CN112398166B - 储能一次调频虚拟同步机参数分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，该方法将动态虚拟参数VSG控制应用于微网储能并网逆变器一次调频控制中，提高微网储能一次调频性能。为了分析动态虚拟参数里相关参数取值，采用小信号模型分析方法，借鉴同步发电机小信号模型，建立VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数，得到虚拟参数稳态取值范围。本发明采用动态虚拟参数VSG控制策略在微网储能一次调频控制系统中，能够为电网提供惯性和阻尼支撑，一次调频性能良好。

Description

储能一次调频虚拟同步机参数分析方法

技术领域

本发明涉及储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，该方法将改进虚拟同步机控制应用于微网储能并网逆变器一次调频控制中，通过小信号模型分析改进虚拟同步机控制参数的方法。

背景技术

电网容量不断增加，区域电网结构变的复杂，由光伏、风电等高渗透率分布式电源点组成的微网，由于其低惯性、低阻尼特性，势必会对大电网的频率稳定性造成影响。储能单元作为可以灵活充放电的电源，能够实现在微网中动态吸收、释放能量，且因为其响应快速、控制灵活，在维持网侧频率稳定有无可替代的优势。通常是将储能设备接至分布式电源点的并网逆变器直流侧，作为调节负荷基础。为了实现“友好”并网，目前广泛采用虚拟同步机(Virtual Synchronous Generation,VSG)控制方法，VSG控制通过模仿同步发电机特性能够为系统提供惯性和阻尼支撑，使得并网逆变器具备调频和调压功能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，该方法将动态虚拟参数VSG控制应用于微网储能并网逆变器一次调频控制中，提高微网储能一次调频性能。为了分析动态虚拟参数里相关参数取值，采用小信号模型分析方法，借鉴同步发电机小信号模型，建立VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数，得到虚拟参数稳态取值范围。

本发明采取如下技术方案来实现的：

储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，包括以下步骤：

1)建立储能微网并网逆变器虚拟同步机VSG转子机械方程和无功-电压调节方程；

2)根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内；

3)联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程；

4)根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次频率下垂方程；

5)在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数；

6)为了得到步骤5)动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数照中虚拟稳态值取值范围，建立VSG输出有功功率与电压功角关系式；

7)将步骤6)VSG输出有功功率与电压功角关系式，结合步骤1)VSG转子机械方程，借鉴同步发电机小信号模型，得到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数；

8)根据步骤7)到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数，得到系统自然震荡转速和阻尼比；

9)参考同步发电机振荡频率，分析步骤8)中虚拟转动惯量稳态取值范围；

10)为了得到虚拟阻尼系数稳态值，建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型；

11)参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤10)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数；

12)求解步骤11)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，得出不同阻尼类型下的虚拟阻尼系数稳态值取值范围。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能微网并网逆变器VSG转子机械方程：

其中：J为虚拟转动惯量；T_m、T_e、T_d分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ω_g为网侧实际角频率；P_ref为有功功率参考值；P_e有功功率实际输出值；储能微网并网逆变器VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：

其中：U₀为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；K_u为无功积分调节系数；Q_e为无功功率实际输出值；Q_ref为无功功率参考值。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器：P_e＝P_ref+K_ω(ω-ω_g)；

其中：K_ω为有功调节系数，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程：

其中：Δω＝ω-ω_g；ΔP＝P_ref-P_e；s为微分算子。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次频率下垂方程：

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：本发明在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数：

其中：k_j为虚拟惯量调节系数，该系数正负与

正负一致；J₀为虚拟转动惯量稳态值；ω₀为额定机械角频率；k_d为虚拟阻尼调节系数k_d＝D₀/J₀；D₀为虚拟阻尼系数稳态值。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：为了得到步骤5)动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数照中虚拟稳态值取值范围，建立VSG输出有功功率与电压功角关系式：

其中：S_E为同步功率；δ_S为额定功角；u_S为虚拟内电势稳态值。

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)VSG输出有功功率与电压功角关系式，结合步骤1)VSG转子机械方程，借鉴同步发电机小信号模型，得到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数：

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：根据步骤7)到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数，得到系统自然震荡转速和阻尼比：

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：参考同步发电机振荡频率：0.63rad/s≤ω_S≤15.7rad/s，得到额定虚拟惯量取值范围：

VSG控制输出功率二阶传递函数特征根为：

且虚拟惯量J≥0；

步骤10)的具体实现方法为：为了得到虚拟阻尼系数稳态值，建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型：ΔP_m(s)＝-K_ωΔω_g(s)；

步骤11)的具体实现方法为：参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤10)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数：

其中：ΔP_e为微网储能并网逆变器出力阶跃幅值，即储能单元出力；H为VSG惯性常数，与虚拟转动惯量J关系可表示为：

其中：S_n为微网储能额定容量；VSG惯性常数H物理意义为：微网储能并网逆变器VSG从空载起动至额定机械角速度ω₀所需时间；

步骤12)的具体实现方法为：求解步骤11)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，根据求解特征根不同，VSG一次调频过程中有功功率响应可以分为三种类型：欠阻尼、临界阻尼、过阻尼，得出不同阻尼类型下的虚拟阻尼系数稳态值取值范围：

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明采用动态虚拟参数VSG控制策略在微网储能一次调频控制系统中，能够为电网提供惯性和阻尼支撑，一次调频性能良好；

2.本发明采用小信号模型方法，分析动态虚拟参数里相关参数取值，借鉴同步发电机小信号模型，建立VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数，得到虚拟参数稳态取值范围。

附图说明

图1为微网储能并网逆变器电路拓扑及VSG控制流程图；

图2为微网储能VSG一次调频控制框图；

图3为动态虚拟参数VSG一次调频控制框图；

图4为微网储能并网逆变器仿真模型图；

图5为微网储能并网逆变器一次调频仿真波形图。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，该方法包括：

VSG控制转子机械方程为：

式(1)中：J为虚拟转动惯量；T_m、T_e、T_d分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ω_g为网侧实际角频率；P_ref为有功功率参考值；P_e有功功率实际输出值。在VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得微网储能并网逆变器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得微网储能并网逆变器具有抑制电网功率振荡的能力。由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了并网逆变器有功-频率控制模块，储能微网并网逆变器VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：

式(2)中：U₀为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；K_u为无功积分调节系数；Q_e为无功功率实际输出值；Q_ref为无功功率参考值。

如图2所示，VSG一次调频可以实现微网分布式电源和储能单元的有功输出随网侧频率自适应调节变化，其本质上是有功-频率下垂控制，为满足微网储能并网逆变器一次调频控制性能，本发明将虚拟调速器引入VSG有功-频率控制环节内，虚拟调速器表达式为：

P_e＝P_ref+K_ω(ω-ω_g) (3)

式(3)中：K_ω为有功调节系数。联立式(1)、(3)，并定义Δω＝ω-ω_g、ΔP＝P_ref-P_e可得：

式(4)中，s为微分算子。根据式(4)可以得到VSG稳态一次频率下垂方程为：

如图3所示，本发明在虚拟角频率增加阶段，增加J同时适当减少D；在虚拟角频率减少阶段，减少J同时适当增加D的自适应控制方案。该方案可以保证系统响应速度并且加快功率稳定。动态虚拟惯量和虚拟阻尼系数为：

式(6)中：k_j为虚拟惯量调节系数，该系数正负与

正负一致；J₀为虚拟转动惯量稳态值；ω₀为额定机械角频率；k_d为虚拟阻尼调节系数k_d＝D₀/J₀；D₀为虚拟阻尼系数稳态值。

为了得到的虚拟稳态值取值范围，需要建立小信号模型。微网储能并网逆变器VSG控制输出电压功角用δ表示，VSG输出有功功率与电压功角关系为：

式(7)中：S_E为同步功率；δ_S为额定功角；u_S为虚拟内电势稳态值。

结合式(1)，借鉴同步发电机小信号模型，可得到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数：

该传递函数模型是一典型二阶系统，根据式(8)可以得到系统自然震荡转速和阻尼比为：

微网储能并网逆变器VSG一次调频控制中，参考同步发电机振荡频率0.63rad/s≤ω_S≤15.7rad/s。虚拟转动惯量稳态取值范围为：

VSG控制输出功率二阶传递函数特征根为：

为了保证控制系统稳定，需要两个特征根都位于复平面的左半部分，又因为VSG控制虚拟阻尼系数D恒为正，为保证特征根实部为负，需保持虚拟惯量J≥0。

D₀取值和VSG控制系统设置的阻尼类型有关，不同阻尼类型(欠阻尼、过阻尼、临界阻尼)对应不同有功响应状态。为了得到D₀取值，首先建立式(3)对应小信号模型为：

ΔP_e(s)＝-K_ωΔω_g(s) (12)

当面对一次调频工况，微网储能并网逆变器有功变化量全部由储能单元提供，储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数为：

式(13)中：ΔP_e为并网逆变器出力阶跃，即储能单元出力变化量；H为VSG惯性常数，与虚拟转动惯量J关系可表示为：

式(14)中：S_n为微网储能额定容量。VSG惯性常数H物理意义为：微网储能并网逆变器VSG从空载起动至额定机械角速度ω₀所需时间。

根据求解特征根不同，VSG一次调频过程中有功功率响应可以分为三种类型：1)欠阻尼(0＜ξ＜1)；2)临界阻尼(ξ＝1)；3)过阻尼(ξ＞1)。根据微网储能并网逆变器VSG控制系统，不同阻尼类型判别式，得出D₀取值范围。

如图4为了验证本发明所提储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，所得虚拟参数的准确性，在Matlab/Simulink平台搭建交直流混合微网AC/DC换流器仿真模型，根据本发明所提分析方法，设定额定虚拟阻尼系数为260，额定虚拟转动惯量为0.3kg.m²。仿真参数如表1所示。

表1仿真参数

如图5所示，5s时刻，网侧发生0.3Hz频率下阶跃，微网储能并网逆变器进行一次调频，VSG输出有功功率P_e上升，将本发明所设定的虚拟参数引入微网储能并网逆变器控制系统中，VSG输出功率波动很小，峰值相应减少，可快速稳定至功率目标值，解决了功率震荡问题。23s时刻，当发生0.15Hz频率上阶跃，VSG控制输出功率波形更为平滑，输出功率波形几乎无超调，很快稳定至目标功率，功率震荡趋近于0，调节时间进一步缩短，更适用于微网储能并网逆变器一次调频控制中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立储能微网并网逆变器虚拟同步机VSG转子机械方程和无功-电压调节方程；

2)根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内；

3)联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程；

4)根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次频率下垂方程；

5)在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟转动惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟转动惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数；

6)为了得到步骤5)动态虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数中虚拟稳态值取值范围，建立VSG输出有功功率与电压功角关系式；

7)将步骤6)VSG输出有功功率与电压功角关系式，结合步骤1)VSG转子机械方程，借鉴同步发电机小信号模型，得到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数；

8)根据步骤7)到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数，得到系统自然震荡转速和阻尼比；

9)参考同步发电机振荡频率，分析步骤8)中虚拟转动惯量稳态取值范围；

10)为了得到虚拟阻尼系数稳态值，建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型；

11)参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤10)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数；

12)求解步骤11)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，得出不同阻尼类型下的虚拟阻尼系数稳态值取值范围。

2.根据权利要求1所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能微网并网逆变器VSG转子机械方程：

其中：J为虚拟转动惯量；T_m、T_e、T_d分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ω_g为网侧实际角频率；P_ref为有功功率参考值；P_e有功功率实际输出值；储能微网并网逆变器VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：

其中：U₀为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；K_u为无功积分调节系数；Q_e为无功功率实际输出值；Q_ref为无功功率参考值。

3.根据权利要求2所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器：P_e＝P_ref+K_ω(ω-ω_g)；

其中：K_ω为有功调节系数，并将虚拟调速器引入步骤1)转子机械控制环节内。

4.根据权利要求3所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：联立步骤1)VSG转子机械方程和步骤2)虚拟调速器，得到有功-频率变化量方程：

其中：Δω＝ω-ω_g；ΔP＝P_ref-P_e；s为微分算子。

5.根据权利要求4所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)有功-频率变化量方程得到VSG稳态一次频率下垂方程：

6.根据权利要求5所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：在虚拟角频率增加阶段，增加虚拟转动惯量J同时适当减少虚拟阻尼D；在虚拟角频率减少阶段，减少虚拟转动惯量J同时适当增加虚拟阻尼D，得到动态虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数：

其中：k_j为虚拟转动惯量调节系数，该系数正负与

正负一致；J₀为虚拟转动惯量稳态值；ω₀为额定机械角频率；k_d为虚拟阻尼调节系数k_d＝D₀/J₀；D₀为虚拟阻尼系数稳态值。

7.根据权利要求6所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：为了得到步骤5)动态虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数中虚拟稳态值取值范围，建立VSG输出有功功率与电压功角关系式：

其中：S_E为同步功率；δ_S为额定功角；u_S为虚拟内电势稳态值。

8.根据权利要求7所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)VSG输出有功功率与电压功角关系式，结合步骤1)VSG转子机械方程，借鉴同步发电机小信号模型，得到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数：

9.根据权利要求8所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：根据步骤7)到VSG控制输出有功和参考有功之间传递函数，得到系统自然震荡转速和阻尼比：

10.根据权利要求9所述的储能一次调频虚拟同步机参数分析方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：参考同步发电机振荡频率：0.63rad/s≤ω_S≤15.7rad/s，得到额定虚拟转动惯量取值范围：

VSG控制输出功率二阶传递函数特征根为：

且虚拟转动惯量J≥0；

步骤10)的具体实现方法为：为了得到虚拟阻尼系数稳态值，建立步骤2)虚拟调速器对应小信号模型：ΔP_m(s)＝-K_ωΔω_g(s)；

步骤11)的具体实现方法为：参考步骤3)有功-频率变化量方程，根据步骤10)虚拟调速器对应小信号模型，得到储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数：

其中：ΔP_e为微网储能并网逆变器出力阶跃幅值，即储能单元出力；H为VSG惯性常数，与虚拟转动惯量J关系可表示为：

其中：S_n为微网储能额定容量；VSG惯性常数H物理意义为：微网储能并网逆变器VSG从空载起动至额定机械角速度ω₀所需时间；

步骤12)的具体实现方法为：求解步骤11)储能出力变化量与频率变化量之间的传递函数中频率变化量方程，根据求解特征根不同，VSG一次调频过程中有功功率响应可以分为三种类型：欠阻尼、临界阻尼、过阻尼，得出不同阻尼类型下的虚拟阻尼系数稳态值取值范围：

Images