CN108183507A - 一种基于vsg的pmsg并网主动支撑控制结构 - Google Patents

一种基于vsg的pmsg并网主动支撑控制结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于VSG(虚拟同步发电机)的PMSG(直驱式永磁同步发电机)对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，包括风电机组和背靠背四象限变流器，背靠背四象限变流器包括机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器用以维持直流侧电容器电压；网侧变流器根据MPPT的算法来控制风机转速的正常运行与功率的平衡，采用VSG的控制策略，用以对电网频率与电压进行主动支撑，支撑时通过释放直流侧电容器能量和转子动能达到动态支撑。该控制结构摆脱了风电机组必须通过PLL锁相才能并网的弊端，将风电机组等效为了一个电压源型的VSG，因此针对电网电压和频率的波动，可以起到更好的支撑作用。

Description

一种基于VSG的PMSG并网主动支撑控制结构
技术领域
本发明涉及新能源领域，具体涉及一种基于VSG的PMSG并网主动支撑控制结构。
背景技术
风能作为一种洁净的可再生能源，符合环境保护计划的要求，风力发电技术产业在世界范围内得到飞速发展。但是由于风能具有随机性和间歇性，随着电网中风力发电装机容量所占的比例逐步提高，大规模风电场对系统的稳定性造成的影响也逐渐加大。同时，由于系统负荷变化导致的频率变化也会变得更加剧烈，容易使电网失去稳定性。
现有的风电参与系统调频调压过程中的控制策略主要有以下三种：
1.转子动能控制
其具体实现方法主要有虚拟惯性控制、下垂控制以及综合惯性控制。
2.功率备用控制
功率备用控制通过控制风电机组使其减载运行，从而预留一定的功率备用并以此来支持系统调频，此时风电机组工作在次优功率跟踪点上。其方法有两大类：桨距角控制和转子转速控制。
3.附加储能控制
储能系统具有快速吐纳能量的能力，不仅可以有效抑制风电的随机波动，而且能够辅助风电参与系统调频。储能系统参与风电调频的原理是在系统频率降低的时候，储能系统快速释放能量支撑系统频率；在系统频率上升时，吸收能量抑制系统频率的上升。
我们可以看到，无论是哪种支撑方式，传统的控制策略必须通过PLL锁相环来实现风电机组的并网操作，当系统电压波动时也使得控制系统更加的不稳定。
发明内容
为解决上述问题，提出了一种基于VSG(虚拟同步发电机)的PMSG(直驱式永磁同步发电机)对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，引入虚拟调速器和虚拟励磁器等概念，赋予逆变电源的频率与电压惯性保持特性，使其具有类似同步发电机的动态特性，对电网频率与电压进行主动支撑的控制，该控制结构摆脱了必须通过PLL锁相环来实现风电机组并网这一弊端，将风电机组等效为了一个电压源型的VSG。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种基于VSG的PMSG对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，包括风电机组和背靠背四象限变流器，背靠背四象限变流器包括机侧变流器和网侧变流器，
机侧变流器用以维持直流侧电容器电压；
网侧变流器根据MPPT的算法来控制风机转速的正常运行与功率的平衡，采用VSG的控制策略，用以对电网频率与电压进行主动支撑，支撑时通过释放直流侧电容器能量和转子动能达到动态支撑。该控制结构摆脱了风电机组必须通过PLL锁相才能并网的弊端，将风电机组等效为了一个电压源型的VSG，因此针对电网电压和频率的波动，可以起到更好的支撑作用。
所述机侧变流器采用直流母线电压外环、电流内环的控制策略，控制系统外环为直流母线电压环，直流母线电压的给定值和实际值的偏差经过PI控制器输出为交轴电流(有功电流)的给定电流，通过电流内环控制，将机械功率转化为电磁功率并传送至直流母线。
所述网侧变流器采用虚拟同步发电机控制策略，其工作模式如下：
(1)输出无功功率和电压调整
虚拟同步发电机的输出无功功率增量和输出电压幅值增量满足Q/V下垂关系，并联在系统中，下垂系数m决定着负荷无功功率在逆变器间的分配；当负载过大时，虚拟同步发电机的输出电压不满足要求时，闭合开关Sv，输出电压偏差经过比例积分环节对虚拟励磁电流iF进行补偿，分别对d、q轴内电势经行修正，以消除输出电压幅值误差。
(2)输出有功功率和频率调整
在并网状态下，若同时打开二次调频开关Sf和虚拟励磁补偿补偿开关Sv，则虚拟同步发电机运行于有功无功功率(PQ)模式，此时输出功率由功率参考值MPPT决定，输出电压受限与交流母线，输出侧相当于PQ节点；若打开开关Sf闭合开关Sv，则虚拟同步发电机工作于有功功率、电压(PV)模式；在组网模式下，若同时闭合开关Sf和开关Sv，则VSG进入恒压恒频(Vf)模式。
在主动支撑时，同时控制直流侧电容能量和风机转子动能比只调节风机转子动能提供的惯量更大。但是这样会使转子转速频繁的动作，不利于系统的稳定。因此，我们提出了新的控制策略，这种控制策略可以自动的按顺序激活直流侧电容器和风机惯量控制来为系统提供惯量支撑；该主动支撑是分级控制的，即先通过直流侧电容器释放能量进行支撑，如果仍存在偏差则通过释放转子动能释放能量，所述直流侧电容电压不断进行吸收和释放来保障对系统随时的支撑，使得转子动能不用频繁的动作，增强了系统的稳定性。它可以确保系统扰动时的支撑和风能捕获最大化。特别的，总是优先利用直流侧电容储存的能量为系统提供惯量支撑，只有当系统频率偏移依然存在时才会采用风机惯量为系统提供支撑。它避免了频繁使用风机惯量，并且是一个节约能源的控制策略，有利于风电场的商业化推广。而且由于合理的设计了频率死区从而消除了系统的稳定性错误。因此，扰动后风机可以返回它的最大功率跟踪状态。
所述虚拟同步发电机的控制策略分为三部分：励磁器、调频器和内环控制器；励磁器控制虚拟同步发电机输出无功功率或输出电压幅值，调频器控制输出有功功率或输出电压角频率，内环控制器实现控制快速性并限制故障电流，其中，所述励磁器和调频器还具有自同步、电压频率支撑、负荷分配、环流抑制能力。
本发明具有以下有益效果：
本发明的网侧变流器按照VSG控制方式进行并网，这样就在并网侧等同于一台同步发电机，以此来进行频率和电压支撑；所述网侧变流器不再依靠PLL进行并网而是自等效为同步电压源，这就使得当系统电压变化较大时不会再因有PLL的存在而加大电网电压震荡的负担。对电网频率与电压进行主动支撑的控制，该控制结构摆脱了必须通过PLL锁相环来实现风电机组并网这一弊端，将风电机组等效为了一个电压源型的VSG。
附图说明
图1为本发明实施例中的机侧变流器控制框图；
图2为本发明实施例中的逆变器电气结构图；
图3为本发明实施例中的虚拟转子坐标系图；
图4为本发明实施例中的无功功率/电压下垂特性和有功功率/频率下垂特性图；
图中：(a)无功功率/电压下垂特性(b)有功功率/频率下垂特性。
图5为本发明实施例中的虚拟同步发电机控制框图；
图6为本发明实施例中的惯量主动支撑下垂控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种基于VSG的PMSG对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，包括风电机组和背靠背四象限变流器，背靠背四象限变流器包括机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器用以维持直流侧电容器电压；网侧变流器根据MPPT的算法来控制风机转速的正常运行与功率的平衡，采用VSG的控制策略，用以对电网频率与电压进行主动支撑，支撑时通过释放直流侧电容器能量和转子动能达到动态支撑。
所述机侧变流器采用直流母线电压外环、电流内环的控制策略。此时控制框图如图1所示。控制系统外环为直流母线电压环，直流母线电压的给定值和实际值的偏差经过PI控制器输出为交轴电流(有功电流)的给定电流，通过电流内环控制，将机械功率转化为电磁功率并传送至直流母线；由于采用isd＝0的矢量控制策略，所以直轴电流给定isdref＝0。
所述网侧变流器采用虚拟同步发电机控制策略，图2为三相两电平逆变器的电气结构，其包含采用脉宽调制的三相桥臂和用以消除电压纹波的LC滤波器。可将滤波电容输出侧视为同步发电机的输出端口，通过控制滤波电容电压来模拟同步发电机的外特性。
控制策略可分为三部分：励磁器、调频器和内环控制器。励磁器控制虚拟同步发电机输出无功功率或输出电压幅值，调频器控制输出有功功率或输出电压角频率，内环控制器实现控制快速性并限制故障电流。另外，励磁器和调频器还具有自同步、电压频率支撑、负荷分配、环流抑制能力。控制框图如图5。
考虑励磁电流的动态特性，虚拟转子坐标系如图3。对于闭环控制的VSG，其闭环输出阻抗由其开环输出阻抗和闭环参数共同决定，虚拟定子绕组环节可以调整逆变器的输出阻抗，解决线路阻抗中阻性成分带来的功率耦合问题，满足虚拟同步发电机的功率解耦条件。虚拟定子绕组能减弱线路参数对下垂特性的影响，合理的设计虚拟定子绕组阻抗值，有利于并联组网运行的逆变器的负荷分配。同时，虚拟定子绕组的设置可实现并联逆变器间环流和故障电流的限制。
在无功负载过大时，因下垂特性，如图4(a)所示，励磁电流减小，内电势降低，使得逆变器输出电压不满足要求。此时可在励磁器中加入输出电压前馈进行励磁电流补偿，修正内电势。
调频器可实现对电网频率和相位的追踪。稳态时输出有功功率和电压频率之间满足下垂关系，如图4(b)。机械转矩Tm和电磁转矩Te之差使得转子角频率变化，改变输出相位θ。输出相位θ决定abc到dq坐标系的变换。利用转子运动方程，可设计输出功率和频率之间的惯性关系，模拟同步发电机的一次调频过程。
同步发电机中，通过调整原动机输出功率来修正频率特性曲线，消除一次调频的静差，使得系统频率恢复为额定值。
虚拟同步发电机中，闭合开关Sf，通过前馈频率增量经比例环节修正Pset，调整直流侧输出功率，如式，从而实现二次调频。
内环控制器采用基于dq解耦的电压电流双闭环控制器，分为电压环和电流环。在电压环中，采用PI控制器来调节滤波电容电压，并得到电流参考值。
电流环通过P控制器调节滤波电感电流，如下
为防止暂态时的过电流损害设备，应限制电流参考值通过解耦项来实现d、q轴电压电流的独立控制，抵消滤波电感上的压降。
本发明的基于VSG的PMSG对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构采用主动支撑控制策略，具体的：
直流侧电容提供的惯量支撑
如果忽略背靠背变流器的功率损耗，直流侧电容电压可以反映注入RSC的功率PWT和传输到电网的功率Pg之间的功率平衡。为了模拟惯量，PWT和Pg可以被粗略的认为是同步发电机的机械功率和电磁功率，其中H是惯量常数。直流侧电压从一定程度上可以类似看做系统频率，因此：
上式可以在平衡点线性化后可以得到控制过程如下：
其中KDC是控制参数。以上控制过程实际上形成了直流侧电压的下垂控制策略，HDC和KDC关系如下：
永磁同步发电机风机转子动能提供的惯量支撑
为了使风机通过调节自己的有功来响应频率的交变，附加功率偏移Pad来反映系统频率的变化，将其与通过最大功率跟踪算法得到的有功功率PMPPT相加，即可得到一个新的风机有功功率的参考值作为永磁同步风机的新参考有功。
其中HR是惯量常数，它由基于永磁同步发电机的风机转子动能提供；经推导和线性化可得到传递函数如下：
可以看出风机惯量控制的惯性时间常数HR由两部分组成：一部分是转子吸收或者释放的动能。它主要取决于扰动时风机转速的变化，风机转速的偏移越大，风机补偿的惯量就越多。而且它还与风机初始转速有关，初始转速越大，系统补偿的惯量就越多。
风机惯量控制的协同与配合
经过推导和化简，关于惯量我们最终可以得到如下式子：
为了获得正的模拟惯量常数HR，KB应该是负值。总惯量常数HWT由基于永磁同步发电机的风机的直流侧电容和风机转子侧动能同时提供，
显而易见，同时控制直流侧电容能量和风机转子动能比只调节风机转子动能提供的惯量更大。以系统频率下降为例，为响应系统频率的下降，网侧变流器通过控制直流侧电容电压降低来释放部分电容存储的能量给电网。与此同时，机侧变流器通过对检测到的频率偏差进行P控制来增大有功功率参考值，同时释放转子的动能来同时为系统提供频率支撑。但是这样会使转子转速频繁的动作，不利于系统的稳定。
本具体实施提供了一种新的控制策略，这种控制策略可以自动的按顺序激活直流侧电容器和风机惯量控制来为系统提供惯量支撑。它有一些创新的优点，比如可以确保系统扰动时的支撑和风能捕获最大化。特别的，总是优先利用直流侧电容储存的能量为系统提供惯量支撑，只有当系统频率偏移依然存在时才会采用风机惯量为系统提供支撑。它避免了频繁使用风机惯量，并且是一个节约能源的控制策略，有利于风电场的商业化推广。而且由于合理的设计了频率死区从而消除了系统的稳定性错误。因此，扰动后风机可以返回它的最大功率跟踪状态。
总而言之，成功地解决了风能捕获和提供惯量支撑之间的矛盾。这使得小频率扰动系统日常运行具有显著的经济意义。并且可能促进未来系统风能渗透率的提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于VSG的PMSG对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，包括风电机组和背靠背四象限变流器，背靠背四象限变流器包括机侧变流器和网侧变流器，其特征在于，
机侧变流器用以维持直流侧电容器电压；
网侧变流器根据MPPT的算法来控制风机转速的正常运行与功率的平衡，采用VSG的控制策略，用以对电网频率与电压进行主动支撑，支撑时通过释放直流侧电容器能量和转子动能达到动态支撑。
2.如权利要求1所述的一种基于VSG的PMSG对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，其特征在于，所述机侧变流器采用直流母线电压外环、电流内环的控制策略，控制系统外环为直流母线电压环，直流母线电压的给定值和实际值的偏差经过PI控制器输出为交轴电流的给定电流，通过电流内环控制，将机械功率转化为电磁功率并传送至直流母线。
3.如权利要求1所述的一种基于VSG的PMSG对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，其特征在于，所述网侧变流器采用虚拟同步发电机控制策略，其工作模式如下：
(1)输出无功功率和电压调整
虚拟同步发电机的输出无功功率增量和输出电压幅值增量满足Q/V下垂关系，并联在系统中，下垂系数m决定着负荷无功功率在逆变器间的分配；当负载过大时，虚拟同步发电机的输出电压不满足要求时，闭合开关Sv，输出电压偏差经过比例积分环节对虚拟励磁电流iF进行补偿，分别对d、q轴内电势经行修正，以消除输出电压幅值误差。
(2)输出有功功率和频率调整
在并网状态下，若同时打开二次调频开关Sf和虚拟励磁补偿补偿开关Sv，则虚拟同步发电机运行于有功无功功率(PQ)模式，此时输出功率由功率参考值MPPT决定，输出电压受限与交流母线，输出侧相当于PQ节点；若打开开关Sf闭合开关Sv，则虚拟同步发电机工作于有功功率、电压(PV)模式；在组网模式下，若同时闭合开关Sf和开关Sv，则VSG进入恒压恒频(Vf)模式。
4.如权利要求1所述的一种基于VSG的PMSG对电网频率与电压进行主动支撑的控制结构，其特征在于，主动支撑是分级控制的，即先通过直流侧电容器释放能量进行支撑，如果仍存在偏差则通过释放转子动能释放能量，所述直流侧电容电压不断进行吸收和释放来保障对系统随时的支撑，使得转子动能不用频繁的动作，增强了系统的稳定性。
5.根据权利要求1所述的一种基于VSG的PMSG并网主动支撑控制结构，其特征在于，虚拟同步发电机的控制策略分为三部分：励磁器、调频器和内环控制器；励磁器控制虚拟同步发电机输出无功功率或输出电压幅值，调频器控制输出有功功率或输出电压角频率，内环控制器实现控制快速性并限制故障电流。
6.根据权利要求5所述的一种基于VSG的PMSG并网主动支撑控制结构，其特征在于，所述励磁器和调频器还具有自同步、电压频率支撑、负荷分配、环流抑制能力。
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