CN112886647A - 一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法。其可应用于负荷虚拟同步发电机控制直接应用于多逆变器组建的微电网环境中，从而提高负荷虚拟同步机应用于微电网的适用性。本发明通过引入虚拟阻抗将逆变器的等效输出阻抗设计成感性，修正系统阻抗的阻感比，解决负荷虚拟同步机有功功率与无功功率的耦合问题；同时，对负荷虚拟同步机控制中无功‑电压控制环路的改进，消除线路阻抗引起的电压差异的影响，实现容量不对称、阻抗不匹配异构互联对等控制前提下的多负荷虚拟同步机并联系统的无功精确分配。

Description

一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法。其可应用于负荷 虚拟同步发电机控制直接应用于多逆变器组建的微电网环境中，从而提高负荷虚拟同步机 应用于微电网的适用性。
背景技术
目前，无互联线并联结构的功率/下垂控制是实现分布式能源并联组网的有效控制方 法。负荷虚拟同步发电机技术模拟了传统同步发电机的功率/下垂特性，借鉴负荷同步发电 机控制原理实现负荷功率的分配，完成微电网电压频率的支撑，被认为是解决分布式能源 组网运行的重要途径之一。然而，负荷虚拟同步发电机控制直接应用于多逆变器组建的微 电网环境会存在以下2个方面的问题，不利于并联系统的稳定运行和功率精确分配：①分 布式能源的地理位置分散，线路阻抗不可忽略，根据微电网的规模以及分布式电源容量和 位置的不同，微电网的线路阻抗模型主要呈现阻性或阻感性，而负荷虚拟同步发电机在系 统阻抗呈感性时才能保证有功对功角(P-Φ)、无功对电压(Q-E)的近似解耦控制，此时采用 负荷虚拟同步发电机控制，会引起有功和无功功率的耦合，降低控制精度，甚至引起系统 功率的震荡；②线路阻抗的不匹配、逆变器结构参数及控制器类型均会造成负荷虚拟同步 机输出电压的差异，导致并联系统的无功功率很难实现按容量比例精确分配，产生无功环 流，而无功环流在逆变器间传送，加大了逆变器中的功率器件、线路及输出滤波器的电流 应力和热应力，严重时将导致逆变器过载或过流保护动作，致使并联系统无法工作。接下 来具体分析负荷虚拟同步发电机控制直接应用于多逆变器组建的微电网环境中所存在的两 个问题。
1.阻感性系统阻抗下的功率耦合分析
图1为负荷虚拟同步机多机并联系统的简化结构，VSG模块由并网逆变器、滤波器和 负荷虚拟同步机控制电路组成，各个VSG模块由线路连接到交流母线，共同为负载供电，通过公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)的静态开关K，完成系统的并/离网运行。
将图1中负荷虚拟同步机模块等效为参考电压源与等效输出阻抗串联的形式，可得到 如图2所示的并联等效电路模型，其中，
Figure BDA0002919159300000021
为负荷虚拟同步机输出参考电压，UPCC∠0 为交流母线处负载端电压，Z∠θ为系统阻抗，由等效输出阻抗Zo和线路阻抗Zline共同组成。
结合图2，分析系统阻抗性质对逆变器功率耦合程度的影响。负荷虚拟同步机向PCC 点注入的功率可表示为
Figure BDA0002919159300000022
考虑在平衡点
Figure BDA0002919159300000023
处的微小扰动，对功率进行线性化，可表示为
Figure BDA0002919159300000024
其中
Figure BDA0002919159300000025
为减小并联系统带载工作时的电压降落，实际中采用的线路阻抗一般很小，可近似认 为
Figure BDA0002919159300000031
假设系统阻抗为纯感性，即θ＝90°，代入式(3)有，Kpe＝0，Kqf＝0，则
Figure BDA0002919159300000032
可知，当系统阻抗为纯感性时，有功与电压解耦，与频率呈线性变化关系，无功与频 率解耦，与电压幅值呈线性变化关系。但低压微网中线路阻抗主要呈阻性，此时阻抗角θ减小，根据式(3)，随着θ的减小，耦合项Kpe和Kqf的值逐渐增大，即功率环路耦合关系加 强，也就是说通过调频来调节输出有功的同时无功也随之变化，通过调压来调节输出无功 的同时有功也随之波动，有功无功的调节出现了耦合现象。因此，为避免出现功率耦合， 影响控制精度，VSG的系统阻抗应尽可能为感性的。
2.线路阻抗不匹配时的功率耦合分析
由前文负荷虚拟同步发电机控制原理可知，负荷虚拟同步发电机技术实质上是模拟了 传统同步发电机的功频静特性，并将发电机等机械装置特有的惯量与阻尼引入到控制环中， 增强系统的稳定运行。其功率分配原理如图所示，并联的负荷虚拟同步机分别以各自输出 电压的频率、幅值作为有功、无功的输出衡量标准，根据预设的有功-频率曲线、无功-电 压曲线，自动参与功率的比例分配，实现无通讯情况下的负荷共享。
由图3可清楚的说明，输出电压频率和幅值的相等是并联负荷虚拟同步机有功功率和 无功功率能够按设定的下垂曲线精确分配的关键。具体的，若稳态时有两逆变器输出电压 频率相同，即f1＝f2，则有功功率能按比例分配；同理，若稳态时能保证两逆变器输出电压 幅值相同，即E1＝E2，则无功功率能按比例分配。
由上述分析可知，系统频率作为一个全局量最终会被拉为同步，因此有功功率总能按 预设的分配比值精确分配。然而，负荷虚拟同步机输出电压的幅值作为局部量会受到线路 压降的影响，其关系表达式为
Ei＝UPCC+ioiZlinei (5)
上式可以看出，线路阻抗不匹配时产生的线路压降不等，导致输出电压幅值E1≠E2， 此时对应的无功分配如图4所示，可以发现，由于输出电压幅值差异，电压幅值偏低的逆 变器会输出更多的无功功率，电压幅值偏高的逆变器会输出更少的无功功率，无功不再按 预设比例分配。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于虚拟阻抗的负荷虚拟同步机优化控制方 法。本发明通过引入虚拟阻抗将逆变器的等效输出阻抗设计成感性，修正系统阻抗(等效 输出阻抗和线路阻抗之和)的阻感比，解决负荷虚拟同步机有功功率与无功功率的耦合问 题；同时，对负荷虚拟同步机控制中无功-电压控制环路的改进，消除线路阻抗引起的电压 差异的影响，实现容量不对称、阻抗不匹配异构互联对等控制前提下的多负荷虚拟同步机 并联系统的无功精确分配。
本发明的技术方案是：一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法，其特 征在于：
步骤一、负荷虚拟同步机有功功率与无功功率的解耦的步骤
根据逆变器给出相应的等效模型：
uo(s)＝Gv(s)uref(s)-Zo(s)io(s)，
式中
Figure BDA0002919159300000051
Figure BDA0002919159300000052
其中L为电感电感，C为电感电容，r 为电感电阻，s为复频域参数，Gv(s)为电压增益函数，GU(s)为电压环比例增益函数，GI(s) 为电流环比例增益函数，uref为负荷虚拟同步机功率控制环得到的电压参考信号，KPWM为 逆变器等效增益，Zo(s)为逆变器等效输出阻抗。
采用输出电流值反馈，引入虚拟阻抗Zvir，虚拟阻抗Zvir为线路阻抗Zline模值的3倍， 则
Figure BDA0002919159300000053
uref为引入虚拟复阻抗后的电压参考调制信号，
其中，uo(s)＝Gv(s)uref(s)-Zo(s)io(s)
Figure BDA0002919159300000054
在基频处等效输出阻抗Z'o(s)＝Zvir；
步骤二、采用负载侧交流母线端电压UPCC作为电压-无功控制方程中的反馈电压。
本发明的目的是为了解决负荷虚拟同步机有功功率与无功功率的耦合问题，容量不对 称、阻抗不匹配异构互联对等控制前提下的多负荷虚拟同步机并联系统的无功精确分配问 题，进而提高负荷虚拟同步机应用于微电网的适用性。
附图说明
图1负荷虚拟同步发电机多机并联系统结构。
图2并联等效电路模型。
图3并联负荷虚拟同步发电机的功率分配原理。
图4线路压降不等时的无功功率分配情况(靠近E点向下的两根黄色线为下垂曲线， 从UL向上的两根曲线为线路压降)。
图5采用电压、电流双比例环控制的逆变器主电路拓扑图。
图6电压电流双环控制框图。
图7引入虚拟阻抗系统等效原理。
图8引入虚拟阻抗的电压电流控制框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明针对负荷虚拟同步机有功功率与无功功率的耦合问题，容量不对称、阻抗不匹 配异构互联对等控制前提下的多负荷虚拟同步机并联系统的无功精确分配问题，提出了一 种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法，从而提高了负荷虚拟同步机应用于 微电网的适用性，本发明的具体方法如下：
1.引入虚拟阻抗将逆变器的等效输出阻抗转变成感性的步骤
本发明的逆变器的主电路结构如图5所示，桥臂输出电压经LC滤波后为负载供电，uo为电容电压，iL和io分别为滤波电感电流和输出电流，Vinv为直流母线电压。由于滤波电容等效串联电阻仅在高频时影响系统输出阻抗，因此忽略其影响。
逆变器采用传统电压、电流双闭环控制的模型，如图6所示。
可求得系统的戴维南等效模型为
uo(s)＝Gv(s)uref(s)-Zo(s)io(s) (6)
式中
Figure BDA0002919159300000061
Figure BDA0002919159300000062
其中L为母线电感，C为母线电容，r为母线电阻，s为复频域参数，Gv(s)为电压增益函数，表征了空载时输出电压对参考电压的跟踪能力，GU(s)为电压环比例增益函数，GI(s)为电流环比例增益函数，uref为负荷虚拟同步机功率控制环得到的电压参考信号，KPWM为 逆变器等效增益，Zo(s)为逆变器等效输出阻抗。
虚拟阻抗主要有两种应用思路：①改变系统输出阻抗特性，如系统具有阻性输出阻抗， 加入虚拟电感可将系统阻抗调节为感性；②改变系统输出阻抗大小，但不改变其特性，如 果系统具有感性输出阻抗，加入虚拟电感则能够调节系统阻抗大小。本报告对虚拟阻抗的 应用属于前者。
引入虚拟阻抗的原理如图7所示，本文按照上文所述的思路①，通过增加感性阻抗Zvir， 使相对虚拟电压Ei的系统阻抗模型呈感性，即虚拟阻抗Zvir、等效输出阻抗Zo、线路阻抗Zline三者之和呈感性，满足高压线路阻感比，从而实现并联负荷虚拟同步机阻性线路环境 下有功功率和无功功率的解耦。
采用输出电流值反馈，引入虚拟阻抗后的电压电流比例环控制框图如图8所示。uref为引入虚拟复阻抗后的电压参考调制信号，有
Figure BDA0002919159300000071
根据控制框图，有
uo(s)＝Gv(s)uref(s)-Zo(s)io(s) (10)
由此可得
Figure BDA0002919159300000072
式中为虚拟阻抗引入后的等效输出阻抗为
Z'o(s)＝Gv(s)Zvir+Zo(s) (12)
基频处有|Gv(s)|≈1，|Zo(s)|≈0成立，故在基频处近似有
Z'o(s)＝Zvir (13)
因此，忽略等效输出阻抗影响后，只要感性虚拟阻抗的模值是线路阻抗模值的3倍， 即可达到高压线路的阻感比，实现功率解耦。
2.改进无功-电压控制环设计
引入感性虚拟阻抗可以解决线路阻抗模型中的阻性成分带来的功率耦合问题，使并联 负荷虚拟同步机具备传统同步发电机组的输出特性，并能够和同步电机型分布式电源并联 组网运行。但引入虚拟阻抗后，采用传统的负荷虚拟同步发电机控制，线路阻抗不同引起 的无功功率不能均分的问题依然存在。为此，有学者提出通过向系统中引入一个远大于线 路阻值的虚拟阻抗，最大限度内消除线路阻抗的影响，当并联的负荷虚拟同步机容量不同 时，虚拟阻抗的取值满足容量的反比即可实现无功的比例分配，然而，这种方法中对虚拟 阻抗的取值要求过大，容易引起系统的不稳定，不能保证工程应用的可靠性。
因此，本节提出一种对负荷虚拟同步发电机无功控制环改进的方法，采用负载侧交流 母线端电压UPCC作为电压-无功控制方程中的反馈电压，代替受线路阻抗影响的逆变器输 出电压，从而实现无功的精确分配。同时，由于引入UPCC作为反馈，克服了传统负荷虚拟 同步机控制中线路阻抗对PCC点电压降的影响，提高了系统供电的电压质量。
采用交流母线端电压UPCC作为反馈电压时，电压-无功控制方程为
Figure BDA0002919159300000081
线路解耦情况下，负荷虚拟同步机输出无功功率满足
Figure BDA0002919159300000082
将式(15)代入式(14)，整理得
sEn+AEn＝B (16)
式中
Figure RE-GDA0003011622300000083
式(16)从数学角度分析，是一个一阶微分方程，可解得方程时域通解为
En＝Uw+Ce-At (17)
式(17)表明逆变器输出电压由稳态分量Uw和暂态分量Ce-At两部分组成，C为常数，稳态 分量为
Figure BDA0002919159300000091
将稳态分量Uw代入式(15)有
Figure BDA0002919159300000092
整理得到下式，即
Figure BDA0002919159300000093
对于i＝1,2，等式右边相等，则有
Figure BDA0002919159300000094
即
Figure BDA0002919159300000095
其中，Qi为负荷虚拟同步机输出无功功率，En为负荷虚拟同步机桥臂中点电压基波的 有效值，s为复频域参数，Ei为虚拟同步机输出电压，UL为线电压，i＝1,2，Xi为虚拟同步机输出电抗，K为无功调节系数，ni为电压的下垂增益。
可以看出，稳态分量可保证逆变器无功功率的精确分配。通过上述推导，验证了选取 交流母线端电压UPCC作为反馈量时，无论线路阻抗是否与逆变器容量匹配，稳态时均能实 现无功功率的比例精确分配。
实际上，当负载侧交流母线作为各并联负荷虚拟同步机的公共联结点时，由于交流母 线端电压UPCC被强制相同，因此各负荷虚拟同步机选取该点电压作为无功控制环中的反馈 电压时，输出的无功按下垂系数分配，与线路的阻抗和逆变器的输出电压大小无关，有效 确保了无功的精确比例分配。

Claims (4)

1.一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法，其特征在于：
步骤一、负荷虚拟同步机有功功率与无功功率的解耦的步骤：
步骤1.1、根据逆变器给出相应的等效模型：
uo(s)＝Gv(s)uref(s)-Zo(s)io(s)，
式中
Figure FDA0002919159290000011
其中母线L为电感，C为母线电容，r为母线电阻，s为复频域参数，Gv(s)为电压增益函数，GU(s)为电压环比例增益函数，GI(s)为电流环比例增益函数，uref为负荷虚拟同步机功率控制环得到的电压参考信号，KPWM为逆变器等效增益，Zo(s)为逆变器等效输出阻抗，io为滤波输出电流，uo为电容电压，
步骤1.2、采用输出电流值反馈，引入虚拟阻抗Zvir，
则
Figure FDA0002919159290000012
uref为引入虚拟复阻抗后的电压参考调制信号，
其中，uo(s)＝Gv(s)uref(s)-Zo(s)io(s)
Figure FDA0002919159290000013
步骤1.3、在基频处等效输出阻抗Z'o(s)＝Zvir，实现功率解耦；
步骤二、采用负载侧交流母线端电压UPCC作为电压-无功控制方程中的反馈电压；
则电压-无功控制方程为
Figure FDA0002919159290000014
在线路解耦情况下，负荷虚拟同步机输出无功功率满足：
Figure FDA0002919159290000015
sEn+AEn＝B
则
式中
Figure FDA0002919159290000021
解得方程时域通解为：En＝Uw+Ce-At，式中稳态分量Uw和暂态分量Ce-At两部分组成，C为常数，稳态分量Uw保证逆变器无功功率的精确分配，Qi为负荷虚拟同步机输出无功功率，En为负荷虚拟同步机桥臂中点电压基波的有效值，s为复频域参数，Ei为虚拟同步机输出电压，UL为线电压，Xi为虚拟同步机输出电抗，K为无功调节系数，ni为电压的下垂增益，i为常数。
2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法，其特征在于：虚拟阻抗Zvir为线路阻抗Zline模值的3倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法，其特征在于：稳态分量为
Figure FDA0002919159290000022
则
Figure FDA0002919159290000023
整理得到下式，即
Figure FDA0002919159290000024
4.根据权利要求3所述的一种基于阻抗重塑的负荷虚拟同步机协调优化控制方法，其特征在于：对于i＝1,2，等式右边相等，
Figure FDA0002919159290000025
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