CN109861285A - 一种具有延时开关特性的多vsg微电网频率恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，在虚拟同步机有功频率控制环节中加入积分特性的模块，改进虚拟同步机的频率特性，实现频率无差控制，随后计算虚拟同步机一二次频率控制所需的时间，并据此确定延时时间参数，再根据积分系数K _i在不同时段的动态变化，调整各VSG的惯量系数J，实现微电网一二次频率控制的解耦，做到频率恢复，整个方法过程不依赖通信，在保证功率均分的前提下消除微电网稳态频率误差，维持微电网系统稳定。

Description

一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法

所属领域

本发明涉及电力系统微电网频率控制领域，具体涉及一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法。

背景技术

近年来，能源问题日益严峻，为了解决这一危机，新能源发电技术得到了广泛地推广和应用。微电网作为分布式能源消纳的主要手段，是近期研究的热点，与传统大电网相比，微电网主要以静止的逆变器元件作为功率接口，系统内惯量和阻尼较小，频率稳定性较差，在孤岛模式下很容易受到外界扰动导致无法稳定运行，而虚拟同步机(virtualsynchronous generator,VSG)技术正是为解决上述问题提供了新的思路。

VSG控制策略主要运用于分布式电源带储能的分布式发电系统中,基本思想是在控制算法中加入模拟同步电机转子运动的环节即惯量与阻尼环节，使得分布式发电系统带有惯量和阻尼，对外可以呈现同步电机类似的特性，从而提高了系统的频率稳定性。

VSG作为微电网内的频率支撑单元，理论上应具备系统一二次频率控制的能力，但常规VSG控制策略只模拟了同步电机的一次调频控制(primary frequency control,PFC)，本质上仍是有差控制。因此，设计适合VSG的二次频率控制器(secondary frequencycontrol,SFC)，是消除系统的稳态频率误差，提高系统的频率稳定性以及保证供电质量的重要举措。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，在虚拟同步机有功频率控制环节中加入积分特性的模块，改进虚拟同步机的频率特性，实现频率无差控制，随后计算虚拟同步机一二次频率控制所需的时间，根据两次频率控制时间确定延时时间参数，再根据积分系数K_i在不同时段的动态变化，调整各VSG的惯量系数J，实现微电网一二次频率控制的解耦，做到频率恢复，整个方法过程不依赖通信，在保证功率均分的前提下消除微电网稳态频率误差，维持微电网系统稳定。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，包括以下步骤：

S1，在虚拟同步机有功频率控制环节中加入积分特性的模块，改进虚拟同步机的频率特性，实现频率无差控制；

S2，计算虚拟同步机一二次频率控制所需的时间，并据此确定延时时间参数；

S3，在不同时段内调整积分系数K_i，实现微电网一二次频率控制的解耦，同时调整各VSG的惯量系数J，实现频率恢复。

作为本发明的一种改进，所述步骤S1进一步包括：

S11，确定典型VSG的功频传递函数在s域的表达式为：

其中，J为转动惯量；ω₀是网侧额定频率；D为阻尼系数；K_ω是有功下垂系数；

S12，在有功控制环加入积分特性的模块来实现频率无差控制，所述模块的功频传递函数变化为：

其中，K_i为积分系数。

作为本发明的一种改进，所述步骤S11中的有功下垂系数K_ω，与VSG本身的功率容量成正比。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S11中典型VSG有功频率控制方程由下垂方程和转子运动方程组成：

其中，P_m是VSG的机械功率；P_e是电磁功率；P₀是额定功率；ω是实际运行频率。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S2中，针对虚拟同步机一次频率控制确定的延时时间参数Δt₁需满足：

Δt₁≥max{T_s1,T_s2,···,T_si,···,T_sn}

其中，T_si是第i个VSG进入稳态的时间；n为系统内部VSG的数量。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S2中，针对虚拟同步机二次频率控制确定的延时时间参数Δt₂需满足：

其中，设置稳态允许误差值为初始误差的±％2。

作为本发明的更进一步改进，所述步骤S3中积分系数K_i和各VSG的惯量系数J满足下式：

其中，t₁时刻系统负荷突变；t₁至t₂时段是系统一次频率控制阶段；t₂时刻系统内所有VSG完成频率一次控制，实现输出功率按比例分配，同时投入频率恢复模块；t₂至t₃时段为频率恢复控制期；t₃时刻之后，频率保持额定值，系统恢复稳定运行。

与现有技术相比，本发明专利的有益效果：

1、本方法消除系统的稳态频率误差，提高系统的频率稳定性以及保证供电质量的重要举措；

2、本发明考虑设置延时参数，使得微电网中虚拟同步机的一二次频率控制作用于不同时间段，实现了VSG一二次控制的解耦，在保证各VSG输出功率按比例分配的前提下实现了系统频率的恢复；

3、本发明方法过程不依赖于通信，在纯分散式系统架构下即可实现控制目标，具有较高的可靠性和稳定性；

4、本发明方法步骤流程简单便捷，本领域技术人员可迅速上手，没有使用负担，适用范围广泛，可扩展性强。

附图说明

图1是本发明方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例的仿真算例示意图；

图3是本发明实施例的积分系数变化图及惯量系数变化图；

图4是本发明实施例1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

一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1，在虚拟同步机有功频率控制环节中加入积分特性的模块，改进虚拟同步机的频率特性，实现频率无差控制；如图2所示，图2是本发明实时例的仿真算例示意图，孤岛微电网中包含两个VSG连接在同一条交流母线上，每个VSG都采用本方法进行频率控制，其中典型VSG有功频率控制方程由下垂方程和转子运动方程组成：

其中，P_m是VSG的机械功率，P_e是电磁功率，P₀是额定功率，J为转动惯量，D为阻尼系数，ω₀是网侧额定频率，ω是实际运行频率，K_ω是的下垂系数。

根据上式可得典型VSG的功频传递函数在s域的表达式为：

在有功控制环加入积分特性的模块来实现频率无差控制，功频传递函数变化为：

其中，K_i为积分系数。

由式(4)可知当系统负荷波动时，其频率稳态值会保持额定值不变。

S2，计算虚拟同步机一二次频率控制所需的时间，并据此确定延时时间参数；

此处设置延时参数，使得微电网中虚拟同步机的一二次频率控制作用于不同时间段，如果仅仅利用纯积分模块来实现频率恢复存在一系列的问题，因为系统的一二次频率控制存在耦合现象，VSG作为一次控制其动态响应速度较慢，实际运行过程中频率恢复在一次控制未结束之前动作，无法充分发挥VSG惯量支撑作用，积分器具有误差累积的缺陷，可能会破坏微电网内分布式电源的出力分配，严重时会造成系统失稳，因此考虑设置延时参数，使得一二次频率控制作用于不同时间段，通过设计合适的延时时间参数，实现了VSG一二次控制的解耦，在保证各VSG输出功率按比例分配的前提下实现了系统频率的恢复。

首先，假设系统t₁时刻负荷变化，在VSG一次频率控制作用下，VSG输出频率变化满足式(1)所示关系，因此可等效为一阶延时环节，时间常数为：

当设置稳态允许误差为初始误差的±％2时，一阶系统到达稳态的时间T_s＝4T，实际过程中由于多VSG之间的耦合作用可能需要更长的调节时间，这里设置T_s＝10T。

在系统负荷变化时的动态过程中，第i个VSG进入稳态的时间为T_si，所以设置延时时间Δt₁比系统内最大的T_s大即可，如下式所示：

Δt₁≥max{T_s1,T_s2,···,T_si,···,T_sn} (6)

其中，n为系统内部VSG的数量。

系统在Δt₁时间之内完成一次控制，实现各VSG的功率分配。t₂时刻加入积分模块，在不改变各VSG的输出功率的前提之下进行频率二次恢复。假设t＝t₂时刻系统的频率差为C，频率恢复过程中在时域上各VSG下式所示关系：

当设置稳态允许误差为初始误差的±％2时，所需时间为：

由于各VSG的积分系数相同，因此只需设置Δt₂>T_c即可。

S3，在不同时段内调整积分系数K_i，实现微电网一二次频率控制的解耦，同时调整各VSG的惯量系数J，实现频率恢复。

如图3所示,以系统负荷突增为例，当t＝t₁时刻微网中负荷突增，系统频率降低，微电网内各VSG的一次调频开始作用，输出频率在VSG的惯量作用之下缓慢下降，给有功功率响应提供充足的时间，同时保证各VSG输出功率按容量比例分配；经过Δt₁时间即t＝t₂时刻，系统内所有VSG达到稳态，而频率出现偏差，此时各VSG投入频率恢复控制模块，积分系数K_i由0变化至K_imax，与此同时，各VSG减小自身的惯量系数J，从而提高系统的稳定性；经过Δt₂时间即t＝t₃时刻VSG输出频率恢复额定值，此时切除频率恢复模块，积分系数K_i由K_imax变化至0，同时各VSG恢复正常的惯量系数J，提高对系统频率的支撑能力；

所以积分系数K_i和各VSG的惯量系数J满足下式：

图4是本发明实施例仿真结果，初始时刻VSG1、VSG2均运行在额定模式，t＝6s时负荷突增10kW，Δt₁时间之后二次频率控制作用，假定该时刻VSG1的积分环节引入了误差量，1s之后误差量消失；t＝12s时系统负荷又增加5kW，仿真结果如图4所示。第一次负荷变化时，由于误差量的影响，VSG之间的功率分配不均；第二次负荷变化时，由于积分参数K_i归零，上一次引入的积分误差被消除，稳态时系统的频率恢复额定值，同时，各VSG的输出功率恢复均分。由此可见，所提控制方法可以避免纯积分模块带来的误差累计效果，提高了控制系统的准确性和鲁棒性。

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 (7)

1.一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在虚拟同步机有功频率控制环节中加入积分特性的模块，改进虚拟同步机的频率特性，实现频率无差控制；

S2，计算虚拟同步机一二次频率控制所需的时间，并据此确定延时时间参数；

S3，在不同时段内调整积分系数K_i，实现微电网一二次频率控制的解耦，同时调整各VSG的惯量系数J，实现频率恢复。

2.如权利要求1所述的一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，其特征在于所述步骤S1进一步包括：

S11，确定典型VSG的功频传递函数在s域的表达式为：

其中，J为转动惯量；ω₀是网侧额定频率；D为阻尼系数；K_ω是有功下垂系数；

S12，在有功控制环加入积分特性的模块来实现频率无差控制，所述模块的功频传递函数变化为：

其中，K_i为积分系数。

3.如权利要求2所述的一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，其特征在于所述步骤S11中的有功下垂系数K_ω，与VSG本身的功率容量成正比。

4.如权利要求2所述的一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，其特征在于所述步骤S11中典型VSG有功频率控制方程由下垂方程和转子运动方程组成：

其中，P_m是VSG的机械功率；P_e是电磁功率；P₀是额定功率；ω是实际运行频率。

5.如权利要求1所述的一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，其特征在于所述步骤S2中，针对虚拟同步机一次频率控制确定的延时时间参数Δt₁需满足：

Δt₁≥max{T_s1,T_s2,···,T_si,···,T_sn}

其中，T_si是第i个VSG进入稳态的时间；n为系统内部VSG的数量。

6.如权利要求1所述的一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，其特征在于所述步骤S2中，针对虚拟同步机二次频率控制确定的延时时间参数Δt₂需满足：

其中，设置稳态允许误差值为初始误差的±％2。

7.如上述任一权利要求所述的一种具有延时开关特性的多VSG微电网频率恢复控制方法，其特征在于所述步骤S3中积分系数K_i和各VSG的惯量系数J满足下式：

其中，t₁时刻系统负荷突变；t₁至t₂时段是系统一次频率控制阶段；t₂时刻系统内所有VSG完成频率一次控制，实现输出功率按比例分配，同时投入频率恢复模块；t₂至t₃时段为频率恢复控制期；t₃时刻之后，频率保持额定值，系统恢复稳定运行。