CN113949076B - 并网vsg的有功振荡抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并网VSG的有功振荡抑制方法，包括实时获取并网侧的并网数据信息；进行无功下垂控制得到无功控制输出量；计算VSG输出的电磁功率并进行有功下垂控制得到有功下垂控制量；采用滞后环节和补偿环节进行暂态反馈功率补偿得到暂态反馈功率补偿控制量；进行虚拟惯量控制得到有功控制输出量；进行电压电流双环控制得到PWM控制信号；采用PWM控制信号对并网VSG进行控制完成并网VSG控制和有功振荡抑制。本发明通过在控制环路上增加滞后环节和补偿环节进行暂态反馈功率补偿，并结合创新的并网VSG控制，实现了并网VSG的有功振荡抑制，而且并网的超调量较小，且并网性能更加稳定可靠。

Description

并网VSG的有功振荡抑制方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及一种并网VSG的有功振荡抑制方法。
背景技术
随着经济技术的发展，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术已经广泛应用于电力系统领域，并且发挥着重要作用。因此，对于虚拟发电机的控制进行研究，就显得尤为重要。
并网虚拟同步发电机技术广泛应用于电力系统领域。现有的并网虚拟同步发电机控制系统模块图如图1所示；在图1中，对并网侧输出线路进行功率计算，得到无功功率Qe和有功功率Pe；通常线路阻抗为感性，因此无功和有功可以充分解耦，无功控制与有功控制不会互相影响；因此，针对无功功率Qe，采用励磁器进行无功下垂控制，从而得到控制变量E*；而针对有功功率Pe，则采用如图2所示的闭环有功控制策略；采用调速器进行有功下垂控制后，再将控制变量Pm虚拟惯量环节得到控制变量θ*；最终根据控制变量E*和θ*，生成参考电压，并进行电压电流双环控制，从而完成并网虚拟同步发电机的控制。
但是，现有的并网虚拟同步发电机控制方法，一般多通过增加固定阻尼或者暂态阻尼实现。但是，增加固定阻尼的控制方法，在抑制暂态振荡的同时会增大稳态偏差；而增加暂态阻尼的控制方法，虽然不会增大稳态偏差，但存在较大的超调问题，而且在电网频率扰动下的暂态有功超调非常大。因此可以发现，现有的通过增加固定阻尼或者暂态阻尼的方式实现对并网虚拟同步发电机的控制，其暂态性能和稳态性能无法同时兼顾，从而使得对于并网虚拟同步发电机的控制效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有功振荡抑制，超调量较小，且并网性能稳定可靠的并网VSG的有功振荡抑制方法。
本发明提供的这种并网VSG的有功振荡抑制方法，包括如下步骤：
S1.实时获取并网侧的并网数据信息；
S2.针对无功功率部分，进行无功下垂控制，从而得到无功控制输出量；
S3.针对有功功率部分，计算VSG输出的电磁功率，并进行有功下垂控制，从而得到有功下垂控制量；
S4.根据步骤S3得到的有功下垂控制量，采用滞后环节和补偿环节进行暂态反馈功率补偿，从而得到暂态反馈功率补偿控制量；
S5.根据步骤S4得到的暂态反馈功率补偿控制量，进行虚拟惯量控制，从而得到有功控制输出量；
S6.根据步骤S2得到的无功控制输出量和步骤S5得到的有功控制输出量，进行电压电流双环控制，从而得到PWM控制信号；
S7.采用步骤S6得到的PWM控制信号对并网VSG进行控制，从而完成并网VSG控制和有功振荡抑制。
步骤S3所述的计算VSG输出的电磁功率，具体为采用算式计算VSG输出的电磁功率Pe；式中K为同步电压系数且/>Ug为电网电压，E为逆变器输出的电压，X为VSG等效线路电抗；ω为VSG的输出角频率；ωg为电网电压角速度。
步骤S3所述的进行有功下垂控制，具体为有功下垂控制的方程为Pm-Pref＝-Kω(ω-ω0)；式中Pm为VSG虚拟惯量环节的输入功率；Pref为VSG给定的有功功率；Kω为VSG的有功-频率下垂系数；ω为VSG的输出角频率；ω0为VSG的额定角频率。
步骤S4所述的采用滞后环节和补偿环节进行暂态反馈功率补偿，从而得到暂态反馈功率补偿控制量，具体为反馈补偿控制量Pcomp_FBC-VSG的计算式为式中KFB为补偿系数，Pe为VSG输出的电磁功率，τFB为一阶滞后环节的时间常数。
步骤S5所述的虚拟惯量控制，具体为虚拟惯量控制时，转子运动方程的表达式为式中Pm为VSG虚拟惯量环节的输入功率，Pe为VSG输出的电磁功率，ω0为VSG的额定角频率，D为VSG的阻尼系数，ω为VSG的输出角频率，Pcomp_FBC-VSG为反馈补偿控制量，J为VSG的转动惯量。
本发明提供的这种并网VSG的有功振荡抑制方法，通过在控制环路上增加滞后环节和补偿环节进行暂态反馈功率补偿，并结合创新的并网VSG控制，实现了并网VSG的有功振荡抑制，而且并网的超调量较小，且并网性能更加稳定可靠。
附图说明
图1为现有的并网虚拟同步发电机控制系统模块示意图。
图2为本发明的方法流程示意图。
图3为本发明的控制系统模块示意图。
图4为本发明的有功闭环控制流程示意图。
图5为本发明在补偿系数变化时的有功系统极点分布示意图。
图6为本发明的实施例的引入暂态反馈补偿前后VSG有功系统输出对比示意图。
图7为本发明的实施例中本发明方法与其他同类方法的控制效果对比示意图。
图8为本发明的实施例中本发明方法与其他同类方法在控制VSG时的输出A相电压电流。
具体实施方式
如图2所示为本发明的方法流程示意图，图3则为本发明的控制系统模块示意图：本发明提供的这种并网VSG的有功振荡抑制方法，包括如下步骤：
S1.实时获取并网侧的并网数据信息；
S2.针对无功功率部分，进行无功下垂控制，从而得到无功控制输出量；
S3.针对有功功率部分，计算VSG输出的电磁功率，并进行有功下垂控制，从而得到有功下垂控制量；
具体实施时，所述的计算VSG输出的电磁功率，具体为采用算式计算VSG输出的电磁功率Pe；式中K为同步电压系数且/>Ug为电网电压，E为逆变器输出的电压，X为VSG等效线路电抗；ω为VSG的输出角频率；ωg为电网电压角速度；
所述的进行有功下垂控制，具体为有功下垂控制的方程为Pm-Pref＝-Kω(ω-ω0)；式中Pm为VSG虚拟惯量环节的输入功率；Pref为VSG给定的有功功率；Kω为VSG的有功-频率下垂系数；ω为VSG的输出角频率；ω0为VSG的额定角频率；
S4.根据步骤S3得到的有功下垂控制量，采用滞后环节和补偿环节进行暂态反馈功率补偿，从而得到暂态反馈功率补偿控制量；具体为反馈补偿控制量Pcomp_FBC-VSG的计算式为式中KFB为补偿系数，Pe为VSG输出的电磁功率，τFB为一阶滞后环节的时间常数；
S5.根据步骤S4得到的暂态反馈功率补偿控制量，进行虚拟惯量控制，从而得到有功控制输出量；具体为虚拟惯量控制时，转子运动方程的表达式为式中Pm为VSG虚拟惯量环节的输入功率，Pe为VSG输出的电磁功率，ω0为VSG的额定角频率，D为VSG的阻尼系数，ω为VSG的输出角频率，Pcomp_FBC-VSG为反馈补偿控制量，J为VSG的转动惯量；
S6.根据步骤S2得到的无功控制输出量和步骤S5得到的有功控制输出量，进行电压电流双环控制，从而得到PWM控制信号；
S7.采用步骤S6得到的PWM控制信号对并网VSG进行控制，从而完成并网VSG控制和有功振荡抑制。
以下结合图4，对本发明方法的有效性进行说明：图3为本发明的控制系统模块示意图；
转子运动方程的表达式为
其中，反馈补偿控制量(图中FBC模块的输出量)Pcomp_FBC-VSG的计算式为
在有功指令或者电网频率扰动时，本发明方法的有功闭环小信号模型为其中系数m3和n3的表达式为m3＝Jω0+τFB(Dω0+Kω)和n3＝Dω0+Kω+KτFB(1+KFB)；根据该功闭环小信号模型可知，与现有技术相比，本发明方法给VSG有功控制过程带来了一个零点和一个极点，从而改变了原先的零点和极点，能够有效提升系统的稳定性，实现振荡抑制。
将上述有功闭环小信号模型整理为/>其中a＝Jω0s2+(Dω0+Kω)s+K；根据整理后的算式可知，若KτFBKFB足够小，则整理后的算式和整理前的算式可近似等同，即反馈补偿效果不明显；所以，要使反馈补偿对VSG功率稳定性产生明显影响KτFBKFB值不能太小。由于同步电压系数K值一般较大，所以对于本发明而言，τFBKFB无需很大，就能影响振荡过程；进而根据滞后特性，滞后时间常数不应该非常大，非常大的滞后时间常数将导致非常大的延迟,这将很容易导致系统不稳定，所以，滞后时间常数应该小一些较好。补偿系数变化时，本发明的有功系统的极点分布图如图5所示，其中滞后时间常数取非常小的0.006。
由图5可得，对于本发明，当KFB从0到28变化时，增加的负实极点sFB3向虚轴靠近，但一直离虚轴很远。FBC-VSG的主导极点对sFB1、sFB2从原来VSG极点的位置向实轴靠近，系统稳定性变好，最终变为两个实极点。可知，随着KFB的增大，系统将由欠阻尼变为过阻尼状态，暂态反馈功率补偿提高了系统的等效阻尼，增强了系统的稳定性。也就是说，引入本发明的暂态反馈功率补偿，提高了VSG有功系统的等效阻尼，从而实现振荡抑制。
引入暂态反馈功率补偿前后的并网VSG在受扰时的输出有功及频率对比如图6所示：3s时因风速、光照变化或储能调节，VSG有功指令从2000W调整为6000W，6s时因负荷突增或电网故障，电网频率下降0.05Hz，可以看到，引入本发明所述的暂态反馈功率补偿前，并网VSG受到扰动时输出有功存在振荡；引入暂态反馈功率补偿后，VSG输出有功振荡得到抑制。
现有技术中，固定阻尼和暂态阻尼无法兼顾暂、稳态特性，本发明所提出的暂态反馈功率补偿方案则不会增大稳态偏差，且不存在较大超调，具有可兼顾暂、稳态特性的优势，并且有功指令扰动下可实现无超调输出。本方法与固定阻尼、暂态阻尼方法的对比结果如图7所示，对应的输出A相电压电流波形见图8。
由图6可以看到，固定阻尼VSG有功稳态偏差非常大，采用暂态阻尼、暂态反馈功率补偿两种暂态策略下的VSG都没有影响稳态有功输出，但是暂态阻尼VSG存在较大超调，特别是电网频率扰动下超调非常大，这会造成暂态电流过冲，容易引发过流保护。对于本发明所提出的暂态反馈功率补偿VSG，有功指令扰动下输出有功响应与固定阻尼VSG一致，无超调，电网频率扰动下输出有功响应存在一个较小的超调。表1列出了不同暂态补偿方式下VSG响应超调量百分比与超调大小；
表1不同暂态补偿方式下VSG响应超调大小示意表
从表1可以知道，本发明方法能够有功振荡抑制，大大减小了系统的超调，而且并网性能稳定可靠。

Claims (3)

1.一种并网VSG的有功振荡抑制方法，包括如下步骤：
S1.实时获取并网侧的并网数据信息；
S2.针对无功功率部分，进行无功下垂控制，从而得到无功控制输出量；
S3.针对有功功率部分，计算VSG输出的电磁功率，并进行有功下垂控制，从而得到有功下垂控制量；
S4.采用滞后环节和补偿环节进行暂态反馈功率补偿，从而得到暂态反馈功率补偿控制量；具体为反馈补偿控制量Pcomp_FBC-VSG的计算式为式中KFB为补偿系数，Pe为VSG输出的电磁功率，τFB为一阶滞后环节的时间常数；
S5.根据步骤S4得到的暂态反馈功率补偿控制量，进行虚拟惯量控制，从而得到有功控制输出量；具体为虚拟惯量控制时，转子运动方程的表达式为式中Pm为VSG虚拟惯量环节的输入功率，Pe为VSG输出的电磁功率，ω0为VSG的额定角频率，D为VSG的阻尼系数，ω为VSG的输出角频率，Pcomp_FBC-VSG为反馈补偿控制量，J为VSG的转动惯量；
S6.根据步骤S2得到的无功控制输出量和步骤S5得到的有功控制输出量，进行电压电流双环控制，从而得到PWM控制信号；
S7.采用步骤S6得到的PWM控制信号对并网VSG进行控制，从而完成并网VSG控制和有功振荡抑制。
2.根据权利要求1所述的并网VSG的有功振荡抑制方法，其特征在于步骤S3所述的计算VSG输出的电磁功率，具体为采用算式计算VSG输出的电磁功率Pe；式中K为同步电压系数且/>Ug为电网电压，E为逆变器输出的电压，X为VSG等效线路电抗；ω为VSG的输出角频率；ωg为电网电压角速度。
3.根据权利要求2所述的并网VSG的有功振荡抑制方法，其特征在于步骤S3所述的进行有功下垂控制，具体为有功下垂控制的方程为Pm-Pref＝-Kω(ω-ω0)；式中Pm为VSG虚拟惯量环节的输入功率；Pref为VSG给定的有功功率；Kω为VSG的有功-频率下垂系数；ω为VSG的输出角频率；ω0为VSG的额定角频率。
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Assignee: Shanghai Puyuan Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUNAN University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2024980003331

Denomination of invention: Active power oscillation suppression method for grid connected VSG

Granted publication date: 20230721

License type: Common License

Record date: 20240322