CN110011354A - 一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，包括：储能装置侧控制模块、功率给定模块、输出调制模块。功率给定模块用于计算输出至VSG算法的功率给定，可在无需参数设计的基础上迅速完成交流母线调频调压，抑制系统在脱网瞬间的功率失衡现象，输出调制模块用以辅助系统在不对称负荷运行环境中隔离故障相，改进输出电压波形对称度。本发明能有效限制下垂特性响应区间、精确调节电压波形、在多参数同时突变时维持输出电压稳定、在不对称负荷下隔离故障相等，有助于抑制暂态不平衡功率，提高稳态电压自治能力，为交流母线的电能质量提供可靠保障。
Description
技术领域
本发明属于分布式发电微网技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的快速调压方法。
背景技术
虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术借鉴同步发电机(Synchronous Generator,SG)对电网天然友好的优势，使得并网逆变装置具有类似SG的运行特性，则能够帮助接入电网的电源和负荷追踪“同步”电网的能力，自主参与电网的运行和管理，并在电网电压/频率、有功/无功异常情况下做出相应的响应，具备与SG类似的运行机制，实现分布式电源友好接入的同时提高电力系统稳定性。但在实际工程应用中分布式微网系统通常接于配电网及其末端，运行时易受到电网状态的诸多影响，尤其在高渗透率的弱电网中，更会相对频繁地遇到如电网扰动或故障引起的并网点电压跌落、电网设备故障及工作人员误操作引起的供电中断、计划维护和不可控自然灾害等情况所引起的配电网断电等诸多工况，因此VSG算法必须具备在电网故障下运行的能力。
当系统脱网时，交流母线处电压波形由逆变器直接控制。虽然VSG算法具备离网运行能力，能够按照设定的P-f和Q-V下垂特性调节输出电压的幅值、频率和输出有功、无功，但是在暂态过程中容易发生引起输出电压冲击和畸变，当风速与负荷突变幅度过大时也容易造成电压频率或幅值偏移过大而超出电能质量要求，且广泛采用的三相三线制逆变器系统在发生不对称故障时隔离故障相、维持非故障持续运行的能力较弱。当面临多种扰动和参数突变时，系统更需具备较好的自治运行与自主调节能力，以在复杂工况下维持系统稳定，改善输出电能质量。
目前，通常采用虚拟惯性方法和二次调频方法，但虚拟惯性算法响应缓慢，与桨距角控制、最大风能追踪控制偶合，稳态风能利用率较低；二次调频方法主要用于单位功率因素下促进有功平衡，对于无功调节和电压幅值调节能力有限。如何实现在多种参数未知变化下可靠实现频率和电压的快速调控是促进微网稳定、保障供电质量、提高孤岛自治能力的必然需求，也是亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。
发明内容
本发明针对孤岛运行多重扰动下的电压稳定性问题，虚拟惯性算法响应缓慢，与桨距角控制、最大风能追踪控制偶合，稳态风能利用率较低的缺陷，提出了一种VSG算法的快速调压方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种VSG算法的快速调压系统，所述方法的主电路包括：风轮机、发电机、不控整流桥、滤波电容、电机侧DC/AC变换器、DC/DC变换器、储能装置、直流母线、电网侧DC/AC变换器、LCL滤波器、交流母线、PCC、SG、电网、本地负荷。
进一步的，主电路结构为：风轮机与发电机、不控整流桥、滤波电容、直流母线依次电连接，电机侧DC/AC变换器与发电机电连接，储能装置与DC/DC变换器、滤波电容、直流母线电连接，直流母线与滤波电容、电网侧DC/AC变换器、LCL滤波器、交流母线、PCC、SG、电网电连接，交流母线与本地负荷电连接。
将储能装置侧控制模块设置在直流母线和DC/DC变换器之间，用于同时完成储能和惯性支撑；将功率给定模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和交流母线之间，用于抑制系统在暂态的功率失衡；将输出调制模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和DC/AC变换器之间，用于在不对称运行工况中隔离故障相，改进输出电压波形对称度。
进一步的，电机侧DC/AC变换器中的发电机侧控制算法可采用现有研究成果中的相应算法，电网侧DC/AC变换器中的并网逆变器侧控制算法采用VSG算法。
所述VSG算法的控制结构为：采样交流母线电压vabc和交流母线电流iabc，计算基波有功功率P和基波无功功率Q，有功给定P*与开关SW4、有功下垂系数Dp支路、K1/s和开关SW1支路之和并与P做差后与有功环惯性系数J乘额定角速度ω*的倒数求积分，一方面与ω*求差后接入Dp和K1/s支路，另一方面与开关SW3、相角调节器PI、电网电压相角θg和交流母线电压相角θ之差支路求和得VSG角速度ωm，积分后得VSG相角θm；用vabc计算出电压幅值V后与额定电压幅值V*做差，一方面乘无功下垂系数Dq，另一方面与K2/s和开关SW2支路连接，Dq支路、SW2支路、功率给定Q*和开关SW5支路加和并与Q做差后除以无功环惯性系数K并求积分得到VSG电势Em；将θm和Em合成三相调制波um。
进一步的，上述开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5用于预同步调节过程以实现并网，其中预同步调节时SW1、SW2、SW3闭合且SW4、SW5打开；当系统并网瞬间，SW1、SW2、SW3打开且SW4、SW5闭合。
另一方面，本发明提供了一种基于VSG算法的快速调压方法，所述方法包括以下步骤：采用储能装置侧控制模块设置在直流母线和DC/DC变换器之间，用以同时完成储能和惯性支撑，避免在复杂工况下产生逻辑错误，然后构造功率给定模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和交流母线之间，用以抑制系统在暂态的功率失衡现象，提高系统在多重扰动环境中的稳态自治能力，最后构造输出调制模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和DC/AC变换器之间，用以在不对称运行工况中隔离故障相，改进输出电压波形对称度。
进一步的，所述储能装置侧控制模块用于促进主电路功率平衡，其结构为：采样交流母线电压vabc和交流母线电流iabc以计算瞬时功率P，减去风轮机输入机械功率Pm乘发电机效率ηg所得功率差ΔP经过低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)乘开关S3，一方面经过开关S1除以储能装置电压usc加储能装置电流isc，依次经过开关S2、开关S3、(PI)1控制器、PWM调制、开关S4、开关S3后输出buck模式开关信号；另一方面经过开关S1除以usc减去isc，依次经过开关S2、开关S3、(PI)2控制器、PWM调制、开关S4、开关S3后输出boost模式开关信号。
进一步的，在开关S1处设置一个功率阈值，限制风机组转子动能变化范围，避免风机组出现飞车或停机；开关S2用于屏蔽当前模式的计算量对另一模式PI环节的影响；开关S3用于在未接入储能装置时屏蔽计算量对储能装置控制算法的影响；开关S4用于单独输出当前模式的控制信号。
进一步的，所述功率给定模块用于计算输出至VSG算法的功率给定，其结构为：以频率差|ω*-ω|乘孤岛信号Island为判断依据，若大于设定值Δω*则输出有功补偿量ΔPe与Pmηg之和乘稳定运行信号Stable，否则输出Pmηg乘Stable；以电压幅值差|V*-V|乘Island为判断依据，若大于设定值△V*则输出无功补偿量ΔQe乘Stable，否则输出0。
进一步地，所述有功补偿量ΔPe为
式中，Psc为储能装置输出功率。
进一步地，所述无功补偿量ΔQe为
进一步的，所述输出调制模块用于在发生不对称故障时隔离故障相，其结构为：额定电流幅值I*除以iabc的幅值I后限幅，减去交流母线A相电压ua除以A相电流ia乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成A相调制波uma；同理，I减去交流母线B相电压ub除以B相电流ib乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成B相调制波umb；同理，I减去交流母线C相电压uc除以C相电流ic乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成C相调制波umc。
本发明有益效果：本发明能有效限制下垂特性响应区间、精确调节电压波形、在多参数同时突变时维持输出电压稳定、在不对称负荷下隔离故障相等，有助于抑制暂态不平衡功率，提高稳态电压自治能力，为交流母线的电能质量提供可靠保障，为探索基于VSG算法的风电机组微网运行整体控制策略、拓展风电场对源-网-荷系统稳定性和电压调节的贡献打下坚实基础。
附图说明
图1为本发明的基于VSG算法的微网基本结构框图；
图2为本发明的VSG算法具体控制框图；
图3为本发明的储能装置侧控制模块框图；
图4为本发明的功率给定模块框图；
图5为本发明的输出调制模块框图；
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VSG算法的快速调压系统。下面结合图1至图2对本实施例提供的系统进行详细说明。
参见图1，一种基于VSG算法的快速调压系统，所述系统的主电路包括：风轮机、发电机、不控整流桥、滤波电容、电机侧DC/AC变换器、DC/DC变换器、储能装置、直流母线、电网侧DC/AC变换器、LCL滤波器、交流母线、PCC、SG、电网、本地负荷。拓扑结构为：风轮机与发电机、不控整流桥、滤波电容、直流母线依次电连接，电机侧DC/AC变换器与发电机电连接，储能装置与DC/DC变换器、滤波电容、直流母线电连接，直流母线与滤波电容、电网侧DC/AC变换器、LCL滤波器、交流母线、PCC、SG、电网电连接，交流母线与本地负荷电连接；
所述电机侧DC/AC变换器中的发电机侧控制算法可采用现有研究成果中的相应算法，电网侧DC/AC变换器中的并网逆变器侧控制算法采用VSG算法。
参见图2，所述VSG算法的控制结构为：采样交流母线电压vabc和交流母线电流iabc，计算基波有功功率P和基波无功功率Q，有功给定P*与开关SW4、有功下垂系数Dp支路、K1/s和开关SW1支路之和并与P做差后与有功环惯性系数J乘额定角速度ω*的倒数求积分，一方面与ω*求差后接入Dp和K1/s支路，另一方面与开关SW3、相角调节器PI、电网电压相角θg和交流母线电压相角θ之差支路求和得VSG角速度ωm，积分后得VSG相角θm；用vabc计算出电压幅值V后与额定电压幅值V*做差，一方面乘无功下垂系数Dq，另一方面与K2/s和开关SW2支路连接，Dq支路、SW2支路、功率给定Q*和开关SW5支路加和并与Q做差后除以无功环惯性系数K并求积分得到VSG电势Em；将θm和Em合成三相调制波um。其中，上述开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5用于预同步调节过程以实现并网，其中预同步调节时SW1、SW2、SW3闭合且SW4、SW5打开；当系统并网瞬间，SW1、SW2、SW3打开且SW4、SW5闭合。
可见，所述VSG算法的数学模型为
实施例2、一种基于虚拟同步发电机的孤岛检测方法。下面结合图3至图5对本实施例提供的方法进行详细说明。
参见图3至图5，一种基于VSG算法的快速调压方法，所述方法包括以下步骤：采用储能装置侧控制模块设置在直流母线和DC/DC变换器之间，用以同时完成储能和惯性支撑，避免在复杂工况下产生逻辑错误，然后构造功率给定模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和交流母线之间，用以抑制系统在暂态的功率失衡现象，提高系统在多重扰动环境中的稳态自治能力，最后构造输出调制模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和DC/AC变换器之间，用以在不对称运行工况中隔离故障相，改进输出电压波形对称度。
参见图3，所述储能装置侧控制模块用于促进主电路功率平衡，其结构为：采样交流母线电压vabc和交流母线电流iabc以计算瞬时功率P，减去风轮机输入机械功率Pm乘发电机效率ηg所得功率差ΔP经过低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)乘开关S3，一方面经过开关S1除以储能装置电压usc加储能装置电流isc，依次经过开关S2、开关S3、(PI)1控制器、PWM调制、开关S4、开关S3后输出buck模式开关信号；另一方面经过开关S1除以usc减去isc，依次经过开关S2、开关S3、(PI)2控制器、PWM调制、开关S4、开关S3后输出boost模式开关信号。
在开关S1处设置一个功率阈值，限制风机组转子动能变化范围，避免风机组出现飞车或停机；开关S2用于屏蔽当前模式的计算量对另一模式PI环节的影响；开关S3用于在未接入储能装置时屏蔽计算量对储能装置控制算法的影响；开关S4用于单独输出当前模式的控制信号。
参见图4，所述功率给定模块用于计算输出至VSG算法的功率给定，其结构为：以频率差|ω*-ω|乘孤岛信号Island为判断依据，若大于设定值Δω*则输出有功补偿量ΔPe与Pmηg之和乘稳定运行信号Stable，否则输出Pmηg乘Stable；以电压幅值差|V*-V|乘Island为判断依据，若大于设定值△V*则输出无功补偿量ΔQe乘Stable，否则输出0。
所述有功补偿量ΔPe为
式中，Psc为储能装置输出功率。
所述无功补偿量ΔQe为
参见图5，所述输出调制模块用于在发生不对称故障时隔离故障相，其结构为：额定电流幅值I*除以iabc的幅值I后限幅，减去交流母线A相电压ua除以A相电流ia乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成A相调制波uma；同理，I减去交流母线B相电压ub除以B相电流ib乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成B相调制波umb；同理，I减去交流母线C相电压uc除以C相电流ic乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成C相调制波umc。
本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的快速调压方法，包括：储能装置侧控制模块、功率给定模块、输出调制模块。储能装置侧控制模块用于促进主电路功率平衡，防止在复杂工况下产生逻辑错误，增强电压调节的精确性和灵活性；功率给定模块用于计算输出至VSG算法的功率给定，可在无需参数设计的基础上迅速完成交流母线调频调压，抑制系统在脱网瞬间的功率失衡现象，提高系统在多重扰动环境中的稳态自治能力，可有效应对风速突变和交流负荷对称突变给SG或电网造成的负担；输出调制模块用以辅助系统在不对称负荷运行环境中隔离故障相，改进输出电压波形对称度。本发明能有效限制下垂特性响应区间、精确调节电压波形、在多参数同时突变时维持输出电压稳定、在不对称负荷下隔离故障相等，有助于抑制暂态不平衡功率，提高稳态电压自治能力，为交流母线的电能质量提供可靠保障。
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)
1.一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，快速调压系统的主电路包括：风轮机、发电机、不控整流桥、滤波电容、电机侧DC/AC变换器、DC/DC变换器、储能装置、直流母线、电网侧DC/AC变换器、LCL滤波器、交流母线、PCC、SG、电网、本地负荷；风轮机与发电机、不控整流桥、滤波电容、直流母线依次电连接，电机侧DC/AC变换器与发电机电连接，储能装置与DC/DC变换器、滤波电容、直流母线电连接，直流母线与滤波电容、电网侧DC/AC变换器、LCL滤波器、交流母线、PCC、SG、电网电连接，交流母线与本地负荷电连接；其特征在于，
将储能装置侧控制模块设置在直流母线和DC/DC变换器之间，用于同时完成储能和惯性支撑；将功率给定模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和交流母线之间，用于抑制系统在暂态的功率失衡；将输出调制模块设置在并网逆变器侧控制算法模块和DC/AC变换器之间，用于在不对称运行工况中隔离故障相，改进输出电压波形对称度。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，其特征在于，所述储能装置侧控制模块为：采样交流母线电压vabc和交流母线电流iabc以计算瞬时功率P，减去风轮机输入机械功率Pm乘发电机效率ηg所得功率差ΔP经过低通滤波器乘开关S3，一方面经过开关S1除以储能装置电压usc加储能装置电流isc，依次经过开关S2、开关S3、(PI)1控制器、PWM调制、开关S4、开关S3后输出buck模式开关信号；另一方面经过开关S1除以usc减去isc，依次经过开关S2、开关S3、(PI)2控制器、PWM调制、开关S4、开关S3后输出boost模式开关信号。
3.如权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，其特征在于，所述的开关S1、S2、S3、S4，在开关S1处设置一个功率阈值，限制风机组转子动能变化范围，避免风机组出现飞车或停机；开关S2用于屏蔽当前模式的计算量对另一模式PI环节的影响；开关S3用于在未接入储能装置时屏蔽计算量对储能装置控制算法的影响；开关S4用于单独输出当前模式的控制信号。
4.如权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，其特征在于，所述的功率给定模块为：采样交流母线电压角频率ω、交流母线电压幅值V，根据额定角速度ω*、额定电压幅值V*以频率差|ω*-ω|乘孤岛信号Island为判断依据，若大于设定值Δω*则输出有功补偿量ΔPe与Pmηg之和乘稳定运行信号Stable，否则输出Pmηg乘Stable；以电压幅值差|V*-V|乘Island为判断依据，若大于设定值ΔV*则输出无功补偿量ΔQe乘Stable，否则输出0。
5.如权利要求4所述的一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，其特征在于，所述的有功补偿量ΔPe为：
式中，Psc为储能装置输出功率，Q为基波无功功率。
6.如权利要求4所述的一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，其特征在于，所述的无功补偿量ΔQe为：
7.如权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，其特征在于，所述的输出调制模块为：额定电流幅值I*除以iabc的幅值I后限幅，减去交流母线A相电压ua除以A相电流ia乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成A相调制波uma；同理，I减去交流母线B相电压ub除以B相电流ib乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成B相调制波umb；同理，I减去交流母线C相电压uc除以C相电流ic乘以额定阻抗Z*后经PI环节乘Stable后合成C相调制波umc。
8.如权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的快速调压系统的方法，其特征在于，电网侧DC/AC变换器中的并网逆变器侧控制算法采用常规VSG算法。
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2019
- 2019-03-19 CN CN201910209461.2A patent/CN110011354A/zh active Pending
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