CN112467786B - 混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法，包括：建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程；得到交直流混合微网AC/DC换流器流器虚拟同步机VSG转子运动方程和无功调节表达式；得到AC/DC换流器输出复功率表达式；建立AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型；得出虚拟控制的小信号模型；得到小信号模型特征值矩阵；得到AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型；分析AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型，得出虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D与AC/DC换流器VSG控制系统稳定性之间的关系。本发明采用小信号模型分析交直流混合微网AC/DC接口变换器VSG控制系统稳定性，验证AC/DC接口变换器不管工作于整流模式还是逆变模式，采用VSG控制可以实现功率稳定传输。

Description

混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法
技术领域
本发明涉及一种混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法，该方法采用小信号模型分析混合微网AC/DC接口变换器VSG控制系统稳定性能的方法，验证虚拟参数取值对VSG控制系统稳定性的影响。
背景技术
交直流混合微电网由交流子网、直流子网以及AC/DC接口变换器组成，交直流混合微网是未来微网发展的高级形式，综合了交流微电网和直流子网两者的优点，增强了多种不同类型微电源和各类形式的负荷接入微电网系统的灵活性，AC/DC接口变换器作为交流子网、直流子网功率传输介质，不仅需要维持子网之间功率动态平衡，还需要保证整个微电网稳定运行。如何通过控制策略实现AC/DC接口变换器功率稳定传输，是保障交直流混合微电网协调运行的关键。
交直流混合微电网中AC/DC接口变换器通常采用下垂控制，常规下垂控制不具备惯性和阻尼环节，无法维持分布式电源高渗透率混合微电网换流器控制系统稳定。通过模仿传统同步发电机使AC/DC接口变换器具备惯性的控制策略，即虚拟同步机(VirtualSynchronous Generation,VSG)控制策略，受到了业内的广泛关注。虚拟同步机暂态变换过程中缓冲能量变化量采用虚拟转动惯量J变化表征，各种摩擦阻力采用虚拟阻尼系数D变化量表征。为了验证混合微网AC/DC换流器VSG控制系统的稳定性，需要通过小信号模型分析法分析虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D对控制系统稳定性能的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法，具体采用小信号模型分析混合微网AC/DC接口变换器VSG控制系统稳定性制，分析虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D小信号模型的四个特征根，验证J、D取值对VSG控制系统稳定性的影响。
本发明采取如下技术方案来实现的：
混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法，包括以下步骤：
1)建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程；
2)根据交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，混合微电网瞬时有功变化量相同，根据步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，模拟同步发电机，得到交直流混合微网AC/DC换流器流器虚拟同步机VSG转子运动方程和无功调节表达式；
3)根据步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，得到AC/DC换流器输出复功率表达式；
4)根据步骤3)AC/DC换流器输出复功率表达式，建立AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型；
5)当VSG控制系统处于稳定运行状态，根据步骤4)AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型并结合步骤2)交直流混合微网AC/DC换流器流器VSG转子运动方程，得出虚拟控制的小信号模型；
6)将步骤5)虚拟控制小信号模型中的电压、功角参数作为矩阵元素，得到小信号模型特征值矩阵；
7)结合步骤4)AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型和步骤5)虚拟控制小信号模型及步骤6)信号模型特征值矩阵，得到AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型；
8)分析步骤7)AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型，得出虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D与AC/DC换流器VSG控制系统稳定性之间的关系。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程：
Figure BDA0002785306600000031
其中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；E为AC/DC换流器交流侧桥臂电压幅值，Uac为交流侧电压幅值；δ为功角；AC/DC换流器内部参数中，满足Rf＜＜Xf，交流侧功率传输方程简化为：
Figure BDA0002785306600000032
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，混合微电网瞬时有功变化量相同，根据步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，模拟同步发电机，得到交直流混合微网AC/DC换流器流器VSG转子运动方程：
Figure BDA0002785306600000033
其中：J为虚拟转动惯量；ω为角频率；kudc为直流子网下垂调节系数；Udc为直流母线电压实际值；Udc0为直流母线电压初始值；Cdc为直流电容值和无功调节表达式：
Figure BDA0002785306600000034
其中：u为VSG虚拟内电势；U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压之间偏差；kq为无功调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，得到AC/DC换流器输出复功率表达式：
Figure BDA0002785306600000041
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)AC/DC换流器输出复功率表达式，建立AC/DC换流器传输有功：
Figure BDA0002785306600000042
无功功率小信号模型：
Figure BDA0002785306600000043
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：当VSG控制系统处于稳定运行状态，ω＝ω0，根据步骤4)AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型并结合步骤2)交直流混合微网AC/DC换流器流器VSG转子运动方程，得出虚拟控制的小信号模型：
Figure BDA0002785306600000044
其中：s为拉普拉斯算子；Ta为延迟环节时间常数；kp为无功比例系数；ki为无功积分系数。
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：将步骤5)虚拟控制小信号模型中的电压、功角参数作为矩阵元素，得到小信号模型特征值矩阵：Y＝(Δδ，ΔU′ac，Δδ，ΔUac)；
其中：Δδ′为Δδ的导数，ΔU′ac为ΔUac的导数。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：结合步骤4)AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型和步骤5)虚拟控制小信号模型及步骤6)信号模型特征值矩阵，得到AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型：
Figure BDA0002785306600000051
其中：
Figure BDA0002785306600000052
Figure BDA0002785306600000053
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：分析步骤7)AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型，得出虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D与AC/DC换流器VSG控制系统稳定性之间的关系，随着J的增大，系统逐渐过渡至不稳定状态，但是过小的J会导致系统缺少惯性特征；随着D的增大，系统逐渐趋于稳定状态。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明采用小信号模型分析交直流混合微网AC/DC接口变换器VSG控制系统稳定性，验证AC/DC接口变换器不管工作于整流模式还是逆变模式，采用VSG控制可以实现功率稳定传输；
2.本发明分析影响VSG控制系统稳定性最关键的虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D，建立虚拟参数的根轨迹图，分析小信号模型的四个特征根，验证J、D取值对VSG控制系统稳定性的影响。
附图说明
图1为交直流混合微网拓扑结构图；
图2为AC/DC换流器电路拓扑结构图；
图3为交直流混合微网AC/DC换流器VSG控制框图；
图4为VSG虚拟参数根轨迹，其中图4(a)为J根轨迹变化图，图4(b)为D根轨迹变化图。
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，交流子网、直流子网通过一台或者多台AC/DC换流器相连，交直流混合微网经过电力变压器接入配电网中，该种微网拓扑可应用于分布式电源和负荷较集中的场合
如图2所示，；Rf、Lf、Cf为滤波电路电阻、电感、电容；eabc为换流器交流侧桥臂电压；uabc、iabc为交流侧电压、电流；Zac为线路阻抗。
AC/DC换流器交流侧功率传输方程可表示为：
Figure BDA0002785306600000061
式(1)中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；E为AC/DC换流器交流侧桥臂电压幅值，Uac为交流侧电压幅值；δ为功角。AC/DC换流器内部参数中，通常满足Rf＜＜Xf，则式(1)可简化为：
Figure BDA0002785306600000062
如图3所示，根据交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，混合微电网瞬时有功变化量相同，交直流混合微网AC/DC换流器控制系统通过模拟同步发电机特性，实现换流器VSG控制，转子运动方程为：
Figure BDA0002785306600000071
式(3)中：J为虚拟转动惯量；ω为角频率；kudc为直流子网下垂调节系数；Udc为直流母线电压实际值；Udc0为直流母线电压初始值；Cdc为直流电容值；交直流混合微网AC/DC换流器控制同样具有励磁调节惯性，无功调节表达式为：
Figure BDA0002785306600000072
式(4)中：u为VSG虚拟内电势；U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压之间偏差；kq为无功调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。
如图4所示，在交直流混合微网AC/DC换流器VSG控制系统中，虚拟转动惯量J和虚拟阻尼系数D取值对系统稳定性至关重要，为了分析J和D取值对系统稳定性能的影响，本发明建立虚拟同步机控制系统小信号模型。
根据式(1)AC/DC换流器交流侧功率传输方程，可以得到换流器输出复功率S表达式为：
Figure BDA0002785306600000073
AC/DC换流器传输有功小信号模型分别为：
Figure BDA0002785306600000074
AC/DC换流器传输无功小信号模型分别为：
Figure BDA0002785306600000081
当VSG控制系统处于稳定运行状态时，有ω＝ω0。结合VSG转子运动方程式(3)，可推导出虚拟控制的小信号模型为：
Figure BDA0002785306600000082
式(8)中：s为拉普拉斯算子；Ta为延迟环节时间常数；kp为无功比例系数；ki为无功积分系数。定义矩阵Y为：
Y＝(Δδ′，ΔU′ac，Δδ，ΔUac) (9)
式9)中：Δδ′为Δδ的导数，ΔU′ac为ΔUac的导数，结合式(6)、式(7)和式(8)可得VSG控制系统小信号模型为：
Figure BDA0002785306600000083
式(14)中：
Figure BDA0002785306600000084
Figure BDA0002785306600000085
分析VSG虚拟参数根轨迹：s1、s2、s3、s4为系统小信号模型的四个特征根，其中s1、s2为系统的主导特征根，对系统动态性能起主要的影响作用；s3、s4在实轴上，基本无变化，不影响系统动态性。箭头方向为主导特征根随参数增大的变化趋势。由J根轨迹变化图，J由过阻尼状态变化至欠阻尼状态，说明随着J的增大，系统逐渐过渡至不稳定状态，但是过小的J会导致系统缺少惯性特征；由D根轨迹变化图，D由欠阻尼状态变化至过阻尼状态，说明随着D的增大，系统逐渐趋于稳定状态。
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 (2)

1.混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程：
Figure FDA0003961995200000011
其中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；E为AC/DC换流器交流侧桥臂电压幅值，Uac为交流侧电压幅值；δ为功角；AC/DC换流器内部参数中，满足Rf＜＜Xf，交流侧功率传输方程简化为：
Figure FDA0003961995200000012
2)根据交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，混合微电网瞬时有功变化量相同，根据步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，模拟同步发电机，
得到交直流混合微网AC/DC换流器VSG转子运动方程：
Figure FDA0003961995200000013
其中：J为虚拟转动惯量；ω为角频率；kudc为直流子网下垂调节系数；Udc为直流母线电压实际值；Udc0为直流母线电压初始值；Cdc为直流电容值和无功调节表达式：
Figure FDA0003961995200000014
其中：u为VSG虚拟内电势；U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压之间偏差；kq为无功调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值；
3)根据步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，得到AC/DC换流器输出复功率表达式：
Figure FDA0003961995200000021
4)根据步骤3)AC/DC换流器输出复功率表达式，
建立AC/DC换流器传输有功功率小信号模型：
Figure FDA0003961995200000022
无功功率小信号模型：
Figure FDA0003961995200000023
5)当VSG控制系统处于稳定运行状态，根据步骤4)AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型并结合步骤2)交直流混合微网AC/DC换流器VSG转子运动方程，得出虚拟控制的小信号模型：
Figure FDA0003961995200000024
其中：s为拉普拉斯算子；Ta为延迟环节时间常数；kp为无功比例系数；ki为无功积分系数；
6)将步骤5)虚拟控制小信号模型中的电压、功角参数作为矩阵元素，得到小信号模型特征值矩阵：Y＝(Δδ′，ΔUa′c，Δδ，ΔUac)；
其中：Δδ′为Δδ的导数，ΔUac为ΔUac的导数；
7)结合步骤4)AC/DC换流器传输有功、无功功率小信号模型和步骤5)虚拟控制小信号模型及步骤6)信号模型特征值矩阵，得到AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型：
Figure FDA0003961995200000031
其中：
Figure FDA0003961995200000032
Figure FDA0003961995200000033
8)分析步骤7)AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型，得出虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D与AC/DC换流器VSG控制系统稳定性之间的关系。
2.根据权利要求1所述的混合微网换流器虚拟同步机小信号模型分析方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：分析步骤7)AC/DC换流器VSG控制系统小信号模型，得出虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D与AC/DC换流器VSG控制系统稳定性之间的关系，随着J的增大，系统逐渐过渡至不稳定状态，但是过小的J会导致系统缺少惯性特征；随着D的增大，系统逐渐趋于稳定状态。
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