CN110289644B - 一种基于虚拟同步发电机的微电网二次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于虚拟同步发电机的微电网二次调频控制方法，针对虚拟同步发电机一次调频的不足，将频率偏差引入PI控制器中实现系统系统误差调频，同时实现多虚拟同步发电机调频功率的均匀分配，并利用小信号模型分析PI参数对系统稳定的影响。

Description

一种基于虚拟同步发电机的微电网二次调频控制方法

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，更具体地，涉及基于虚拟同步发电机的微电网二次调频控制方法。

背景技术

微电网由分布式电源、储能装置、本地负荷及相关保护装置组成的中、低压小型配电网。微电网包括两种运行模式：联网运行模式和孤岛运行模式。联网运行模式下，微电网的频率和电压由大电网控制，并按照PQ控制策略实现有功功率和无功功率的指定输出。孤岛运行模式下，通过下垂控制策略，各微电源按下垂特性调节微电网的频率和电压。但该方法存在各运行模式之间切换失败的可能性。下垂控制相当于传统电网的一次调频，属于有差调节，无法使微电网的频率和电压恢复到并网时的额定值。

为了促进清洁能源的有效利用，实现逆变器的“友好”运行，近年来虚拟同步发电机控制技术受到了广泛的关注。但常规的虚拟同步发电机仅仅模拟了发电机的惯量、调频和调压特性，并没有发挥VSG二次调频控制的优势。当逆变器组网运行时，系统易受较大负荷变化而导致频率越限，不利于微电网的稳定运行。针对该问题，2013年第37期的《电力系统自动化》中《自适应调节下垂系数的微电网控制策略》一文针对不同负荷扰动下频率偏差过大问题，提出采用自适应调节下垂控制系数的方法，改善逆变器输出特性，减小稳态运行时的频率偏差。2017年第37期的《中国电机工程学报》中《基于同步逆变器的微电网二次调频策略及特性分析》一文中就二次调频问题，提出三种二次调频控制方法，并对二次调频特性进行了分析研究。2017年第33期的《电工技术学报》中《含多虚拟同步发电机的微电网二次调频策略》一文就多虚拟同步发电机的二次调频控制问题，提出将频率偏差量引入PI控制器，实现频率无静差，同时根据对等控制原则实现负荷的均匀分配。上述方法在一定程度上能够减少负荷波动对系统频率的影响，减小频率偏差，但在实现方法上较为复杂，缺少稳定性分析，不利于指导工程应用，且有些方法并不能真正实现频率的无静差。

因此如何能够简单有效的实现虚拟同步发电机的二次调频控制，提高微电网运行的稳定性、可靠性是本技术利于专家学者亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足和缺陷，提供一种。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于虚拟同步发电机的微电网二次调频控制方法，包括以下步骤：

S1、基于虚拟同步发电机的二阶模型

其中T_m为机械转矩，T_e为电磁转矩，得到虚拟同步发电机的频率增量与有功功率增量之间的关系为

其中ω₀为额定角频率，ω为输出角频率，P_ref为有功给定，P为输出有功，J为转动惯量，s为微分算子，D_p为阻尼调频系数；通过阻尼系数实现一次调频；

S2、在虚拟同步发电机功频控制环路的阻尼通道上引入PI控制器用于实现二次调频，虚拟同步发电机的频率增量与有功功率增量之间的关系为

其中k_p、k_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数；

S3、n台虚拟同步发电机并联运行时，每台虚拟同步发电机的频率偏差为

其中i＝1,2,…,n，D_pi、P_ref、P_i分别为第i台虚拟机阻尼系数、有功给定及输出有功，ΔP_i为经PI控制器输出的功率增量，通过阻尼系数设计使得负荷增量按各台虚拟同步发电机功率分摊具体为

S4、建立VSG小信号模型得到虚拟同步发电机有功功率输入、输出特性的传递函数

其中S_ei为微电网第i台虚拟同步发电机的有名值

其中α、u、Z分别为阻抗角、电网电压及输出阻抗，u_s、δ_s为系统稳定运行的平衡点。

进一步地，D_pi具体设定方法为

其中f％、P％为频率和功率变化百分比，P_ni、ω_n为第i台虚拟机额定有功和额定角频率。

更进一步地，在网络拓扑确定时，u_s、δ_s为常数。

本发明的有益效果为1、考虑到负载波动较大导致系统频率越限影响到微电网整体运行，在虚拟同步发电机功频电路中引入PI控制器，在PI控制作用下使得频率偏差恢复额定状态，从而使得增大功率抵消增加的负荷，实现虚拟同步发电机的无差调节；2、当多台虚拟同步发电机并联运行时，应用阻尼系数按各个虚拟同步发电机功率分摊负荷并各自进行二次调频确保微电网系统频率不越限，避免某台或某几台机组单独承担负荷增加量造成机组过载，同时仅仅依赖阻尼系数即可进行负荷分配不需要各机组互相通信，避免过多的通信线路；3、进一步推导虚拟同步发电机小信号模型，以整定PI控制器的控制参数，提高微电网稳定运行性能。

附图说明

图1为虚拟同步发电机电气拓扑结构；

图2为虚拟同步发电机控制结构框图；

图3为具有二次调频功能的虚拟同步发电机控制结构；

图4为虚拟同步发电机并联组网运行结构图；

图5为二次调频原理图；

图6为具有二次调频功能的VSG小信号模型；

图7为微电网二次调频整体控制图；

图8为PI控制参数k_i变化对虚拟同步发电机输出特性的影响曲线；

图9为PI控制参数k_p变化对虚拟同步发电机输出特性的影响曲线；

图10为第一类负荷波动时一、二次调频对应输出的频率曲线；

图11为第二类负荷波动时一、二次调频对应输出的频率曲线；

图12为第二类负荷波动时一、二次调对应输出的功率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为虚拟同步发电机电气图，其中U_dc为直流母线电压；e为内电势；i为定子电流；u为机端电压；L_s为定子电抗；C_f为滤波电容；三相自然坐标下，VSG数学方程为：

T_e＝M_fi_f<i,A> (2)

Q＝-ωM_fi_f<i,B> (3)

e＝ωM_fi_fA (4)

式(2)、(3)中<i、A>表示内积，且A、B为

VSG的频率控制通过转子运动方程来实现，其中将阻尼系数作为调差系数，以滤波电感等效为定子电抗。

有功-频率控制框图参见图2。由式(1)可得：

VSG频率控制是通过转子运动方程来实现的，并通过阻尼系数即可模拟发电机的一次调频。从式(5)中可以看出，虽然一次调频可以减小负荷波动带来的频率偏差，但并不能完全消除，属于有差调节。当频率偏差超过规定值(±0.2Hz或者±0.5Hz)时，则不能够满足系统运行要求，为保证微电网正常运行必须要进行二次调频。

由于二类负荷突增，引起微电网频率波动较大的情况，微电网二次调频策略具体为系统稳定运行时与O点，当二类负荷突然在增加时导致系统有功功率缺额，由于一次调频作用系统频率下降至ω'且低于频率下限ω_min，系统此时运行在O′点，当二次调频作用时系统增加有功频率增加运行于O″点，若增大功率能够完全抵消增加的功率，系统频率则可以恢复到额定频率。借鉴电力系统二次调频，若能使VSG功率变化量完全补偿负荷的增加，则可以实现频率的无差调节。因此通过在VSG频率调节中将频率偏差量引入PI控制器中，稳态时系统频率即可恢复到额定状态。那么式(5)则变为：

式(6)中k_p、k_i为PI控制器的比例和积分系数。

假设微电网系统中有n台VSG并联运行，D_pi、J_i、P_refi、P_i分别表示各个VSG的量，ΔP_i表示经PI调节器输出的功率增量。根据式(5)可以确定稳态运行时系统频率偏差为：

并联运行时，系统功频特性满足：

与一次调频相似，由于D_pi充当了一次调频系数，并联运行时，根据D_pi的不同即可实现VSG按自身额定功率的比例关系分摊负荷。二次调频中为了能够使VSG按各自功率分摊负荷，所以各VSG输出满足：

按照D_pi的设定方法：

式(10)中f％、P％为频率和功率变化百分比，根据式(10)可知，D_pi参数的选择满足式(9)，这样就很容易的使各个VSG根据自身容量大小参与系统二次调频。带有二次调频作用的VSG有功-频率控制框图参见图3。

按照上述控制策略，一方面可以实现VSG频率二次调节，确保逆变器输出频率不越限；另一方面在多机并联微电网中，在调频系数D_pi的约束下可以使各机组在参与二次调频时能够按照自身容量自动分摊负荷。微电网二次调频整体控制框图参见图6。

由于二次调频的加入改变了VSG的控制方程，借鉴电力系统发电机小信号模型分析法，具有二次调频的VSG小信号稳定分析模型参见图7。根据小信号分析模型，不难得到有功功率输入、输出特性的传递函数：

式(11)中Sei表示微电网中其中一台VSG同步功率的有名值：

式(12)中u_s、δ_s为系统稳定运行的平衡点，在网络拓扑确定的情况下，其值为常数。

由式(11)可见，具有二次调频功能的VSG的输入输出响应依然是一个典型的二阶系统，所以PI控制器的加入并没有改变VSG输出响应的系统类型。为了直观的反应PI参数对系统动态性能的影响，根据PI参数的不同，得到的VSG输出功率响应结果参见图8和图9，其中转动惯量J和阻尼系数D_p分别为0.203kg.m²、10.132：根据图8的响应曲线可以发现，PI控制器的加入会对VSG的动态性能造成影响。其中积分系数k_i的存在为系统提供了缺额功率，但同时也会使功率响应超调量增大；比例系数k_p影响相对较小，由图9可知，k_p会影响到系统的响应速度，同时也可以改善系统阻尼，降低系统震荡的风险，所以在选择PI参数要综合考虑上述因素。

下面结合Matalab/Simlink仿真和具体实验来验证本发明提供的控制方法的正确性，仿真参数为微电网电压为380V，直流母线电压为750V，微电网频率为50Hz，两台VSG转动惯量分别为0.203kg.m2、0.102kg.m2，阻尼系数分别为10.132、5.066，PI控制器参数分别为：k_p＝1、k_i＝2。

当系统出现第一类负荷波动时：在1s到2s间系统接入波动负荷，负荷波动大小为额定功率的10％，波动频率为0.1s。图10为一次调频和二次调频作用下的VSG输出频率曲线，从图中可以看出二次调频可以减小系统频率偏差，而一次调频则不能实现频率的无静差调节。

当微电网中有二类负荷扰动时：初始时刻负载功率为12kw，1s时突增负载10kw，3s时负荷切除，5s仿真结束。图11为一、二次调频作用下VSG输出频率曲线，图12为在下垂机制的控制下二次调频VSG输出频率曲线。从图11中可以看出二次调频作用下，系统具有较好的频率响应，且在稳态时能够保证频率的无差调节，但当负荷切除时，系统频率有较大超调。从图12中得出，在下垂机制的控制下，二次调频能够实现负荷的平均分配，且二次调频可通过频率偏差增加VSG出力以满足负荷增加微电网的稳定运行。

综上所述，本发明首先在三相自然坐标系下建立了VSG控制的数学模型，通过对一次调频的分析，指出其在第二类负荷扰动时的不足。进而在一次调频控制的基础之上将频率偏差量引入PI控制器中，实现了VSG的二次调频控制，保证微电网在较大负荷波动下依然能够稳定运行，其次为了避免单个或者微电网系统中部分VSG二次调频过载，根据对等控制的原则，通过对阻尼系数的分析指出：在多并联VSG运行中，可以通过阻尼系数实现各VSG共同承担系统增加的负荷；并通过小信号模型对PI参数的变化进行定向分析，指出参数对微电网运行稳定性的影响。最后进行了仿真验证，仿真验证了相关理论分析和所提出控制策略的正确性和有效性。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于虚拟同步发电机的微电网二次调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于虚拟同步发电机的二阶模型

其中T_m为机械转矩，T_e为电磁转矩，得到虚拟同步发电机的频率增量与有功功率增量之间的关系为

其中ω₀为额定角频率，ω为输出角频率，P_ref为有功给定，P为输出有功，J为转动惯量，s为微分算子，D_p为阻尼调频系数；虚拟同步发电机通过阻尼系数实现一次调频；

S2、在虚拟同步发电机功频控制环路的阻尼通道上引入PI控制器用于实现二次调频，虚拟同步发电机的频率增量与有功功率增量之间的关系为

其中k_p、k_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数；

S3、n台虚拟同步发电机并联运行时，每台虚拟同步发电机的频率偏差为

其中i＝1,2,…,n，D_pi、P_refi 、P_i分别为各个虚拟机的阻尼系数、有功给定及输出有功，ΔP_i为经PI控制器输出的功率增量，通过阻尼系数设计使得负荷增量按各台虚拟同步发电机功率分摊具体为

S4、建立VSG小信号模型得到虚拟同步发电机有功功率输入、输出特性的传递函数

其中S_ei为微电网第i台虚拟同步发电机的有名值

其中α、u、Z分别为阻抗角、电网电压及阻抗，u_s、δ_s为系统稳定运行的平衡点，在网络拓扑确定的情况下，其值为常数，所述平衡点表示是系统在稳态运行时的工作点。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的微电网二次调频控制方法，其特征在于，D_pi具体设定方法为

其中f％、P％为频率和功率变化百分比，P_ni、ω_n为第i台虚拟机额定有功及额定角频率。

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