：该方法，一方面，可以克服现有基于VSG技术的岸电电源存在的系统频率稳态偏差问题，消除系统频率静差；另一方面，由于在传统无功‑电压控制策略中，增加了无功惯性控制和虚拟励磁控制环节，可以有效抑制由于船舶负荷无功功率冲击引起的系统电压剧烈波动，并消除系统电压的静差。同时，本发明控制策略可实现大容量多模块岸电电源并联运行时的功率自动分配。

Description

基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法。

背景技术

近年来，船舶靠港期间产生的严重环境污染及其带来的众多社会问题已经引起了国际相关组织的广泛关注和重视。使用岸电电源代替船舶柴油发电机系统能够有效减少港区有害气体的排放，提高能源使用效率，对于节能减排、绿色经济和环境治理有着深远的意义。

岸电电源应能满足各国到港船舶的用电需求。国际船舶普遍采用60Hz的用电频率，而我国电网频率为50Hz，因此需要进行电力频率的转换。目前，岸电电源普遍采用通用变频器的结构和控制模式，虽然控制灵活、响应速度较快，但由于其外特性与船舶柴油发电机不同，在并入船舶电网时，会给船舶电网带来冲击，影响系统的稳定运行。为此，可将虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术运用于船舶岸电电源，模拟柴油发电机组的电气和机械特性，确保岸电电源和柴油发电机在船舶微电网中的协调、可靠运行。

VSG是基于同步发电机思想的新型电力电子逆变器控制技术，通过模拟同步发电机的电磁及机械特性，解决传统逆变器输出阻抗小、低阻尼、无惯性等问题，具有广泛的应用前景。目前，针对VSG技术的研究和应用主要集中在微电网以及柔性直流输电等领域，而涉及船舶微电网岸电电源的相关研究和应用较少。

在船舶靠港时，船舶电力负载通常以电动机为主，如大型起重设备，此类大容量负载在货物装卸时频繁起动，将对有限容量船舶电网造成较大的功率冲击，具体表现为电网频率和电压的大幅波动，严重影响了船舶电网的稳定性。因此，相对于其他微电网，船舶电网对供电电源提出了更高的稳定性要求。

传统岸电电源的VSG技术解决了两个问题：一是模拟同步发电机的一次调频特性，即下垂控制特性，可以实现多机并联的功率自动分配；二是模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，可以有效抑制系统频率的剧烈波动。存在的问题是，稳态时系统依然存在频率偏差。

传统岸电电源的无功-电压控制主要模拟了同步发电机的下垂控制特性，可以实现多机并联的功率自动分配。主要问题是不能消除系统电压的稳态偏差，特别是没有解决由于大功率船舶电网无功冲击造成的电压剧烈波动问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，能够有效抑制船舶电网电力负荷冲击引起的系统频率和电压的剧烈变动，消除系统频率和电压控制静差,解决现有技术中存在的不能消除系统电压的稳态偏差，特别是没有解决由于大功率船舶电网无功冲击造成的电压剧烈波动问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，包括有功-频率控制和无功-电压控制两个部分，

有功-频率控制由虚拟调速控制和虚拟惯性控制级联组成，其中虚拟调速控制的输出机械功率P_m由三个部分组成：指令有功功率P₀、一次调频补偿有功功率ΔP₁、频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂，且存在关系： 虚拟惯性控制由虚拟机械转动惯量Jω₀s和机械阻尼Dω₀组成；有功-频率控制P-f的控制方程为：

其中，ω为角速度，ω₀为同步角速度，m为P-f控制下垂系数，k_ω为频率偏差积分系数，J为转子转动惯量，s为复频率，D为阻尼系数，P₀为指令有功功率，P为岸电电源输出有功功率；

无功-电压控制由虚拟励磁控制和无功惯性控制级联组成，其中虚拟励磁控制器的输出无功功率Q_e由三个部分组成：指令无功功率Q₀、励磁补偿无功功率ΔQ₁、电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂，且存在关系： 无功惯性控制在电源输出无功功率Q与Q_e的偏差通道上设置一阶惯性控制无功-电压控制Q-U的稳定控制方程为：

其中，E为无功-电压控制器输出电压，E₀为指令电压，n为无功-电压下垂控制系数，T_q为一阶无功惯性环节的时间常数，k_q为一阶无功惯性环节的增益，k_e为电压偏差积分系数，Q₀为指令无功功率，Q为电源输出无功功率。

进一步地，具体控制步骤如下：

步骤1：求取指令频率ω₀与系统频率ω的偏差Δω，经过比例控制器1/m和积分控制器k_ω/s，分别获得一次调频补偿有功功率ΔP₁和频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂；

步骤2：求和一次调频补偿有功功率ΔP₁、频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂和P₀，获取机械功率P_m；

步骤3：机械功率P_m与电源输出有功功率P相比较，获得有功功率偏差ΔP；

步骤4：有功功率偏差ΔP经过虚拟惯性控制控制输出与ω₀相叠加，获得系统频率ω；

步骤5：求取指令电压E₀与无功-电压控制器输出电压E的偏差ΔE，经过比例控制器1/n和积分控制器k_e/s，分别获得励磁补偿无功功率ΔQ₁和电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂；

步骤6：求和励磁补偿无功功率ΔQ₁、电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂和Q₀，获取虚拟励磁控制器输出无功功率Q_e；

步骤7：虚拟励磁控制器输出无功功率Q_e与电源输出无功功率Q相比较，获得无功功率偏差ΔQ；

步骤8：无功功率偏差ΔQ经过虚拟惯性控制控制输出与E₀相叠加，获得无功-电压控制器输出电压E。

本发明的有益效果是：该种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，一方面，可以克服现有基于VSG技术的岸电电源存在的系统频率稳态偏差问题，消除系统频率静差；另一方面，由于在传统无功-电压控制策略中，增加了无功惯性控制和虚拟励磁控制环节，可以有效抑制由于船舶负荷无功功率冲击引起的系统电压剧烈波动，并消除系统电压的静差。同时，本发明控制策略可实现大容量多模块岸电电源并联运行时的功率自动分配。

附图说明

图1是本发明实施例基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法的说明示意图。

图2是有功-频率控制仿真波形图，其中，(a)岸电电源输出有功功率，(b)系统频率，无惯性控制，(c)系统频率，k_ω＝0，(d)系统频率，k_ω＝10，即采用了本发明控制策略。

图3是无功-电压控制仿真波形图，其中，(a)岸电电源输出无功功率，(b)系统电压，无惯性控制，k_e＝0，(c)系统电压，k_e＝0，(d)系统频率，k_e＝10，(e)电源输出无功功率，k_e＝10。

图4是实施例中多模块岸电电源功率均分控制仿真波形图，其中，(a)有功功率输出，(b)无功功率输出。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，包含有功-频率控制和无功-电压控制两个部分。控制原理如图1。

有功-频率控制由虚拟调速控制和虚拟惯性控制级联组成，其中：

1)虚拟调速控制的输出机械功率P_m由三个部分组成：指令有功功率P₀、一次调频补偿有功功率ΔP₁、频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂，且存在关系：

2)虚拟惯性控制由虚拟机械转动惯量Jω₀s和机械阻尼Dω₀组成。

无功-电压控制由虚拟励磁控制和无功惯性控制级联组成，其中：

1)虚拟励磁控制器的输出无功功率Q_e由三个部分组成：指令无功功率Q₀、励磁补偿无功功率ΔQ₁、电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂，且存在关系：

2)无功惯性控制在电源输出无功功率Q与Q_e的偏差通道上设置一阶惯性控制

具体的控制步骤如下：

步骤1：求取指令频率ω₀与系统频率ω的偏差Δω，经过比例控制器1/m和积分控制器k_ω/s，分别获得一次调频补偿有功功率ΔP₁和频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂；

步骤2：求和一次调频补偿有功功率ΔP₁、频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂和P₀，获取机械功率P_m；

步骤3：机械功率P_m与电源输出有功功率P相比较，获得有功功率偏差ΔP；

步骤4：有功功率偏差ΔP经过虚拟惯性控制控制输出与ω₀相叠加，获得系统频率ω；

步骤5：求取指令电压E₀与无功-电压控制器输出电压E的偏差ΔE，经过比例控制器1/n和积分控制器k_e/s，分别获得励磁补偿无功功率ΔQ₁和电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂；

步骤6：求和励磁补偿无功功率ΔQ₁、电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂和Q₀，获取虚拟励磁控制器输出无功功率Q_e；

步骤7：虚拟励磁控制器输出无功功率Q_e与电源输出无功功率Q相比较，获得无功功率偏差ΔQ；

步骤8：无功功率偏差ΔQ经过虚拟惯性控制控制输出与E₀相叠加，获得无功-电压控制器输出电压E。

该种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，包含有功-频率控制和无功-电压控制两个部分，参照图1，基本控制原理分别阐述如下：

(1)有功-频率(P-f)稳定控制

同步发电机通常根据系统频率偏差，通过调速器实时调节输出机械功率，维持系统频率在一定范围内，也称之为发电机的一次调频。为了模拟同步电机一次调频特性，虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)通常设置虚拟调速器，其控制方程如下：

式中，m为P-f控制下垂系数。

式(1)模拟了同步发电机的频率静态下垂输出特性，可实现岸电电源多机并联运行时的有功功率的自动分配。

同时，为了模拟同步发电机的机械惯性特性，VSG通常设置虚拟惯性控制器。设置VSG的极对数为1，则其转矩方程可表示为：

式中，J为转子转动惯量；P_m为机械功率；P_e为电磁功率，如忽略VSG定子损耗(对应并网VSC的功率损耗)，P_e等效为并网VSC的输出功率P；ω₀为同步角速度，ω为角速度，D为阻尼系数。

结合式(1)和式(2)，可获得P-f控制方程：

式(3)忽略了P/ω的角速度偏差Δω＝ω₀-ω，取ω＝ω₀。

分析式(3)，VSG的惯性控制可以抑制系统频率剧烈波动。但在有限J和D值条件下，稳态时系统依然存在频率偏差。

为了消除该频率静差，实施例的该种系统频率稳定控制方法，参照图1在虚拟调速器的频率偏差控制通道上增加了积分环节，用来补偿频率稳态控制误差。此时，VSG虚拟调速控制方程可调整为：

式中，

可见，积分环节改变了VSG输出机械功率P_m。当系统频率下降时，P_m增加，根据式(2)的VSG转子运动方程，系统频率增加，直到消除频率静差；反之亦然。

下面分析该控制系统的动静态特性。

结合式(2)和式(4)，根据图1，可获得本发明的P-f控制方程：

其中，ω为角速度，ω₀为同步角速度，m为P-f控制下垂系数，k_ω为频率偏差积分系数，J为转子转动惯量，s为复频率，D为阻尼系数，P₀为指令有功功率，P为岸电电源输出有功功率；

分析式(5)，可见，稳态时ω＝ω₀，消除了系统频率静差。

(2)无功-电压(Q-U)稳定控制

实施例的该种无功电压稳定控制方法，如图1所示，包含虚拟励磁控制和无功惯性控制两个部分。

1)虚拟励磁控制环节

该环节用来模拟同步发电机的励磁控制功能，根据系统电压偏差自动调节励磁电流(这里表现为无功功率)，维持系统输出电压的稳定；同时，保证了岸电电源多机并联运行时的无功功率自动分配。

根据图1，可获得虚拟励磁控制方程：

式中，n为无功-电压下垂控制系数，k_e为电压偏差积分系数。

该励磁控制器输出无功功率Q_e由两部分组成，第一部分为传统Q-U下垂控制输出功率，即Q₀+ΔE/n；第二部分定义为ΔQ₂＝k_eΔE/s，用来补偿系统电压偏差，以实现系统电压的无静差控制。

2)无功惯性控制环节

借鉴VSG机械特性控制思路，本发明在Q-U控制器中增加一阶惯性环节，以增加Q-U控制的惯性和阻尼特性，抑制船舶电网电力负载无功冲击造成的电压闪变。该控制环节可表示为：

式中，ΔQ＝Q_e-Q；T_q、k_q分别为一阶无功惯性环节的时间常数和增益。

结合式(6)和式(7)，可获得本发明的Q-U稳定控制方程：

分析式(8)的ΔE/ΔQ闭环二阶控制系统，由于积分环节存在，消除了系统电压静差，稳态时有E＝E₀；另一方面，可以通过调节参数k_e、T_q以及k_q来调节系统的动态性能。

该种基于虚拟同步发电机(VSG)的岸电电源系统稳定控制方法，一方面，可以克服现有基于VSG技术的岸电电源存在的系统频率稳态偏差问题，消除系统频率静差；另一方面，由于在传统无功-电压控制策略中，增加了无功惯性控制和虚拟励磁控制环节，可以有效抑制由于船舶负荷无功功率冲击引起的系统电压剧烈波动，并消除系统电压的静差。同时，本发明控制策略可实现大容量多模块岸电电源并联运行时的功率自动分配。

仿真分析

基于实施例的岸电电源系统稳定控制方法，搭建MATLAB/Simulink系统仿真平台，系统参数如表1。

表1系统与控制参数

(1)P-f控制仿真

船舶电力负载初始有功功率P_L设置为50kW；t＝0.5s时刻，P_L增加50kW；t＝0.6s时刻，P_L下降25kW。仿真波形如图2所示。

图2中(a)为岸电电源输出有功功率P。可见，P跟随P_L在0.5s和0.6s时刻发生跃变，系统有功功率输出具有较快的响应速度。

图2中(b)为未采用VSG惯性控制的系统频率波形。可见，系统呈现明显的P-f下垂控制特性，但由于不存在惯性环节，f跟随P呈阶跃响应特征，变化幅度较大。

图2中(c)、(d)为采用了VSG惯性控制的系统频率波形。可见，由于惯性环节的存在，f变化平缓，没有跟随P出现较大的跃变。该结论表明，采用VSG惯性控制，能够有效抑制负载有功冲击引起的频率突变，增强了船舶电网的稳定性。其中：

图2中(c)中由于频率偏差积分系数k_ω取值为0，稳定状态下出现明显的频率偏差Δω；图2(d)中，k_ω设置为10，即采用了本发明所述频率稳定控制策略，频率静差近似为0，系统频率稳态时稳定在60Hz附近。

上述仿真分析结论验证了本发明所述有功-频率控制策略在消除系统频率静差、抑制频率波动的有效性。

(2)Q-U控制仿真

船舶电网初始无功负载设置为容性负载，Q_L＝-50kvar；t＝0.4s时刻，增加感性无功50kvar。仿真波形如图3所示。

图3(a)为岸电电源输出无功功率Q。可见，岸电电源能够迅速响应负载无功需求。

图3(b)为未采用本发明无功惯性控制的系统电压。由图可见，系统呈现Q-U下垂控制特性，但由于没有采用惯性控制，电压随电源输出无功发生跃变，变化幅度较大。

图3(c)～图3(d)为采用了本发明无功惯性控制的系统电压波形。由图可见，由于无功惯性环节的存在，系统电压变化平缓。其中：

图3(c)的控制系统k_e＝0，也即没有电压偏差积分环节，此时系统电压稳态时出现偏差ΔU。该结论表明，无功惯性控制可以有效抑制无功功率冲击造成的系统电压突变，但无法消除电压静差。

图3(d)中k_e＝10，稳态时ΔU近似为0，消除了电压静差。并且，比较图图3.e和3.a可知，由于电压偏差的降低，有效提高了电源输出无功功率精度。

上述仿真试验结论表明，本发明所述无功-电压控制器的励磁控制和无功惯性控制环节能够分别有效改善系统电压的静态和动态性能，抑制电压波动并消除电压静差，从而维持系统电压的稳定运行。

(3)多模块岸电电源功率均分控制仿真

为了验证基于本发明控制策略的岸电电源多模块并联运行时的功率自动分配控制效果，搭建两模块岸电电源仿真平台。这里以模块化岸电电源为例验证功率均分能力，设置两模块仿真参数为：k_ω＝10，k_e＝10。

仿真初始时刻，船舶电力负载为P_L＝50kW，Q_L＝-50kvar；t＝0.5s时刻，P_L＝100kW，Q_L＝0kvar。仿真波形如图4所示。

图中，P₁、Q₁和P₂、Q₂分别为模块1和模块2的输出有功、无功功率。

分析图4，两电源模块输出有功和无功功率基本一致，平均分配了船舶电网负载功率。该结论验证了本发明所提控制策略能够有效实现多模块岸电电源并联运行时的功率自动分配控制。

Claims (2)

1.一种基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，其特征在于：包括有功-频率控制和无功-电压控制两个部分，

有功-频率控制由虚拟调速控制和虚拟惯性控制级联组成，其中虚拟调速控制的输出机械功率P_m由三个部分组成：指令有功功率P₀、一次调频补偿有功功率ΔP₁、频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂，且存在关系： 虚拟惯性控制由虚拟机械转动惯量Jω₀s和机械阻尼Dω₀组成；有功-频率控制P-f的频域控制方程为：

<mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>m</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>m&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <mi>Js</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>m&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>mk</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>P</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，ω为角速度，ω₀为同步角速度，m为P-f控制下垂系数，k_ω为频率偏差积分系数，J为转子转动惯量，s为复频率，D为阻尼系数，P₀为指令有功功率，P为岸电电源输出有功功率；

无功-电压控制由虚拟励磁控制和无功惯性控制级联组成，其中虚拟励磁控制器的输出无功功率Q_e由三个部分组成：指令无功功率Q₀、励磁补偿无功功率ΔQ₁、电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂，且存在关系： 无功惯性控制在电源输出无功功率Q与Q_e的偏差通道上设置一阶惯性控制无功-电压控制Q-U的稳定控制方程为：

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其中，E为无功-电压控制器输出电压，E₀为指令电压，n为无功-电压下垂控制系数，T_q为一阶无功惯性环节的时间常数，k_q为一阶无功惯性环节的增益，k_e为电压偏差积分系数，Q₀为指令无功功率，Q为电源输出无功功率。

2.如权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的岸电电源系统稳定控制方法，其特征在于，具体控制步骤如下：

步骤1：求取指令频率ω₀与系统频率ω的偏差Δω，经过比例控制器1/m和积分控制器k_ω/s，分别获得一次调频补偿有功功率ΔP₁和频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂；

步骤2：求和一次调频补偿有功功率ΔP₁、频率稳定控制补偿有功功率ΔP₂和P₀，获取机械功率P_m；

步骤3：机械功率P_m与电源输出有功功率P相比较，获得有功功率偏差ΔP；

步骤4：有功功率偏差ΔP经过虚拟惯性控制控制输出与ω₀相叠加，获得系统频率ω；

步骤5：求取指令电压E₀与无功-电压控制器输出电压E的偏差ΔE，经过比例控制器1/n和积分控制器k_e/s，分别获得励磁补偿无功功率ΔQ₁和电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂；

步骤6：求和励磁补偿无功功率ΔQ₁、电压稳定控制补偿无功功率ΔQ₂和Q₀，获取虚拟励磁控制器输出无功功率Q_e；

步骤7：虚拟励磁控制器输出无功功率Q_e与电源输出无功功率Q相比较，获得无功功率偏差ΔQ；

步骤8：无功功率偏差ΔQ经过虚拟惯性控制控制输出与E₀相叠加，获得无功-电压控制器输出电压E。