CN108429272A - 大扰动后电流饱和限幅作用下的vsg阻尼系数自适应控制 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制，在系统发生故障引起虚拟同步发电机输出电流饱和时，通过阻尼系数的自适应控制减少频率的震荡，以提高系统暂态稳定性。解决了虚拟同步发电机输出电流饱和时，由于减速面积非常有限，导致极限切除角很小进而影响整个微网稳定性的问题。具体步骤：当VSG发生大扰动时，逆变器参考电流达到额定上限，触发电流限幅保护，VSG的功角运行曲线轨迹将发生变化；借鉴同步发电机中的暂态稳定性方法，分别做出功角运行曲线的加速面积和减速面积；根据等面积定则求出极限切除角；通过自适应调整阻尼参数值。

Description

大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制

技术领域

本发明属于新能源电力系统与微电网技术领域，具体涉及一种大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制方法。

背景技术

近年来随着新能源并网渗透率的不断提高，使得微网对大电网稳定性的影响越来越严重。而作为能量传输接口的电力电子逆变器，它的控制策略成为研究热点。传统的同步发电机因为阻尼效应的存在而具有更强的稳定性。阻尼系数对系统稳定性的影响主要表现在对频率变化量的影响上，也就是通过调整阻尼参数D的大小，可以限制频率的波动范围，防止在不平衡转矩的作用下，频率发生较大的偏离而影响系统的正常运行。然而以电力电子元件为基础的逆变器，其动态响应非常快，几乎不存在任何阻尼。因此，当大量逆变器并入到电网中时，它们对负荷变化的响应速度不一致，导致逆变器承担的负荷变化非常大，对逆变器造成冲击而引起逆变器损坏。

不过在采用虚拟同步发电机(VSG)的控制策略后，逆变器可以具有和同步发电机相似的动态特性，从而比较好地解决上述问题。正是阻尼参数的存在，才使得虚拟同步发电机在工作过程中，具有了同步发电机的对不平衡功率的阻尼衰减。当然，从其物理含义来讲，阻尼参数主要是在暂态过程中抑制频率的波动，使VSG能够尽快恢复到稳定运行状态。当系统受到小扰动的情况下，VSG的运行点就沿着功角特性曲线来回移动，最终稳定在新的运行点。然而，当虚拟同步发电机遇到较大的扰动时，逆变器会因为内部的限流控制环节而变成一个电流源，导致VSG的稳定性问题分析变的相当复杂。因此传统的自适应控制策略也已经不再适用于这种情况，需要重新选择控制策略。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制，在系统发生故障引起虚拟同步发电机输出电流饱和时，通过阻尼系数的自适应控制减少频率的震荡，以提高系统暂态稳定性。具体技术方案如下。

一种大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制，其特征在于，包括具体步骤：

1)当VSG发生大扰动时，逆变器参考电流达到额定上限，触发电流限幅保护，VSG的功角运行曲线轨迹将发生变化；

2)借鉴同步发电机中的暂态稳定性方法，分别做出功角运行曲线的加速面积和减速面积；

3)根据等面积定则求出极限切除角；

4)通过自适应调整阻尼参数值：

所述电流限幅控制策略在正常情况下，并不会发挥作用，不过当逆变器受到较大的扰动或者在不稳定的运行状态下，电流限幅控制将会启动以防止逆变器产生过大的电流。VSG采用双闭环控制，限幅环节加在电压电流双闭环控制之间，本发明采用的是d轴电流优先的限幅方式。

所述d轴电流优先的限幅方式，就是使d轴电流优先增大到允许的最大电流值。在这种控制下，输出的电流内环参考值I′_dref、I′_qref与电流内环实际的参考输入I_dref、I_qref存在如下关系：

式中，I_M即为VSG允许的最大输出电流。

附图说明

图1为本发明提出的自适应控制策略下的虚拟同步机功角特性曲线。

图2为电流限幅控制下的虚拟同步机功角特性曲线。

图3为电流限幅控制下的VSG向量关系。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步详细说明。

当I′_dref≤I_M时，限幅环节不起作用，虚拟同步发电机的输出功率为P_e＝P_u sinδ；

当I′_dref＞I_M时，鉴于电流内环的跟踪速度较快，则虚拟同步发电机的输出电流I_O＝I_M达到饱和。

此时的虚拟同步发电机实际上是一个电流源，其输出功率P_e是电磁有功功率P_u是有功功率幅值，功角为δ，为功率因数角。

在d轴电流优先的控制方式下，可以画出如图3所示的向量关系图。此时，虚拟同步发电机的输出电流I_O将固定于d轴上，设虚拟同步发电机的内电势E与d轴的夹角为α。则由于d/q坐标轴与E均按角速度ω旋转，因此E和d/q坐标轴相对静止，也就是说α保持不变。考虑到E的q轴分量一般非常小，故α很小。此时可认为α≈0，则这种情况下虚拟同步发电机输出的有功功率可以表示为：

P_e＝UI_M cosδ＝P_s cosδ

图2中，曲线1和曲线3分别代表电流未饱和状态下和电流饱和状态下VSG的功角曲线。其中P_e为VSG的输出的有功功率，P_T为VSG的机械功率，A点是稳定运行点。

由于本发明主要研究阻尼参数对系统暂态稳定性即有功功率的影响，而不考虑无功、电压的调节，因此假定发生电流饱和时，内电势E保持不变。曲线2为大扰动后电压跌落的功角曲线，这种情况下，同步机功角稳定恢复过程为A→B→C→D→M→A。

借鉴同步发电机中的暂态稳定性方法，可以分别作出加速面积和减速面积，对应于图2中的阴影部分，根据等面积定则可以求出极限切除角δ_cm。由图可得：

解出极限切除角：

在以上的分析中，实际上是忽略了阻尼功率，只考虑输入功率P_e和输出功率P_T。阻尼功率P_d＝DΔω，虽然一般情况下这部分功率可以忽略不计，但是由于可以将阻尼参数D整定得较大，导致阻尼功率同样可以影响功率之间的平衡关系，从而影响整个暂态过程。阻尼参数D的控制策略如下：

具体而言，当电流发生饱和时，将D的值整定得较大，在整个发生电流饱和的暂态阶段，ω与同步速存在差额，因此阻尼功率较大。如图1所示，此时的阻尼功率不可忽略，并使得这一暂态过程中P_T-P_d的值明显减小，在图中表现为凹陷直线上凹陷的一部分。可以看出，凹陷部分的存在导致加速面积有所减小，而减速面积则会增加，因此VSG的暂态稳定性会有所提高。而当电流饱和退出后，阻尼参数恢复稳态值。而D_max的取值则要权衡系统恢复正常状态的速度、控制系统的动态特性以及极限切除角δ_cm的增大幅度等多方面因素，因此参数的选取需要根据运行情况和具体要求综合考虑。

Claims (3)

1.一种大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)当VSG发生大扰动时，逆变器参考电流I_ref达到额定上限I_M，触发电流限幅保护，VSG的功角运行曲线轨迹将发生变化；

2)借鉴同步发电机中的暂态稳定性方法，分别做出功角运行曲线的加速面积和减速面积；

3)根据等面积定则求出极限切除角；

4)通过自适应调整阻尼参数值：

。

2.根据权利要求1所述，一种大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制方法，其特征在于，所述电流限幅控制策略在正常情况下，并不会发挥作用，不过当逆变器受到较大的扰动或者在不稳定的运行状态下，电流限幅控制将会启动以防止逆变器产生过大的电流。VSG采用双闭环控制，限幅环节加在电压电流双闭环控制之间，本发明采用的是d轴电流优先的限幅方式。

3.根据权利要求1所述，一种大扰动后电流饱和限幅作用下的VSG阻尼系数自适应控制方法，其特征在于，所述d轴电流优先的限幅方式，就是使d轴电流优先增大到允许的最大电流值。在这种控制下，输出的电流内环参考值I_d′_ref、I_q′_ref与电流内环实际的参考输入I_dref、I_qref存在如下关系：

式中，I_M即为VSG允许的最大输出电流。