CN109659956A - 多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法，具体涉及虚拟同步发电机技术领域。该多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法，将根据两台虚拟同步发电机组网运行负荷扰动的特点，将频率变化情况分为三个阶段：负荷小扰动采用恒定的惯性阻尼控制；负荷大扰动，惯性采用自适应控制策略且增大阻尼的值；扰动结束后，需要快速恢复到工频，此时惯性取最小的值，阻尼自适应控制。通过控制虚拟阻尼的取值，有效的抑制了功率的振荡，同时，在负荷扰动结束后，加快了系统的频率恢复速度，从而改善了系统的频率稳定性。

Description

多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法

技术领域

本发明涉及虚拟同步发电机技术领域，具体涉及一种多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法。

背景技术

高比例能源互联网的普及，越来越多的分布式电源、储能系统等通过电力电子变换器接入电网。由于电力电子变换器本身就没有惯性和阻尼，更容易受到功率波动和系统故障的影响。大容量分布式电源组网运行时，由于缺乏惯性和阻尼，其稳定性受到了很大的威胁。

高比例能源互联网的普及，越来越多的分布式电源、储能系统等通过电力电子变换器接入电网。由于电力电子变换器本身就没有惯性和阻尼，更容易受到功率波动和系统故障的影响。大容量分布式电源组网运行时，由于缺乏惯性和阻尼，其稳定性受到了很大的威胁。传统电网大部分电力是由许多个大型同步发电机提供的，由于传统发电机组转子具有转动惯量，当发生功率波动时，释放转子的动能，以维持电网的频率稳定。显然，分布式电源并没有这样的结构，且暂态过程响应速度十分快，这对维持电网的稳定十分不利。为了解决这一问题，虚拟同步发电机技术应运而生。该技术通过模拟同步发电机的惯性和阻尼特征，当系统功率变化时，逆变器本体能够利用自身虚拟惯量和阻尼抑制自身功率的波动，控制了暂态过程响应速度，抑制了系统的振荡

为了解决这一问题，虚拟同步发电机技术应运而生。该技术通过模拟同步发电机的惯性和阻尼特征，当系统功率变化时，逆变器本体能够利用自身虚拟惯量和阻尼抑制自身功率的波动，控制了暂态过程响应速度，抑制了系统的振荡。学界针对虚拟同步发电机的虚拟转动惯性进行了大量研究，但没有分析虚拟同步发电机的虚拟阻尼对系统影响。在多机组网运行中，不同的负荷扰动情况需要的阻尼比不同，若能通过改变惯性和阻尼的值，就可以提高系统的适应性。

图1所示为并联运行的虚拟同步发电机结构示意图，选用三相电压源型作为虚拟同步发电机的载体，直流侧认为恒定不变的。

采用同步发电机二阶模型作为VSG本体的控制模型，同时，考虑到同步发电机特性，在VSG频率控制中加入虚拟调速器，转子方程和调速器方程可表示为

ω₀、ω分别为额定角速度和实际角速度；P_m、P_e分别为系统的虚拟机械功率、虚拟电磁功率；δ是功角；D是阻尼系数；J是转动惯性；k是调速器系数。

对比下垂控制和虚拟同步发电机控制策略，可以得到下垂控制也是一种虚拟同步发电机控制，只是惯性太小，而且滤波器的值不易整定。因此，虚拟同步发电机控制比下垂控制性能更好。

将Δω近似看成dw/dt,可以得到，-ΔP＝(k+Dω₀+Jω₀s)Δω

可以分为两个阶段，一个阶段是负荷增加的时候，角频率下降的速度与k、J、D都有关且成反比，此时，J越大，频率的变化率也越小，响应时间越长；稳态时，角频率下降值与k、D都有关且成反比，此时，D越大，频差越小。另一个阶段是负荷扰动消除的时候，此时角频率会上升，暂态时，J和D越小，频率的变化率也越大，响应时间会加快，迅速达到稳态；如果能最快的达到稳态值，就可以在下一次负荷扰动时，避免频率跌落的太多。

为了反应在多VSG并联组网运行中J和D的变化对其稳定性的影响，对多VSG并联组网的系统进行建模。

对转子方程和调速方程进行小信号建模，可得：

假设两台VSG的参数一致，且功角近似相同。求得任意一台VSG组网的输出功率为ΔP_i＝U_iU_j|B_ij|Δδ_ij＝N_iΔδ_ij

最后得出它的特征方程为

s³+As²+Bs+C＝0

其中

根据特征方程可以绘制出惯性阻尼大小与系统稳定性的关系。

如图2所示，随着J的增大，系统超调量也增大，系统极点逐渐向虚轴靠近，最后会导致系统逐渐失去稳定性。

如图3所示，随着D的增大，系统超调量减小，极点远离虚轴，系统运行稳定性逐渐增强。

因此，在电力系统中，保证电力系统的稳定运行需要一定量的正阻尼，可以避免电网发生低频振荡和次同步振荡。所以，在多VSG并联组网运行中阻尼的控制不可忽略。

组网运行中，当一台VSG并入微网中，首先需要预同步控制，然后需要小的惯性和大的阻尼来抑制功率振荡；负荷扰动时，希望J较大以减缓频率的变化率但同时也要兼顾系统的频差，负荷切除后，J和D取较大值可以实现频率快速恢复，避免恢复时间过长，在此期间发生第二次扰动，会影响系统的频率严重偏离额定值。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种将有功频率控制输出的电角度θ和无功电压控制输出的电压幅值合成VSG输出的三相电压一起输入到逆变器电压电流控制环中，通过改变惯性和阻尼的值，就可以提高系统的适应性的机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法。

本发明具体采用如下技术方案：

多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法，具体包括以下步骤：

S1、采集得到虚拟同步发电机的频率偏差和频率变化率；

S2、通过虚拟同步发电机的有功功率与频率的关系得到新的电角度；

S3、利用得到的电角度和虚拟电动势的幅值合成三相调制波电流；

S4、将三相调制波电流经过电压电流双环控制器调节后，通过PWM发生器调节系统的输出电压电流。

优选地，所述S2中，有功功率与频率的关系采用式(1)表示：

其中，ω₀为额定角速度，ω为实际角速度，P_m、系统的虚拟机械功率，P_e为系统的虚拟电磁功率，δ为功角，k为调速器系数。

优选地，所述S2中，虚拟同步发电机的虚拟转子惯量J根据|f—50|和df|dt与设定阈值的大小关系而改变，采用式(1)表示：

其中，J₀表示系统不发生功率振荡的转子惯量的初始值，k_f表示J的调节系数，

虚拟同步发电机的虚拟阻尼D的数值大小根据|f—50|和df|dt与设定阈值的大小关系而改变，采用式(2)表示：

其中，D₀表示系统不发生功率振荡的阻尼的初始值，k_d表示D的调节系数，

本发明具有如下有益效果：多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法将发电机的负荷扰动情况分为(1)负荷小扰动采用恒惯性阻尼控制；(2)负荷大扰动，惯性采用自适应控制策略且增大阻尼的值；(3)扰动结束后，需要快速恢复到工频，此时惯性取最小的值，阻尼自适应控制三个阶段，通过控制虚拟阻尼的取值，有效的抑制了虚拟同步发电机功率的振荡，改善了系统的频率稳定性。

附图说明

图1组网运行的VSG控制框图；

图2惯性参数对VSG系统稳定性的影响；

图3阻尼参数对VSG系统稳定性的影响；

图4VSG有功-频率控制和无功-电压控制框图；

图5电压电流控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图4所示，多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法，具体包括以下步骤：

S1、采集得到虚拟同步发电机的频率偏差和频率变化率；

S2、通过虚拟同步发电机的有功功率与频率的关系得到新的电角度；有功功率与频率的关系采用式(1)表示：

其中，ω₀为额定角速度，ω为实际角速度，P_m、系统的虚拟机械功率，P_e为系统的虚拟电磁功率，δ为功角，k为调速器系数。

虚拟同步发电机的虚拟转子惯量J根据|f—50|和df|dt与设定阈值的大小关系而改变，采用式(1)表示，参考频率为50Hz：

其中，J₀表示系统不发生功率振荡的转子惯量的初始值，k_f表示J的调节系数，

虚拟同步发电机的虚拟阻尼D的数值大小根据|f—50|和df|dt与设定阈值的大小关系而改变，采用式(2)表示：

其中，D₀表示系统不发生功率振荡的阻尼的初始值，k_d表示D的调节系数，

在多VSG组网运行中，当本地负载出现扰动时，频率会随功率的变化发生改变。S2中对将负荷扰动分为三种情况：负荷小扰动、负荷大扰动、扰动结束。设置小扰动和大扰动区别是看是否频率偏移超过0.3Hz。超过为大扰动情况，反之亦然。扰动的频率变化上限为K，首先比较|f-50|与0.3Hz的关系，当小于这个值时，采用恒惯性控制。当大于这个值时，采用所提的自适应惯性控制策略，此时的惯性大小与频率的变化率、自适应惯性系数k_f有关。某时刻扰动结束后，频率达到恢复阶段，此时频率变化率小于零，需要系统最快达到工频，即J＝J₀，此时采用的是恒惯性控制，阻尼采用自适应控制。

根据所分的三个阶段对阻尼和惯性自适应控制策略：

S3、利用得到的电角度和虚拟电动势的幅值合成三相调制波电流；

S4、将三相调制波电流经过电压电流双环控制器调节后，通过PWM发生器调节系统的输出电压电流。

有功频率控制输出的电角度θ和无功电压控制输出的电压幅值U合成VSG输出的三相电压一起输入到逆变器电压电流控制环里。

如图5所示，电压环和电流环采用PI控制器，能够更好稳定电压电流。由双环控制器输出三相调制波，最后经过PWM调制输出来控制系统的驱动电路。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、采集得到虚拟同步发电机的频率偏差和频率变化率；

S2、通过虚拟同步发电机的有功功率与频率的关系得到新的电角度；

S3、利用得到的电角度和虚拟电动势的幅值合成三相调制波电流；

S4、将三相调制波电流经过电压电流双环控制器调节后，通过PWM发生器调节系统的输出电压电流。

2.如权利要求1所述的多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法，其特征在于，所述S2中，有功功率与频率的关系采用式(1)表示：

其中，ω₀为额定角速度，ω为实际角速度，P_m、系统的虚拟机械功率，P_e为系统的虚拟电磁功率，δ为功角，k为调速器系数。

3.如权利要求2所述的多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法，其特征在于，所述S2中，虚拟同步发电机的虚拟转子惯量J根据|f—50|和df|dt与设定阈值的大小关系而改变，采用式(1)表示：

其中，J₀表示系统不发生功率振荡的转子惯量的初始值，k_f表示J的调节系数，虚拟同步发电机的虚拟阻尼D的数值大小根据|f—50|和df|dt与设定阈值的大小关系而改变，采用式(2)表示：

其中，D₀表示系统不发生功率振荡的阻尼的初始值，k_d表示D的调节系数，