CN107968415A - 一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，所述方法包括下列步骤：采集虚拟同步发电机系统的相关参数；根据虚拟同步发电机系统本身的结构特性，得到虚拟同步发电机的稳态参数；根据相关参数和稳态参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量；根据虚拟转子的转动惯量，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。与现有技术相比，本发明具有提高虚拟同步发电机系统中频率稳定性的优点。

Description

一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器控制领域，尤其是涉及一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法。

背景技术

随着化石能源问题的日益加剧，以新能源为主体的分布式发电(DistributedGeneration,DG)开始引起人们的重视。光伏、风电为主的分布式能源在接入电网时以电力电子逆变器为接口，与传统的同步发电机相比，具有暂态响应快速的特点。但由于电力电子器件缺少惯性，并且往往存在着过载能力差、输出阻抗小等特性，导致系统在发生扰动或故障时各电能参数响应过快，不利于系统的稳定性。传统电力系统多由大型同步发电机来提供电力。由于同步发电机的转子具有机械转动惯量，因此当电网中发生负荷突变或发电机跳闸时，能够利用转子的动能与电网进行能量交换，来维持电网稳定性。如果能够使并网逆变器模拟同步发电机的外特性，具有同步发电机的“惯性量”，则可以大幅提高系统稳定性。基于上述考虑，国内外学者提出了虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator,VSG)的概念，它成功借鉴了同步发电机中的机械与电磁方程，从外特性上等效了同步发电机的模型，增加了逆变器的惯性支撑。

然而虚拟同步发电机存在着频率不稳定的问题，为了改善VSG系统的频率稳定性，杨向真等学者提出了一种微电网孤岛运行时的频率控制策略，通过结合传统电网的二次调频，实现了VSG控制中频率的无差调节。田春雨等学者提出了自适应调节的VSG频率控制策略，解决了二次调频下PI系数难以精确选取的问题。还有文献针对VSG并网时出现的有功功率振荡问题提出了一种自适应虚拟惯性控制算法，可根据VSG虚拟角速度的变化自适应改变虚拟转子惯量。上述方法从虚拟同步发电机控制策略出发，在一定程度上解决了VSG系统中频率稳定性问题。

然而，上述方法大多只考虑了在电网强度稳定的情况下频率稳定性的问题，在虚拟同步发电机系统发生故障导致电网强度变弱的情况下，会对虚拟同步发电机控制器的运行性能等产生影响，这种由于电网强度变化导致的频率不稳定问题，并没有更好的控制方法来解决。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，所述方法包括下列步骤：

1)采集虚拟同步发电机系统的相关参数；

2)根据虚拟同步发电机系统本身的结构特性，得到虚拟同步发电机的稳态参数；

3)根据步骤1)采集的相关参数和步骤2)得到的稳态参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量；

4)根据步骤3)得到的虚拟转子的转动惯量，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

优选地，所述相关参数包括虚拟同步发电机系统的实时输出电流值和虚拟转子角频率变化率。

优选地，所述虚拟同步发电机的稳态参数包括虚拟同步发电机系统的稳态输出电流和虚拟同步发电机系统的虚拟稳态惯量值。

优选地，所述稳态输出电流具体为：

其中，I_ref为稳态输出电流，E为虚拟同步发电机电势，U为电网电压，δ为虚拟同步发电机功角，R为电网内电阻值，L为电网内电感值，ω为虚拟同步发电机电角速度。

优选地，所述自适应调整虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量具体为：

其中，J为虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量，J₀为虚拟稳态惯量值，α为自适应惯性系数，ω为虚拟同步发电机电角速度，I_ref为虚拟同步发电机系统的稳态输出电流，I_c为电网强度变化后的输出电流值。

优选地，所述步骤4)包括：

41)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，根据虚拟同步发电机系统转子运动方程求解得到更新后的系统电角度；

42)根据步骤41)得到的更新后的系统电角度，结合虚拟同步发电机系统中虚拟励磁电动势幅值，通过虚拟阻抗得到输出的三相调制波电流；

43)根据步骤42)得到的输出的三相调制波电流，经过PR调节后通过脉宽调制发生器产生控制脉冲，控制虚拟同步发电机系统中开关管的开断，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

优选地，所述虚拟同步发电机系统转子运动方程具体为：

其中，P_m、P_e和P_D分别为虚拟同步发电机机械功率、电磁功率和阻尼功率；ω为虚拟同步发电机电角速度；ω₀为额定电角速度；Δω为虚拟转子的角频率偏差值；J和D分别为虚拟同步发电机中虚拟转子的转动惯量和阻尼系数；θ为系统电角度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的方法，利用了虚拟同步发电系统中虚拟转子的转动惯量的大小与功率缺额和频率变化有关，而功率缺额和输出电流的大小有关这一原理，因此将虚拟同步发电系统的输出电流大小作为系统电网强度的指标来对系统中的转动惯量进行自适应调节，从而使得在电网强度发生变化时系统中的转动惯量自适应增大来抑制系统内频率变化量，提高虚拟同步发电机系统的稳定性。

附图说明

图1为虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法的方法流程图；

图2为虚拟同步发电机的控制方法的方法框图；

图3虚拟同步发电机的等效拓扑图；

图4为在转动惯量为0.73且负载减少时强电网和弱电网的频率变化图；

图5为负载减少时采用自适应虚拟惯量控制方法后的频率变化图；

图6为负载减少时采用自适应虚拟惯量控制方法后的虚拟惯量变化图；

图7为在转动惯量为0.73且负载增加时强电网和弱电网的频率变化图；

图8为负载增加时采用自适应虚拟惯量控制方法后的频率变化图；

图9为负载增加时采用自适应虚拟惯量控制方法后的虚拟惯量变化图；

图10为虚拟同步发电机的本体模型控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator,VSG)成功借鉴了同步发电机中的机械与电磁方程，从外特性上等效了同步发电机的模型，增加了逆变器的惯性支撑，由于VSG通过用逆变器做载体来实现对同步电机的模拟，因此VSG具有并网逆变器的拓扑结构，根据其拓扑结构，可知虚拟同步发电机的转子运动方程为：

式中：P_m和P_e分别为同步发电机机械功率、电磁功率和阻尼功率；ω为同步发电机电角速度，其中，极对数为1时，电角速度与机械角速度ω_m相等；ω₀为额定电角速度；Δω为同步电角速度与额定电角速度之差；J、D分别为同步发电机转动惯量和阻尼系数；θ为电角度。

上式模拟的是同步发电机的本体特性，VSG的本体模型控制框图如图10所示，其中，虚拟同步发电机的电磁方程：

其中，L为同步发电机的同步电感；R为同步发电机的同步电阻；u_abc为同步发电机的机端电压。虚拟同步发电机的控制器模型主要包括有功-频率下垂控制和无功-电压下垂控制模型。分别代表着虚拟同步发电机的有功、无功调节控制策略。虚拟同步发电机的有功-频率下垂特性为：当频率的给定值保持不变时，同步发电机的输入机械功率与系统频率呈现负相关，也就是说，如果系统频率逐渐减小则会使输入功率逐渐减少，两者成反比，最终，频率将保持一个稳定值不再改变。以同步发电机的额定频率f_N为参考值，当负载的有功功率增大到P_fed时，同步发电机的输出频率将下降到f_ref这个新的稳定值上。无功功率-电压调节特性为：当输出无功功率逐渐的增大时，同步发电机的励磁电动势将随之逐渐减小。同样，与有功-频率的调节特性相同，无功-电压调节特性也具备一定的下垂特性，该下垂特性有利于同步发电机的并联运行。综上所述，可以得到一个虚拟同步机的整体控制框图，如图2所示，输入的机械功率与电压P_m、u_e分别由VSG的有功-频率控制和无功-电压控制产生。本体模型输出的电角度θ与虚拟励磁机控制器输出的虚拟励磁电动势幅值通过虚拟阻抗并输出三相调制波电流，通过PR调节后，最终经PWM发生器产生脉冲以控制开关管的开断，实现VSG系统的控制。

一般的，虚拟同步发电机的等效拓扑图如图3所示，通过分析可以发现，并网逆变器的输出滤波电感可以等效为同步发电机的线路电感L，滤波电感和功率器件的等效电阻可以视为同步发电机的线路电阻R，另外，三相桥臂中点的输出电压可以等效为同步发电机的暂态电势E。

可见，在虚拟同步发电机控制器中，电磁方程中的参数L和R可以与实际并网中逆变器的滤波电感和电阻不一致。在实际中，电感L一般会随着运行工况和温度的变化而发生变化，从而导致其偏离控制器中的整定值，因此会导致输出电压和功率指令偏差。其中，所谓运行工况的变化一般包括远距离输电、三相接线中其中一条线发生故障导致只剩两条线运行等电网强度变弱的情况。这也从另一个侧面反映出系统发生故障导致电网强度变弱等情况会对虚拟同步发电机控制器的运行性能等产生影响。

由于电网在实际运行中，可能发生故障导致电网强度变弱，从而使电感L和电阻R产生变化，从而对VSG控制器的稳定运行产生影响，因此，需要分析这种变化如何影响VSG控制器的性能。

而由图3所示的虚拟同步发电机控制拓扑结构可知，虚拟同步发电机的输出电流是：

其中，E为虚拟同步发电机电势，U为电网电压，δ为虚拟同步发电机功角，从而可得虚拟同步发电机输出的视在功率S为：

上式中，上标“*”表示复数共轭运算。

线路阻抗Z和阻抗角α为：

从而有，虚拟同步发电机输出的有功功率和无功功率分别表示为：

从上式中输出有功功率和无功功率与线路阻抗Z存在关系，随着Z的增大，系统输出有功功率和无功功率将变小。而弱电网即电网的线路阻抗和变压器漏感较大，一般这类的电网被称为弱电网。故可将线路阻抗作为电网强度指标，如果线路阻抗变大时，则为弱电网，线路阻抗变小时，则为强电网。从而可知，随着电网强度的变弱，即阻抗的变化，由上式可知，系统输出有功功率和无功功率将减小，从而影响VSG控制器的性能。

对于虚拟同步发电机系统而言，由转子运动方程可得：

对上式两边分别积分可得：

上式中，t₀-t₁为负荷扰动后暂态持续时间。

如果把上式中对(Pm–Pe–DΔω)的积分定义为ΔE，则有：

Jω₀(ω₀-ω_min)＝ΔE

式中：ω_min为电角速度下降的最低值，ΔE为虚拟同步发电机平抑频率波动所需的动能缺额。

对上式进行变换可得：

由上式可知，惯量J跟系统发生扰动时所需动能缺额ΔE存在比例关系，当ΔE发生变化的时候，惯量J也会发生变化，而ΔE的变化与虚拟同步发电机输出机械功率Pm和电磁功率Pe有关。由先前的分析可知，当电网强度发生变化的时候，会导致虚拟同步发电机的输出有功功率发生变化，因此会导致动能缺额ΔE发生变化，从而会影响系统惯量J的大小。

因此，为了解决惯性不足以满足系统要求的问题，当电网强度发生变化时，可以采用系统自适应惯性的方法。根据前面的分析，惯性尺寸与电力短缺和频率变化有关，电力短缺与输出电流有关。因此，输出电流可以用作系统电网强度的指标，从而可以得到惯性J的表达式：

式中，J₀是虚拟惯性稳态值；α是自适应惯性系数；I_ref是稳态中的输出电流值；I_c是电网强度变化后的输出电流值。

基于上述原理和推导过程，本实施例提出了一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，包括下列步骤：

1)采集虚拟同步发电机系统的相关参数，包括虚拟同步发电机系统的实时输出电流值和虚拟转子角频率变化率；

2)根据虚拟同步发电机系统本身的结构特性，得到虚拟同步发电机的稳态参数，包括虚拟同步发电机系统的稳态输出电流和虚拟同步发电机系统的虚拟稳态惯量值，其中稳态输出电流具体为：

其中，I_ref为稳态输出电流，E为虚拟同步发电机电势，U为电网电压，δ为虚拟同步发电机功角，R为电网内电阻值，L为电网内电感值，ω为虚拟同步发电机电角速度；

3)根据步骤1)采集的相关参数和步骤2)得到的稳态参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量，具体为：

其中，J为虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量，J₀为虚拟稳态惯量值，α为自适应惯性系数，ω为虚拟同步发电机电角速度，I_ref为虚拟同步发电机系统的稳态输出电流，I_c为电网强度变化后的输出电流值；

4)根据步骤3)得到的虚拟转子的转动惯量，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节，包括：

41)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，根据虚拟同步发电机系统转子运动方程求解得到更新后的系统电角度；

42)根据步骤41)得到的更新后的系统电角度，结合虚拟同步发电机系统中虚拟励磁电动势幅值，通过虚拟阻抗得到输出的三相调制波电流；

43)根据步骤42)得到的输出的三相调制波电流，经过PR调节后通过脉宽调制发生器产生控制脉冲，控制虚拟同步发电机系统中开关管的开断，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

本实施例根据上述控制方法，进行仿真实验验证，具体过程为：利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了单台VSG接电阻负载的仿真算例。其仿真参数由表1所示。仿真系统运行在并网模式，初始运行时接入的负荷为25kW，为了能够全面模拟强弱电网时对系统惯量的影响，分别在1.5s时增加负载和减少负载两个方面来仿真。

表1仿真参数

初始时，系统运行在强电网状态，由于系统发生三相短路故障，导致外送电路被切除一回，系统变成弱电网，在1.5s时，负载突减25kW，其频率变化如图4所示，从图4中可以看出，由于电网强度发生变化，虽然系统惯量不变，但频率超调量由0.4Hz变为0.6Hz，超调量增加了33.33％，且弱电网时频率超调量要大于强电网时，说明在惯量不变的情况下，电网强度发生改变会对系统频率稳定性产生影响。

为了解决这个问题，在电网强度变弱时，加入所提控制策略，则频率变化图如图5所示，从图5中可以观察到，虽然都是在弱电网的情况，但是增加系统惯量后，频率超调量由0.6Hz变为0.4Hz，超调量下降33.33％，说明弱电网时加入所提控制策略可以维持系统频率稳定。此时，惯量J的变化如图6所示。

同样的，在1.5s时，负载突增25kW，其频率变化如图7所示，从图7中可以看出，系统频率超调量由0.55Hz变成了0.7Hz，说明弱电网时负载突减对频率稳定性影响更大，为了对频率稳定性进行改善，应用所提控制策略后，频率的变化如图8所示。由图8可以看出，系统频率超调量由0.7Hz变成了0.4Hz，比强电网时效果还要好，说明了所提控制策略的有效性。同时，在此过程中，惯量J的变化如图9所示。

Claims (7)

1.一种虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

1)采集虚拟同步发电机系统的相关参数；

2)根据虚拟同步发电机系统本身的结构特性，得到虚拟同步发电机的稳态参数；

3)根据步骤1)采集的相关参数和步骤2)得到的稳态参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量；

4)根据步骤3)得到的虚拟转子的转动惯量，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述相关参数包括虚拟同步发电机系统的实时输出电流值和虚拟转子角频率变化率。

3.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的稳态参数包括虚拟同步发电机系统的稳态输出电流和虚拟同步发电机系统的虚拟稳态惯量值。

4.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述稳态输出电流具体为：

<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>E</mi> <mo>&amp;angle;</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>-</mo> <mi>U</mi> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <mi>j</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，I_ref为稳态输出电流，E为虚拟同步发电机电势，U为电网电压，δ为虚拟同步发电机功角，R为电网内电阻值，L为电网内电感值，ω为虚拟同步发电机电角速度。

5.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述自适应调整虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量具体为：

<mrow> <mi>J</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>J</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>c</mi> </msub> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow> </mrow>

其中，J为虚拟同步发电机系统中虚拟转子的转动惯量，J₀为虚拟稳态惯量值，α为自适应惯性系数，ω为虚拟同步发电机电角速度，I_ref为虚拟同步发电机系统的稳态输出电流，I_c为电网强度变化后的输出电流值。

6.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

41)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，根据虚拟同步发电机系统转子运动方程求解得到更新后的系统电角度；

42)根据步骤41)得到的更新后的系统电角度，结合虚拟同步发电机系统中虚拟励磁电动势幅值，通过虚拟阻抗得到输出的三相调制波电流；

43)根据步骤42)得到的输出的三相调制波电流，经过PR调节后通过脉宽调制发生器产生控制脉冲，控制虚拟同步发电机系统中开关管的开断，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

7.根据权利要求6所述的虚拟同步发电机的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机系统转子运动方程具体为：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>D</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>J&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，P_m、P_e和P_D分别为虚拟同步发电机机械功率、电磁功率和阻尼功率；ω为虚拟同步发电机电角速度；ω₀为额定电角速度；Δω为虚拟转子的角频率偏差值；J和D分别为虚拟同步发电机中虚拟转子的转动惯量和阻尼系数；θ为系统电角度。