CN109193700A - 基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法，虚拟同步发电机投入微网时，提供较小的转动惯量J以避免动态功率振荡；小扰动发生时，采用基于虚拟同步发电机的一次调频方法；当扰动较大时，频率偏移量超过一定值启动二次调频，利用储能电池的快速充放电特性使其参与二次调频过程，使频率快速恢复到阈值范围内；之后，储能逐渐较少出力缓慢退出二次调频，其他调频装置发挥主要作用使频率恢复到额定值。本发明能够有效抑制大负荷扰动时的频率越限，使频率快速恢复，在整个调频范围内结合一二次调频，充分发挥储能作用。

Description

基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法

技术领域

本发明涉及一种独立微网频率控制技术，特别涉及一种基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法。

背景技术

近年来，以可再生能源为主要形式的分布式发电在电网中所占的比例日益增大。为了对分布式发电进行有效管理，微电网的概念应运而生。而微电网逆变器作为分布式发电的电力电子接口，响应速度快却缺少惯性支撑，给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)控制技术在逆变器的控制算法中引入虚拟惯量，让电力电子电源继承同步发电机的惯性和阻尼特性，可以改善高渗透率可再生能源并网给电力系统带来的频率稳定性问题。然而，多数研究只是基于VSG的一次调频控制，其属于有差调频。

发明内容

本发明是针对虚拟同步发电机控制技术中调频的问题，提出了一种基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法，即利用了VSG投入微网时，提供较小的转动惯量J以避免动态功率振荡(一次调频)；又利用储能电池的快速充放电特性使其参与二次调频过程，使频率快速自动恢复到额定值。

本发明的技术方案为：一种基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法，直流侧电压通过三相逆变器进行直流变交流后，经过滤波电感L和电容C后并入电网；三相逆变器输出电压和电流经过功率计算到虚拟同步发电机,虚拟同步发电机控制器输出电压环给定电压直轴分量和交轴分量U_dref和U_qref，滤波电感电流i_Labc和三相逆变器输出电压u_oabc输入abc/dq转换后输出的dq坐标系下滤波电感电流直轴分量和交轴分量i_Ldq和三相逆变器输出电压直轴分量和交轴分量u_odq；U_dref、U_qref、i_Ldq和u_odq送入电压电流双环控制得到指令电压，送入SPWM经过调制后输出开关驱动信号，对三相逆变器进行控制；虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法包括以下步骤：

1)采集得到虚拟同步发电机转子角频率偏差Δw，Δw＝w₀-w，w₀、w分别为虚拟同步发电机转子电角速度额定值和实际值；

2)判断步骤1)中的Δw在否超过频率阈值C₂，若|Δw|<C₂,系统采用一次调频；若|Δw|>C₂,系统采用储能参与的二次调频方法，直到频率恢复到额定值；

虚拟调速器的表达式：

p_m＝p_ref+k_w(w₀-w)

式中：P_ref为给定有功功率；k_w为功频调差系数；

一次调频时，虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中：J为虚拟同步发电机的转动惯量；P_m是原动机输入机械功率；P_e是输出电磁功率；w₀、w分别为转子电角速度额定值和实际值，δ为功角；D为阻尼系数；

二次调频时，虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中：k_i为比例积分系数；

3)在步骤2)的基础上，由励磁控制器生成指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成得到电压参考值；

4)由步骤3)得到的电压参考值,通过电压和电流闭环控制后得到逆变器的控制信号。

所述步骤2)中系统采用储能参与的二次调频方法，具体如下：

2.1)基于步骤1)得到的转子角频率偏差Δw，若|Δw|>C₂,闭合开关S1，加入比例积分环节，储能的参数在此靠积分系数k_i实现；

2.2)当|Δw|>C₁，C₁<C₂，积分系数选取较大值以加快动态响应，k_i＝k₁₁；

2.3)当频率恢复到合理范围值C₁内时，包括两种情况：一种是Δw<0且频率变化率不小于0；另一种是Δw>0且频率变化率小于0；两种情况均采用较小积分系数，k_i＝k₁₂；其中k₁₁>k₁₂；直到检测到频率偏差为0时，二次调频结束。

本发明的有益效果在于：本发明基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法，能够有效抑制大负荷扰动时的频率越限，使频率快速恢复，在整个调频范围内结合一二次调频，充分发挥储能作用。

附图说明

图1为本发明虚拟同步发电机主电路及控制结构框图；

图2为本发明虚拟同步发电机有功-频率控制框图；

图3为本发明基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制框图。

具体实施方式

如图1所示虚拟同步发电机主电路及控制结构框图，V_dc为直流侧电压；L、C为三相逆变器与三相电网之间的滤波电感和电容；i_Labc为滤波电感电流；U_oabc为三相逆变器输出电压；i_oabc为三相逆变器输出电流；P、Q为经过低通滤波后是瞬时输出有功和无功功率；P_ref、Q_ref为有功和无功参考值；E₀、w₀为虚拟同步机参考端口电压和转子电角速度额定值；P、Q、P_ref、Q_ref、E₀、w₀送入虚拟同步发电机的有功环和无功环,输出虚拟同步发电机控制器空载电势E*和空载转子角速度w*，通过dq坐标系虚拟同步发电机方程，得到电压环给定电压直轴分量和交轴分量U_dref和U_qref，滤波电感电流i_Labc和三相逆变器输出电压u_oabc输入abc/dq转换后输出的dq坐标系下滤波电感电流直轴分量和交轴分量i_Ldq和三相逆变器输出电压直轴分量和交轴分量u_odq；U_dref、U_qref、i_Ldq和u_odq送入电压电流双环控制得到指令电压，送入SPWM经过调制后输出开关驱动信号，对三相逆变器进行控制。

如图2所示为虚拟同步发电机有功-频率控制框图。S1为二次调频使能开关。为虚拟同步发电机设计虚拟调速器，虚拟调速器的表达式：

p_m＝p_ref+k_w(w₀-w)

式中：P_ref为给定有功功率；k_w为功频调差系数。

虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中：J为虚拟同步发电机的转动惯量；P_m是原动机输入机械功率；P_e是输出电磁功率；w₀、w分别为转子电角速度额定值和实际值，δ为功角；D为阻尼系数。

虚拟调速器模拟同步发电机一次调频，属于有差调频，当微网中出现变化幅度较大、变化周期较长的负荷分量时，仅靠一次调频往往不能将频率偏移量限制在合理的范围内，这时需要引入二次调频，即改变调速器特性，在调差环节引入积分环节k_i/s(如图2虚线部分所示)，达到频率的无误差跟踪的目的。

在平衡点附近小信号模型线性化可以得到:

Δw＝w₀-w，Δp＝p_m-p_e。

由终值定理可得，在有功功率发生扰动时，当t→∞有：

可以得出在有功功率发生扰动时，采用加入频率偏差积分反馈环节的功频控制器可以实现频率的无差控制。

图3为基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制框图，该方法包括以下步骤：

1)采集得到虚拟同步发电机转子角频率偏差Δw；

2)判断步骤1)中的Δw在否超过频率阈值C₂。若|Δw|<C2,系统采用一次调频；若|Δw|＞C₂,系统采用储能参与的二次调频方法，直到频率恢复到额定值；

3)在步骤2)的基础上，由励磁控制器生成指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成得到电压参考值；

4)由步骤3)得到的电压参考值,通过电压和电流闭环控制后得到逆变器的控制信号。

所述步骤2)具体包括如下步骤：

2.1)、基于步骤1)得到的转子角频率偏差Δw，若|Δw|<C₂,系统采用基于虚拟同步发电机的一次调频控制，S1处于打开状态；

2.2)、若|Δw|>C₂,S1闭合，调频模式自动切换为二次调频，即：在转子运动方程中用频率比例积分反馈代替传统的阻尼环节。虚拟同步发电机转子运动方程改变为：

式中：k_i为比例积分系数。

使储能电池辅助其他调频装置进行二次调频，储能的参数在此靠积分系数k_i实现，在k_i合理取值范围内，储能电池容量和功率越大，则k_i越大。C₁<C₂，当|Δw|>C₁，积分系数选取较大值以加快动态响应，k_i＝k₁₁。当频率恢复到合理范围值C₁内时，包括两种情况：一种是Δw<0且频率变化率不小于0；另一种是Δw>0且频率变化率小于0。考虑到动态响应较快蓄电池容量及寿命问题，电池缓慢退出二次调频，其他调频装置发挥主要作用使频率恢复到额定值，此时采用较小积分系数，k_i＝k₁₂；其中k₁₁>k₁₂；直到检测到频率偏差为0时，二次调频结束。其中，C₁、C₂取值为0.2Hz、0.5Hz。

实施例的具体参数设置参见表1:

表1

Claims (2)

1.一种基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法，直流侧电压通过三相逆变器进行直流变交流后，经过滤波电感L和电容C后并入电网；三相逆变器输出电压和电流经过功率计算到虚拟同步发电机,虚拟同步发电机控制器输出电压环给定电压直轴分量和交轴分量U_dref和U_qref，滤波电感电流i_Labc和三相逆变器输出电压u_oabc输入abc/dq转换后输出的dq坐标系下滤波电感电流直轴分量和交轴分量i_Ldq和三相逆变器输出电压直轴分量和交轴分量uo_dq；U_dref、U_qref、i_Ldq和uo_dq送入电压电流双环控制得到指令电压，送入SPWM经过调制后输出开关驱动信号，对三相逆变器进行控制；其特征在于，虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法包括以下步骤：

1)采集得到虚拟同步发电机转子角频率偏差Δw，Δw＝w₀-w，w₀、w分别为虚拟同步发电机转子电角速度额定值和实际值；

2)判断步骤1)中的Δw在否超过频率阈值C₂，若|Δw|<C₂,系统采用一次调频；若|Δw|>C₂,系统采用储能参与的二次调频方法，直到频率恢复到额定值；

虚拟调速器的表达式：

p_m＝p_ref+k_w(w₀-w)

式中：P_ref为给定有功功率；k_w为功频调差系数；

一次调频时，虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中：J为虚拟同步发电机的转动惯量；P_m是原动机输入机械功率；P_e是输出电磁功率；w₀、w分别为转子电角速度额定值和实际值，δ为功角；D为阻尼系数；

二次调频时，虚拟同步发电机转子运动方程为：

式中：k_i为比例积分系数；

3)在步骤2)的基础上，由励磁控制器生成指令电压的幅值信息和功频控制器生成指令电压的相位信息合成得到电压参考值；

4)由步骤3)得到的电压参考值,通过电压和电流闭环控制后得到逆变器的控制信号。

2.根据权利要求1所述基于虚拟同步发电机的频率自恢复控制方法，其特征在于，所述步骤2)中系统采用储能参与的二次调频方法，具体如下：

2.1)基于步骤1)得到的转子角频率偏差Δw，若|Δw|>C₂,闭合开关S1，加入比例积分环节，储能的参数在此靠积分系数k_i实现；

2.2)当|Δw|>C₁，C₁<C₂，积分系数选取较大值以加快动态响应，k_i＝k₁₁；

2.3)当频率恢复到合理范围值C₁内时，包括两种情况：一种是Δw<0且频率变化率不小于0；另一种是Δw>0且频率变化率小于0；两种情况均采用较小积分系数，k_i＝k₁₂；其中k₁₁>k₁₂；直到检测到频率偏差为0时，二次调频结束。