CN107634524A - 一种应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，基于广域数据量测和采集系统，将电力系统中同步发电机转速和输出功率等信号传递至虚拟同步发电机控制器中；取所采集到的信号相对于其自身稳态值的变化量后，依次经过滤波、放大和相位校正，修正虚拟同步发电机控制器的有功转矩参考值；有功环通过模拟同步发电机转子运动方程，修正虚拟同步发电机输出电压的频率与相位，从而调整其输出功率达到抑制电力系统功率振荡的目的。本发明所提控制方法可以有效提高虚拟同步发电机控制器抑制电力系统低频振荡的能力，有利于大规模可再生能源并网情况下电网的安全和稳定。

Description

一种应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，属于新能源发电与电网控制技术领域。

背景技术

随着风电和光伏等新能源发电研究的深入和技术的进步，其并网容量逐步扩大，电力系统的结构和运行方式正在发生深远的变化。由于新能源发电在运行机制和并网特性方面与传统同步发电机存在较大的差异，加之新能源出力的随机性和不确定性，大规模新能源并网将会减少电力系统的等效惯性、改变潮流分布并影响阻尼特性。电力系统在缺乏阻尼的情况下，遭受扰动后线路上可能出现持续的低频振荡。长时间的低频振荡可能导致联络线过流、继电保护误动作甚至振荡失步，严重影响电网安全稳定运行。因此，研究如何利用电力电子器件控制的灵活性和快速性，提高电力系统的阻尼特性并快速抑制暂态过程中的低频振荡，对于提高电力系统消纳新能源接入的能力有重要意义。

虚拟同步发电机控制策略是近年来国内外学者所提出的新型变流器控制技术，其通过在控制器中模拟同步发电机的相关特性，从而使得变流器在运行机制和外特性上与同步发电机相比拟。采用虚拟同步发电机控制策略的新能源发电单元可以主动参与电网的动态调节，为其提供惯性支撑并具备与同步发电机相类似的一次调频和一次调压的能力。然而，已有的研究中对于采用虚拟同步发电机控制策略的变流器接入对电力系统阻尼特性的影响，以及虚拟同步发电机主动提供阻尼控制抑制电力系统低频振荡能力的研究还很少，目前所广泛采用的虚拟同步发电机控制策略抑制系统低频振荡的能力不足。因此，有必要研究适用于虚拟同步发电机的附加阻尼控制策略，进一步优化虚拟同步发电机的控制特性。

发明内容

技术问题：针对现有虚拟同步发电机控制策略抑制低频振荡能力不足，本发明提出了一种应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制策略，实现对电力系统低频振荡的快速抑制。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1)采集电力系统中同步发电机的转速信号或与转速相关的信号；

2)取步骤1)中所采集到的信号相对于其自身稳态值的变化量，再依次经过放大、滤波和相位校正，得到虚拟同步发电机控制器有功转矩参考值的修正量，同时对有功转矩输入信号进行修正；

3)虚拟同步发电机的有功环根据修正后的有功转矩输入信号调整虚拟同步发电机输出电压的频率与相位，从而调整其并网有功功率。

更进一步地，步骤1)中所述与转速相关的信号包括同步发电机电磁功率、加速功率和发电机端频率中的一种或多种组合。

更进一步地，步骤2)中所述滤波为低通滤波。

更进一步地，所述步骤2)中采用的校正环节的个数和校正的角度所产生的有功转矩参考值的修正量，使得虚拟同步发电机输出有功功率具有最大的正阻尼效果。

更进一步地，所述步骤2)中虚拟同步发电机有功转矩参考值的修正量ΔT_ADC的具体公式如下：

其中，K_ADC为附加阻尼控制器的增益，用于调节所提供阻尼的大小；T_wash为低通滤波器的时间常数，用于滤除输入信号中的直流分量；T为相位校正环节的时间常数，α为相位校正环节的分度系数，p为相位校正环节的个数，用于调整输入信号与有功转矩修正量之间的相位差；Δω_G为同步发电机转速信号的变化量。

更进一步地，所述步骤3)中修正后的有功转矩输入信号具体公式如下：

T＝T_ref-T_e-T_ADC

其中，T为修正后的有功转矩输入信号；T_ref为有功转矩参考值；T_e为实际输出的有功转矩大小；T_ADC为有功转矩修正量。

有益效果：本发明公开了一种应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制策略。该策略在传统虚拟同步发电机控制器中引入与同步发电机转速强相关的物理量，对输入物理量进行放大、滤波和相位校正处理之后，将其附加到虚拟同步发电机有功环中调整输出电压的频率和相位，从而改变虚拟同步发电机的并网功率。本发明保留了虚拟同步发电提供惯性支撑和一次调频/调压的能力，并在电力系统出现低频振荡的情况下，为系统提供额外的阻尼转矩抑制低频振荡，提高了虚拟同步发电机的控制特性，保证了高渗透率新能源发电情况下电力系统动态稳定性。

附图说明

图1为包含虚拟同步发电机控制的新能源发电单元的单机无穷大系统；

图2为附加阻尼控制策略框图；

图3为包含附加阻尼控制策略的虚拟同步发电机总体框图；

图4为包含附加阻尼控制策略的虚拟同步发电机有功环传递函数小信号模型；

图5为采用本发明前后同步发电机暂态下转速的动态响应对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，交流输电线路电压等级为220KV，发电机G的端电压、逆变器输出电压、逆变器并网点电压和公共连接点电压向量分别用U_G、E、U_pcc和 U_p表示，公共连接点电流为I_p。各条线路的等效阻抗Z₁、Z₂、Z₃均取为(7.875+40.5i) Ω。新能源发电单元采用虚拟同步发电机控制，X_s为逆变器换流电抗器阻抗，其输出侧交流电压等级为10kV，通过升压变压器接入单机无穷大电网。1,2,3均为电路节点。

参见图2所示阻尼控制策略框图，本发明所提出的应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制策略运行于辅助阻尼控制器中，依照以下步骤进行：

1)基于广域数据量测和采集系统，将图1所示系统中与同步发电机转速信号或者与转速信号强相关的信号传递至虚拟同步发电机控制器中，本实施例中直接将同步发电机转速信号S_input引入图2阻尼控制器的输入信号端。所谓强相关信号是指能够推导出转速的信号，可以将一种强相关信号发送至虚拟同步发电机控制器中，也可以是多种强相关信号的组合发送至控制器。

2)取步骤1)中同步发电机转速信号S_input相对于自身稳态值的变化量Δω_G，依次经过放大、低通滤波和相位校正，得到虚拟同步发电机控制器有功转矩参考值的修正量ΔT_ADC，有功转矩参考值修正量的接入位置如图3所示。图3其他部分为传统的虚拟同步发电机控制器，其由上半部分的有功环和下半部分的无功环所组成。其中有功环模拟了同步发电机所具有的惯性和阻尼特性，设定有功功率 P_ref和电磁功率P_VSG经过换算后分别作为虚拟同步机转子的输入转矩和电磁转矩。根据同步发电机转子二阶运动方程，输入转矩与电磁转矩之差除以惯性系数 J后经过第一次积分可以得到虚拟转速ω_VSG，虚拟转速ω_VSG与电网额定角频率ω₀之差乘以虚拟阻尼系数D_p后反馈至输入侧用于模拟同步机转子机械阻尼。虚拟转速ω_VSG再经过一次积分后得到虚拟内电势角度θ_VSG，虚拟内电势角度θ_VSG可以作为调制波的相位参考信号。下半部分无功环模拟了同步机的一次调压特性，并网点电压检测值U_pcc与额定电压U_n之差乘以一次调压系数D_q后调整无功功率参考值。无功功率信号经过积分调节器后调整内电势E的幅值，内电势E 的幅值可以作为调制波的幅值参考信号。

由于虚拟同步发电机有功环和无功环是近似解耦的，而附加阻尼控制策略的输出信号仅作用于有功环。因此为了方便分析和参数的设计，仅对附加阻尼控制策略和虚拟同步发电机有功环进行分析。

建立包含有附加阻尼控制策略的虚拟同步发电机有功环传递函数小信号模型如图4所示，其中所有带有Δ的变量均表示对应变量相对于自身稳态值的变化量。可以得出，低通滤波环节的传递函数G_lowpass(s)为：

式中T_wash为低通滤波环节时间常数。为了保证正常运行时阻尼控制器不影响虚拟同步发电机的正常工作，因此低通滤波环节需要滤除所有的直流分量并保证低频振荡的信号完全通过，其时间常数需要满足ωT_wash>>1，其中ω为低频振荡信号的角频率。通常，该低通滤波器的时间常数可选为3～10s。

相位校正环节的传递函数G_phase为：

式中T为相位校正环节的时间常数，α为相位校正环节的分度系数，p为相位校正环节的个数。所采用的校正环节的个数和校正的角度，应该根据输入信号，即同步发电机转速与虚拟同步发电机有功功率信号之间的相位关系来决定。

虚拟同步发电机有功环传递函数为：

其中E为虚拟同步发电机输出相电压的有效值，U_pcc为并网点相电压的有效值，J为虚拟同步发电机的虚拟惯性系数，D_p为虚拟阻尼系数，X_s为逆变器交流侧滤波电抗的大小。

根据电力系统阻尼转矩理论，当转速信号与虚拟同步发电机输出有功功率信号之间相差180°时，其提供的正阻尼转矩作用最强。因此，由图4所示控制框图可以看出，相位校正环节需要补偿虚拟同步发电机有功环所导致的相位滞后，才能够为电力系统提供最大的阻尼效果。为了保证较高的信噪比，通常一个相位校正环节可以提供的最大校正角度在30°～40°，时间常数T一般可以取 0.05～0.1s。根据每个校正环节需要校正的角度可以根据下式计算分度系数α。

3)有功环通过模拟同步发电机转子运动方程，根据修正后的有功转矩输入信号调整虚拟同步发电机输出电压的频率与相位，从而调整其并网有功功率以达到抑制低频振荡的目的。

有功转矩参考值的修正量的具体公式如下：

其中，K_ADC为附加阻尼控制器的增益，用于调节所提供阻尼的大小；T_wash为低通滤波器的时间常数，用于滤除输入信号中的直流分量；T为相位校正环节的时间常数，α为相位校正环节的分度系数，p为相位校正环节的个数，用于调整输入信号与有功转矩修正量之间的相位差；Δω_G为所述步骤S2中采集到的同步发电机转速信号的变化量。

修正后的有功转矩输入信号的具体公式如下：

T＝T_ref-T_e-T_ADC

其中，T为修正后的有功转矩输入信号；T_ref为有功转矩参考值；T_e为实际输出的有功转矩大小；T_ADC为有功转矩修正量。

在附图1所示系统中验证采用附加阻尼控制策略前、后同步发电机转子振荡的情况。初始状态下，系统稳定运行。在t＝1s时，母线3处发生三相接地短路故障，持续0.1s后，故障消除系统进入恢复状态。图5为采用本发明前、后同步发电机暂态下转速的动态响应对比结果，可以明显看出：采用本发明所提阻尼控制策略之后，同步发电机转子的振荡被快速抑制，暂态过程大大缩短。虚拟同步发电机可以主动抑制电力系统的低频振荡，有利于暂态情况下电力系统的稳定和故障后系统的恢复。

Claims (6)

1.一种应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集电力系统中同步发电机的转速信号或与转速相关的信号；

2)取步骤1)中所采集到的信号相对于其自身稳态值的变化量，再依次经过放大、滤波和相位校正，得到虚拟同步发电机控制器有功转矩参考值的修正量，同时对有功转矩输入信号进行修正；

3)虚拟同步发电机的有功环根据修正后的有功转矩输入信号调整虚拟同步发电机输出电压的频率与相位，从而调整其并网有功功率。

2.根据权利要求1所述的应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，其特征在于：步骤1)中所述与转速相关的信号包括同步发电机电磁功率、加速功率和发电机端频率中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，其特征在于：步骤2)中所述滤波为低通滤波。

4.根据权利要求1所述的应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤2)中采用的校正环节的个数和校正的角度所产生的有功转矩参考值的修正量，使得虚拟同步发电机输出有功功率具有最大的正阻尼效果。

5.根据权利要求1所述的应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤2)中虚拟同步发电机有功转矩参考值的修正量ΔT_ADC的具体公式如下：

<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>p</mi> </msup> <msub> <mi>&amp;Delta;&amp;omega;</mi> <mi>G</mi> </msub> </mrow>

其中，K_ADC为附加阻尼控制器的增益，用于调节所提供阻尼的大小；T_wash为低通滤波器的时间常数，用于滤除输入信号中的直流分量；T为相位校正环节的时间常数，α为相位校正环节的分度系数，p为相位校正环节的个数，用于调整输入信号与有功转矩修正量之间的相位差；Δω_G为同步发电机转速信号的变化量。

6.根据权利要求1所述的应用于虚拟同步发电机控制器的附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤3)中修正后的有功转矩输入信号具体公式如下：

T＝T_ref-T_e-T_ADC

其中，T为修正后的有功转矩输入信号；T_ref为有功转矩参考值；T_e为实际输出的有功转矩大小；T_ADC为有功转矩修正量。