CN112838579A - 一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器 - Google Patents

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Abstract

一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，涉及虚拟控制技术领域，包括第一采样单元、比例控制器单元、第二采样单元、第三采样单元、内环比例积分控制器单元和PWM调制单元，还包括类模拟同步发电机控制环、虚拟同步控制环以及电流前馈项，本发明实现直流电压的同步跟踪功能，使得直流变换器的直流电压能始终保持跟踪电气化牵引供电系统直流微网；可以同时抑制振荡和改善由于不平衡功率导致的直流电压暂态偏离，工程上易于实现，能最大程度改善系统的阻尼性能和惯量，抑制直流网络的振荡，具有较高的效率、可行性以及可靠性。

Description

一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步 控制器
技术领域
本发明涉及虚拟控制技术领域，特别涉及一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器。
背景技术
随着分布式电源渗透率增加，电网将逐步发展为电力电子变换器为主导的地惯量、欠阻尼网络，稳定性问题愈发严重。虚拟同步发电机(Virtual SynchronousGenerator，VSG)概念提出的初衷之一是解决由于电力系统电力电子化程度增加而造成系统稳定性减弱的问题，但由于VSG与传统的同步发电机并不完全等价，亟须发展针对VSG本身以及其接入系统的小信号稳定与暂态稳定分析方法，并提出利用VSG灵活可控的优势提高系统稳定性的措施。
电力电子变流器的强非线性、动态性以及彼此之间的级联、并联等复杂的连接方式也给电力电子化电力系统的稳定性带来了严重的影响。因此，电力电子化电力系统稳定性分析已成为重要的研究课题。应用于传统电力系统暂态稳定性分析的方法主要有时域仿真法(也称逐步积分法)、人工智能法和直接法等。时域仿真法优点是无论待分析的系统多么复杂，系统组成的元件模型多么详细，都可以通过该方法进行系统给定设计方案的检验与性能分析。但时域仿真法无法揭示系统参数与系统性能、稳定性之间的关系，无法得到系统的稳定裕度等定量信息。人工智能法在电力系统动态安全评估方面已有丰富的研究成果，计算速度快，常应用于数据的预处理和后处理。但在分析过程中由于实际数据与预设数据不一致时，应用人工智能法会造成分析结果与实际的稳定指标之间存在偏差。直接法通过构造类似于反映系统能量的标量函数，研究函数随时间变化的趋势，进而判断非线性系统的稳定性。该方法的主要优点是判别速度快，并可以给出系统失稳的模式和程度，但目前仍存在详细模型下能量函数构造困难及判别结果偏保守的局限。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，工程上易于实现，具有较高的效率和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，包括第一采样单元、比例控制器单元、第二采样单元、第三采样单元、内环比例积分控制器单元和PWM调制单元，还包括类模拟同步发电机控制环、虚拟同步控制环以及电流前馈项，类模拟同步发电机控制环由虚拟惯量控制单元和虚拟阻尼控制单元衔接形成，用于输出虚拟的直流电压信号，为系统提供惯量和阻尼支撑，虚拟同步控制环用于实现直流电压的虚拟同步控制，电流前馈项用于加快系统响应速度。
进一步地，第一采样单元连接比例控制器单元，比例控制器单元和电流前馈项连接类模拟同步发电机控制器环中的虚拟惯量控制单元，第二采样单元连接类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元，类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元与虚拟同步控制环连接，虚拟同步控制环连接内环比例积分控制器单元，内环比例积分控制器单元和第三采样单元连接PWM调制单元。
进一步地，直流电压参考信号与第一采样单元采样的DC-DC直流斩波器输出口直流电容上的电压相减得到偏差量，再通过比例控制器单元获得第一输出信号作为虚拟同步控制器的参考输入，第一输出信号满足如下控制规律：
Ivir＝(Vref-Vdc)Kdr
进一步地，虚拟惯量控制单元将第一输出信号减去第二采样单元采样DC-DC直流变换器输出口直流电流信号再减去虚拟阻尼控制单元输出信号得到差值，差值与电流前馈项输出的信号叠加得到第二输出信号作为虚拟直流电压信号，第二输出信号满足如下控制规律：
Figure BDA0002913746380000031
进一步地，虚拟阻尼控制单元将第二输出信号与直流电压参考信号的差值得到第三输出信号作为虚拟阻尼电流信号，第三输出信号满足如下控制规律：
Idm＝(Vvir-Vref)Kdom
其中，Idc为直流变换器输出口直流电流，Ifeedforward为电流前馈项，Jvir/s为虚拟惯量控制单元，Vref为直流电压参考信号，kdom为虚拟阻尼控制单元。
进一步地，虚拟同步控制环将第二输出信号与第一采样单元采样的DC-DC变换器输出口直流电容上的电压叠加得到第四输出信号，第四输出信号满足如下控制规律：
Figure BDA0002913746380000041
其中，1/Kvirt为虚拟同步控制环。
进一步地，第四输出信号通过额定占空比系数获得第五输出信号作为内环比例积分控制器单元的参考电流信号，第五输出信号满足如下控制规律：
Iref＝IvirtDuty
其中，Duty为额定占空比值，即额定直流出口电压与电源电压的比值。
进一步地，内环比例积分控制器单元将第五输出信号与第三采样单元采样的滤波电感电流信号相减得到第六输出信号作为DC-DC直流斩波变换器调制信号，第六输出信号满足如下控制规律：E＝(Iref-IL)(Kp+Ki/s)。
进一步地，类模拟同步发电机虚拟同步控制器的控制动态表达式为：
Figure BDA0002913746380000042
类模拟同步发电机控制环产生虚拟直流电压后通过虚拟同步控制环产生虚拟直流电流，当直流电压发生振荡时，dVvir/dt不为零，系统存在一个惯量功率，类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元自动响应惯量需求提供惯量支撑，当系统的直流电压不等于额定直流电压时，类模拟同步发电机控制环中的虚拟阻尼控制单元自动响应产生阻尼功率抑制直流电压的振荡。
本发明取得有益效果在于：本发明实现直流电压的同步跟踪功能，使得变换器直流电压能始终保持跟踪电气化牵引供电系统直流微网；可以同时抑制振荡和改善由于不平衡功率导致的直流电压暂态偏离，工程上易于实现，能最大程度改善系统的阻尼性能和惯量，抑制直流网络的振荡，具有较高的效率、可行性以及可靠性。
附图说明
图1为本实施例的结构框图；
图2为本实施例的原理图；
图3为双闭环矢量控制系统的阻抗比Nyquist曲线图；
图4为采用本实施例的系统阻抗比Nyquist曲线图；
图5为本实施例在虚拟同步控制系数不同时的系统阻抗比Nyquist曲线图；
图6为本实施例在虚拟惯量控制系数不同时的系统阻抗比Nyquist曲线图；
图7为本实施例在虚拟阻尼控制系数不同时的系统阻抗比Nyquist曲线图；
图8为双闭环矢量控制系统的直流电流与直流电压的函数响应曲线；
图9为正反馈效应机制下的直流电压动态响应过程；
图10为负反馈效应机制下的直流电压动态响应过程；
图11为本实施例的系统直流电压暂态偏离响应曲线；
图12为本实施例的系统直流电压衰减振荡稳定情景下的暂态响应曲线；
图13为在本实施例中虚拟惯量对直流电压暂态响应的影响；
图14为在本实施例中虚拟阻尼对直流电压暂态响应的影响。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，如图1所示包括第一采样单元、比例控制器单元、第二采样单元、第三采样单元、内环比例积分控制器单元和PWM调制单元，还包括类模拟同步发电机控制环、虚拟同步控制环以及电流前馈项，类模拟同步发电机控制环由虚拟惯量控制单元和虚拟阻尼控制单元衔接形成，用于输出虚拟的直流电压信号，为系统提供惯量和阻尼支撑，虚拟同步控制环用于实现直流电压的虚拟同步控制，电流前馈项用于加快系统响应速度。
其中第一采样单元连接比例控制器单元，如图2所示，直流电压参考信号与第一采样单元采样的DC-DC直流变换器输出口直流电容上的电压相减得到偏差量，再通过比例控制器单元获得第一输出信号作为虚拟同步控制器的参考输入，第一输出信号满足如下控制规律：
Ivir＝(Vref-Vdc)Kdr
进一步地，比例控制器单元连接类模拟同步发电机控制器环中的虚拟惯量控制单元，第二采样单元连接类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元，电流前馈项连接类模拟同步发电机控制器环中的虚拟惯量控制环，虚拟惯量控制单元将第一输出信号减去第二采样单元采样DC-DC直流斩波器输出口直流电流信号再减去虚拟阻尼控制单元输出的信号得到差值，差值与电流前馈项输出的信号叠加得到第二输出信号作为虚拟直流电压信号，第二输出信号满足如下控制规律：
Figure BDA0002913746380000071
其中，Idc为直流变换器输出口直流电流，Ifeedforward为电流前馈项，Jvir/s为虚拟惯量控制单元；虚拟阻尼控制单元将第二输出信号与直流电压参考信号相减得到第三输出信号作为虚拟阻尼电流信号，第三输出信号满足如下控制规律：
Idm＝(Vvir-Vref)kdom
其中，Vref为直流电压参考信号，kdom为虚拟阻尼控制单元。
类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元与虚拟同步控制环连接，虚拟同步控制环将第二输出信号与第一采样单元采样的DC-DC变换器输出口直流电容上的电压叠加得到第四输出信号，第四输出信号满足如下控制规律：
Figure BDA0002913746380000072
上式中1/Kvirt为虚拟同步控制环，说明虚拟直流电压越大类模拟发电机控制环就可以产生更多的虚拟惯量电流来支撑系统的惯量和直流电压的同步运行。
虚拟同步控制环连接内环比例积分控制器单元，第四输出信号通过额定占空比系数获得第五输出信号作为内环比例积分控制器单元的参考电流信号，第五输出信号满足如下控制规律：
Iref＝IvirtDuty
其中，Duty为额定占空比值，即额定直流出口电压与电源电压的比值。
第三采样单元连接内环比例积分控制器单元，将第五输出信号与第三采样单元采样的滤波电感电流信号相减得到第六输出信号作为DC-DC直流斩波变换器调制信号，第六输出信号满足如下控制规律：E＝(Iref-IL)(Kp+Ki/s)。
内环比例积分控制器单元连接PWM调制单元，将第六输出信号与三角载波信号相比较的差值按脉宽调制逻辑计算得到第七输出信号，即PWM脉冲信号。
虚拟惯量控制单元和虚拟阻尼控制单元通过第二输出信号和第三输出信号的衔接形成类模拟同步发电机控制器环，类模拟同步发电机控制环产生虚拟直流电压后通过虚拟同步控制环产生虚拟直流电流为系统提供惯量支撑，类模拟同步发电机虚拟同步控制器的控制动态表达式为：
Figure BDA0002913746380000081
由上式可推断出，当直流电压发生振荡时，dVvir/dt不为零，系统存在一个惯量功率，类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元自动响应惯量需求提供相应的惯量支撑进一步的阻尼振荡，惯量越大，可提供的惯量支撑就越大，系统直流电压越容易镇定，鲁棒性越好，虚拟惯量控制单元可以使得直流电压的波动变得平滑，进而抑制直流电压振荡，改善系统阻尼性能；当系统的直流电压不等于额定直流电压时，类模拟同步发电机控制环中的虚拟阻尼控制单元自动响应产生一定的阻尼功率来抑制直流电压的振荡；直到直流电压不发生振荡时，系统就不再存在惯量功率。
接下来分析双闭环矢量控制系统的稳定性和鲁棒性并验证采用类模拟同步发电机虚拟同步控制器可提高系统鲁棒性和阻尼性能的机理。
首先根据系统阻抗比的Nyquist曲线来分析系统的稳定性和鲁棒性；如图3所示的双闭环矢量控制系统的阻抗比Nyquist曲线可看出，Nyquist曲线包围(-1,0)点，因此系统不稳定，并且具有较差的鲁棒性能和稳定性，说明双闭环矢量控制不稳定，影响系统安全可靠稳定运行；由图4可看出，采用类模拟同步发电机虚拟同步控制器后，系统阻抗比的Nyquist曲线始终在(-1,0)点内，说明采用类模拟同步发电机虚拟同步控制器提高了系统的鲁棒性和稳定性。
然后分析采用类模拟同步发电机虚拟同步控制器的控制系统在不同的控制参数变化下对系统稳定性的影响，如图5所示，当虚拟同步控制系数从Kvirt＝5变化至Kvirt＝30时，系统阻抗比Nyquist曲线始终位于单位圆内；如图6所示，当虚拟惯量控制系数Jvir＝0.2变化至Jvir＝20时，系统阻抗比Nyquist曲线均能位于单位圆内，且随着虚拟惯量控制系数的增大，Nyquist曲线对应的曲率半径越小，因此系统的鲁棒性能和稳定性随着虚拟惯量控制系数的增大而提高；如图7所示，当虚拟阻尼控制系数从Kdom＝3变化至Kdom＝15时，系统阻抗比Nyquist曲线的曲率半径小于1，曲线始终位于单位圆内；具体说明了在电流前馈项和虚拟同步控制环的影响下，类模拟同步发电机虚拟同步控制器具有良好的参数适应性和较宽的参数运行范围，能保证系统在一个较大的范围内很好的保持良好的稳定性和鲁棒性能。
接着通过反馈分析方法来判定系统的稳定性和直流电压的运动动态过程，步骤如下：通过线性化分析求解出直流微网系统中直流斩波变换器输出电流与端口母线电压的小信号模型表达式；基于表达式得到直流电流关于直流电压的函数ΔIdc＝f(ΔVdc)，该函数响应为直流电流与直流电压之间的函数关系；基于表达式ΔIdc＝f(ΔVdc)得到函数的幅频响应特性和相频响应特性如图8所示，通过幅频响应特性和相频响应特性得到电流电压矢量图，通过分析直流电压与直流电流的运动状态和运动轨迹，推断出直流电流与直流电压动态矢量之间的相位区间段。
之后根据公式
Figure BDA0002913746380000101
反映出直流电压的运动状态的变化以及运动轨迹，通过判断矢量在水平方向上的投影，当其相位特性位于-90°至90°区间内时，矢量在水平方向上的投影为0°，直流电压的变化与直流电流的变化之间形成正反馈的动态交互作用，电流扰动的增加会使得直流电压进一步增大反过来作用于电流增加，形成正反馈效应机制，不利于直流电压的镇定和收敛，正反馈效应机制下的直流电压动态响应过程如图9所示；当其相位位于90°至270°区间段时，矢量在水平方向上的投影为180°(-180°)，直流电压的变化与直流电流的变化之间形成负反馈的动态交互作用，当直流电压受到扰动上升过程中，电压和电流之间形成的负反馈效应会进一步阻碍直流电流的上升，使得其开始下降，最终达到镇定稳态，负反馈效应机制下的直流电压动态响应过程如图10所示。
系统的直流电压暂态偏离响应过程如图11所示，系统由于不平衡功率导致的直流电容充放电来补偿有功功率缺额，其本质原因在于不平衡的功率使得直流电容状态发生变化。在惯量响应过程中，衡量系统惯量大小和阻尼性能的重要指标是直流电压变化率和最大直流电压暂态偏移量；系统直流电压衰减振荡稳定情景下的暂态响应过程，如图12所示，系统由于交互作用和弱阻尼振荡模态引发的直流电压在平衡运行点附近上下摆动，因此衡量直流电压的振荡指标是振荡频率和振荡幅度，其中，振荡频率对应惯量响应中的最大直流电压暂态偏移量，振荡幅度对应直流电压变化率；直流电压二阶动态响应如下：
Figure BDA0002913746380000111
式中，ξ为二阶响应的阻尼比，ωn和ωd分别为自然振荡频率和阻尼振荡频率。假设t＝0s，对上式求导可得：
Figure BDA0002913746380000112
f′(t)相当于曲线的斜率，即直流电压变化率，又由上式可知由于不平衡功率导致的直流电压暂态偏移中的直流电压变化率等于直流电压振荡中的振荡频率，因此二者在暂态响应过程是统一的。
最后具体分析虚拟惯量和虚拟阻尼对直流电压暂态响应的影响，如图13所示为虚拟惯量对直流电压暂态响应的影响，由图可看出，虚拟惯量的增加，直流电压暂态响应变得更加缓慢，并且振荡幅度也减小；如图14所示为虚拟阻尼对直流电压暂态响应的影响，由图可看出虚拟阻尼越强，直流电压暂态响应衰减越快，且震荡幅度减小；虚拟惯量和虚拟阻尼分别是由类模拟同步发电机虚拟同步控制器中的类模拟同步发电机控制环提供的，进一步说明了类模拟同步发电机虚拟同步控制器可提高系统的稳定性和鲁棒性。
本发明实现直流电压的同步跟踪功能，使得直流变换器的直流电压能始终保持跟踪电气化牵引供电系统直流微网；可以同时抑制振荡和改善由于不平衡功率导致的直流电压暂态偏离，工程上易于实现，能最大程度改善系统的阻尼性能和惯量，抑制直流网络的振荡，具有较高的效率、可行性以及可靠性。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (6)

1.一种提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，包括第一采样单元、比例控制器单元、第二采样单元、第三采样单元、内环比例积分控制器单元和PWM调制单元，其特征在于：还包括类模拟同步发电机控制环、虚拟同步控制环以及电流前馈项，所述类模拟同步发电机控制环由虚拟惯量控制单元和虚拟阻尼控制单元衔接形成，用于输出虚拟的直流电压信号，为系统提供惯量和阻尼支撑，所述虚拟同步控制环用于实现直流电压的虚拟同步控制，所述电流前馈项用于加快系统响应速度；
所述第一采样单元连接比例控制器单元，所述比例控制器单元和电流前馈项连接类模拟同步发电机控制器环中的虚拟惯量控制单元，所述第二采样单元连接类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元，所述类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元与虚拟同步控制环连接，所述虚拟同步控制环连接内环比例积分控制器单元，所述内环比例积分控制器单元和第三采样单元连接PWM调制单元。
2.根据权利要求1所述的提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，其特征在于：直流电压参考信号与所述第一采样单元采样的DC-DC变换器输出口直流电容上的电压相减得到偏差量，再通过比例控制器单元获得第一输出信号作为虚拟同步控制器的参考输入，所述第一输出信号满足如下控制规律：
Ivir＝(Vref-Vdc)Kdr。
3.根据权利要求1所述的提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，其特征在于：所述虚拟惯量控制单元将第一输出信号减去第二采样单元采样DC-DC直流变换器输出口直流电流信号再减去虚拟阻尼控制单元输出的信号得到得差值，所述差值与电流前馈项输出的信号叠加得到第二输出信号作为虚拟直流电压信号，所述第二输出信号满足如下控制规律：
Figure FDA0002913746370000021
所述虚拟阻尼控制单元将第二输出信号与直流电压参考信号相减得到第三输出信号作为虚拟阻尼电流信号，所述第三输出信号满足如下控制规律：
Idm＝(Vvir-Vref)kdom
其中，Idc为直流变换器输出口直流电流，Ifeedforward为电流前馈项，Jvir/s为虚拟惯量控制单元，Vref为直流电压参考信号，kdom为虚拟阻尼控制单元。
4.根据权利要求1所述的提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，其特征在于：所述虚拟同步控制环将第二输出信号与第一采样单元采样的DC-DC变换器输出口直流电容上的电压叠加得到第四输出信号，所述第四输出信号满足如下控制规律：
Figure FDA0002913746370000022
其中，1/Kvirt为虚拟同步控制环；所述第四输出信号通过额定占空比系数获得第五输出信号作为内环比例积分控制器单元的参考电流信号，所述第五输出信号满足如下控制规律：
Iref＝IvirtDuty
其中，Duty为额定占空比值，即额定直流出口电压与电源电压的比值。
5.根据权利要求1所述的提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，其特征在于：所述内环比例积分控制器单元将第五输出信号与第三采样单元采样的滤波电感电流信号相减得到第六输出信号作为DC-DC直流斩波变换器调制信号，所述第六输出信号满足如下控制规律：E＝(Iref-IL)(Kp+Ki/s)。
6.根据权利要求1所述的提高系统稳定性和鲁棒性的类模拟同步发电机虚拟同步控制器，其特征在于：控制动态表达式为：
Figure FDA0002913746370000031
所述类模拟同步发电机控制环产生虚拟直流电压后通过虚拟同步控制环产生虚拟直流电流，当所述直流电压发生振荡时，dVvir/dt不为零，所述系统存在一个惯量功率，所述类模拟同步发电机控制环中的虚拟惯量控制单元自动响应惯量需求提供惯量支撑，当所述系统的直流电压不等于额定直流电压时，所述类模拟同步发电机控制环中的虚拟阻尼控制单元自动响应产生阻尼功率来抑制直流电压的振荡。
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