CN107991576A - 一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法及其测量装置。测试方法包括步骤1：连接虚拟同步发电机和测试装置；步骤2：确定电网模拟装置的频率变化率；步骤3：确定惯量时间常数与实际输出有功功率之间的定量关系。测试装置包括电网模拟装置，所述电网模拟装置的一端与所述虚拟同步发电机连接，另一端与电网连接。本发明为虚拟同步发电机虚拟惯量的测量提供了方法，为虚拟同步发电机的控制系统设计，参与电网的调频，奠定了坚实的基础。

Description

一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及虚拟同步发电机虚拟测试技术，具体涉及一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法及其测量装置。

背景技术

近年来，由于能源、环境、技术等因素，新能源领域得到广泛的关注和发展，分布式电源在电力系统的渗透率不断提升，与此同时，传统的同步发电机装置比例逐渐降低，电力系统的旋转备用容量及转动惯量相对减少。由于一次能源具有间歇性及不可控性.且常规的分布式并网发电控制较多采用电力电子并网逆变器模式，该模式并未体现常规电力系统固有的惯性及调频调压控制特性，这使得电网稳定性问题越发严峻。

在常规的电力系统中，系统频率、电压的动态特性与发电机转动惯量及系统调频调压控制有关。而在基于电力电子逆变器并网的分布式发电系统中，若借助配备的储能环节，并采用适当的并网逆变器控制算法.使基于并网逆变器的分布式电源从外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性，从而改善分布式系统的稳定性，这就是所谓的虚拟同步发电机控制。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法及其测量装置，本发明为虚拟同步发电机虚拟惯量的测量提供了方法，为虚拟同步发电机的控制系统设计，参与电网的调频，奠定了坚实的基础。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法，其改进之处在于，所述测试方法包括下述步骤：

步骤1：连接虚拟同步发电机和测试装置；

步骤2：确定电网模拟装置的频率变化率；

步骤3：确定惯量时间常数与实际输出有功功率之间的定量关系。

进一步地，所述步骤1中，所述测试装置包括电网模拟装置，所述电网模拟装置的一端与所述虚拟同步发电机连接，另一端与电网连接。

进一步地，所述电网模拟装置采用变流器型电网扰动发生装置实现。

进一步地，所述步骤2中，设置电网模拟装置频率由50Hz降/升为频率f，并在频率为f时维持运行t秒，频率变化率为1Hz/s，所述t>5s，所述频率f在虚拟同步发电机可运行频率范围48.00Hz～51.50Hz内。

进一步地，所述步骤3中，记录虚拟同步发电机交流侧电压与电流的数据，计算响应于惯量的有功功率平均值，定义T_J为在发电机组转子上施加额定转矩T_m后，转子从停顿状态Ω＝0加速到额定状态Ω_n时所经过的时间，即

即：

联立式(1)～(2)即可解得：

对于同步机，当转速发生变化时，其转子动能发生变化，释放或吸收的能量对外表现为输出电磁功率的增减。转子动能的变化量，即输出电磁功率变化量的累积能量为：

式中：W_k为转子在额定转速时的动能，T_m为额定转矩，Ω(t)瞬时转速、P_N额定功率、J转动惯量、t为时间；Ω_n＝ω₀，ω₀表示额定转速；ΔE(t)表示输出电磁功率变化量的累积能量，ω(t)为瞬时转速；

输出电磁功率为输出电磁功率变化量的累积能量的微分：

由得：

式中：f_N为额定频率、f(t)虚拟同步发电机并网点频率；

代入上式得：

设f(t)≈f_N，则式(5)简化为：

由式(8)可知，通过给定频率变化率，能够获得惯量时间常数与实际输出有功功率之间的定量关系。

本发明提供一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试装置，其改进之处在于，所述测试装置包括电网模拟装置，所述电网模拟装置的一端与所述虚拟同步发电机连接，另一端与电网连接。

进一步地，所述电网模拟装置采用变流器型电网扰动发生装置实现。

进一步地，所述变流器型电网扰动发生装置有依次连接的降压变压器、整流装置、逆变器和升压变压器。

进一步地，电网经降压变压器，通过整流装置整流为直流，再经逆变器输出所需要的电压波形，最后由升压变压器连接至虚拟同步发电机，通过修改变流器型电网扰动发生装置双向变流器逆变侧的调制波指令，测试母线能够得到虚拟同步发电机惯量响应测试所需的电压波形。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

高比例新能源发电是全球能源互联网的重要特征，未来电网中新能源发电将成为主力电源。大规模新能源并网运行加大了电力系统功率实时平衡的难度，减小了电力系统的相对惯量，降低了电力系统频率稳定性，电网安全运行风险加大。目前，虚拟同步发电机技术是一种增加新能源机组“隐含惯量”的方法，然而采用这种控制方式可以获得的虚拟惯量实际是多大，目前并没有具体的测试方法，本发明旨在解决这一问题。本发明为虚拟同步发电机虚拟惯量的测量提供了方法，为虚拟同步发电机的控制系统设计，参与电网的调频，奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是本发明提供的虚拟同步发电机的虚拟惯量测试装置示意图；

图2是本发明提供的虚拟同步发电机惯量试验波形图，其中，图2(a)为电网频率跌落瞬间虚拟同步发电机惯量试验波形图，图2(b)为虚拟同步发电机惯量测试期间风速基本稳定的波形图；图2(c)为虚拟同步发电机测试开始时的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提供一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法，包括下述步骤：

步骤1：连接虚拟同步发电机和测试装置；

步骤2：确定电网模拟装置的频率变化率；

步骤3：确定惯量时间常数与实际输出有功功率之间的定量关系。

上述实施例中，步骤1中，所述测试装置包括电网模拟装置，所述电网模拟装置的一端与所述虚拟同步发电机连接，另一端与电网连接。

上述实施例中，电网模拟装置采用变流器型电网扰动发生装置实现。

上述实施例中，步骤2中，设置电网模拟装置频率由50Hz降/升为频率f，并在频率为f时维持运行t秒，频率变化率为1Hz/s，所述t>5s，所述频率f在虚拟同步发电机可运行范围48.00Hz～51.50Hz内。

上述是实施例中，步骤3中，根据定义(电力系统暂态分析(第二版)，李光琦，P157)，T_J为在发电机组转子上施加额定转矩T_m后，转子从停顿状态(Ω＝0)加速到额定状态(Ω_n)时所经过的时间，即：

式中，W_k为转子在额定转速时的动能，即：

联立式(1)～(2)即可解得：

上式中，Ω_n＝ω₀

对于同步机，当转速发生变化时，其转子动能发生变化，释放或吸收的能量对外表现为输出电磁功率的增减。转子动能的变化量，即输出电磁功率变化量的累积能量为：

式中：W_k为转子在额定转速时的动能，T_m为额定转矩，Ω(t)瞬时转速、P_N额定功率、J转动惯量、t为时间；Ω_n＝ω₀，ω₀表示额定转速；ΔE(t)表示输出电磁功率变化量的累积能量，ω(t)为瞬时转速；

输出电磁功率为该能量的微分：

由可得：

式中：f_N为额定频率、f(t)虚拟同步发电机并网点频率；

代入上式得：

设f(t)≈f_N，则式(5)可简化为：

由式(8)可知，通过给定频率变化率，就可以获得惯量时间常数与实际输出有功功率之间的定量关系，这正是本测试方法的基础。

本发明提供一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试装置，如图1所示，包括电网模拟装置，所述电网模拟装置的一端与所述虚拟同步发电机连接，另一端与电网连接。电网模拟装置采用变流器型电网扰动发生装置实现。变流器型电网扰动发生装置有依次连接的降压变压器、整流装置、逆变器和升压变压器。

电网模拟装置为虚拟同步发电机的惯量测试提供条件。其基本原理：电网经降压变压器，通过整流装置整流为直流，再经逆变器输出所需要的电压波形，最后由升压变压器连接至虚拟同步发电机。通过修改交－直－交双向变流器逆变侧的调制波指令测试母线就可以得到虚拟同步发电机惯量响应测试所需的电压波形。

实施例

测试以风电机组虚拟同步发电机为例，将电网扰动发生装置串联接入虚拟同步发电机与接入电网之间，测试接线如附图1所示。虚拟同步发电机给定机端频率f＝49.5Hz，频率变化率为1Hz/s。测试结果如下：

附图2为虚拟同步发电机惯量试验波形图，由附图2(a)可以看出，电网频率跌落瞬间，虚拟同步发电机快速响应有功功率支撑，有功变化量为0.1p.u.。由附图2(b)可以看出，虚拟同步发电机惯量测试期间风速基本稳定。由附图2(c)可以看出，虚拟同步发电机测试开始时，发电机转速约为1030r/min，结束时，发电机转速降为985r/min。

根据公式(8)可以计算出虚拟同步发电机的惯性时间常数T_J＝5。

本发明(1)推导了虚拟同步发电机惯量的数学表达式，量化了频率变化率与虚拟惯量之间的关系；(2)基于理论推导，给出了虚拟同步发电机惯量测试的方法和步骤，简单并易于实现。

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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试方法，其特征在于，所述测试方法包括下述步骤：

步骤1：连接虚拟同步发电机和测试装置；

步骤2：确定电网模拟装置的频率变化率；

步骤3：确定惯量时间常数与实际输出有功功率之间的定量关系。

2.如权利要求1所述的虚拟惯量测试方法，其特征在于，所述步骤1中，所述测试装置包括电网模拟装置，所述电网模拟装置的一端与所述虚拟同步发电机连接，另一端与电网连接。

3.如权利要求2所述的虚拟惯量测试方法，其特征在于，所述电网模拟装置采用变流器型电网扰动发生装置实现。

4.如权利要求1所述的虚拟惯量测试方法，其特征在于，所述步骤2中，设置电网模拟装置频率由50Hz降/升为频率f，并在频率为f时维持运行t秒，频率变化率为1Hz/s，所述t>5s，所述频率f在虚拟同步发电机可运行频率范围48.00Hz～51.50Hz内。

5.如权利要求1所述的虚拟惯量测试方法，其特征在于，所述步骤3中，记录虚拟同步发电机交流侧电压与电流的数据，计算响应于惯量的有功功率平均值，定义T_J为在发电机组转子上施加额定转矩T_m后，转子从停顿状态Ω＝0加速到额定状态Ω_n时所经过的时间，即

<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <msub> <mi>T</mi> <mi>J</mi> </msub> </msubsup> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mi>&amp;Omega;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <msub> <mi>T</mi> <mi>J</mi> </msub> </msubsup> <mi>&amp;Omega;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>J</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;Omega;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>J</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>N</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>J</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

即：

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联立式(1)～(2)即可解得：

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对于同步机，当转速发生变化时，其转子动能发生变化，释放或吸收的能量对外表现为输出电磁功率的增减。转子动能的变化量，即输出电磁功率变化量的累积能量为：

<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>J</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中：W_k为转子在额定转速时的动能，T_m为额定转矩，Ω(t)瞬时转速、P_N额定功率、J转动惯量、t为时间；Ω_n＝ω₀，ω₀表示额定转速；ΔE(t)表示输出电磁功率变化量的累积能量，ω(t)为瞬时转速；

输出电磁功率为输出电磁功率变化量的累积能量的微分：

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由得：

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式中：f_N为额定频率、f(t)虚拟同步发电机并网点频率；

代入上式得：

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设f(t)≈f_N，则式(5)简化为：

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由式(8)可知，通过给定频率变化率，能够获得惯量时间常数与实际输出有功功率之间的定量关系。

6.一种虚拟同步发电机的虚拟惯量测试装置，其特征在于，所述测试装置包括电网模拟装置，所述电网模拟装置的一端与所述虚拟同步发电机连接，另一端与电网连接。

7.如权利要求6所述的虚拟惯量测试装置，其特征在于，所述电网模拟装置采用变流器型电网扰动发生装置实现。

8.如权利要求7所述的虚拟惯量测试装置，其特征在于，所述变流器型电网扰动发生装置有依次连接的降压变压器、整流装置、逆变器和升压变压器。

9.如权利要求8所述的虚拟惯量测试装置，其特征在于，电网经降压变压器，通过整流装置整流为直流，再经逆变器输出所需要的电压波形，最后由升压变压器连接至虚拟同步发电机，通过修改变流器型电网扰动发生装置双向变流器逆变侧的调制波指令，测试母线能够得到虚拟同步发电机惯量响应测试所需的电压波形。