CN111355268B - 一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法和系统 - Google Patents

一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法和系统，控制方法包括如下步骤：在并网启动过程中，将虚拟同步发电机模型的有功功率给定值和无功功率给定值置零，并将调频系数和调压系数置零；利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪；当虚拟同步发电机输出的有功功率和无功功率均为零时，执行并网动作。本发明提供的技术方案，在虚拟同步发电机并网启动时，利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪，从而实现虚拟同步发电机并网的直接启动，解决现有技术中虚拟同步发电机在并网启动时控制逻辑复杂的问题。

Description

一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法和系统
技术领域
本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法和系统。
背景技术
随着电力技术的发展，以光伏、风电为代表的间歇式能源装机容量在系统总装机容量所占的比重越来越大。但间歇式能源出力的大幅、频繁的随机波动性对系统有功平衡造成冲击，影响系统调频特性；并且不同于常规发电厂的旋转电机，通过电力电子设备接入电网的间歇式能源为非旋转的静止元件，不具备常规机组的转动惯量，其大规模接入电网将使系统等效转动惯量降低，削弱系统应对功率波动的能力，影响系统的频率暂态稳定水平。
针对该问题，目前常用的方法是在风电、光伏电站增加大容量集中式储能平抑其出力波动，其中储能结合虚拟同步发电机技术更是近年来的一个研究热点。虚拟同步发电机技术将同步发电机本体及其控制器数学模型引入储能变流器的控制算法，使电站具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，增强并网点电压强度。
虚拟同步发电机与传统同步发电机不同的是，传统同步发电机并网前先自行建立电压，而后由自动并网装置同步后并入电网，而虚拟同步发电机在不同工况下需要不同的并网方式，一般有离网启动后通过并网开关并入电网和直接并网启动。
虚拟同步发电机直接并网合闸前，需要交流软起，此时要保证软起相位和电网相位一致，当软起输出电压和电网电压一致时，切换为闭环控制。通常情况下，软起阶段需要采用锁相环同步电网相位，然而，与传统电流源控制并网方式不同的是，虚拟同步发电机所用相位为虚拟同步发电机本体模型输出相位，并非锁相环输出相位。
为解决虚拟同步发电机直接并网启动问题，一种方法是虚拟同步发电机首先离网启动建立电压，然后通过并网开关并入电网，但这种方法需要额外的电压传感器采集电网电压，且实现逻辑较为繁琐。
另一种方法是首先采用传统基于锁相环的电流源控制方式并网启动，启动完成后再切为虚拟同步发电机模式运行，但该方法实现较为繁琐，且切虚拟同步发电机控制时，底层电流环相位和指令需要同时切换为虚拟同步发电机本体模型输出相位和电流指令，整个逻辑较为复杂，且存在切换失败的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法，用于解决现有技术中虚拟同步发电机在并网启动时控制逻辑复杂的问题；相应的，本发明还提供了一种虚拟同步发电机的并网启动控制系统，以解决现有技术中虚拟同步发电机在并网启动时控制逻辑复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法，包括如下步骤：
在并网启动过程中，将虚拟同步发电机模型的有功功率给定值和无功功率给定值置零，并将调频系数和调压系数置零；利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪；当虚拟同步发电机输出的有功功率和无功功率均为零时，执行并网动作。
本发明所提供的技术方案，在虚拟同步发电机并网启动时，利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪，从而实现虚拟同步发电机并网的直接启动，解决现有技术中虚拟同步发电机在并网启动时控制逻辑复杂的问题。
作为对虚拟同步发电机的并网启动控制方法的进一步改进，接收到并网启动命令后，首先控制直流预充电接触器合闸；当虚拟同步发电机直流预充电完成后断开直流软起回路并合闸直流接触器，进入并网启动过程。
作为对虚拟同步发电机的并网启动控制方法的进一步改进，如果交流母线的频率偏移额定频率，则在并网启动时，将虚拟同步发电机的额定角频率转换为微电网母线电压的频率；并网启动完成后根据需求将角频率切换至额定角频率。
作为对虚拟同步发电机模型的进一步改进，所述虚拟同步发电机模型为
Figure BDA0001918654300000021
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud、uq、id_ref、iq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流d、q轴分量，δ为虚拟同步发电机的功角，Pm、Pe分别为虚拟同步发电机的机械功率和电磁功率。
作为对虚拟同步发电机模型中电磁转矩计算方法的进一步改进，所述虚拟同步发电机的电磁转矩为
Tm＝[Pref-kf(ω-ω0)]/ω
其中ω为机端电压频率，ω0为机端电压额定角频率，kf为调频系数，Pref为有功功率指令。
作为对虚拟同步发电机中励磁控制器的进一步改进，所述虚拟同步发电机的励磁控制器为
Figure BDA0001918654300000031
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机无功功率，ku为调压系数，uN为额定机端电压，um为机端电压，1/s为积分。
一种虚拟同步发电机的并网启动控制系统，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
在并网启动过程中，将虚拟同步发电机模型的有功功率给定值和无功功率给定值置零，并将调频系数和调压系数置零；利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪；当虚拟同步发电机模型输出的有功功率和无功功率均为零时，执行并网动作。
作为对虚拟同步发电机的并网启动控制系统的进一步改进，接收到并网启动命令后，首先控制直流预充电接触器合闸；当虚拟同步发电机直流预充电完成后断开直流软起回路并合闸直流接触器，进入并网启动过程。
作为对虚拟同步发电机的并网启动控制系统的进一步改进，如果交流母线的频率偏移额定频率，则在并网启动时，将虚拟同步发电机的额定角频率转换为微电网母线电压的频率；并网启动完成后根据需求将角频率切换至额定角频率。
作为对虚拟同步发电机模型的进一步改进，所述虚拟同步发电机模型为
Figure BDA0001918654300000032
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud、uq、id_ref、iq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流d、q轴分量，δ为虚拟同步发电机的功角，Pm、Pe分别为虚拟同步发电机的机械功率和电磁功率。
作为对虚拟同步发电机模型中电磁转矩计算方法的进一步改进，所述虚拟同步发电机的电磁转矩为
Tm＝[Pref-kf(ω-ω0)]/ω
其中ω为机端电压频率，ω0为机端电压额定角频率，kf为调频系数，Pref为有功功率指令。
作为对虚拟同步发电机中励磁控制器的进一步改进，所述虚拟同步发电机的励磁控制器为
Figure BDA0001918654300000041
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机无功功率，ku为调压系数，uN为额定机端电压，um为机端电压，1/s为积分。
附图说明
图1为本发明方法实施例中虚拟同步发电机的总体控制框图；
图2为本发明方法实施例中虚拟同步发电机模型的示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法，用于解决现有技术中虚拟同步发电机在并网启动时控制逻辑复杂的问题；相应的，本发明还提供了一种虚拟同步发电机的并网启动控制系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法，包括如下步骤：
在并网启动过程中，将虚拟同步发电机模型的有功功率给定值和无功功率给定值置零，并将调频系数和调压系数置零；利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪；当虚拟同步发电机输出的有功功率和无功功率均为零时，执行并网动作。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
方法实施例：
本实施例提供一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法，用于在虚拟同步发电机并网启动时，对电网/微电网的相位进行追踪。
本实施例所提供的虚拟同步发电机的并网启动控制方法主要包括如下步骤：
(1)获取虚拟同步发电机模型。
虚拟同步发电机的总体控制框图如图1所示，其模型如图2所示，虚拟同步发电机模型中包括功率调节器计算子模型、励磁调节器计算子模型、定子电气方程计算子模型和电流控制器计算子模型；图1和图2中f为虚拟同步发电机的频率，f0为虚拟同步发电机的额定频率，ΔT为原动机产生的电磁转矩，Td为阻尼转矩，θ为电角度，T0为给定电磁转矩，1/s为积分；
在虚拟同步发电机模型中，虚拟同步发电机模型具体为：
Figure BDA0001918654300000051
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud、uq、id_ref、iq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流d、q轴分量，δ为虚拟同步发电机的功角，即虚拟同步发电机的内电势与机端电压相位差，一般取Eq为0；Pm、Pe分别为虚拟同步发电机的机械功率和电磁功率。
虚拟同步发电机模型的机械转矩Tm由原动机调节计算得到，内电势Ed由励磁控制器计算得到，其中原动机的计算方式为：
Tm＝[Pref-kf(ω-ω0)]/ω
式中ω为机端电压频率，ω0为机端电压额定角频率，kf为调频系数，Pref为有功功率指令。
励磁控制器的计算方式为：
Figure BDA0001918654300000052
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机无功功率，ku为调压系数，uN为额定机端电压，um为机端电压，1/s为积分。值得指出的是，无功功率闭环部分只在并网时使能，离网时不起作用。
(2)当虚拟同步发电机接收到直接并网启动命令时，首先控制直流预充电回路的接触器合闸，待虚拟同步发电机直流预充电完成后断开直流软启动回路并闭合直流接触器，虚拟同步发电机开始执行交流软启动过程。
虚拟同步发电机执行交流软启动时，首先将虚拟同步发电机的有功指令和无功指令均给定为0，并将调压系数和调频系数置0，从而使虚拟同步发电机不参与一次调频和一次调压；其次虚拟同步发电机模型开始工作，由于虚拟同步发电机模型具有自同步功能，在其工作稳定后，其输出的有功功率和无功功率均为0，即电流指令id_ref、iq_ref为0，同时输出相位与机端电压(此时为电网/微电网电压)同相位，此时执行并网动作。虚拟同步发电机的自同步功能，是指虚拟同步发电机通过调整自身输出有功功率，以实现对电网频率追踪。
考虑到微电网中交流母线频率存在偏离额定频率50Hz的工况，由于虚拟同步发电机模型具备自同步功能，即自动追踪电网频率，此时虚拟同步发电机模型输出相位和机端电压(此时为微网母线电压)相位不一致，若此时软起完成后直接合交流接触器，势必造成装置过流，因此，直接并网启动时还需将虚拟同步发电机的额定角频率ω0切换为锁相环获取的微网母线电压频率，启动完成后，根据需要将虚拟同步发电机的角频率切换至额定角频率。
系统实施例：
本实施例提供一种虚拟同步发电机的并网启动控制系统，包括处理器和存储器，存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机程序，处理器执行该计算机程序时实现上述方法实施例中所提供的虚拟同步发电机的并网启动控制方法。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种虚拟同步发电机的并网启动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
在并网启动过程中，将虚拟同步发电机模型的有功功率给定值和无功功率给定值置零，并将调频系数和调压系数置零，使得虚拟同步发电机模型不参与一次调频和一次调压过程；利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪；当虚拟同步发电机输出的有功功率和无功功率均为零时，执行并网动作；
接收到并网启动命令后，首先控制直流预充电接触器合闸；当虚拟同步发电机直流预充电完成后断开直流软起回路并合闸直流接触器，进入并网启动过程。
2.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的并网启动控制方法，其特征在于，如果交流母线的频率偏移额定频率，则在并网启动时，将虚拟同步发电机的额定角频率转换为微电网母线电压的频率；并网启动完成后根据需求将角频率切换至额定角频率。
3.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的并网启动控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机模型为
Figure FDA0003295586600000011
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud、uq、id_ref、iq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流d、q轴分量，δ为虚拟同步发电机的功角，Pm、Pe分别为虚拟同步发电机的机械功率和电磁功率。
4.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机的并网启动控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的电磁转矩为
Tm＝[Pref-kf(ω-ω0)]/ω
其中ω为机端电压频率，ω0为机端电压额定角频率，kf为调频系数，Pref为有功功率指令。
5.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机的并网启动控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机的励磁控制器为
Figure FDA0003295586600000021
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机无功功率，ku为调压系数，uN为额定机端电压，um为机端电压，1/s为积分。
6.一种虚拟同步发电机的并网启动控制系统，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机程序；其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
在并网启动过程中，将虚拟同步发电机模型的有功功率给定值和无功功率给定值置零，并将调频系数和调压系数置零，使得虚拟同步发电机模型不参与一次调频和一次调压过程；利用虚拟同步发电机模型的自同步功能对电网/微电网的相位进行追踪；当虚拟同步发电机模型输出的有功功率和无功功率均为零时，执行并网动作；
接收到并网启动命令后，首先控制直流预充电接触器合闸；当虚拟同步发电机直流预充电完成后断开直流软起回路并合闸直流接触器，进入并网启动过程。
7.根据权利要求6所述的虚拟同步发电机的并网启动控制系统，其特征在于，如果交流母线的频率偏移额定频率，则在并网启动时，将虚拟同步发电机的额定角频率转换为微电网母线电压的频率；并网启动完成后根据需求将角频率切换至额定角频率。
8.根据权利要求6所述的虚拟同步发电机的并网启动控制系统，其特征在于，所述虚拟同步发电机模型为
Figure FDA0003295586600000022
其中ω为虚拟同步发电机的角速度，ω0为虚拟同步发电机的额定角速度，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Tm、Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数，R、L分别为虚拟同步发电机的定子电阻和定子电感，Ed、Eq、ud、uq、id_ref、iq_ref分别为虚拟同步发电机三相内电势、机端电压、定子电流d、q轴分量，δ为虚拟同步发电机的功角，Pm、Pe分别为虚拟同步发电机的机械功率和电磁功率。
9.根据权利要求8所述的虚拟同步发电机的并网启动控制系统，其特征在于，所述虚拟同步发电机的电磁转矩为
Tm＝[Pref-kf(ω-ω0)]/ω
其中ω为机端电压频率，ω0为机端电压额定角频率，kf为调频系数，Pref为有功功率指令。
10.根据权利要求8所述的虚拟同步发电机的并网启动控制系统，其特征在于，所述虚拟同步发电机的励磁控制器为
Figure FDA0003295586600000031
式中E0为空载内电势，kp、kI为无功功率闭环PI参数，Qref为无功功率指令，Q为虚拟同步发电机无功功率，ku为调压系数，uN为额定机端电压，um为机端电压，1/s为积分。
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