CN112865621A - Vsg-bbs系统中虚拟惯量计算方法及相关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种VSG‑BBS系统中虚拟惯量计算方法及相关设备。该VSG‑BBS系统中虚拟惯量计算方法通过确定VSG的转子动能变化量与电容器组静电能变化量的对应关系，根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围，以保证电容器组的安全和逆变器PWM功能为前提，由此确定合理的VSG虚拟转动惯量取值范围，再基于取值范围控制电机的启动。由此，提高了VSG的起动系统的可靠性和安全性。

Description

VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法及相关设备
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法及相关设备。
背景技术
大容量电励磁同步电机因为具有控制精度高、过载能力强和较高弱磁比的优势而被广泛应用于大功率传动领域，既可以作为高炉鼓风机、轧钢机、空气压缩机等大型设备的动力源头，也可以被用作大容量同步调相机。
起动问题是大容量电励磁同步电机研究中的一个关键问题，基于虚拟同步电机(virtual synchronous generator，VSG)技术的大容量电励磁同步电机背靠背起动(back-to-back synchronous starting，BBS)方法具有控制结构简单、鲁棒性强、起动电流小、起动时间短的优势而得到广泛应用，该起动系统的电路结构如图1所示。
目前对于VSG的起动系统的研究并未涉及VSG虚拟惯量的设计问题，尤其是没有考虑到直流电容器静电能的约束。在电机起动和调速过程中，电容器电压不可避免的会跌落和上升，而且其跌落和上升程度与VSG虚拟惯量的取值大小直接相关。电容器电压的变化一方面可能会导致电容器被击穿损毁，另一方面可能会导致逆变器的脉冲宽度调制(PWM)功能失常。
可见，目前的VSG的起动系统的可靠性和安全性较低。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法及相关设备，旨在解决现有技术中VSG的起动系统的可靠性和安全性较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法包括以下步骤：
确定VSG的转子动能变化量与电容器组静电能变化量的对应关系；
根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围。
优选地，所述确定VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量的对应关系，包括
获取VSG的机械运动方程及VSG的电容器组的动态方程；
根据所述VSG的机械运动方程获取转子动能变化量，根据所述VSG的电容器组获取电容器器静电能变化量，令转子动能变化量与电容器静电能变化量相等，以建立所述对应关系。
优选地，所述VSG的机械运动方程为：
Figure BDA0002982301950000021
JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，Pm是VSG的机械功率，Pe是VSG的电磁功率，Pd是VSG的阻尼功率，ΔPG是VSG的失配功率。
优选地，所述VSG的电容器组的动态方程为：
Figure BDA0002982301950000022
N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，Udc是电容器电压，Pin是电容器的输入功率，Pout是电容器的输出功率，ΔPC是电容器的失配功率。
优选地，所述根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围，包括：
根据所述对应关系建立VSG虚拟惯量、电容器电压的变化量及VSG转子转速的变化量的关系式；
根据所述关系式确定直流电容器静电能对VSG虚拟惯性的贡献比例；
根据所述贡献比例在所述关系式中添加修正因子得到VSG虚拟惯量与直流电容电压的变化量及VSG转子转速的变化量之间新关系式；
依据所述新关系式计算VSG虚拟惯量的最大值，确定虚拟转动惯量的取值范围。
优选地，所述关系式为：
Figure BDA0002982301950000031
其中，ΔUdc是电容器电压的变化量，ΔUdc0是电容器电压的初始值，ΔωG是VSG转子转速的变化量，ΔωG0为转子转速的初始值，JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，ωG0是VSG的转子转速的初始值，N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，K是修正因子。
优选地，所述新关系式包括：
Figure BDA0002982301950000032
式(7)中，ΔUdcmax是被允许的电容电压变化量最大值，ΔωG是VSG转子转速的变化量，ΔωG0为转子转速的初始值，JGmax是VSG的虚拟惯量最大值，ωG是VSG的转子转速，ωG0是VSG的转子转速的初始值，N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，K是修正因子。
优选地，所述电容器电压的变化量由所述电容器电压所允许的最大值或最小值决定。
为实现上述目的，本发明还提出一种设备，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序被所述处理器执行时实现如上所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序被处理器执行时实现如上所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种VSG-BBS系统中虚拟惯量计算装置，所述火电机组一次调频系数优化装置包括：
关系确定模块，用于确定VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量的对应关系；
范围计算模块，用于根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围。
本发明通过确定VSG的转子动能变化量与电容器组静电能变化量的对应关系，根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围，以保证电容器组的安全和逆变器PWM功能为前提，由此确定合理的VSG虚拟转动惯量取值范围，再基于取值范围控制电机的启动。由此，提高了VSG的起动系统的可靠性和安全性。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备结构示意图；
图2是本发明实施例方案涉及的设备结构示意图；
图3为本发明VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法一实施例的流程示意图；
图4为图3中步骤S100的流程示意图；
图5为图3中步骤S200的流程示意图；
图6为本发明VSG-BBS系统中虚拟惯量计算装置一实施例的模块图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图6描述本发明的技术方案。
图1示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图1所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法方法，该方法包括：
确定VSG的转子动能变化量与电容器组静电能变化量的对应关系；
根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围。
优选地，所述确定VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量的对应关系，包括
获取VSG的机械运动方程及VSG的电容器组的动态方程；
根据所述VSG的机械运动方程获取转子动能变化量，根据所述VSG的电容器组获取电容器器静电能变化量，令转子动能变化量与电容器静电能变化量相等，以建立所述对应关系。
优选地，所述VSG的机械运动方程为：
Figure BDA0002982301950000051
JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，Pm是VSG的机械功率，Pe是VSG的电磁功率，Pd是VSG的阻尼功率，ΔPG是VSG的失配功率。
优选地，所述VSG的电容器组的动态方程为：
Figure BDA0002982301950000052
N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，Udc是电容器电压，Pin是电容器的输入功率，Pout是电容器的输出功率，ΔPC是电容器的失配功率。
优选地，所述根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围，包括：
根据所述对应关系建立VSG虚拟惯量、电容器电压的变化量及VSG转子转速的变化量的关系式；
根据所述关系式确定直流电容器静电能对VSG虚拟惯性的贡献比例；
根据所述贡献比例在所述关系式中添加修正因子得到VSG虚拟惯量与直流电容电压的变化量及VSG转子转速的变化量之间新关系式；
依据所述新关系式计算VSG虚拟惯量的最大值，确定虚拟转动惯量的取值范围。
优选地，所述关系式为：
Figure BDA0002982301950000061
其中，ΔUdc是电容器电压的变化量，ΔUdc0是电容器电压的初始值，ΔωG是VSG转子转速的变化量，ΔωG0为转子转速的初始值，JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，ωG0是VSG的转子转速的初始值，N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，
优选地，所述电容器电压的变化量由所述电容器电压所允许的最大值或最小值决定。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
参照图2，图2为一种逆变器，具有A、B、C三相，能够用于驱动电机。uA1～uAn是电容器电压，本实施例中图1所示的电子设备可应用于该逆变器中，以保证电容器组的安全和逆变器PWM功能，从而控制负载电机的稳定可靠的启动。
本发明提供一种VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法。
参照图3，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法包括以下步骤：
步骤S100：确定VSG的转子动能变化量与电容器组静电能变化量的对应关系。
值得说明的是，转子动能的变化量可通过VSG的机械运动方程来表达，而电容器组静电能变化量则可以通过VSG的电容器组的动态方程来表达，再建立两个方程之间的关系，则可得到所述对应关系。
步骤S200：根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围。
本实施例中，该对应关系是关于虚拟转动惯量的表达式，通过利用电容器所能承受的最大电压和最小电压，来计算得到虚拟惯量的取值范围。
本发明通过确定VSG的转子动能变化量与电容器组静电能变化量的对应关系，根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围，以保证电容器组的安全和逆变器PWM功能为前提，由此确定合理的VSG虚拟转动惯量取值范围，再基于取值范围控制电机的启动。由此，提高了VSG的起动系统的可靠性和安全性。
参照图4，具体地，所述确定VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量的对应关系，包括
步骤S110：获取VSG的机械运动方程及VSG的电容器组的动态方程。
本实施例中，所述VSG的机械运动方程为：
Figure BDA0002982301950000071
JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，Pm是VSG的机械功率，Pe是VSG的电磁功率，Pd是VSG的阻尼功率，ΔPG是VSG的失配功率。
所述VSG的电容器组的动态方程为：
Figure BDA0002982301950000072
N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，Udc是电容器电压，Pin是电容器的输入功率，Pout是电容器的输出功率，ΔPC是电容器的失配功率。
步骤S120：根据所述VSG的机械运动方程获取转子动能变化量，根据所述VSG的电容器组获取电容器器静电能变化量，令转子动能变化量与电容器静电能变化量相等，以建立所述对应关系。
令VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量相等，得到如下方程式：
Figure BDA0002982301950000081
对式(3)式等号两边分别积分，消除dωG/dt和dUdc/dt得到：
Figure BDA0002982301950000082
式(4)中，Udc0是电容额定电压，ωG0是VSG的转子速度初始值。式(4)说明，VSG的转子转速上升时，直流电容器电压应该减小，因为更快的转子转速意味着更大的负载。
参照图5，具体地，所述根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围，包括：
步骤S210：根据所述对应关系建立VSG虚拟惯量、电容器电压的变化量及VSG转子转速的变化量的关系式。
由上面式(4)可得到关于VSG虚拟惯量、电容器电压的变化量及VSG转子转速的变化量的关系式，如下：
Figure BDA0002982301950000083
(5)式中，ΔUdc＝Udc0-Udc是直流电容电压的变化量，Δω＝ωG-ωG0是VSG转子转速的变化量。
步骤S220：根据所述关系式确定直流电容器静电能对VSG虚拟惯性的贡献比例。
VSG的虚拟惯性的大小由来自电网的能量和直流电容器的静电能共同决定，而且电容器的静电能仅仅贡献很小一部分，这部分能量变化直接导致电容器电压发生变化，为保证电容器不被击穿以及逆变器的PWM功能正常，需要让电容器电压在安全范围内变化。因此，通过主动定义电容器静电能的贡献比例(比如：1％)以使得所计算得到虚拟惯量取值范围具有一定的保守性。
步骤S230：根据所述贡献比例在所述关系式中添加修正因子得到VSG虚拟惯量与直流电容电压的变化量及VSG转子转速的变化量之间新关系式。
通过在式(5)中添加修正因子K得到VSG虚拟惯量与电容器电压的变化量ΔUdc及VSG转子转速的变化量ΔωG之间的新关系式：
Figure BDA0002982301950000091
式(6)实质上是假设VSG的虚拟惯性所需的能量完全来自直流电容器的静电能。
步骤S240：依据所述新关系式计算VSG虚拟惯量的最大值，确定虚拟转动惯量的取值范围。
为保证电容器不被击穿以及逆变器PWM功能正常，需按照下式确定VSG虚拟惯量最大值，所述新关系式如下：
Figure BDA0002982301950000092
式(7)中，其中，ΔUdc是电容器电压的变化量，ΔUdc0是电容器电压的初始值，ΔωG是VSG转子转速的变化量，ΔωG0为转子转速的初始值，JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，ωG0是VSG的转子转速的初始值，N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值。电容器电压的变化量ΔUdcmax由所述电容器电压所允许的最大值或最小值决定，ΔUdcmax是被允许的电容电压变化量最大值(ΔUdcmax＝Udc0-Udcmin或者ΔUdcmax＝Udcmax-U0dc，Udcmax和Udcmin分别是电容电压被允许的上限值和下限值)，那么VSG虚拟惯量的取值范围是0～JGmax。
为实现上述目的，本发明还提出一种设备，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序被所述处理器执行时实现如上所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序被处理器执行时实现如上所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法的步骤。
参照图6，为实现上述目的，本发明还提出一种VSG-BBS系统中虚拟惯量计算装置，所述火电机组一次调频系数优化装置包括：
关系确定模块100，用于确定VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量的对应关系。值得说明的是，转子动能的变化量可通过VSG的机械运动方程来表达，而电容器组静电能变化量则可以通过VSG的电容器组的动态方程来表达，再建立两个方程之间的关系，则可得到所述对应关系。
范围计算模块200，用于根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围。本实施例中，该对应关系是关于虚拟转动惯量的表达式，通过利用电容器所能承受的最大电压和最小电压，来计算得到虚拟惯量的取值范围。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，其特征在于，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法包括：
确定VSG的转子动能变化量与电容器组静电能变化量的对应关系；
根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围。
2.如权利要求1所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，其特征在于，所述确定VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量的对应关系，包括
获取VSG的机械运动方程及VSG的电容器组的动态方程；
根据所述VSG的机械运动方程获取转子动能变化量，根据所述VSG的电容器组获取电容器器静电能变化量，令转子动能变化量与电容器静电能变化量相等，以建立所述对应关系。
3.如权利要求2所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，其特征在于，所述VSG的机械运动方程为：
Figure FDA0002982301940000011
JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，Pm是VSG的机械功率，Pe是VSG的电磁功率，Pd是VSG的阻尼功率，ΔPG是VSG的失配功率。
4.如权利要求3所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，其特征在于，所述VSG的电容器组的动态方程为：
Figure FDA0002982301940000012
N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，Udc是电容器电压，Pin是电容器的输入功率，Pout是电容器的输出功率，ΔPC是电容器的失配功率。
5.如权利要求4所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，其特征在于，所述根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围，包括：
根据所述对应关系建立VSG虚拟惯量、电容器电压的变化量及VSG转子转速的变化量的关系式；
根据所述关系式确定直流电容器静电能对VSG虚拟惯性的贡献比例；
根据所述贡献比例在所述关系式中添加修正因子得到VSG虚拟惯量与直流电容电压的变化量及VSG转子转速的变化量之间新关系式；
依据所述新关系式计算VSG虚拟惯量的最大值，确定虚拟转动惯量的取值范围。
6.如权利要求5所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，其特征在于，所述关系式为：
Figure FDA0002982301940000021
其中，ΔUdc是电容器电压的变化量，ΔUdc0是电容器电压的初始值，ΔωG是VSG转子转速的变化量，ΔωG0为转子转速的初始值，JG是VSG的虚拟惯量，ωG是VSG的转子转速，ωG0是VSG的转子转速的初始值，N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值。
7.如权利要求5所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法，其特征在于，所述新关系式包括：
Figure FDA0002982301940000022
式(7)中，ΔUdcmax是被允许的电容电压变化量最大值，ΔωG是VSG转子转速的变化量，ΔωG0为转子转速的初始值，JGmax是VSG的虚拟惯量最大值，ωG是VSG的转子转速，ωG0是VSG的转子转速的初始值，N是所有电容器的数目，C是单个电容器的容值，K是修正因子。
8.一种设备，其特征在于，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法的步骤。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序，所述VSG-BBS系统中虚拟惯量计算程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的VSG-BBS系统中虚拟惯量计算方法的步骤。
10.一种VSG-BBS系统中虚拟惯量计算装置，其特征在于，所述火电机组一次调频系数优化装置包括：
关系确定模块，用于确定VSG的转子动能变化量与电容器静电能变化量的对应关系；
范围计算模块，用于根据所述对应关系计算VSG的虚拟转动惯量的取值范围。
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邹波等: "基于可变转动惯量的VSG控制策略研究", 《电力电子技术》 *

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