CN108418254A - 一种虚拟同步机并联系统稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

一种虚拟同步机并联系统稳定控制方法，属于分布式发电控制技术领域。建立VSG1的转子运动方程，和VSG2的转子数学模型；得到虚拟同步机的输出功率表达式，包含有功和无功；计算得到有功功率变化量和功角变化量之间的关系表达式；获得VSG1和VSG2各自的输出有功功率变化量与系统频率变化量间的传递函数；得到VSG1的输出有功功率变化量和角频率变化量分别对负荷功率变化量之间的传递函数；建立虚拟同步机并联系统的特征方程，结合特征方程及已知参数，得到VSG1的不稳定域。优点在于，通过对虚拟同步机惯性、阻尼参数进行控制，使并联系统稳定运行。

Description

一种虚拟同步机并联系统稳定控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电控制技术领域，具体涉及一种虚拟同步机并联系统稳定控制方法。

背景技术

近年来，基于逆变器接口的分布式能源在电力系统中所占比重增长加快。根据国家能源局的数据，2017年上半年，我国可再生能源发电装机突破6亿千瓦。其中，水电装机达到3.38亿千瓦、风电装机达到1.54亿千瓦、光伏发电装机达到1.02亿千瓦、生物质能发电装机达到1330万千瓦，上半年，各类可再生能源发电新增装机3700万千瓦，约占全部电力新增装机的70％左右，这说明了我国能源结构调整速度进一步加快，可再生能源已进入了规模化发展的新阶段。目前我国水电、风电、光伏发电装机容量稳居全球首位。

由于并网逆变器具有高品质输出电流、有功和无功，独立可控等优异性能，基于逆变器接口的分布式能源在电力系统中所占的比重快速增长。在传统的电力系统中，惯量主要来自于发电厂中的汽轮机和发电机。当系统频率发生变化时，通过转子转速的变化吸收或释放能量来保持系统的频率稳定。而对于以电力电子逆变器为接口的分布式发电，无法向系统提供类似的旋转惯量来支撑系统的频率稳定。因此，随着逆变器接口的分布式电源高密度高渗透率的接入，其给电网的安全稳定带来了潜在的威胁。因此，针对分布式逆变电源，基于传统同步发电机模型与特性的虚拟同步发电机(Virtual synchronousgenerator,VSG)技术受到越来越多的关注。VSG技术通过模拟同步发电机的转子运动方程和电磁方程设计逆变器的控制系统，为解决分布式电源低惯量、欠阻尼问题提供了重要的解决途径。

实际应用中，随着分布式电源渗透率的增加，特别是在分布式电源主导的微网系统孤岛运行时，系统稳定性问题将凸显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟同步机并联系统稳定控制方法，解决了系统不稳定的问题。

本发明的工艺步骤如下：

(1)建立VSG1的转子运动方程，和VSG2的转子数学模型；

VSG1的有功-频率控制基于同步发电机转子运动方程：

式中，P_m为机械功率，H为惯性常数，D为阻尼系数，上标“*”代表标幺值；

VSG2转子数学模型如下：

其中K_d为一次调频系数，ω₀为额定角频率；微网系统中，常由储能单元承担调频任务，本文中，VSG1不参与一次调频，匹配有储能单元的VSG2有一次调频能力；

(2)得到虚拟同步机的输出功率表达式，包含有功和无功；

以VSG1为例，输出功率可由计算得到：

(3)计算得到有功功率变化量和功角变化量之间的关系表达式；

根据上式中的有功表达式可以得到有功功率变化量ΔP_e ^*和功角变化量Δδ之间的关系：

(4)获得VSG1和VSG2各自的输出有功功率变化量与系统频率变化量间的传递函数；

当ωL>>X₁时，可近似认为其中ω_bus是公共连接点处角频率；令同步功率S_E＝EUsin(α-δ)/(S_nZ)，则结合可得到VSG输出有功功率变化量ΔP_e1 ^*与系统频率变化量Δω_g ^*间的传递函数：

相似的得到VSG2输出有功功率变化量ΔP_e2 ^*与系统频率变化量Δω_g ^*间的传递函数为：

(5)得到VSG1的输出有功功率变化量和角频率变化量分别对负荷功率变化量之间的传递函数；

对于该实施例中的并联系统，电源输出功率之和等于负载吸收的功率，即ΔP_e1+ΔP_e2＝ΔP_load，结合VSG1和VSG2的输出有功功率变化量与系统频率变化量间的传递函数可得：

角频率变化量分别对负荷功率变化量之间的传递函数：

(6)建立虚拟同步机并联系统的特征方程，结合特征方程及已知参数，得到VSG1的不稳定域。

本发明的优点在于，通过对虚拟同步机惯性、阻尼参数进行控制，使并联系统稳定运行。

附图说明

图1为虚拟同步机并联系统的等效示意图。

图2为虚拟同步机等效模型及控制策略图。

图3为虚拟同步机稳定控制方法流程示意图。

图4为D1变化时，H1的稳定边界变化特性图。

图5为H2变化时，H1的稳定边界变化特性图。

图6为D2变化时，H1的稳定边界变化特性图。

图7为Kd变化时，H1的稳定边界变化特性图。

图8为H1＝0.06负荷突增时ΔP₁ ^*(t)的响应特性图。

图9为H1＝3负荷突增时ΔP₁ ^*(t)的响应特性图。

图10为H1＝9负荷突增时ΔP₁ ^*(t)的响应特性图。

具体实施方式

图1～图10为本发明的具体实施方式。

下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行详细、完善的说明。本发明中的附图只是为了方便理解而设定的一个实施例，任何基于该实施例而没有做出创造性劳动的其他实施例都属于本发明的保护范围。

本发明实例提供一种虚拟同步机并联系统稳定控制方法，具体如下：

如图1所示，含虚拟同步机的微网包括分布式电源、储能系统、负荷等。将含虚拟同步机特性、并联运行的分布式电源和储能系统等效为两台虚拟同步机并联，分别记为VSG1和VSG2。虚拟同步机通过连接线与公共连接点相连，连接线的阻抗分别为Z₁＝R₁+jX₁、Z₂＝R₂+jX₂；E₁、E₂分别为虚拟同步机VSG1和VSG2输出电势；U为公共连接点电压；虚拟同步机VSG1的基本控制框图如图2所示。采集VSG1输出电流、电压，由功率计算环节计算有功功率P和无功功率Q。由虚拟同步机控制单元进行有功-频率控制和无功-电压控制，再经过电压环、电流环双环控制及驱动电路形成驱动信号。其中：V_dc为直流侧电压；L、R、C为滤波电感、电阻、电容；P，Q为功率计算环节得到的有功功率和无功功率；E为虚拟同步机控制单元输出电势；ω_g为锁相环得到的角频率；ω为虚拟同步机的虚拟转子角频率；θ为虚拟同步机输出电压相位，控制中所有由三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系(dq)的转换都采用这一相位值；i_dref和i_qref为电压环输出的电流参考值；e_d和e_q为电流环输出的信号；e_aref，e_bref，e_cref为调制信号；g₁-g₆为开关信号；s为拉普拉斯算子；u_a，u_b，u_c和i_oa，i_ob，i_oc分别为并网点三相输出电压、电流，i_a，i_b，i_c为逆变器侧三相输出电流。

本发明所提供的一种虚拟同步机并联系统稳定控制方法，其步骤包括(见图3)：

(1)建立VSG1的转子运动方程，和VSG2的转子数学模型；

VSG1的有功-频率控制基于同步发电机转子运动方程：

式中，P_m为机械功率；H₁为VSG1惯性常数，D₁为VSG1阻尼系数；上标“*”代表标幺值。

VSG2转子数学模型如下：

其中H₂为VSG2惯性常数，D₂为VSG2阻尼系数，K_d为一次调频系数，ω₀为额定角频率，P₀是一次调频前的输出功率。微网系统中，常由储能单元承担调频任务，本文中，VSG1不参与一次调频，匹配有储能单元的VSG2有一次调频能力。。

(2)得到虚拟同步机的输出功率表达式，包含有功和无功；

以VSG1为例，输出功率可由基本电路公式计算得到，VSG1输出有功P_e1、无功Q_e1如下：

其中，δ₁为E₁与U电压相量之间的夹角，α₁为阻抗角。

(3)计算得到有功功率变化量和功角变化量之间的关系表达式；

根据上式中的有功表达式可以得到有功功率变化量ΔP_e ^*和功角变化量Δδ之间的关系：

其中，S_n为基准容量。

(4)获得VSG1和VSG2各自的输出有功功率变化量与系统频率变化量间的传递函数；

可近似认为ω_bus是公共连接点处角频率。令同步功率S_E1＝E₁Usin(α₁-δ₁)/(S_nZ₁)，则结合可得到，VSG1输出有功功率变化量ΔP_e1 ^*与系统频率变化量Δω_g ^*间的传递函数为：

相似的得到VSG2输出有功功率变化量ΔP_e2 ^*与系统频率变化量Δω_g ^*间的传递函数为：

(5)得到VSG1的输出有功功率变化量和角频率变化量分别对负荷功率变化量之间的传递函数；

对于该实施例中的并联系统，电源输出功率之和等于负载吸收的功率，即ΔP_e1+ΔP_e2＝ΔP_load，结合VSG1和VSG2的输出有功功率变化量与系统频率变化量间的传递函数可得：

角频率变化量分别对负荷功率变化量之间的传递函数：

(6)建立虚拟同步机并联系统的特征方程，结合特征方程及已知参数，得到VSG1的不稳定域。

由上式可以得到虚拟同步机并联系统的特征方程，该实施例中，基准容量Sn为10kVA，基准电压0.3102kV，直流侧电压为800V；VSG2的惯性时间常数为5s，阻尼系数为2，虚拟阻抗0.3p.u.，一次调频系数25；VSG1的无功电压下垂系数为0.1，虚拟阻抗为0.3p.u.；VSG1侧和VSG2侧的线路阻抗均为0.0062+j0.0198p.u.；VSG1和VSG2侧的滤波器参数均为，R＝0.037Ω，L＝3.1mH，C＝8.17μF；基准角频率为314rad/s。虚拟同步机并联系统特征方程为3阶，有3个极点。设置VSG1的阻尼系数D₁为2，依据奈圭斯特稳定性判据及劳斯判据得到VSG1的稳定边界。VSG1阻尼系数D₁，VSG2惯性时间常数H₂，阻尼系数D₂以及一次调频下垂系数K_d变化时，VSG1的惯性时间常数H₁的稳定边界变化特性分别如图4、图5、图6、图7所示。从图5、图7中可以看出，为使不稳定域更小，在配置VSG2参数时，其惯性时间常数H₂和一次调频下垂系数K_d都不宜过大。

当t＝2s时，负荷突增。当D₁＝2、D₂＝2、H₂＝5s，H₁分别为0.06、3和9时，ΔP₁ ^*(t)的变化情况如图8、图9、图10所示。当H₁＝0.06和9时，发生负荷突增，系统能够回到稳定运行状态，而当H＝3时，系统不稳定，该结果与图6给出的不稳定域吻合。由该实施例可知，通过该虚拟同步机并联系统控制方法，可以得到虚拟同步机并联系统的不稳定域，进而控制虚拟同步机的参数，使其能运行在稳定域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种考虚拟同步机并联系统稳定控制方法，其特征在于，控制步骤如下：

(1)建立VSG1的转子运动方程，和VSG2的转子数学模型；

VSG1的有功-频率控制基于同步发电机转子运动方程：

式中，P_m为机械功率，H为惯性常数，D为阻尼系数，上标“*”代表标幺值；

VSG2转子数学模型如下：

其中K_d为一次调频系数，ω₀为额定角频率；微网系统中，常由储能单元承担调频任务，本文中，VSG1不参与一次调频，匹配有储能单元的VSG2有一次调频能力；

(2)得到虚拟同步机的输出功率表达式，包含有功和无功；

以VSG1为例，输出功率可由计算得到：

(3)计算得到有功功率变化量和功角变化量之间的关系表达式；

根据上式中的有功表达式可以得到有功功率变化量ΔP_e ^*和功角变化量Δδ之间的关系：

(4)获得VSG1和VSG2各自的输出有功功率变化量与系统频率变化量间的传递函数；

当ωL>>X₁时，可近似认为其中ω_bus是公共连接点处角频率；令同步功率S_E＝EUsin(α-δ)/(S_nZ)，则结合可得到VSG输出有功功率变化量ΔP_e1 ^*与系统频率变化量Δω_g ^*间的传递函数：

相似的得到VSG2输出有功功率变化量ΔP_e2 ^*与系统频率变化量Δω_g ^*间的传递函数为：

(5)得到VSG1的输出有功功率变化量和角频率变化量分别对负荷功率变化量之间的传递函数；

对于该实施例中的并联系统，电源输出功率之和等于负载吸收的功率，即ΔP_e1+ΔP_e2＝ΔP_load，结合VSG1和VSG2的输出有功功率变化量与系统频率变化量间的传递函数可得：

角频率变化量分别对负荷功率变化量之间的传递函数：

(6)建立虚拟同步机并联系统的特征方程，结合特征方程及已知参数，得到VSG1的不稳定域。