CN109193797A - 一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法及微网控制系统，包括：VSG虚拟惯量系数参照SG转动惯量和系统容量进行设计，保证不同微源间暂态响应时间的匹配；根据一次调频及下垂控制原理设计原动机调速器比例系数以及VSG下垂系数，按照系统容量分配负载功率；当微源及负载切入时，根据并联系统功角的变化，动态调整VSG给定有功功率，按照系统阻尼比要求设计有功给定系数，补偿SG调速器惯性响应延时引入的惯性差异并实现VSG的平滑切入。本发明能够消除微源、负载切入引起的功率振荡，满足微网功率分配要求,实现SG和VSG并联微网的同步稳定运行。

Description

一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配 方法及控制系统

技术领域

本发明属于分布式发电微网技术领域，具体涉及一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法及微网控制系统。

背景技术

近年来，分布式能源的渗透率不断增加，传统同步发电机的装机比例逐渐降低，微电网中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，逐步呈现高度电力电子化趋势。同步发电机由于机械转子惯性和阻尼作用，使其具备电压、频率支撑和调节能力，为微网系统提供足够的惯性。借鉴这一思想，虚拟同步发电机技术应运而生，它融合电力电子设备的灵活性和同步发电机运行机制，有效解决了系统低惯性问题，对于提高微电网稳定性具有重要促进作用。

同步发电机(SG)与虚拟同步发电机(VSG)由于机械惯性特性、调速特性以及储能容量的差异导致运行响应特性的不同，所以对于微源的并联运行稳定性控制的相关问题研究在全球范围内日益广泛深入。当前对于VSG并联运行稳定性研究已相对成熟，而SG 和VSG的并联问题则更具复杂性，不仅要解决并联微网中的功率分配问题，而且由于SG 和VSG固有转动惯量的差异以及原动机转轴惯性的存在，VSG在负载突变或者合闸、切除期间对于负载功率需求的响应速度较快，容易引起较大的功率振荡、偏移，影响微网内重要负载的稳定运行，降低系统功率分配的能力。目前对这些方面的研究相对较少，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法及微网控制系统,设计VSG虚拟惯量及功率下垂系数，实现SG和VSG转动惯量的匹配以及稳态下功率的要求；针对调速惯性差异提出基于系统功角稳定性的参数设计方法以及VSG有功功率给定方式，避免负载突变、微源切入等动态过程中引入暂态功率振荡，使并联系统平滑过渡至稳定运行状态；同时提及VSG预并联同步运行方案，保证SG侧与VSG侧输出电压满足并联合闸要求。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法，所述方法包括：

S1：参照SG中参数转动惯量J_sg以及SG和VSG的系统容量关系,进行VSG中参数虚拟惯量J_vsg的设计；

S2：根据一次调频原理和下垂控制关系，参照SG中原动机调速器和励磁控制器比例系数以及SG和VSG的系统容量关系，进行VSG中有功下垂系数D_p及无功下垂系数D_q的设计；

S3：提取SG励磁电势信号和并联PCC端电压信号，使信号分别通过FFT，得到相角信号和其中把和的相角差定义为并联系统功角；

S4:基于系统功角稳定性的综合参数设计，将上述步骤中计算得到的虚拟惯量和有功下垂系数及无功下垂系数代入关于系统功角的阻尼比公式，根据其他系统参数和系统阻尼比要求，设计VSG有功功率给定系数；

S5:当微源或负载切入等输出功率需求发生改变时，根据上述定义并联系统功角及 VSG有功功率给定系数乘积，动态调整VSG有功功率给定。

进一步，S1中所述虚拟惯量的计算方法，具体计算依据为SG和VSG转动惯量和系统容量的正比关系。

进一步，S2中有功下垂系数和无功下垂系数的计算方法，具体计算依据为SG和VSG比例下垂系数和系统容量的反比关系。

进一步，S3中并联系统功角的采集方法，其中SG励磁电势信号和并联PCC端电压信号分别取同一相通入FFT模块，FFT算法为按频率抽取算法，具体基频要求参照微电网额定频率大小选择。

进一步，S4中综合参数设计方法是基于系统功角稳定性分析计算，作用范围包括VSG 微源切入、切除以及负载突增、切除等暂态情况，通过参数设计调整系统功角二阶系统阻尼比。

进一步，S5中有功功率给定不得超过限定值，上限值即为稳定运行条件下按照VSG和SG容量比设定的功率分配需求值，下限值不得为负数，防止微源间的功率传输。

本发明系统的技术方案为：一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联运行的微网控制系统，所述系统包括：

基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的主电路，由SG、分布式电源、全桥逆变器、滤波器、负载组成；

VSG控制模块，用于为全桥逆变器开关管提供开关信号；

调速器、励磁器模块，用于给定SG有功功率和无功功率，并为VSG中有功下垂系数和无功下垂系数的设计提供比例系数参照；

FFT模块，用于通过SG励磁电势信号和并联PCC端电压信号分别计算相角信号和并作差得到并联系统功角；

锁相环模块，用于为预并联判断模块提供SG和VSG输出电压信号的频率和相角信号；

预并联判断模块，用于在VSG微源切入前，判断SG和VSG输出电压的幅值、频率以及相角信号是否满足VSG合闸并入要求，满足要求则发出Signal信号控制系统合闸动作使VSG微源切入，并通过Signal信号控制VSG有功环的有功功率给定信号的改变，动态调整VSG有功功率给定。

进一步，所述VSG控制模块包括：

瞬时功率计算模块，用于计算VSG输出瞬时功率，将VSG输出电压、电流信号通过瞬时功率计算模块，分别输出瞬时有功功率和瞬时无功功率；

有功控制环，用于模拟SG转子运动规律，参照SG中参数转动惯量J_sg进行有功控制环中参数虚拟惯量J_vsg的设计，参照SG调速器中比例系数以及SG和VSG的系统容量关系进行有功控制环中有功下垂系数D_p的设计,其中输入变量包括计算得到的瞬时有功功率信号、有功功率给定信号及额定角频率信号，输出三相调制波的频率信号；

无功控制环，用于模拟SG无功电压环运行规律，参照SG励磁器中比例系数以及SG和VSG的系统容量关系进行无功控制环中无功下垂系数D_q的设计，其中输入变量包括计算得到的瞬时无功功率信号、无功功率给定信号以及额定电压信号，输出三相调制波的电压信号；

相角预并联补偿模块，用于将SG和VSG频率信号通过积分器转化为角度信号，并将角度信号差通过取模运算转化为符合相角要求的角度信号，经过比例环节调制得到频率补偿信号附加在VSG有功控制环输出三相调制波的频率信号上；

调制波合成模块，用于合成VSG输出三相调制波信号；

SVPWM调制模块，用于将VSG输出三相调制波信号转化为全桥逆变器的开关管驱动信号。

上述SG、分布式电源、全桥逆变器、滤波器和负载构成微网控制系统的主电路；原动机调速器和励磁器为SG微源控制器，用于给定SG有功功率和无功功率；VSG控制模块为全桥逆变器提供开关信号，锁相环模块分别为预并联判断模块提供SG和VSG输出电压信号的频率和相角信号，由预并联判断模块发出Signal信号控制系统合闸以及功率给定的动作。

上述VSG控制模块，包括瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、调制波合成模块以及相角预并联补偿模块；其中VSG输出电压、电流信号通过瞬时功率计算模块进行瞬时功率计算，输出量分别通过有功控制环和无功控制环调制，最后通过调制波合成模块计算VSG输出调制波信号；相角预并联补偿模块将SG和VSG频率信号通过积分器转化为角度信号，并将角度信号差通过取模运算转化为符合相角要求的角度信号，经过比例环节调制得到频率补偿信号附加在VSG有功环输出频率上。

所述预并联判断模块，判断SG端和VSG端输出电压差、频率差以及相角差是否满足并联运行要求，满足要求则进行合闸并联运行操作。

本发明的有益效果：本发明对VSG参数根据SG进行匹配设计，实现并联微网系统中的转动惯量匹配要求和功率分配要求；针对调速惯性差异提出基于暂态功角稳定性的参数设计方法和VSG有功功率给定方式，抑制暂态过程中的功率振荡；并对SG和VSG并联微网控制系统设计预并联同步补偿环节，满足微源的切入条件，保证并联微网的稳定运行。

附图说明

图1为本发明的SG和VSG并联微网整体控制框图；

图2为本发明的SG调速器和励磁器控制框图；

图3为本发明的预并联补偿算法框图；

图4为本发明的预并联判断控制框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法。下面结合图1和图2对本实施例提供的方法进行详细说明。

S1:VSG中参数虚拟惯量J_vsg的设计，参照SG中参数转动惯量J_sg以及SG和VSG的系统容量关系计算；

参见图1，SG和VSG之间固有惯量的差异导致惯性时间常数的不同，惯性时间常数H表示暂态过程恢复稳态的时间周期，保证H相等即实现不同微源暂态响应时间的匹配。对于同步发电机，H是无法改变的，其大小取决于SG的物理结构，并与转动惯量J存在如下关系：

其中，S为系统容量；ω_n为额定角频率。

而对于VSG，H是可变参数，保证并联系统中VSG单元的H_vsg与H相等从而减小暂态功率振荡，结合上述条件及式(1)可得：

其中，J_sg和J_vsg分别为SG转动惯量和VSG虚拟惯量。

满足上式即从原理上实现SG与VSG之间的惯量匹配，使并联系统具有更为良好的动态响应性能，消除由转动惯量差异造成的系统暂态功率振荡。

S2：并联系统要求不同微源在稳态运行期间可以按照容量以及给定功率进行准确分配，在保证惯量匹配的前提下，根据一次调频原理以及下垂控制原理考虑系统间的功率分配问题。具体的见图1和图2，输出有功功率和无功功率按各系统容量比进行分配，即满足下式则可实现稳态运行下不同系统间的功率分配。

其中，S_sg和S_vsg分别为SG和VSG的系统容量；k_p和k_q分别为调速器和励磁器的比例系数； D_p和D_q分别为有功、无功下垂系数。

上式可以看出，SG、VSG比例下垂系数和微源容量成反比，即保证负载侧功率需求发生改变时，容量大系数小的微源可以承担更多的功率需求，反之亦然,从而实现微源间的功率分配。

S3：分别提取A相SG励磁电势信号以及并联PCC端电压信号，使信号分别通过FFT，得到A相电压相角信号和其中把和的相角差定义为并联系统功角δ，即：

并联系统功角的采集方法，其中SG励磁电势信号和并联PCC端电压信号分别取同一相通入FFT。所述FFT算法为按频率抽取算法，具体基频要求参照微电网额定频率大小选择。

S4：基于系统功角稳定性的综合参数设计，将上述计算得到的虚拟惯量和有功、无功下垂系数代入关于系统功角的阻尼比公式，根据其他系统参数和系统阻尼比要求，设计VSG有功功率给定系数k_set；

在VSG微源切入、切除以及负载突增、切除等暂态情况，通过参数设计调整系统功角二阶系统阻尼比，从而维持系统频率以及功率的稳定性，使系统状态的过渡更为平滑。

但由于SG调速器中惯性响应时间的存在，SG原动机转轴功率无法快速跟随SG所需承担输出负载的功率要求，而VSG的功率给定调整速度则相对SG较快，不可避免会产生功率振荡以及功率偏移现象。考虑到不同调速系统惯性差异，无法通过具体惯性时间常数相统一，而由于调速器P-ω下垂关系的存在，给定功率以及负载功率的偏差过程以及惯性调节速度则反映在状态变量功角δ的变化上，即：

δ＝∫(ω-ω_N)dt (5)

当VSG并入时，SG输出有功功率大于所需承担的负载功率，引起系统频率ω的上升，根据式(5)系统功角δ的增大，当系统运行至稳定状态δ保持常值。此时VSG有功环可以表示为：

其中，P_{set_vsg}和P_e分别为VSG有功功率给定和电磁功率；U₀和E分别为合闸并联后PCC端电压和励磁电势；Z为VSG系统阻抗。

可见VSG并入后,调速惯性差异导致系统输出频率变化，放大系统的不稳定性。为了补偿调速惯性差异，这里根据功角δ的变化动态调整VSG的有功给定以改善系统的动态响应过程，令：

其中，k_set为有功功率给定系数，0≤k_setδ≤P_{set_vsg}。

将式(1)、式(5)和(7)代入式(6)中得：

VSG有功环转化为上述关于系统功角δ的二阶系统，可见二阶系统的暂态稳定性取决于有功环参数设计。

研究δ的动态响应过程对VSG稳定性的影响，计算系统功角的阻尼比公式可得：

由于S_vsg及H必须满足式(1)和式(2)关系，下垂比例系数D_p根据式(3)由调速器比例系数k_p决定，可以看出系统阻尼比取决于功率给定系数k_set的大小，设计合理的系数即可调整系统的阻尼比，从而消除由调速器惯性不匹配引入的暂态功率振荡，最终实现SG和VSG并联系统稳定运行目标。

S5：当微源或负载切入等输出功率需求发生改变时，根据式(7)定义VSG有功环功率关系决定VSG给定有功功率，也即并联系统功角及VSG有功功率给定系数乘积，动态调整VSG有功功率给定。

实质上通过改变VSG的功率给定速度以匹配SG调速器的惯性延时，同时保证负载的实时功率需求，其中功率给定系数k_set决定功率给定速度，系统功角δ决定功率给定程度。

有功功率给定不得超过限定值，上限值即为稳定运行条件下按照VSG和SG容量比设定的功率分配需求值，下限值不得为负数，防止微源间的功率传输。

实施例2：一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联的微网控制系统。下面结合图 1至图4对本实施例提供的系统进行说明。

参见图1，所述系统包括：SG、分布式电源、滤波器、负载、VSG控制模块(包括相角预并联补偿模块)、调速器模块、励磁器模块、锁相环模块以及预并联判断模块。

其中，SG、分布式电源、全桥逆变器、滤波器和负载构成微网控制系统的主电路，原动机调速器和励磁器为SG微源控制器，用于给定SG有功功率和无功功率，其中调速器为大惯性环节。VSG控制模块为全桥逆变器提供开关信号，锁相环模块分别为预并联判断模块提供SG和VSG输出电压信号的频率和相角信号，由预并联判断模块发出Signa l 信号控制系统合闸以及功率给定的动作。

所述VSG控制模块，包括瞬时功率计算模块、有功控制环、无功控制环、调制波合成模块以及相角预并联补偿模块；

其中VSG输出电压、电流信号通过瞬时功率计算模块进行瞬时功率计算，输出量分别通过有功控制环和无功控制环调制，最后通过调制波合成模块计算VSG输出调制波信号；相角预并联补偿模块将SG和VSG频率信号通过积分器转化为角度信号，并将角度信号差通过取模运算转化为符合相角要求的角度信号，经过比例环节调制得到频率补偿信号附加在VSG有功环输出频率上，该方法可以减小相角同步时间并有效防止频率补偿信号的正负跳变，其中相角预并联补偿模块工作于VSG预并联阶段，并联运行时切除。

所述预并联部分模块决定VSG的并联预同步和平滑切入，其中DSOGI锁相环检测SG和VSG两侧相角及频率信息，由于频率决定相角关系，将相角差作为频率补偿信号加入VSG，实现相角以及频率的共同同步,DSOGI锁相环可以用于系统暂态三相电压不对称情况下，锁相结果较为准确，锁相结果用于相角预并联补偿模块；最后通过预并联判断模块检测VSG电压、频率以及相角信号是否满足合闸并联运行要求，并联合闸后预并联部分模块不再工作。具体模块见说明书附图信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：参照同步发电机SG中参数转动惯量J_sg以及SG和虚拟同步发电机VSG的系统容量关系,进行VSG中参数虚拟惯量J_vsg的设计；

S2：根据一次调频原理和下垂控制关系，参照SG中原动机调速器和励磁控制器比例系数以及SG和VSG的系统容量关系，进行VSG中有功下垂系数D_p及无功下垂系数D_q的设计；

S3：提取SG励磁电势信号和并联PCC端电压信号，使信号分别通过FFT，得到相角信号和其中把和的相角差定义为并联系统功角；

S4:基于系统功角稳定性的综合参数设计，将上述步骤中计算得到的虚拟惯量和有功下垂系数及无功下垂系数代入关于系统功角的阻尼比公式，根据其他系统参数和系统阻尼比要求，设计VSG有功功率给定系数；

S5:当微源或负载切入等输出功率需求发生改变时，根据上述定义并联系统功角及VSG有功功率给定系数乘积，动态调整VSG有功功率给定。

2.根据权利要求1所述的基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法，其特征在于，S1中所述虚拟惯量的计算方法，具体计算依据为SG和VSG转动惯量和系统容量的正比关系。

3.根据权利要求1所述的基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法，其特征在于，S2中有功下垂系数和无功下垂系数的计算方法，具体计算依据为SG和VSG比例下垂系数和系统容量的反比关系。

4.根据权利要求1所述的基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法，其特征在于，S3中并联系统功角的采集方法，其中SG励磁电势信号和并联公共连接点PCC端电压信号分别取同一相通入FFT模块，FFT算法为按频率抽取算法，具体基频要求参照微电网额定频率大小选择。

5.根据权利要求1所述的基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法，其特征在于，S4中综合参数设计方法是基于系统功角稳定性分析计算，作用范围包括VSG微源切入、切除以及负载突增、切除等暂态情况，通过参数设计调整系统功角二阶系统阻尼比。

6.根据权利要求1所述的基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的惯性匹配方法，其特征在于，S5中有功功率给定不得超过限定值，上限值即为稳定运行条件下按照VSG和SG容量比设定的功率分配需求值，下限值不得为负数，防止微源间的功率传输。

7.一种基于同步发电机和虚拟同步发电机并联运行的微网控制系统，其特征在于，所述系统包括：

基于同步发电机和虚拟同步发电机并联微网的主电路，由SG、分布式电源、全桥逆变器、滤波器、负载组成；

VSG控制模块，用于为全桥逆变器开关管提供开关信号；

调速器、励磁器模块，用于给定SG有功功率和无功功率，并为VSG中有功下垂系数和无功下垂系数的设计提供比例系数参照；

FFT模块，用于通过SG励磁电势信号和并联PCC端电压信号分别计算相角信号和并作差得到并联系统功角；

锁相环模块，用于为预并联判断模块提供SG和VSG输出电压信号的频率和相角信号；

预并联判断模块，用于在VSG微源切入前，判断SG和VSG输出电压的幅值、频率以及相角信号是否满足VSG合闸并入要求，满足要求则发出Signal信号控制系统合闸动作使VSG微源切入，并通过Signal信号控制VSG有功环的有功功率给定信号的改变，动态调整VSG有功功率给定。

8.如权利要求7所述的基于同步发电机和虚拟同步发电机并联运行的微网控制系统，其特征在于，所述VSG控制模块包括：

瞬时功率计算模块，用于计算VSG输出瞬时功率，将VSG输出电压、电流信号通过瞬时功率计算模块，分别输出瞬时有功功率和瞬时无功功率；

有功控制环，用于模拟SG转子运动规律，参照SG中参数转动惯量J_sg进行有功控制环中参数虚拟惯量J_vsg的设计，参照SG调速器中比例系数以及SG和VSG的系统容量关系进行有功控制环中有功下垂系数D_p的设计,其中输入变量包括计算得到的瞬时有功功率信号、有功功率给定信号及额定角频率信号，输出三相调制波的频率信号；

无功控制环，用于模拟SG无功电压环运行规律，参照SG励磁器中比例系数以及SG和VSG的系统容量关系进行无功控制环中无功下垂系数D_q的设计，其中输入变量包括计算得到的瞬时无功功率信号、无功功率给定信号以及额定电压信号，输出三相调制波的电压信号；

相角预并联补偿模块，用于将SG和VSG频率信号通过积分器转化为角度信号，并将角度信号差通过取模运算转化为符合相角要求的角度信号，经过比例环节调制得到频率补偿信号附加在VSG有功控制环输出三相调制波的频率信号上；

调制波合成模块，用于合成VSG输出三相调制波信号；

SVPWM调制模块，用于将VSG输出三相调制波信号转化为全桥逆变器的开关管驱动信号。