CN107785924B - 一种虚拟同步发电机的参数量测方法 - Google Patents

一种虚拟同步发电机的参数量测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种虚拟同步发电机的参数量测方法，所述方法包括：建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构，其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构包括：光伏虚拟同步发电机、测量设备、电网模拟装置和电网；关闭所述光伏虚拟同步发电机的一次调频功能，设定所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线，并利用所述测量设备获取所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线；根据所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量；本发明提供的方法，能够确定各种类型的光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，为推进光伏虚拟同步发电机相关标准制定提供良好基础。

Description

一种虚拟同步发电机的参数量测方法
技术领域
本发明涉及光伏检测领域，具体涉及一种虚拟同步发电机的参数量测方法。
背景技术
由于传统光伏发电站惯性水平较低，随着大规模光伏接入电网比例的增加，将会导致电力系统惯性水平下降，影响系统安全稳定运行。为促进新能源的大规模开发与利用，国家电网公司在张北风光储基地开展总容量140MW的虚拟同步机示范工程(一期)建设，为建设电网友好型新能源电站提供典型示范。
光伏虚拟同步发电机尚无严格定义，一般被认为是一种基于虚拟同步发电机技术的装置或装置群，该装置具有与常规同步发电机组相似的运行机制及外特性。目前针对不同技术路线的光伏虚拟同步发电机，没有统一的测试方法，且国内外虚拟同步发电机相关并网性能技术规定和测试规程处于空白，中国电力科学研究院新能源研究中心承担了企业标准《单元式光伏虚拟同步发电机技术要求和试验方法》的编制工作和光伏虚拟同步发电机的测试工作，目前工作处于起步阶段。
发明内容
本发明提供一种虚拟同步发电机的参数量测方法，其目的是确定各种类型的光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，为推进光伏虚拟同步发电机相关标准制定提供良好基础。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种虚拟同步发电机的参数量测方法，其改进之处在于，包括：
建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构；
关闭所述光伏虚拟同步发电机的一次调频功能，设定所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线，并利用所述测量设备获取所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线；
根据所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量；
其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构包括：光伏虚拟同步发电机、测量设备、电网模拟装置和电网。
优选的，所述光伏虚拟同步发电机、电网模拟装置和电网依次连接，所述测量设备与所述光伏虚拟同步发电机和电网模拟装置的并网点连接。
优选的，所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线为阶跃曲线，所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线为基于所述阶跃曲线的阶跃响应曲线。
优选的，所述根据所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，包括：
确定所述光伏虚拟同步发电机的系统阻尼比ξ和自然振荡角频率ωn，公式为：
Figure BDA0001093097310000021
式(1)中，σp为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线的最大超调量，P1为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令，P0为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，tp为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线的第一峰值时间；
确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数D和转动惯量J，公式为：
Figure BDA0001093097310000022
式(2)中，
Figure BDA0001093097310000023
其中，Af＝3EV/XOVSG，ωB为电网频率，E为所述光伏虚拟同步发电机出口侧相电压有效值，V为电网相电压有效值，XOVSG为光伏虚拟同步发电机与电网之间的电感值。
优选的，所述设定所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线包括：
设定初始时刻至第1时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为80％Pn；
设定第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为100％Pn；
设定第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为80％Pn；
设定第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为60％Pn；
设定第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为40％Pn；
设定第9时刻至第10时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为20％Pn；
其中，Pn为所述光伏虚拟同步发电机的阻性负载。
进一步的，将所述初始时刻至第1时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第9时刻至第10时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令。
本发明的有益效果：
(1)目前光伏虚拟同步发电机相关测试标准处于空白，本发明提供的技术方案，适用于各种模拟同步发电机外特性的光伏虚拟同步发电机，解决了虚拟同步发电机转动惯量缺乏标准化测试方法的难题。
(2)本发明提供的技术方案，在光伏虚拟同步发电机并网模式开展测试，测试环境构建较为简单，不需要额外配备负载。
(3)本发明提供的技术方案，通过“功-角”二阶传递函数和有功功率响应曲线，不仅能够计算出光伏虚拟同步发电机阻尼系数，还能够计算得到虚拟同步发电机的转动惯量，可应用于转动惯量测试或验证中。
(4)本发明提供的技术方案，对光伏虚拟同步发电机有功功率指令扰动多次，通过多次计算并取平均值的方式开展精细化测试与数据分析，能够有效反映光伏虚拟同步发电机阻尼特性。
附图说明
图1是本发明一种虚拟同步发电机的参数量测方法的流程图；
图2是本发明实施例中光伏虚拟同步发电机的参数量测结构示意图；
图3是本发明实施例中光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线示意图；
图4是本发明实施例中光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种虚拟同步发电机的参数量测方法，如图1所示，包括：
101.建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构；
102.关闭所述光伏虚拟同步发电机的有功-频率下垂程序，设定所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线，并利用所述测量设备获取所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线；
103.根据所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量。
其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构，如图2所示，包括：光伏虚拟同步发电机、测量设备、电网模拟装置和电网，所述光伏虚拟同步发电机、电网模拟装置和电网依次连接，所述测量设备与所述光伏虚拟同步发电机和电网模拟装置的并网点连接，其中，所述电网模拟装置，用于模拟电力系统。
所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线为阶跃曲线，如图3所示，所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线为基于所述阶跃曲线的阶跃响应曲线，如图4所示。
具体的，所述步骤102中，包括：
设定初始时刻至第1时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为80％Pn；
设定第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为100％Pn；
设定第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为80％Pn；
设定第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为60％Pn；
设定第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为40％Pn；
设定第9时刻至第10时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为20％Pn；
其中，Pn为所述光伏虚拟同步发电机的阻性负载。
进一步的，将所述初始时刻至第1时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第9时刻至第10时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令。
所述步骤103中，包括：
确定所述光伏虚拟同步发电机的系统阻尼比ξ和自然振荡角频率ωn，公式为：
Figure BDA0001093097310000051
式(1)中，σp为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线的最大超调量，P1为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令，P0为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，tp为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线的第一峰值时间；
确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数D和转动惯量J，公式为：
Figure BDA0001093097310000061
式(2)中，
Figure BDA0001093097310000062
其中，Af＝3EV/XOVSG，ωB为电网频率，E为所述光伏虚拟同步发电机出口侧相电压有效值，V为电网相电压有效值，XOVSG为光伏虚拟同步发电机与电网之间的电感值。
实施例
某40kW光伏虚拟同步机，按如图2所示结构进行连接，标称相电压为220V，频率为50Hz，虚拟同步发电机的参数量测步骤包括：
(1)光伏虚拟同步机的初始运行状态：离网满载运行，额定功率40kW，接40kW阻性负载，电压幅值311V，频率50Hz。
(2)调节电网模拟装置与光伏阵列模拟直流源使光伏虚拟同步发电机运行在空载状态；
(3)将一次调频功能关闭，按照如图3所示的光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线设定所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线，并通过数据采集装置记录光伏虚拟同步发电机交流侧电压、电流数据，计算光伏虚拟同步发电机输出功率，从而获取光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线；
(4)根据光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线，并通过所述公式(1)和公式(2)确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，如表1所示：
Figure BDA0001093097310000063
该光伏虚拟同步发电机转动惯量为2.13kg.m2,阻尼系数为10.37N.m.s/rad，与光伏虚拟同步发电机设计时设置的转动惯量为2kg.m2,阻尼系数为10N.m.s/rad相比，误差非常小。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种虚拟同步发电机的参数量测方法，其特征在于，所述方法包括：
建立光伏虚拟同步发电机的参数量测结构；
关闭所述光伏虚拟同步发电机的一次调频功能，设定所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线，并利用测量设备获取所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线；
根据所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量；
其中，所述光伏虚拟同步发电机的参数量测结构包括：光伏虚拟同步发电机、测量设备、电网模拟装置和电网；
所述根据所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数和转动惯量，包括：
确定所述光伏虚拟同步发电机的系统阻尼比ξ和自然振荡角频率ωn，公式为：
Figure FDA0002676891110000011
式(1)中，σp为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线的最大超调量，P1为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令，P0为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，tp为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线的第一峰值时间；
确定所述光伏虚拟同步发电机的阻尼系数D和转动惯量J，公式为：
Figure FDA0002676891110000012
式(2)中，
Figure FDA0002676891110000013
其中，Af＝3EV/XOVSG，ωB为电网频率，E为所述光伏虚拟同步发电机出口侧相电压有效值，V为电网相电压有效值，XOVSG为光伏虚拟同步发电机与电网之间的电感值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光伏虚拟同步发电机、电网模拟装置和电网依次连接，所述测量设备与所述光伏虚拟同步发电机和电网模拟装置的并网点连接。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线为阶跃曲线，所述光伏虚拟同步发电机的有功功率输出特性曲线为基于所述阶跃曲线的阶跃响应曲线。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令曲线包括：
设定初始时刻至第1时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为80％Pn；
设定第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为100％Pn；
设定第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为80％Pn；
设定第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为60％Pn；
设定第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为40％Pn；
设定第9时刻至第10时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令为20％Pn；
其中，Pn为所述光伏虚拟同步发电机的阻性负载。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述初始时刻至第1时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第1时刻至第3时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第3时刻至第5时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第5时刻至第7时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令；
将所述第7时刻至第9时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率起始指令，将所述第9时刻至第10时刻所述光伏虚拟同步发电机的有功功率指令作为所述光伏虚拟同步发电机的有功功率阶跃指令。
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Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15

Applicant after: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd.

Applicant after: STATE GRID CORPORATION OF CHINA

Address before: Nan Shui Road Gulou District of Nanjing city of Jiangsu Province, No. 8 210003

Applicant before: China Electric Power Research Institute

Applicant before: State Grid Corporation of China

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Huang Jingsheng

Inventor after: Li Zhen

Inventor after: Chen Zhilei

Inventor after: Zhang Junjun

Inventor after: Dong Yu

Inventor after: Dong Cun

Inventor after: Liang Zhifeng

Inventor after: Qin Xiaodi

Inventor after: Zheng Fei

Inventor after: Zhang Xiaolin

Inventor after: Dong Wei

Inventor before: Huang Jingsheng

Inventor before: Zhang Junjun

Inventor before: Qin Xiaodi

Inventor before: Zheng Fei

Inventor before: Zhang Xiaolin

Inventor before: Dong Wei

Inventor before: Li Zhen

Inventor before: Chen Zhilei