CN109687482B - 面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利公开了一种面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，首先根据本地虚拟同步机模型得到虚拟同步机的输出频率，将相邻两个虚拟同步机进行信息交互，得到各相邻虚拟同步机间的输出频率，并求取相邻VSG平均输出频率，再求取互阻尼项并加入有功频率控制回路中，最终使得各VSG的输出频率时刻趋于一致，有效抑制频率振荡，在提高系统频率稳定性的同时尽量减少了功率振荡，更加符合实际需求，实用性更高。

Description

面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法
所属领域
本发明涉及电力系统微电网频率控制领域，具体涉及一种面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法。
背景技术
为了应对日益严峻的能源危机，以可再生能源为主的分布式发电技术得到了越来越广泛的关注，以逆变器为并网接口的分布式电源由于缺乏必要的惯量，频率稳定性较差，会影响大电网稳定运行；此外，微电网和大电网相比分布式电源渗透率高，更容易收到外界扰动而失去稳定运行能力。
虚拟同步机控制策略(virtual synchronous generator,VSG)的基本原理是通过在控制中加入同步电机的摇摆方程来模拟同步电机(synchronous generator,SG)的暂态特性，从而使分布式发电系统带有惯量和阻尼特性，提高了系统的频率稳定性，被广泛的应用于分布式电源并网控制。然而，VSG技术不可避免地引入了SG的转子振荡特性，特别当多VSG并联运行时在扰动下很容易引发功率振荡。因此，如何合理有效地抑制VSG运行时的功率振荡是VSG推广应用必须攻克的难题，具有很重要的研究价值和意义。
发明内容
本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，首先根据本地虚拟同步机模型得到虚拟同步机的输出频率，将相邻两个虚拟同步机进行信息交互，得到各相邻虚拟同步机间的输出频率，并求取相邻VSG平均输出频率，再求取互阻尼项并加入有功频率控制回路中，最终使得各VSG的输出频率时刻趋于一致，有效抑制频率振荡，在提高系统频率稳定性的同时尽量减少了功率振荡，更加符合实际需求，实用性更高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，包括以下步骤：
S1，根据本地虚拟同步机模型得到虚拟同步机的输出频率；
S2，将相邻两个虚拟同步机进行信息交互，得到各相邻虚拟同步机间的输出频率；
S3，根据步骤S2求得的所有相邻虚拟同步机的输出频率，求取相邻虚拟同步机间的平均输出频率；
S4，根据步骤S3所得平均输出频率计算互阻尼项；
S5，在虚拟同步机有功频率控制回路中加入互阻尼项，使得各虚拟同步机的输出频率时刻趋于一致。
作为本发明的一种改进，所述步骤S1进一步包括：
S11，单台虚拟同步机的有功频率控制模型如下：
Figure GDA0003069038760000021
式中，Pm、Pe分别是虚拟同步机的机械功率和电磁功率；P0、ω0分别是虚拟同步机工作在额定工况下的机械功率以及角速度；D、J分别是虚拟同步机的阻尼系数和转动惯量；ω、ωg分别是虚拟同步机的角速度以及电网侧同步角速度；Kω是有功下垂系数；
S12，通过采样计算得到虚拟同步机的输出功率Pe；
S13，通过有功频率控制回路，计算得到虚拟同步机的输出频率ω。
作为本发明的另一种改进，所述步骤S4中，互阻尼项为：
Figure GDA0003069038760000022
其中，Dm是定义的互阻尼系数；Ω表示所有相邻的虚拟同步机的集合；j表示相邻虚拟同步机的编号；Xj表示相邻第j个虚拟同步机的输出频率；n是相邻虚拟同步机的个数。作为本发明的又一种改进，所述步骤S5中，得到改进后的转子运动方程如下式所示：
Figure GDA0003069038760000031
与现有技术相比，本发明专利的有益效果：
1、能够有效抑制有功频率振荡，大大缩短系统的暂态响应时间，改善系统的动态响应性能，提高系统的频率稳定性。
2、互阻尼项生成的方法简单，不需要额外增加测量单元，不需要复杂的计算即可实现。
3、仅需要VSG之间少量信息的分布式通信即可，且具有较大的通信时延裕度。
附图说明
图1是本发明方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例1改进的虚拟同步机模型图；
图3是本发明实施例2仿真算例示意图；
图4是本发明实施例2仿真结果示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，图如1所示，包括以下步骤：
S1，根据本地虚拟同步机模型得到虚拟同步机的输出频率；
S11，单台虚拟同步机的有功频率控制模型如下：
Figure GDA0003069038760000032
式中，Pm、Pe分别是虚拟同步机的机械功率和电磁功率；P0、ω0分别是虚拟同步机工作在额定工况下的机械功率以及角速度；D、J分别是虚拟同步机的阻尼系数和转动惯量；ω、ωg分别是虚拟同步机的角速度以及电网侧同步角速度；Kω是有功下垂系数；
S12，通过采样计算得到虚拟同步机的输出功率Pe；
S13，通过有功频率控制回路，计算得到虚拟同步机的输出频率ω。
S2，将相邻两个虚拟同步机进行信息交互，得到各相邻虚拟同步机间的输出频率；
单个VSG具有独立的控制器，与相邻的其他VSG进行信息交互，例如VSGi得到相邻的VSGi1、VSGi2…VSGin的输出频率Xi1、Xi2…Xin；
S3，根据步骤S2求得的所有相邻虚拟同步机的输出频率，求取相邻虚拟同步机间的平均输出频率，即计算得到VSGi邻居VSG的平均输出频率如下式所示：
Figure GDA0003069038760000041
S4，根据步骤S3所得平均输出频率计算互阻尼项，如图2所示，图2为本发明改进的虚拟同步机模型，在有功频率控制回路中加入了互阻尼项，所述阻尼项为：
Figure GDA0003069038760000042
其中，Dm是定义的互阻尼系数；Ω表示所有相邻的虚拟同步机的集合；n是相邻虚拟同步机的个数。
S5，在虚拟同步机转子运动方程中加入互阻尼项使得各VSG的输出频率时刻趋于一致，得到改进后的转子运动方程如下式所示：
Figure GDA0003069038760000043
其中，Dm是定义的互阻尼系数；Ω是所有相邻的VSG的集合；n是相邻VSG的个数，至此，有效抑制频率振荡，在提高系统频率稳定性的同时尽量减少了功率振荡，更加符合实际需求，实用性更高。
实施例2
面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，本实施例中，VSG设有n个：
S1，根据本地虚拟同步机模型得到虚拟同步机的输出频率；
S2，将相邻两个虚拟同步机进行信息交互，得到各相邻虚拟同步机间的输出频率Xi1、Xi2…Xin；
S3，根据所有相邻虚拟同步机间的输出频率，求取相邻虚拟同步机间的平均输出频率
Figure GDA0003069038760000051
S4，根据步骤S3所得平均输出频率计算互阻尼项
Figure GDA0003069038760000052
S5，在虚拟同步机有功频率控制回路中加入互阻尼项，使得各虚拟同步机的输出频率时刻趋于一致。
至此，如图3所示，为了验证所提方法的有效性和先进性，搭建了4台VSG并联运行的微电网仿真系统，并设置如下仿真工况：t＝0s时系统并网启动，由电网侧提供电压与频率支撑，VSG输出额定功率，系统频率维持在50Hz；t＝15s时，并网开关断开，微电网进入孤岛运行模式，系统出现功率缺额，各VSG根据有功下垂系数按比例进行增发；在20s～25s之间，系统负荷增加，各VSG相互协调维持系统的功率平衡。
如图4所示为仿真验证的结果，图4(a)是在典型VSG控制模式之下各VSG的输出频率波形，在系统工况变化的暂态过程会出现振荡，振荡过程长达1.2s；图4(b)是在所提方法下各VSG的输出频率波形，可以看出频率振荡得到明显抑制，系统在0.3s即达到稳态运行，动态性能得到明显地改善；图4(c)是运用所提方法，在给定通信延时下VSG1的输出频率波形，可以看出，当通信延时时间较小为50ms时，VSG1输出频率的暂态波动基本消失，动态响应性能仍然得到改善。当通信延时时间较大为200ms时，VSG1的响应速度明显变慢，系统到达稳态的时间为1.5s。通信时间为500ms时，系统到达稳态的时间为2.5s，同时，频率波形明显恶化，多次出现不连续的变化，但是系统仍然能恢复稳态运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据本地虚拟同步机模型得到虚拟同步机的输出频率；
S2，将相邻两个虚拟同步机进行信息交互，得到所有虚拟同步机中各相邻两个虚拟同步机间的输出频率；
S3，根据步骤S2求得的所有相邻虚拟同步机的输出频率，求取相邻虚拟同步机间的平均输出频率；
S4，根据步骤S3所得平均输出频率计算互阻尼项；
S5，在虚拟同步机有功频率控制回路中加入互阻尼项，使得各虚拟同步机的输出频率时刻趋于一致。
2.如权利要求1所述的面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，其特征在于所述步骤S1进一步包括：
S11，单台虚拟同步机的有功频率控制模型如下：
Figure FDA0003069038750000011
式中，Pm、Pe分别是虚拟同步机的机械功率和电磁功率；P0、ω0分别是虚拟同步机工作在额定工况下的机械功率以及角速度；D、J分别是虚拟同步机的阻尼系数和转动惯量；ω、ωg分别是虚拟同步机的角速度以及电网侧同步角速度；Kω是有功下垂系数；
S12，通过采样计算得到虚拟同步机的输出功率Pe；
S13，通过有功频率控制回路，计算得到虚拟同步机的输出频率ω。
3.如权利要求2所述的面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，其特征在于所述步骤S4中，互阻尼项为：
Figure FDA0003069038750000012
其中，Dm是定义的互阻尼系数；Ω表示所有相邻的虚拟同步机的集合；j表示相邻虚拟同步机的编号；Xj表示相邻第j个虚拟同步机的输出频率；n是相邻虚拟同步机的个数。
4.如权利要求3所述的面向多虚拟同步机微电网有功振荡阻尼控制方法，其特征在于所述步骤S5中，得到改进后的转子运动方程如下式所示：
Figure FDA0003069038750000021
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