CN110518638A - 一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微电网领域和电机技术领域，具体涉及一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略，提出了提供了一种改进的虚拟同步发电机控制技术，本发明结合虚拟惯量动态调节方法的改进虚拟同步发电机控制策略，克服了传统虚拟同步发电机控制的不足，有效的抑制了微电网的暂态过程中出现的功率振荡，提高了交流微电网中分布式发电单元的暂态稳定性。本发明可以运用于多电源并联和新能源微电网领域等领域；能满足多个分布式发电单元间并联、或与多种电源间的稳定并联运行。

Description

一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略
技术领域
本发明属于微电网领域和电机技术领域，具体涉及一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略、系统、电脑设备及可读存储介质。
背景技术
随着可再生能源分布式发电在我国电网的渗透力不断增长，如何解决分布式发电接入和消纳问题越来越受到研究人员的重视。为了充分利用新能源分布式发电并减少其对大电网的冲击，微电网技术被认为是一种有效途径，而虚拟同步发电机技术则可以提高分布式电源对微网和大电网的支撑作用。
传统虚拟同步发电机控制策略模拟了同步发电机的动态和稳态特性，因其具有较大的惯性和功率自调节能力，且无需高速通信，而被广泛运用在微电网中。
然而，在传统虚拟同步发电机控制中，转子运动方程中的虚拟惯量为恒定值。当扰动发生时候，虚拟惯量太大或者太小都会降低微电网的动态特性和稳态特性。而当多个分布式发电单元并联时，虚拟惯量的不匹配将会带来更严重的系统振荡。
发明内容
针对以上问题，本发明旨在提供一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略、系统、电脑设备及可读存储介质。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略，包括如下步骤：
S1、虚拟惯量动态调节；所述虚拟惯量动态调节步骤根据功率变化率和角频率变化率实时调节并输出虚拟惯量信号；
S2、有功下垂调节；所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态和动态有功下垂特性，根据有功功率并结合虚拟惯量信号实时调整并输出角频率信号；
S3、无功下垂调节；所述无功下垂调节步骤模拟同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时调节并输出电压信号；
S4、电压电流双闭环；所述电压电流双闭环步骤中，所述角频率信号和电压信号经电压电流双闭环转换坐标后作为SVPWM的输入调制信号，所述SVPWM输出控制功率器件的脉冲控制信号。
作为一种改进，所述电压电流双闭环中外环为电压PI控制环，内环为电流PI控制环；所述电压信号经电压PI控制环转换后输入SVPWM，所述角频率信号经电流PI控制环转换后输入SVPWM。
具体的，所述有功下垂调节步骤中，根据计算得到的有功功率实时改变角频率，并转换成相位角传递到电压电流双闭环步骤中。
更进一步的，所述有功下垂调节步骤根据以下公式进行有功下垂调节：
PS＝-△ωKd+PR＝(ωR-ω)Kd+PR
式中PR、PS、Kd和ωR分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。
进一步的，所述虚拟惯量动态调节步骤根据以下公式进行虚拟惯量动态调节：
式中Jb表示较大的转动惯量，Js表示较小的转动惯量，kc表示修正系数，△Prr表示采样时间内的最大功率爬坡速率，C1和C2分别表示功率变化速率和转速变化速率阈值，dp/dt和dw/dt分别表示功率变化率和角频率变化率。
作为进一步改进，所述无功下垂调节步骤根据以下公式进行无功下垂调节：
(QR-Q)Ku+UR＝U
式中QR、Q、Ku和UR分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。
一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制系统，包括虚拟惯量动态调节模块、有功下垂调节模块、无功下垂调节和电压电流双闭环模块；其中
虚拟惯量动态调节模块，用于根据功率变化率和角频率变化率实时调节并输出虚拟惯量信号；
有功下垂调节模块，用于模拟同步发电机静态和动态有功下垂特性，根据有功功率并结合虚拟惯量信号实时调整并输出角频率信号；
无功下垂调节模块，用于模拟同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时调节并输出电压信号；
电压电流双闭环模块，根据所述角频率信号和电压信号经电压电流双闭环转换坐标后作为SVPWM的输入调制信号，所述SVPWM输出控制功率器件的脉冲控制信号。
进一步的，所述电压电流双闭环模块中包括外环、内环和SVPWM，其中外环为电压PI控制环，内环为电流PI控制环；所述电压信号经电压PI控制环转换后输入SVPWM，所述角频率信号经电流PI控制环转换后输入SVPWM。
一种计算机设备，具有处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述的虚拟同步发电机控制策略的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述的虚拟同步发电机控制策略的步骤
本发明一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略，提供了一种改进的虚拟同步发电机控制技术，本发明结合虚拟惯量动态调节方法的改进虚拟同步发电机控制策略，克服了传统虚拟同步发电机控制的不足，有效的抑制了微电网的暂态过程中出现的功率振荡，提高了交流微电网中分布式发电单元的暂态稳定性。本发明可以运用于多电源并联和新能源微电网领域等领域；能满足多个分布式发电单元间并联、或与多种电源间的稳定并联运行。
附图说明
图1是本发明一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略的逻辑结构示意图；
图2是本发明一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略的流程示意框图；
图3是本发明一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制系统逻辑原理结构示意框图；
图4是本发明一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制系统模块结构示意框图；
图5是本发明电压电流双闭环控制框图；
图6是本发明在微电网中的结构框图；
图7是DG1和DG2转动惯量固定时双机并投实验波形图；
图8是DG1(本文方法)DG2(固定转动惯量)双机并投实验波形图；
图9是DG1和DG2采用本文方法时双机并投实验波形图。
具体实施方式
以下结合图1-9具体说明本发明提供的一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略。
如图1、2所示，本发明提供一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略，包括如下步骤：
S1、虚拟惯量动态调节；所述虚拟惯量动态调节步骤根据功率变化率和角频率变化率实时调节并输出虚拟惯量信号；
S2、有功下垂调节；所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态和动态有功下垂特性，根据有功功率并结合虚拟惯量信号实时调整并输出角频率信号；
S3、无功下垂调节；所述无功下垂调节步骤模拟同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时调节并输出电压信号；
S4、电压电流双闭环；所述电压电流双闭环步骤中，所述角频率信号和电压信号经电压电流双闭环转换坐标后作为SVPWM的输入调制信号，所述SVPWM输出控制功率器件的脉冲控制信号。
作为一种改进，所述电压电流双闭环中外环为电压PI控制环，内环为电流PI控制环；所述电压信号经电压PI控制环转换后输入SVPWM，所述角频率信号经电流PI控制环转换后输入SVPWM。
具体的，所述有功下垂调节步骤中，根据计算得到的有功功率实时改变角频率，并转换成相位角传递到电压电流双闭环步骤中。
更进一步的，所述有功下垂调节步骤根据以下公式进行有功下垂调节：
PS＝-ΔωKd+PR＝(ωR-ω)Kd+PR
式中PR、PS、Kd和ωR分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。
进一步的，所述虚拟惯量动态调节步骤根据以下公式进行虚拟惯量动态调节：
式中Jb表示较大的转动惯量，Js表示较小的转动惯量，kc表示修正系数，△Prr表示采样时间内的最大功率爬坡速率，C1和C2分别表示功率变化速率和转速变化速率阈值，dp/dt和dw/dt分别表示功率变化率和角频率变化率。
作为进一步改进，所述无功下垂调节步骤根据以下公式进行无功下垂调节：
(QR-Q)Ku+UR＝U
式中QR、Q、Ku和UR分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。
本发明改进的虚拟同步发电机控制策略在传统虚拟同步发电机控制的基础上结合虚拟惯量动态调节方法，有效的抑制微电网的暂态过程中出现的功率振荡；通过电压电流双闭环控制实现电源输出电压精确快速的反应指令信号。本发明最终提高了交流微电网中分布式发电单元的暂态稳定性。
如图3-5所示，一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制系统，包括虚拟惯量动态调节模块、有功下垂调节模块、无功下垂调节和电压电流双闭环模块；其中
虚拟惯量动态调节模块，用于根据功率变化率和角频率变化率实时调节并输出虚拟惯量信号；
有功下垂调节模块，用于模拟同步发电机静态和动态有功下垂特性，根据有功功率并结合虚拟惯量信号实时调整并输出角频率信号；
无功下垂调节模块，用于模拟同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时调节并输出电压信号；
电压电流双闭环模块，根据所述角频率信号和电压信号经电压电流双闭环转换坐标后作为SVPWM的输入调制信号，所述SVPWM输出控制功率器件的脉冲控制信号。
进一步的，所述电压电流双闭环模块中包括外环、内环和SVPWM，其中外环为电压PI控制环，内环为电流PI控制环；所述电压信号经电压PI控制环转换后输入SVPWM，所述角频率信号经电流PI控制环转换后输入SVPWM。
忽略电压电流双闭环控制中dq轴间的耦合，因dq轴对称，所以dq轴控制参数相同。
一种计算机设备，具有处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述的虚拟同步发电机控制策略的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述的虚拟同步发电机控制策略的步骤。
如图6-9所示，为本发明一种结合虚拟惯量动态调节方法的改进虚拟同步发电机控制策略在微电网中实际实验的具体实施例。
如图6所示，微电网由储能分布式发电单元、负载组成，分别称为储能分布式发电单元DG1、储能分布式发电单元DG2、阻性负载；Rlm和Llm(m＝1，2)分别是线路电阻和线路电感；Uon、ion(n＝1，2)和UPCC分别为分布式发电单元的输出电压，分布式发电单元的输出电流和母线电压。DG1和DG2可以从交流微网中吸收有功功率或注入有功功率到交流微网中(PG1和PG2)。交流微网中总的有功功率如下式
∑P＝PG1+PG2-PL-PLoss＝0
式中，PL是负载功率，PLoss是线路的功率损耗，采用本发明虚拟同步发电机控制方法可以有效的提高交流微电网中分布式发电单元的暂态稳定性，选取该微电网系统三种模式，分别为：
(1)模式一：恒定转动惯量J对分布式发电单元暂态稳定性的影响
DG1和DG2均采用固定转动惯量，转动惯量为J1＝J2＝8，实验结果如图7所示，当DG2并入后，产生了非常大的功率振荡，最大振幅功率约为5kW，从电流波形中可以看到明显的功率波动，功率振荡时间持续了1s左右，最后在第1500ms左右，系统稳定下来，实现了频率的均分。
(2)模式二：改进转动惯量动态调节方法在相同分布式发电单元并联中的验证
DG1采用本文提出的转动惯量动态调节策略(Jb＝8，JS＝1，修正项参数kc＝0：001)，DG2采用固定转动惯量策略J2＝8，实验结果如图8所示，与模式一的结果对比，DG1加入转动惯量后，对功率振荡起到良好的抑制左右，功率波动减小到2000W左右，功率的振荡减小到2.5kW，暂态过程的持续时间减少到600ms左右。
(3)模式三：改进转动惯量动态调节方法在不同VSG并联中的验证
VSG1和VSG2均采用本文提出的转动惯量动态调节策略，控制参数为(Jb＝8，JS＝1，修正项参数kc＝0：001)，实验结果如图9所示，瞬时的功率波动峰值减少到1.8kW左右，暂态过程时间减少至400ms左右。
当采用本发明虚拟同步发电机控制方法时，为验证本文所提策略的有效性，采取的步骤为：
步骤1：建立两台基于改进VSG控制策略的分布式发电单元和负载等组成的实验平台。
步骤2：DG1带载5kW运行，DG2空载运行。
步骤3：在400ms时，分别在三种不同条件下投入DG2实现双机并联。
步骤4：对实验结果进行对比。
本发明一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略，在传统虚拟同步发电机控制中，转子运动方程中的虚拟惯量为恒定值，当多个分布式发电单元并联时，虚拟惯量的不匹配将会带来更严重的系统振荡。本发明在传统虚拟同步发电机控制策略的基础上采用虚拟惯量动态调节方法，提出了一种结合虚拟惯量动态调节方法的改进虚拟同步发电机控制策略，克服了传统虚拟同步发电机控制的不足，有效的抑制微电网的暂态过程中出现的功率振荡。本发明最终提高了交流微电网中分布式发电单元的暂态稳定性。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，包括如下步骤：
S1、虚拟惯量动态调节；所述虚拟惯量动态调节步骤根据功率变化率和角频率变化率实时调节并输出虚拟惯量信号；
S2、有功下垂调节；所述有功下垂调节步骤模拟同步发电机静态和动态有功下垂特性，根据有功功率并结合虚拟惯量信号实时调整并输出角频率信号；
S3、无功下垂调节；所述无功下垂调节步骤模拟同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时调节并输出电压信号；
S4、电压电流双闭环；所述电压电流双闭环步骤中，所述角频率信号和电压信号经电压电流双闭环转换坐标后作为SVPWM的输入调制信号，所述SVPWM输出控制功率器件的脉冲控制信号。
2.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述电压电流双闭环中外环为电压PI控制环，内环为电流PI控制环；所述电压信号经电压PI控制环转换后输入SVPWM，所述角频率信号经电流PI控制环转换后输入SVPWM。
3.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述有功下垂调节步骤中，根据计算得到的有功功率实时改变角频率，并转换成相位角传递到电压电流双闭环步骤中。
4.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述有功下垂调节步骤根据以下公式进行有功下垂调节：
PS＝-△ωKd+PR＝(ωR-ω)Kd+PR
式中PR、PS、Kd和ωR分别为给定有功功率、分布式发电单元输出有功功率、有功下垂系数和给定角频率。
5.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述虚拟惯量动态调节步骤根据以下公式进行虚拟惯量动态调节：
式中Jb表示较大的转动惯量，Js表示较小的转动惯量，kc表示修正系数，△Prr表示采样时间内的最大功率爬坡速率，C1和C2分别表示功率变化速率和转速变化速率阈值，dP/dt和dw/dt分别表示功率变化率和角频率变化率。
6.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机控制策略，其特征在于，所述无功下垂调节步骤根据以下公式进行无功下垂调节：
(QR-Q)Ku+UR＝U
式中QR、Q、Ku和UR分别为给定无功功率、分布式发电单元输出无功功率、无功下垂系数和给定电压。
7.一种结合虚拟惯量动态调节的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于，包括虚拟惯量动态调节模块、有功下垂调节模块、无功下垂调节和电压电流双闭环模块；其中
虚拟惯量动态调节模块，用于根据功率变化率和角频率变化率实时调节并输出虚拟惯量信号；
有功下垂调节模块，用于模拟同步发电机静态和动态有功下垂特性，根据有功功率并结合虚拟惯量信号实时调整并输出角频率信号；
无功下垂调节模块，用于模拟同步发电机的励磁调节环节，根据无功功率大小实时调节并输出电压信号；
电压电流双闭环模块，根据所述角频率信号和电压信号经电压电流双闭环转换坐标后作为SVPWM的输入调制信号，所述SVPWM输出控制功率器件的脉冲控制信号。
8.根据权利要求7所述的虚拟同步发电机控制系统，其特征在于所述电压电流双闭环模块中包括外环、内环和SVPWM，其中外环为电压PI控制环，内环为电流PI控制环；所述电压信号经电压PI控制环转换后输入SVPWM，所述角频率信号经电流PI控制环转换后输入SVPWM。
9.一种计算机设备，其特征在于，具有处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～6任一项所述的虚拟同步发电机控制策略的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～6任一项所述的虚拟同步发电机控制策略的步骤。
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