CN108695890A - 一种虚拟同步机阻尼配置方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种虚拟同步机阻尼配置方法及装置，该方法包括：建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据二阶开关周期平均模型，获取虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；根据小信号表达式、第一小信号模型和第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；负载侧频率发生阶跃时，对四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；对响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。本发明提供了明确有效的匹配虚拟同步机储能容量的阻尼配置方法，方便人们为虚拟同步机配置阻尼。

Description

一种虚拟同步机阻尼配置方法及装置

技术领域

本发明涉及分布式发电控制领域，尤其涉及一种虚拟同步机阻尼配置方法及装置。

背景技术

近年来，由于世界能源问题的日益突出和环境压力的不断增大，诸如光伏发电、风力发电等分布式发电形式得到了快速发展。分布式发电的输出大多都为直流，因此需要通过并网逆变器接入配电网，分布式发电的发展使得逆变器在电力系统的渗透率越来越高，导致传统电力系统结构发生了巨大的变化。分布式电源接入配电网会带来电力系统低惯性、低阻尼的问题。为了解决该问题，有学者提出了虚拟同步机(Virtual SynchronousMachine,VSM)的概念。近些年对VSM的研究表明，VSM可有效增加电力系统的惯性和阻尼，抑制电力系统的振荡，增强电力系统的稳定性。

系统的惯性和阻尼需要通过储能系统提供，因而VSM的阻尼配置与储能容量的匹配问题亟待解决。目前国内外学者针对虚拟同步机惯量和阻尼的选取方法进行了研究，取得了诸如优化配置虚拟同步发电机的储能单元、通过对频率的监测实现虚拟惯量值跟随频率实时变化、通过实时监测负载侧频率的方法控制储能单元的充放电，并以此提供实时的虚拟惯量和阻尼等研究成果。但现有的研究成果均未提出明确有效的匹配虚拟同步机储能容量的阻尼配置方法，人们在配置虚拟同步机阻尼的时候无据可依，且效率较低，不利于人们快速准确地解决分布式电源接入配电网的低惯性、低阻尼问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种虚拟同步机阻尼配置方法及装置，用于解决分布式电源接入配电网的低惯性、低阻尼的技术问题。

本发明实施例提供了一种虚拟同步机阻尼配置方法，包括：

建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据所述二阶开关周期平均模型，获取所述虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；

根据所述小信号表达式、所述第一小信号模型和所述第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；

负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；

对所述响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。

优选地，所述根据所述小信号表达式、所述第一小信号模型和所述第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数具体包括：

联立所述小信号表达式和所述第一小信号模型计算得到输出电压相角的小扰动量；

将所述输出电压相角的小扰动量代入所述第二小信号模型，计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数。

优选地，所述四阶传递函数为：

式中，ω_ref为虚拟同步机输出电压的角频率的参考值，ω_ref＝2πf，f＝50Hz,ΔP^*为输出有功功率变化量，为负载侧频率变化量，S_n为虚拟同步机额定功率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

优选地，所述负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数具体为：

负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换，令b＝S_n(4Hω²L²+4HR²+4LRD)，m＝S_n(2ω²L²+2R²)，得到输出有功功率的响应函数为：

优选地，输出有功功率的最大值表达式为：

优选地，所述第一小信号模型为：

式中，Δi_d、Δi_q为虚拟同步机输出电流的小扰动量，ω为虚拟同步机输出电压的角频率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角。

优选地，所述第二小信号模型为：

式中，为负载侧频率的变化量，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

优选地，所述小信号表达式为：

式中，S_n为虚拟同步机额定功率。

优选地，所述虚拟同步机的二阶开关周期平均模型为dq坐标系下的模型。

优选地，本发明实施例还提供了一种虚拟同步机阻尼配置装置，包括：

获取单元，用于建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据所述二阶开关周期平均模型，获取所述虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；

计算单元，用于根据所述小信号表达式、所述第一小信号模型和所述第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；

变换单元，用于负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；

处理单元，用于对所述响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种虚拟同步机阻尼配置方法及装置，该方法包括：建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据二阶开关周期平均模型，获取虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；根据小信号表达式、第一小信号模型和第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；负载侧频率发生阶跃时，对四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；对响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。本发明在建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型后，根据虚拟同步电机的基本电路关系，通过合理的数学运算，得到虚拟同步机输出功率变化量对负责侧频率变化量的四阶传递函数，最后根据该四阶传递函数进行计算得到虚拟同步机储能容量与阻尼系数之间的关系表达式。对于确定的阻尼系数，能够通过该关系表达式求得相应的虚拟同步机储能容量的大小，在考虑虚拟同步机输出电流动态的前提下，为人们配置虚拟同步机阻尼提供理论基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种虚拟同步机阻尼配置方法的一个实施例的流程示意图；

图2为虚拟同步机和同步发电机的等效关系图；

图3为频率阶跃0.5Hz时不同阻尼系数下的虚拟同步机输出有功功率响应图；

图4为D＇与储能配置容量间的关系图；

图5为本发明提供的一种虚拟同步机阻尼配置装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种虚拟同步机阻尼配置方法及装置，用于解决分布式电源接入配电网的低惯性、低阻尼的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明提供的一种虚拟同步机阻尼配置方法的一个实施例，包括：

101、建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据二阶开关周期平均模型，获取虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；

在本实施例中，可以先在abc坐标系建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，改模型的数学方程为：

对公式(1)进行dq变换得到虚拟同步机的二阶开关周期平均模型在dq坐标系下的方程：

式中，<i_a>_Ts、<i_b>_Ts、<i_c>_Ts分别为虚拟同步机输出三相电流的开关周期平均量，<i_q>_Ts、<i_d>_Ts为是对应的dq坐标系中的变量，<V_a0>_Ts、<V_b0>_Ts、<V_c0>_Ts分别是虚拟同步机三相输出电压，<V_d>_Ts、<V_q>_Ts为虚拟同步机输出电压的dq分量，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，V_dc为虚拟同步机直流侧电压，d_a、d_b、d_c分别是三相开关函数，d_d、d_q为三相开关函数对应的dq坐标系中的变量，ω为虚拟同步机输出电压的角频率，m_d、m_q为虚拟同步机PWM调制波电压对应的dq分量，E为虚拟同步机输出电压的幅值，δ为虚拟同步机输出电压的相角。

在本实施例中，对公式(2)求虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型为：

式中，Δi_d、Δi_q为虚拟同步机输出电流的小扰动量，ω为虚拟同步机输出电压的角频率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角。

然后获取虚拟同步机的输出有功功率的小信号表达式为：

式中，S_n为虚拟同步机额定功率。

再获取虚拟同步机的摇摆方程和功角方程的第二小信号模型为：

式中，为负载侧频率的变化量，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

102、根据小信号表达式、第一小信号模型和第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；

在本实施例中，步骤102的具体过程为：

联立公式(3)和公式(4)计算得到输出电压相角的小扰动量：

再将输出电压相角的小扰动量代入公式(5)，计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数：

式中，ω_ref为虚拟同步机输出电压的角频率的参考值，ω_ref＝2πf，f＝50Hz,ΔP^*为输出有功功率变化量，为负载侧频率变化量，S_n为虚拟同步机额定功率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

103、负载侧频率发生阶跃时，对四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；

负载侧频率发生阶跃时，对四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换，令b＝S_n(4Hω²L²+4HR²+4LRD)，m＝S_n(2ω²L²+2R²)，得到输出有功功率的响应函数为：

104、对响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。

在本实施例中，对响应函数进行求最值，求取响应函数中虚拟同步机输出功率的最大值表达式：

下面结合具体实例，对本发明的应用进一步说明。

假设一台额定功率S_n的50kVA的虚拟同步机，滤波电感和电阻分别为L＝2mH、R＝0.1Ω，电网电压为U＝190V，频率ω_ref为314rad/s，虚拟惯量J＝0.01kg·m2，H＝Jω_ref2/Sn并网功率指令值P_ref和Q_ref分别为5kW和0var，频率波动为0.5Hz。

定义D′＝Dω_ref。

当D′＝100kg·m²/s²，|ΔP_emax|＝1106.7W。

当D′＝200kg·m²/s²，|ΔP_{e max}|＝950.4W。

当D′＝300kg·m²/s²，Δ|ΔP_{e max}|＝830.5W。

由此可得附图3所示的频率阶跃0.5Hz时不同阻尼系数下的虚拟同步机输出有功功率响应图，由此可见当D＇减小(即阻尼系数D减小)时，储能配置的容量需要相应增大。

将数据代入对应的公式(9)，得：

D′在100～1000kg·m²/s²间变化时功率的图像，得到如图4所示的D＇与储能配置容量间的关系图，由图4可见，当其他参数固定时，储能配置容量与D＇之间是如图4关系。若已知储能容量为1000W，由附图4即可得到此时对应可得的D＇＝165kg·m²/s²。

以上是对本发明提供的一种虚拟同步机阻尼配置方法进行的详细说明，下面将对本发明提供的一种虚拟同步机阻尼配置装置进行说明，请参阅图5，本发明提供的一种虚拟同步机阻尼配置装置的一个实施例，包括：

获取单元501，用于建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据二阶开关周期平均模型，获取虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；

计算单元502，用于根据小信号表达式、第一小信号模型和第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；

变换单元503，用于负载侧频率发生阶跃时，对四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；

处理单元504，用于对响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。

更进一步地，获取单元502还用于：

联立小信号表达式和第一小信号模型计算得到输出电压相角的小扰动量；

将输出电压相角的小扰动量代入第二小信号模型，计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数。

更进一步地，四阶传递函数为：

式中，ω_ref为虚拟同步机输出电压的角频率的参考值，ω_ref＝2πf，f＝50Hz,ΔP^*为输出有功功率变化量，为负载侧频率变化量，S_n为虚拟同步机额定功率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

更进一步地，变换单元503还用于负载侧频率发生阶跃时，对四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换，令b＝S_n(4Hω²L²+4HR²+4LRD)，m＝S_n(2ω²L²+2R²)，得到输出有功功率的响应函数为：

优选地，输出有功功率的最大值表达式为：

更进一步地，第一小信号模型为：

式中，Δi_d、Δi_q为虚拟同步机输出电流的小扰动量，ω为虚拟同步机输出电压的角频率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角。

更进一步地，第二小信号模型为：

式中，为负载侧频率的变化量，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

更进一步地，小信号表达式为：

式中，S_n为虚拟同步机额定功率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，包括：

建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据所述二阶开关周期平均模型，获取所述虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；

根据所述小信号表达式、所述第一小信号模型和所述第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；

负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；

对所述响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，所述根据所述小信号表达式、所述第一小信号模型和所述第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数具体包括：

联立所述小信号表达式和所述第一小信号模型计算得到输出电压相角的小扰动量；

将所述输出电压相角的小扰动量代入所述第二小信号模型，计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数。

3.根据权利要求2所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，所述四阶传递函数为：

式中，ω_ref为虚拟同步机输出电压的角频率的参考值，ω_ref＝2πf，f＝50Hz,ΔP^*为输出有功功率变化量，为负载侧频率变化量，S_n为虚拟同步机额定功率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

4.根据权利要求3所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，所述负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数具体为：

负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换，令b＝S_n(4Hω²L²+4HR²+4LRD)，m＝S_n(2ω²L²+2R²)，得到输出有功功率的响应函数为：

5.根据权利要求4所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，输出有功功率的最大值表达式为：

6.根据权利要求1所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，所述第一小信号模型为：

式中，Δi_d、Δi_q为虚拟同步机输出电流的小扰动量，ω为虚拟同步机输出电压的角频率，E₀为虚拟同步机相电压幅值的参考值，L和R为虚拟同步机滤波电感的电感值和电阻值，s为拉普拉斯算子，δ为虚拟同步机输出电压的相角。

7.根据权利要求6所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，所述第二小信号模型为：

式中，为负载侧频率的变化量，H为惯性时间常数，D为阻尼系数。

8.根据权利要求7所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，所述小信号表达式为：

式中，S_n为虚拟同步机额定功率。

9.根据权利要求1所述的虚拟同步机阻尼配置方法，其特征在于，所述虚拟同步机的二阶开关周期平均模型为dq坐标系下的模型。

10.一种虚拟同步机阻尼配置装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于建立虚拟同步机的二阶开关周期平均模型，根据所述二阶开关周期平均模型，获取所述虚拟同步机的输出电流的第一小信号模型、输出有功功率的小信号表达式、摇摆方程和功角方程的第二小信号模型；

计算单元，用于根据所述小信号表达式、所述第一小信号模型和所述第二小信号模型计算得到输出有功功率变化量对负载侧频率变化量的四阶传递函数；

变换单元，用于负载侧频率发生阶跃时，对所述四阶传递函数进行拉普拉斯逆变换得到输出有功功率的响应函数；

处理单元，用于对所述响应函数进行求最值处理，得到输出有功功率的最大值表达式。