CN108923460B - 微网虚拟同步机多机并联动态一致响应的参数配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对微电网中并联运行虚拟同步发电机由于参数设计不合理，导致的暂态过程频率响应和功率分配不合理问题，提出一种多机并联虚拟同步发电机(VSG)的惯量阻尼匹配机制，在控制功率分配的同时，保证并联运行的不同容量的发电机进行平稳的暂态过渡(振荡振幅和周期较小)。创新性的提出了一种基于PI调节器的改进阻尼控制方法，所有VSG在这个修改方法下可以工作在相同的阻尼系数值从而减少计算。在VSG并行运行中，惯性和阻尼系数的选择应考虑系统频率的动态特性以及VSG的并联功率，而这些参数是VSG容量的函数。根据匹配原理，可以优化稳态和暂态过程，从而为大量的分布式电源接入微电网和智能电网提供稳定性支持。

Description

微网虚拟同步机多机并联动态一致响应的参数配置方法

技术领域

本发明属于新能源电力系统与微电网技术领域，具体涉及一种微网虚拟同步机多机并联动态一致响应的参数配置方法。

背景技术

随着能源问题和环境问题的日益突出，风能、太阳能等可再生能源得到了越来越多的关注，而并网逆变器作为可再生能源发电单元与电网的接口，几乎不存在惯性和阻尼，大量接入会对系统的稳定性造成很大影响。针对这一问题，有学者建议将同步机的摇摆方程纳入逆变控制器，提出虚拟同步发电机(VSG)的概念，通过改变逆变器的控制策略，使其能够模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，抑制频率和输出功率的波动。

而对于并联运行的虚拟同步机，如果控制参数设计不合理，那么暂态过程中的频率动态响应和功率分配会是一个很大的问题。在过渡期间，各台VSG动态性能可能不同，并且在功率分配中出现误差。此外，频率振荡需要很长的时间来解决，这在任何电力系统中都是不可避免的，而这给电力系统的稳态运行带来挑战。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有VSG并联运行技术的不足，提出一种多机并联VSG的惯量阻尼匹配机制，在微电网控制功率分配的同时，保证并联运行的不同容量的发电机进行平稳的暂态过渡(振荡振幅和周期较小)。这些机制可以为大量的分布式电源接入微电网和智能电网提供稳定性支持，具体技术方案如下。

一种微网虚拟同步机多机并联动态一致响应的参数配置方法，其特征在于，所述控制方法通过合理的为并联虚拟同步机(VSG)匹配虚拟惯量和阻尼系数，来提高VSG在系统受到扰动后的并行运行性能，并创新性的提出了一种基于PI调节器的改进阻尼控制方法。

通过参考传统的同步发电机方程，建立了VSG的虚拟惯量与容量之间的如下关系：

其中，S_B和Ω_N分别为VSG额定的视在功率和角速度，H是惯性常数，表示设备在额定功率下产生虚拟动能所需的时间，虚拟动能为虚拟转动惯量J在额定角速度下的动能。

为了保证在扰动发生和系统频率波动时，每个VSG过渡时间相同，从而具有更好的同步特性，令所有H取值一致。得到下面的关系式：

根据传统下垂控制原理中，频率下垂系数m与同步机容量成反比的关系，将虚拟惯量与频率下垂系数进行反比例配置：

J₁m₁＝J₂m₂…＝J_nm_n

因此，对于相同容量的VSG，如果虚拟惯量相同，可得到相同的过渡时间和动态响应。

加入阻尼项后，VSG功频控制方程为：

其中，ω为角频率，ω_N为额定角频率，P_e为电磁功率，P_m为机械功率，D为阻尼系数。

VSG功频控制方程的标准形式为：

VSG功频控制方程的标准形式的齐次特征方程可以表示为：

特征方程的特征值和时间常数分别为：

加入阻尼项后，为了保证并联运行的各台VSG具有相同的动态响应时间，各台VSG的时间常数τ_i应相等，进而得到阻尼系数D与虚拟惯量J的整定原则：

通过PI调节器参数设计，使所有阻尼系数设置为相同的值。

通过拉普拉斯变换，VSG功频控制方程为：

增加PI调节器后的功频控制方程为：

其中，k_p和k_i分别为比例系数和积分系数。

则增加PI控制器后速度变化与有功功率变化之间的传递函数为：

增加PI调节器后的时间常数为：

在每次负载转换过程中，为使其频率和功率的动态过程保持匹配，需保证各台VSG的时间常数τ_i相等。

如果阻尼系数设置为D₁＝D₂…＝D_n＝D，则由各台VSG时间常数τ_i相等的原则可以得到系统平滑过渡的条件为：

基于PI调节器的改进阻尼控制方法，允许我们将所有阻尼系数设置为一个相同的值，在控制参数的设计过程中，可以首先选取适当的D值，然后再选择k_p和k_i。

附图说明

图1为VSG整体控制结构图。

图2为仿真实验微网结构图。

图3为两台VSG并联运行仿真结果。

图4为孤岛模式下基于改进阻尼项的仿真结果。

图5为并网模式下基于改进阻尼项的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步详细说明。

图1中，VSG控制系统主要包括：VSG核心算法，电压电流控制，虚拟阻抗，abc与dq坐标的坐标变换，功率计算。VSG核心算法包括：功频控制方程，无功控制环和调速控制环。控制流程为：调速控制环模拟一次调频功能，其输出为有功功率环的输入；有功功率环路模拟同步机的惯性和阻尼特性，以计算参考电压波形的频率和相位；无功控制环模拟一次调压功能，输出参考电压幅值；生成参考电压后，经dq坐标系下的电压电流环控制，得到dq坐标系下的第一调制波；第一调制波再经过虚拟阻抗控制后得到dq坐标系下的第二调制波；然后，经过坐标变换得到abc坐标系下的第二调制波；最后，第二调制波经过脉宽调制(PWM模块)后控制逆变电路的工作。

在Matlab/Simulink环境下，分别对不同运行模式进行仿真验证，仿真结构如图2所示的微电网。

模式1：两台VSG并联运行。

基本参数见表1。此时只闭合开关S_w1，连接阻性负载，1.5s时，负载阶跃变化。由于S₁＝2S₂，所以我们期望P₁＝2P₂。仿真结果如图3所示。其中(a)为J₁≠2J₂，(b)为D₁≠2D₂，(c)为J₁＝2J₂，J₁＝2J₂。只有第三种情况功率按比例分配且频率始终保持一致。

表1VSG仿真关键参数

模型2：基于改进阻尼项的仿真

在阻尼项中加入PI调节器。参数D₁，D₂，k_p，k_i分别设置为30，30，0.5，10。在孤岛和并网模式下分别进行仿真。

孤岛模式下，只闭合开关S_w1，仿真结果如图4所示。保证了系统暂态振荡振幅和周期都较小，每个VSG都能准确地分担负荷。结果表明，当用PI修正阻尼项时，可以把阻尼系数设置为相同的值。

并网模式下，闭合开关S_w1，S_w2，这样可以实时获得电网电压，电网频率从50Hz跳变为49.9Hz，仿真结果如图5所示。结果表明，系统能很好的应对电网波动。

以上仿真结果证明了本发明的正确性。

Claims (1)

1.一种微网虚拟同步机多机并联动态一致响应的参数配置方法，其特征在于，所述参数配置方法通过合理的为并联虚拟同步机VSG匹配虚拟惯量和阻尼系数，来提高VSG在系统受到扰动后的并行运行性能，并采用基于PI调节器的改进阻尼控制方法；

所述虚拟惯量匹配是通过参考传统的同步发电机方程，建立VSG的虚拟惯量J与容量之间的如下关系：

其中，S_B和Ω_N分别为VSG额定的视在功率和角速度，H是惯性常数，表示设备在额定功率下产生虚拟动能所需的时间，虚拟动能为J在额定角速度下的动能；

所述虚拟惯量匹配为了保证在扰动发生和系统频率波动时，每台VSG过渡时间相同，从而具有更好的同步特性，令所有H取值一致，得到下面的关系式：

所述虚拟惯量匹配根据传统下垂控制原理中，频率下垂系数m与同步机容量成反比的关系，将虚拟惯量与频率下垂系数进行反比例配置：

J₁m₁＝J₂m₂...＝J_nm_n

因此，对于相同容量的VSG，如果虚拟惯量相同，可得到相同的过渡时间和动态响应；

加入阻尼项后，VSG功频控制方程为：

其中，ω为角频率，ω_N为额定角频率，P_e为电磁功率，P_m为机械功率，D为阻尼系数；

VSG功频控制方程的标准形式为：

VSG功频控制方程的标准形式的齐次特征方程表示为：

特征方程的特征值和时间常数分别为：

所述阻尼系数的匹配在加入阻尼项后，为了保证并联运行的各台VSG具有相同的动态响应时间，各台VSG的时间常数τ_i应相等，进而得到阻尼系数D与虚拟惯量J的整定原则：

所述基于PI调节器的改进阻尼控制方法通过PI调节器参数设计，使所有阻尼系数设置为相同的值；

通过拉普拉斯变换，VSG功频控制方程为：

增加PI调节器后功频控制方程为：

其中，k_p和k_i分别为比例系数和积分系数，则增加PI控制器后速度变化与有功功率变化之间的传递函数为：

时间常数为：

所述基于PI调节器的改进阻尼控制方法，在每次负载转换过程中，为使其频率和功率的动态过程保持匹配，需保证各台VSG的时间常数τ_i相等；

如果阻尼系数设置为D₁＝D₂...＝D_n＝D，则由各台VSG时间常数τ_i相等的原则得到系统平滑过渡的条件为：

所述基于PI调节器的改进阻尼控制方法，将所有阻尼系数设置为一个相同的值，在控制参数的设计过程中，首先选取适当的D值，然后再选择k_p和k_i。