CN109193796A - 一种扩大虚拟同步机容量的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子电力技术领域，具体涉及一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，包括以下步骤：在并网状态下，获取虚拟同步机的阻抗计算方程、有功功率计算方程、无功功率计算方程、机械输入功率计算方程、功角计算方程、电压‑无功功率下垂控制方程和参考电流计算方程；根据上述计算方程之间的对应关系，以使虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大N倍，并对虚拟同步机的功角、端电压以及电流调制波进行标幺化；其中，N为正整数。本发明的扩大虚拟同步机容量的实现方法，通过调整各计算方程中的涉及的参数，使得虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大，减少了电池组、DC/DC、DC/AC电路使用个数。
Description
技术领域
本发明属于电子电力技术领域，具体涉及一种扩大虚拟同步机容量的实现方法。
背景技术
分布式电源(Distributed Generation，DG)可提高电力系统的安全性和可靠性，近年掀起了世界性的研究热潮。随着分布式能源在电力系统中渗透率不断增加的同时，也给电力系统的安全稳定运行带来新的影响与挑战。
基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)的微电网逆变器通过模拟同步发电机的特性实现并网控制，与传统控制方式相比，VSG能够提高DG与大电网的兼容性和稳定性，能够适应系统多种运行模式。大容量集中式虚拟同步机主要采用多机并联的方式，但由于并联控制采用的分散控制方式输出一致性和响应时间等达不到系统要求，因此，研究一种扩大虚拟同步机容量的实现方法至关重要。
现有的大容量虚拟同步机实现方法主要通过功率单元级联的方式实现虚拟同步机容量的扩大，例如，公开号为CN105932719A的专利文献公开了一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统；或者，通过将N组电池组、N组DC/DC电路并联连接直流母线，通过一组或多组DC/AC电路并联接入变压器的方式实现虚拟同步机容量的扩大，例如，公开号为CN106849141A的专利文献公开了一种大容量集中式虚拟同步机控制方法。现有实现方法主要通过增加电池组、DC/DC电路、DC/AC电路数量的方法来实现虚拟同步机容量的扩大，增加了成本，且N组电池并联使用容易存在充电不均衡、产生内环电流等缺点。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种扩大虚拟同步机容量的实现方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，包括以下步骤：
在并网状态下，获取虚拟同步机的阻抗计算方程、有功功率计算方程、无功功率计算方程、机械输入功率计算方程、功角计算方程、电压-无功功率下垂控制方程和参考电流计算方程；
根据虚拟同步机的阻抗计算方程、有功功率计算方程、无功功率计算方程、机械输入功率计算方程、功角计算方程、电压-无功功率下垂控制方程以及参考电流计算方程之间的对应关系，以使虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大N倍，并对虚拟同步机的功角、端电压以及PWM调制波进行标幺化；其中，N为正整数。
作为优选方案，所述虚拟同步机的阻抗计算方程根据虚拟同步机等效模型获得，所述阻抗计算方程为：
其中，Z为阻抗，R1为滤波内阻，j为虚数单位，X为电抗，w为角频率，L1为滤波电感，C为滤波电容。
作为优选方案，所述虚拟同步机等效模型的获取方式为：以交流母线电压为参考值，基于虚拟同步机的功角关系输出虚拟同步机等效模型。
作为优选方案，所述虚拟同步机的有功功率计算方程和无功功率计算方程通过虚拟同步机的复功率计算方程计算得到。
作为优选方案，所述虚拟同步机的复功率计算方程为：
其中，P为有功功率，Q为无功功率，u∠δ为逆变器的输出电压，e为交流母线电压，δ表示虚拟同步机输出电压与交流母线电压的相位差，θ为阻抗角。
作为优选方案，所述虚拟同步机的有功功率计算方程和无功功率计算方程为：
其中，在保持两侧相位差不变的情况下，虚拟同步机的有功功率和无功功率仅与阻抗Z相关；将滤波内阻和滤波电感缩小N倍，且滤波电容扩大N倍，以使虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大N倍。
作为优选方案，所述虚拟同步机的机械输入功率计算方程为：
其中，Pref为给定的参考有功功率，m为频率-有功功率下垂系数，w0为电网额定角频率，w为电网实际角频率；
所述虚拟同步机的功角计算方程为：
其中，J为转动惯量系数，s为拉普拉斯算子；
所述虚拟同步机的无功电压下垂控制方程为：
Uref＝U0+n(Qref-Q)
其中，Uref为虚拟同步机的端电压，U0为逆变器的额定电压，n为电压-无功功率下垂系数，Qref为逆变器给定的无功功率；
若虚拟同步机的有功功率P和无功功率Q扩大N倍，则逆变器的额定电压U0、频率-有功功率下垂系数m、电压-无功功率下垂系数n缩小N倍，转动惯量系数J扩大N倍，以对虚拟同步机的功角θref和虚拟同步机的端电压Uref进行标幺化。
作为优选方案，所述虚拟同步机采用电压电流双闭环控制。
作为优选方案，所述虚拟同步机的参考电流计算方程为：
其中，uabc为逆变器的输出电压，eabc为电网的输出电压；
若滤波内阻和滤波电感缩小N倍，保持输出电压不变化，则虚拟同步机的参考电流iref扩大N倍，相应地，在电压电流双闭环控制环节中，虚拟同步机的输出电流扩大N倍，则电流环比例系数缩小N倍，积分系数保持不变，以对电流调制波进行标幺化。
作为优选方案，所述虚拟同步机的电压控制采用传统下垂控制。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的扩大虚拟同步机容量的实现方法，通过调整各计算方程中的涉及的参数，使得虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大，减少了电池组、DC/DC、DC/AC电路使用个数。
附图说明
图1是本发明实施例的虚拟同步机的拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例的虚拟同步机输出功角等效模型；
图3是本发明实施例的虚拟同步机的功角向量示意图；
图4是本发明实施例的虚拟同步机整体控制原理图；
图5是本发明实施例的虚拟同步机内环电压电流双闭环控制原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明实施例的扩大虚拟同步机容量的实现方法，包括以下步骤：
在并网状态下，获取虚拟同步机的阻抗计算方程、有功功率计算方程、无功功率计算方程、机械输入功率计算方程、功角计算方程、电压-无功功率下垂控制方程和参考电流计算方程；
根据虚拟同步机的阻抗计算方程、有功功率计算方程、无功功率计算方程、机械输入功率计算方程、功角计算方程、电压-无功功率下垂控制方程以及参考电流计算方程之间的对应关系，以使虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大N倍，并对虚拟同步机的功角、端电压以及电流调制波进行标幺化；其中，N为正整数。
具体地，本发明实施例的扩大虚拟同步机容量的实现方法主要包括以下两部分：
1、主电路参数的调整
如图1所示，图1为虚拟同步机的拓扑结构，其中Udc为直流侧输入电压，Cdc为直流侧电容，ua、ub、uc分别为逆变器输出三相相电压，ea、eb、ec分别为电网三相相电压，ia、ib、ic分别为逆变器三相输出电流，R1、L1、C分别为滤波内阻、滤波电感及滤波电容，Q1～Q6为IGBT开关管。
并网状态下，若以交流母线电压为参考值，考虑单个虚拟同步机(包括滤波器电路)的功角关系，则可以得到其输出等效模型，忽略线路阻抗，虚拟同步机阻抗Z表示为：
其中，R1为滤波内阻，j为虚数单位，X为电抗，w为角频率，L1为滤波电感，C为滤波电容；逆变器的输出电压可表示为u∠δ，其中δ表示虚拟同步机输出电压与交流母线电压e∠0的相位差，则得到的等效模型与矢量关系如图2和图3所示。
若将虚拟同步机的输出复功率表达为：
其中，P为有功功率，Q为无功功率，u∠δ为逆变器的输出电压，e为交流母线电压，δ表示虚拟同步机输出电压与交流母线电压的相位差，θ为阻抗角；
则根据虚拟同步机的输出复功率得到虚拟同步机的有功功率计算方程和无功功率计算方程为：
其中，在保持两侧相位差不变的情况下，虚拟同步机的有功功率和无功功率仅与阻抗Z相关；如果将虚拟同步机输出有功功率与无功功率扩大N倍时，需要将主电路电感和电阻缩小N倍，同时电容扩大N倍。即将滤波内阻和滤波电感缩小N倍，且滤波电容扩大N倍，以使虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大N倍。
2、控制器参数的调整
虚拟同步发电机控制原理图如图4所示，主要包括功率计算模块、虚拟同步机算法模块、电压和电流控制模块。根据同步发电机转子的惯性特性以及电力系统的一次调频控制。忽略阻尼成分，虚拟同步发电机的机械输入功率Pm的计算方程为：
其中，Pref为给定的参考有功功率，m为频率-有功功率下垂系数，w0为电网额定角频率，w为电网实际角频率；
虚拟同步机的功角计算方程为：
其中，J为转动惯量系数，s为拉普拉斯算子；
虚拟同步机的电压控制采用传统下垂控制，模拟了电力系统的励磁调压控制，利于虚拟同步机组间的无功均分。虚拟同步机的无功电压下垂控制方程为：
Uref＝U0+n(Qref-Q)
其中，Uref为虚拟同步机的端电压，U0为逆变器的额定电压，n为电压-无功功率下垂系数，Qref为逆变器给定的无功功率；
虚拟同步机输出有功功率P和无功功率Q扩大N倍时，需要将电压U0、频率-有功功率下垂系数m，电压-无功功率下垂系数n缩小N倍，惯性系数J扩大N倍，从而可以将θref、Uref标幺化。也就是说，若虚拟同步机的有功功率P和无功功率Q扩大N倍，则逆变器的额定电压U0、频率-有功功率下垂系数m、电压-无功功率下垂系数n缩小N倍，转动惯量系数J扩大N倍，以对虚拟同步机的功角θref和虚拟同步机的端电压Uref进行标幺化。
由于电压电流双闭环控制具有电流限幅功能，相对于仅单环控制电压更为安全，因此被更广泛的采用，电压电流双闭环控制原理图如图5所示。虚拟同步机的参考电流计算方程为：
其中，uabc为逆变器的输出电压，eabc为电网的输出电压；
因此，主电路中R1、L1缩小了N倍，所以参考电流iref扩大了N倍，在电压保持不变的情况下，为了实现虚拟同步机容量扩大N倍，则虚拟同步机输出电流iabc扩大了N倍，因此需要将电流环比例环节kp缩小N倍，积分系数ki保持不变，可以使得PWM调制器的调制波标幺化。即若滤波内阻和滤波电感缩小N倍，保持输出电压不变化，则虚拟同步机的参考电流iref扩大N倍，相应地，在电压电流双闭环控制环节中，虚拟同步机的输出电流扩大N倍，则电流环比例系数缩小N倍，积分系数保持不变，以对电流调制波进行标幺化。
本发明的扩大虚拟同步机容量的实现方法，通过调整上述各计算方程中的涉及的参数，使得虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大，减少了电池组、DC/DC、DC/AC电路使用个数；且实现方法便捷，利于大范围推广使用。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
在并网状态下，获取虚拟同步机的阻抗计算方程、有功功率计算方程、无功功率计算方程、机械输入功率计算方程、功角计算方程、电压-无功功率下垂控制方程和参考电流计算方程；
根据虚拟同步机的阻抗计算方程、有功功率计算方程、无功功率计算方程、机械输入功率计算方程、功角计算方程、电压-无功功率下垂控制方程以及参考电流计算方程之间的对应关系，以使虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大N倍，并对虚拟同步机的功角、端电压以及电流调制波进行标幺化；其中，N为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机的阻抗计算方程根据虚拟同步机等效模型获得，所述阻抗计算方程为：
其中，Z为阻抗，R1为滤波内阻，j为虚数单位，X为电抗，w为角频率，L1为滤波电感，C为滤波电容。
3.根据权利要求2所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机等效模型的获取方式为：以交流母线电压为参考值，基于虚拟同步机的功角关系输出虚拟同步机等效模型。
4.根据权利要求2所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机的有功功率计算方程和无功功率计算方程通过虚拟同步机的复功率计算方程计算得到。
5.根据权利要求4所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机的复功率计算方程为：
其中，P为有功功率，Q为无功功率，u∠δ为逆变器的输出电压，e为交流母线电压，δ表示虚拟同步机输出电压与交流母线电压的相位差，θ为阻抗角。
6.根据权利要求5所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机的有功功率计算方程和无功功率计算方程为：
其中，在保持两侧相位差不变的情况下，虚拟同步机的有功功率和无功功率仅与阻抗Z相关；将滤波内阻和滤波电感缩小N倍，且滤波电容扩大N倍，以使虚拟同步机的有功功率和无功功率扩大N倍。
7.根据权利要求6所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机的机械输入功率计算方程为：
其中，Pref为给定的参考有功功率，m为频率-有功功率下垂系数，w0为电网额定角频率，w为电网实际角频率；
所述虚拟同步机的功角计算方程为：
其中，J为转动惯量系数，s为拉普拉斯算子；
所述虚拟同步机的无功电压下垂控制方程为：
Uref＝U0+n(Qref-Q)
其中，Uref为虚拟同步机的端电压，U0为逆变器的额定电压，n为电压-无功功率下垂系数，Qref为逆变器给定的无功功率；
若虚拟同步机的有功功率P和无功功率Q扩大N倍，则逆变器的额定电压U0、频率-有功功率下垂系数m、电压-无功功率下垂系数n缩小N倍，转动惯量系数J扩大N倍，以对虚拟同步机的功角θref和虚拟同步机的端电压Uref进行标幺化。
8.根据权利要求7所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机采用电压电流双闭环控制。
9.根据权利要求8所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机的参考电流计算方程为：
其中，uabc为逆变器的输出电压，eabc为电网的输出电压；
若滤波内阻和滤波电感缩小N倍，保持输出电压不变化，则虚拟同步机的参考电流iref扩大N倍，相应地，在电压电流双闭环控制环节中，虚拟同步机的输出电流扩大N倍，则电流环比例系数缩小N倍，积分系数保持不变，以对电流调制波进行标幺化。
10.根据权利要求1所述的一种扩大虚拟同步机容量的实现方法，其特征在于，所述虚拟同步机的电压控制采用传统下垂控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190111 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |