CN113178879B - 一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法，包括分别采集本地虚拟同步机及其相邻虚拟同步机相应的状态变量；对上一步骤中采集到的状态变量进行算法处理，得到所需加入的下一时刻的频率恢复补偿量；对上一步骤中得到的频率恢复补偿量添加至本地虚拟同步机控制策略的有功控制环路中等步骤。本发明与传统频率恢复策略相比，既实现了逆变器的频率恢复，还不改变每台逆变器的额定出力，不会造成不同线路阻抗的逆变器在频率恢复后出力不按照原先的额定比例分配，提升了对前级储能系统的友好性，提高了整个微电网系统的稳定性。

Description

一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法

技术领域

本发明涉及微电网分布式发电技术领域，尤其涉及一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法。

背景技术

随着化石能源的持续消耗，以电力电子装置为接口的分布式发电单元在传统电网中的渗透率越来越高，使传统电网系统的惯量减少，难以应对电网中的突发性故障，可再生能源发电对电网的友好性降低。通过逆变器接口的控制算法去模拟同步发电机稳态的下垂特性和暂态的惯性与阻尼特性，使逆变器接口具有与同步发电机相同的稳态和动态特性。基于此，虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator，VSG)控制策略被提出。

但是，常规VSG只具备一次调频的能力，不具备频率恢复能力。同时在实际的分布式发电系统中，单台VSG的容量有限，需要多台VSG并联才能满足负载的要求，而多台VSG并联时的每一台VSG到公共连接点之间的线路阻抗因地理分布不同而不同，因此传统的频率恢复策略在多VSG并联时完成频率恢复后会改变每台VSG的有功出力，使得不同的VSG不再按照原先设定的比例出力，每台逆变器长时间不按照原先设定的比例出力，会对微网系统的稳定性产生严重影响，严重时可造成微网系统崩溃。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法，旨在解决传统的频率恢复策略在多VSG并联时完成频率恢复后每台VSG的有功出力发生改变等问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法，包括以下步骤：

S1、分别采集本地虚拟同步机及其相邻虚拟同步机相应的状态变量；

S2、对步骤S1中采集到的状态变量进行算法处理，得到所需加入的下一时刻的频率恢复补偿量；

S3、将步骤S2得到的频率恢复补偿量添加至本地虚拟同步机控制策略的有功控制环路中。

进一步的，所述步骤S1具体包括：

S11、获取本地虚拟同步机输出角频率与额定角频率差值的积分量

式中，ΔI_i为第i台虚拟同步机的角频率差值积分项；K_i为第i台虚拟同步机的频率恢复积分系数；

S12、获取本地虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量ΔC_i(k)；

其中，ΔC_i(k)是本地虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量；

S13、通过双向通信获取与本地虚拟同步机相邻的虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量ΔC_ix(k)；

其中，ΔC_ix(k)代表与第i台虚拟同步机相邻的虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量的值。

进一步的，所述步骤S2具体包括：

对步骤S11、S12、S13中采集到的状态信息进行本地处理得到本地虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量，其中处理算法为：

式中，k_C为偏差修正系数；N为与第i台虚拟同步机相邻的虚拟同步机台数，ΔC_i(k+1)是计算得到的本地虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量。

进一步的，所述步骤S3中，加入频率恢复补偿量的本地虚拟同步机的有功控制环路方程为：

式中，下标i表示第i台逆变器；P_refi是第i台虚拟同步机的参考功率值；K_ωi是第i台虚拟同步机的调频系数；ω_i是第i台虚拟同步机的输出角频率；ω₀是额定角频率；P_outi是第i台虚拟同步机的输出功率；ΔC_i(k+1)是计算得到的第i台虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量；J_i、D_i是第i台虚拟同步机的转动惯量与阻尼系数。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明在线路阻抗不同的多VSG并联系统中，既能实现频率恢复，又不改变原先设定好的每台虚拟同步机的有功分配比例，使得并联系统中的每一台VSG在频率恢复后都不会工作在过出力/欠出力的情况，更适用于多VSG并联线路阻抗不同时的频率恢复控制；

2、本发明提高了对前级直流侧储能系统的友好性，使得并联系统中每一台储能系统的荷电状态(state of charge，SOC)能最大限度保持一致，有效降低了前级储能系统损坏的风险；

3、本发明仅需本地VSG与相邻VSG进行双向通信交换状态信息，不需要中央处理器，应对故障能力强。

附图说明

图1为本发明一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法的流程示意图；

图2为四台并联的加入频率恢复补偿量的虚拟同步机控制策略的逆变器结构示意图；

图3为单台加入频率恢复补偿量的虚拟同步机控制策略逆变器的整体控制结构示意图；

图4为加入频率恢复补偿量的虚拟同步机控制策略的有功环路示意图；

图5为采取传统频率恢复策略与本发明的恢复策略的四台VSG的输出有功功率仿真示意图；

图6为采取传统频率恢复策略与本发明的恢复策略的四台VSG的输出频率仿真示意图；

图7为采取传统频率恢复策略与本发明的恢复策略的四台VSG的频率恢复补偿量仿真示意图；

图8为采取传统频率恢复策略与本发明的恢复策略的四台VSG的前级储能系统的SOC仿真示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如附图1所示，本发明的一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法，包括以下步骤：

因本发明适用于多虚拟同步机并联时的频率恢复控制，在本实施例中，以四台加入频率恢复补偿量的虚拟同步机控制策略的逆变器为例，四台逆变器采取并联的方式连接至公共连接点，公共连接点与公共负载相连，每一台逆变器由相应的VSG控制器进行控制，其通信交互方式为VSG1与VSG2双向通信、VSG2与VSG3双向通信、VSG3与VSG4双向通信、VSG4与VSG1双向通信，其结构框图如图2所示；而每一台采取虚拟同步机控制策略的逆变器分别由加入频率恢复补偿量的虚拟同步机控制策略的功率环，电容电压环、电感电流环、空间矢量脉宽调制(SVPWM)环节及其三相逆变器的主电路结构组成，其结构框图如图3所示。

S1、分别采集本地虚拟同步机及其相邻虚拟同步机相应的状态变量，在本实施例中，以图2中的VSG1作为本地虚拟同步机，那么与VSG1相邻的虚拟同步机为VSG4与VSG2；

S11、获取VSG1输出角频率与额定角频率差值的积分量：

式中，ΔI₁为VSG1的角频率差值积分项；K₁为VSG1的频率恢复积分系数；

S12、获取VSG1当前时刻的频率恢复补偿量ΔC₁(k)；

其中，ΔC₁(k)是VSG1当前时刻的频率恢复补偿量；

S13、通过双向通信获取与VSG1相邻的VSG4、VSG2当前时刻的频率恢复补偿量ΔC₁₄(k)、ΔC₁₂(k)；

其中，ΔC₁₄(k)、ΔC₁₂(k)代表与VSG1相邻的VSG4与VSG2当前时刻的频率恢复补偿量；

S2、对步骤S1中采集到的状态变量进行算法处理，得到所需加入的下一时刻的频率恢复补偿量；

对步骤S11、S12、S13中采集到的ΔI₁、ΔC₁₄(k)、ΔC₁₂(k)等状态信息在VSG1的本地控制器里进行本地处理得到VSG1下一时刻的频率恢复补偿量，其中处理算法为：

式中，k_C为偏差修正系数；ΔC₁(k+1)是计算得到的本地虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量；

S3、在本地虚拟同步机控制策略的有功控制环路中加入频率恢复补偿量，得到加入频率恢复补偿量的虚拟同步机的有功控制环路方程为：

式中，下标1表示第1台逆变器；P_ref1是第1台虚拟同步机的参考功率值；K_ω1是第1台虚拟同步机的调频系数；ω₁是第1台虚拟同步机的输出角频率；ω₀是额定角频率；P_out1是第1台虚拟同步机的输出功率；ΔC₁(k+1)是计算得到的第1台虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量；J₁、D₁是第1台虚拟同步机的转动惯量与阻尼系数；所对应的控制框图如图4所示。

以下通过四台容量比为1:1:1:1的采用本发明专利的频率恢复策略的虚拟同步机控制策略的逆变器的仿真对本发明进行有效性验证；

仿真参数如下：逆变器1到4的线路阻抗分别为(1+j0.63)Ω、(1+j0.94)Ω、(1+j1.26)Ω、(1+j1.57)Ω，四台逆变器设置的给定有功为5kW，即P_ref1＝P_ref2＝P_ref3＝P_ref4＝5kW，偏差修正系数k_C＝3。在0～0.5s，四台逆变器并联为20kW的负载供电，此时无需进行频率恢复，此时每台逆变器的出力为5kW，按照额定容量均分负载。在0.5s时刻，负载从20kW突增20kW至40kW，此时开始进行频率恢复控制，根据图5和图6看到，在四台逆变器的线路阻抗参数不同的情况下，在面对较大的负载突增时，采取传统频率恢复策略时，在负载突增后四台逆变器的频率虽然恢复至额定值，但四台逆变器的出力已经不按照1:1:1:1的比例出力，出力比例发生较大改变；采取本发明专利所述的控制方法时，在负载突增后四台逆变器的频率既能恢复至额定值，四台逆变器又能按照1:1:1:1的比例出力，即在负载为40kW时每台逆变器的出力为10kW。

如图7所示，传统频率恢复策略在频率恢复后每一台逆变器的频率恢复反馈量不同；采取本发明专利所述的控制方法时，每一台逆变器的频率恢复反馈量逐渐趋于一致；如图8所示，在储能系统的初始SOC为0.8，容量为100A.h时，在0.5s负载波动后，即使在线路阻抗不一致的前提下，在频率恢复前后，采取本发明专利所述的控制方法时，两台逆变器前级储能系统的SOC不会发生过大的差距；而未采取本发明专利的方法时，在频率恢复后因有功出力发生了改变，前级储能系统的SOC也不再能够保持一致。

综上，本发明专利对提升整个微网系统的稳定性与安全性具有重要作用。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、分别采集本地虚拟同步机及其相邻虚拟同步机相应的状态变量；

S2、对步骤S1中采集到的状态变量进行算法处理，得到所需加入的下一时刻的频率恢复补偿量；

S3、将步骤S2得到的频率恢复补偿量添加至本地虚拟同步机控制策略的有功控制环路中；

所述步骤S1具体包括：

S11、获取本地虚拟同步机输出角频率与额定角频率差值的积分量

式中，ΔI_i为第i台虚拟同步机的角频率差值积分项；K_i为第i台虚拟同步机的频率恢复积分系数；ω_i是第i台虚拟同步机的输出角频率；ω₀是额定角频率；

S12、获取本地虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量ΔC_i(k)；

其中，ΔC_i(k)是本地虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量；

S13、通过双向通信获取与本地虚拟同步机相邻的虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量ΔC_ix(k)；

其中，ΔC_ix(k)代表与第i台虚拟同步机相邻的虚拟同步机当前时刻的频率恢复补偿量的值；

所述步骤S2具体包括：

对步骤S11、S12、S13中采集到的状态信息进行本地处理得到本地虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量，其中处理算法为：

式中，k_C为偏差修正系数；N为与第i台虚拟同步机相邻的虚拟同步机台数，ΔC_i(k+1)是计算得到的本地虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多虚拟同步机的频率恢复控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，加入频率恢复补偿量的本地虚拟同步机的有功控制环路方程为：

式中，下标i表示第i台逆变器；P_refi是第i台虚拟同步机的参考功率值；K_ωi是第i台虚拟同步机的调频系数；ω_i是第i台虚拟同步机的输出角频率；ω₀是额定角频率；P_outi是第i台虚拟同步机的输出功率；ΔC_i(k+1)是计算得到的第i台虚拟同步机下一时刻的频率恢复补偿量；J_i、D_i是第i台虚拟同步机的转动惯量与阻尼系数。

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