CN114498759A - 针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法，目在于提高电力电子化的新能源电力系统稳定性和频率支撑能力，其技术方案是针对电力电子组网系统，对换流器采用虚拟同步机控制技术，根据系统频率变化率提出自适应调节关系，对VSM控制中阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J进行灵活调节，当发生有功负荷波动时，保证系统稳定性以及提供频率支撑。

Description

针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法

技术领域

本申请属于设备控制领域，尤其涉及针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法。

背景技术

随着能源和环境问题日益突出，在能源结构转型，构建新型电力系统这一时代背景下，基于光伏、风电为代表的新能源发电技术发展迅速，随着技术的成熟，高比例新能源接入电力系统使得新型电力系统趋于电力电子化。

与传统电力系统相比，由换流器主导的电力电子化系统导致了系统惯量阻尼水平降低，当发生有功负荷波动时，低惯性、弱阻尼的电力系统如何保证频率稳定性以及功率和电压特性具有较好的研究意义。围绕同步发电机的特性模拟展开的构网型控制策略是解决这一问题的有效途径，虚拟同步机(VSM)控制技术就是其中一种应用较为广泛的控制技术。

与传统需要锁相环实现同步功能的跟网型控制策略不同，通过模拟同步发电机摇摆方程的VSM技术模拟了同步发电机的惯性和阻尼特性，从而提升系统频率稳定性。控制参数的设计对VSM技术来说至关重要，它不仅影响着系统稳定性和动态性能，还能够抑制负荷扰动时对系统的影响。已有文献表明虚拟转动惯量主要影响系统频率的超调，阻尼系数主要影响频率的衰减速率，而传统的VSM技术大多采用试凑的方法选取控制参数，在实际应用中难以应对复杂多变的扰动影响。

发明内容

本申请实施例提出了针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法，借助虚拟同步机控制技术能够灵活调节阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J，在实际运行中，调整阻尼系数和虚拟转动惯量能够有效的抑制频率下跌幅值，提高系统频率稳定性，改善换流器输出有功质量。

具体的，本申请实施例提出的针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法，包括：

针对包括同步电机和两个构网型换流器的组网系统，使用虚拟同步机控制方式实现对两个换流器控制；

实时获取换流器的频率，根据频率变化率的反馈值对换流器的阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J进行调节。

可选的，所述方法包括：

在虚拟同步机控制器的机械部分模拟同步发电机转子运动方程的阻尼和惯量特性，实现方式为：

式中，J表示为虚拟转动惯量系数，P_ref为同步机有功功率参考值，P_e为换流器发出有功功率，D_p为阻尼系数，ω表示换流器输出的虚拟角速度，ω₀为额定角速度；θ表示电压相位角。

可选的，所述方法包括：

自适应参数调节的构网型换流器虚拟同步机控制技术，所述阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J的关系式为：

式中，df/dt为频率变化率，C₁和C₂为给定的频率变化率临界值，D_p0为当频率变化率低于临界值时的阻尼系数给定值，J₀为当频率变化率低于临界值时的虚拟惯性常数，k_d1、k_d2为阻尼系数的调整系数，k_j1、k_j2为虚拟转动惯量的调整系数；

其中常数C₁、C₂、k_d1、k_d2、k_j1、k_j2根据系统运行时的对稳定性的影响程度选取。

可选的，所述方法包括：

当|df/dt|＜C₁时，此时系统频率稳定，阻尼系数D_p定义为给定初始固定值D_p0；

当|df/dt|≥C₁时，频率波动明显，通过与频率变化率建立函数关系式增大阻尼系数，实现减小频率衰减速率；

当|df/dt|＜C₂时，虚拟转动惯量J为给定的初始固定值J₀；

当|df/dt|≥C₂时，通过虚拟转动惯量与频率变化率建立函数关系式增大系统转动惯量的值，抑制换流器发出有功功率波形，提高系统稳定性。

有益效果：

调整阻尼系数和虚拟转动惯量能够有效的抑制频率下跌幅值，提高系统频率稳定性，改善换流器输出有功质量。可根据控制参数对系统稳定影响程度合理对阻尼系数Dp和虚拟转动惯量J取值，如当虚拟转动惯量过大时，系统调节时间会增长。整体而言，通过仿真运行结果可以看出，本发明所提出的一种自适应调节的构网型换流器虚拟同步机控制技术用于提高电力电子组网系统稳定性以及频率支撑能力的有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1为本申请实施例提出的由同步电机和两个构网型换流器构成的三机九节点组网系统拓扑结构图；

图2为本发明所述的用于两端相同的构网型换流器控制的虚拟同步机控制(VSM)结构图；

图3为本发明所述的选定一端VSM控制的换流器进行观测，当应对负荷突增时给定阻尼系数D_p不同取值时系统频率变化曲线；

图4为本发明所述的选定一端VSM控制的换流器进行观测，当应对负荷突增时给定虚拟转动惯量J不同取值时系统频率变化曲线；

图5为本发明所述的选定一端VSM控制的换流器进行观测，当应对负荷突增时给定虚拟转动惯量J不同取值时换流器发出有功变化曲线。

具体实施方式

为使本申请的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的结构作进一步地描述。

因此本文以电力电子设备组网系统为研究对象，对构网型换流器采用VSM技术，通过系统频率变化率提出一种自适应算法，通过灵活调节阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J，保证系统稳定性的同时，进一步提高系统的频率支撑能力。

图中和文中各符号为：SM为同步发电机，DC/AC表示换流器，VSM表示虚拟同步机控制技术，df/dt为频率变化率，C₁和C₂为给定的频率变化率临界值，D_p为阻尼系数，D_p0为当频率变化率低于临界值时的阻尼系数给定值，J为虚拟转动惯量数值，J₀为当频率变化率低于临界值时的虚拟惯性常数，k_d1、k_d2为阻尼系数的调整系数，k_j1、k_j2为虚拟转动惯量的调整系数。ω表示换流器输出的虚拟角速度，ω₀为额定角速度；θ表示电压相位角，P_ref为同步机有功功率参考值，P_e为换流器发出有功功率，Δ为频率变化率临界值与实际频率变化率的差值，S为开关输出量，e^u为指数函数，u为指数，f为系统频率，1/s表示积分。

本发明中由同步电机和两个构网型换流器构成的三机九节点组网系统拓扑结构图如图1所示，左侧为同步发电机SM，经变压器连接交流母线向负荷输送功率；右侧与下侧为两个相同的DC/AC换流器，经变压器接入交流母线，换流器的控制采用虚拟同步机控制(VSM)技术，主要模拟了同步发电机转子运动方程的阻尼和惯量特性，其控制参数主要为阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J，通过频率变化率建立函数关系式对VSM控制参数自适应调节，以提高电力电子组网系统稳定性以及频率支撑能力。

如图2所示为本发明所述的用于两端构网型换流器控制的VSM控制结构图，通过测得系统频率变化率，以此作为调整VSM控制阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J的依据，考虑到本系统所选取阻尼系数和虚拟转动惯量的数值较大，采用指数函数的形式，能够更好的对阻尼系数和虚拟转动惯量灵活调节，提高低惯性、弱阻尼的电力系统应对负荷扰动时系统稳定性和频率支撑能力。VSM控制器模拟同步发电机转子运动方程的阻尼和惯量特性，其实现方式为：

式中，J表示为虚拟转动惯量系数，P_ref为同步机有功功率参考值，P_e为换流器发出有功功率，D_p为阻尼系数，ω表示换流器输出的虚拟角速度，ω₀为额定角速度；θ表示电压相位角。由公式可以看出，假设角频率在短时间内无变化，有功功率变化与阻尼系数和虚拟转动惯量成正比关系，增大阻尼系数能够使频率变化率减小，因此可以通过调节阻尼系数和虚拟转动惯量的数值提高系统有功和频率的稳定性。

本发明将阻尼系数和虚拟转动惯量参数的选取设计了自适应调节函数，根据系统频率变化率，对控制参数灵活调节，具体的函数关系式为：

式中，df/dt为频率变化率，C₁和C₂为给定的频率变化率临界值，D_p0为当频率变化率低于临界值时的阻尼系数给定值，同理J₀为当频率变化率低于临界值时的虚拟惯性常数，k_d1、k_d2为阻尼系数的调整系数，k_j1、k_j2为虚拟转动惯量的调整系数。其中常数C₁、C₂、k_d1、k_d2、k_j1、k_j2可根据系统运行时的对稳定性的影响程度选取。

当|df/dt|＜C₁时，此时系统频率较为稳定，阻尼系数D_p定义为给定初始固定值D_p0；当|df/dt|≥C₁时，频率波动明显，通过与频率变化率建立函数关系式增大阻尼系数，达到减小频率衰减速率的目的。

同理，当|df/dt|＜C₂时，虚拟转动惯量J为给定的初始固定值J₀，当|df/dt|≥C₂时，通过虚拟转动惯量与频率变化率建立函数关系式增大系统转动惯量的值，抑制换流器发出有功功率波形，提高系统稳定性。

构建如图1所示的本发明中由同步电机和两个构网型换流器构成的三机九节点组网系统，该系统包含一台同步发电机SM，两个相同采用虚拟同步机控制的构网型换流器，三台变压器以及三处交流负荷。将本发明自适应调节控制用于该系统虚拟同步机控制中，取C₁＝C₂＝0.01，k_d1＝5000，k_d2＝2，k_j1＝2000，k_j2＝2，D_p0＝50000，J₀＝2000，在仿真系统中突增负荷，分别在固定虚拟转动惯量J不变，阻尼系数D_p取5×10⁴、1×10⁵和2×10⁵时，观察系统频率变化；固定阻尼系数D_p不变，虚拟转动惯量J取2×10³、1×10⁴和5×10⁴时，观察系统频率及换流器发出有功功率变化，对比不同参数取值对系统稳定性影响。

参照图3，在系统稳定运行情况下，在运行第25s时突增15％负荷，为避免其他因素对系统稳定性的影响，控制虚拟转动惯量J等其他参数不变，观察阻尼系数D_p取5×10⁴、1×10⁵和2×10⁵时系统频率波形，从图中可以看出25s后系统频率均有降低，但随着阻尼系数D_p的增大，系统频率下降幅值显著减小，且频率稳定性更高。

参照图4，在系统稳定运行情况下，在运行第25s时突增15％负荷，为避免其他因素对系统稳定性的影响，控制阻尼系数D_p等其他参数不变，观察虚拟转动惯量J取2×10³、1×10⁴和5×10⁴时系统频率波形，从图中可以看出25s后同样系统频率均有降低，随着虚拟转动惯量J的增大，频率变化较为减缓且无超调。

参照图5，在系统稳定运行情况下，在运行第25s时突增15％负荷，为避免其他因素对系统稳定性的影响，控制阻尼系数D_p等其他参数不变，观察虚拟转动惯量J取2×10³、1×10⁴和5×10⁴时换流器发出有功功率变化曲线，从图中可以看出虚拟转动惯量增大后，发出有功超调减小，波形达到稳态后波动较小，波形质量较高。

从图3～5所示的仿真运行结果来看，本发明所提出的一种自适应调节的构网型换流器虚拟同步机控制技术能够灵活调节阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J，在实际运行中，调整阻尼系数和虚拟转动惯量能够有效的抑制频率下跌幅值，提高系统频率稳定性，改善换流器输出有功质量。可根据控制参数对系统稳定影响程度合理对阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J取值，如当虚拟转动惯量过大时，系统调节时间会增长。整体而言，通过图3～5仿真运行结果可以看出，本发明所提出的一种自适应调节的构网型换流器虚拟同步机控制技术用于提高电力电子组网系统稳定性以及频率支撑能力的有效性。

对图1-5的概括性及意图说明：

图1给出了本发明所述的由同步电机和两个构网型换流器构成的三机九节点组网系统拓扑结构图，此系统为本发明研究对象，在电力电子化的新型电力系统中具有代表性。

图2给出了本发明所述的用于两端相同的构网型换流器控制的虚拟同步机控制(VSM)原理图，为本发明所提出的一种自适应调节的构网型换流器虚拟同步机控制技术的核心，可根据系统频率变化率，自适应调节阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J，以提升系统稳定性。

图3为本发明所述的选定一端VSM控制的换流器进行观测，当应对负荷突增时给定阻尼系数D_p不同取值时系统频率变化曲线，用于验证不同阻尼系数取值能够有效的减小频率下跌幅值，提高频率支撑能力。

图4为本发明所述的选定一端VSM控制的换流器进行观测，当应对负荷突增时给定虚拟转动惯量J不同取值时系统频率变化曲线，用于验证不同阻尼系数取值能够提高系统频率稳定性。

图5为本发明所述的选定一端VSM控制的换流器进行观测，当应对负荷突增时给定虚拟转动惯量J不同取值时换流器发出有功变化曲线，用于验证不同阻尼系数取值能够提高换流器发出有功功率质量。

以上所述仅为本申请的实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

针对包括同步电机和两个构网型换流器的组网系统，使用虚拟同步机控制方式实现对两个换流器控制；

实时获取换流器的频率，根据频率变化率的反馈值对换流器的阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J进行调节。

2.根据权利要求1所述的针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

在虚拟同步机控制器的机械部分模拟同步发电机转子运动方程的阻尼和惯量特性，实现方式为

式中，J表示为虚拟转动惯量系数，P_ref为同步机有功功率参考值，P_e为换流器发出有功功率，D_p为阻尼系数，ω表示换流器输出的虚拟角速度，ω₀为额定角速度；θ表示电压相位角。

3.根据权利要求1所述的针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

自适应参数调节的构网型换流器虚拟同步机控制技术，所述阻尼系数D_p和虚拟转动惯量J的关系式为：

式中，df/dt为频率变化率，C₁和C₂为给定的频率变化率临界值，D_p0为当频率变化率低于临界值时的阻尼系数给定值，J₀为当频率变化率低于临界值时的虚拟惯性常数，k_d1、k_d2为阻尼系数的调整系数，k_j1、k_j2为虚拟转动惯量的调整系数；

其中常数C₁、C₂、k_d1、k_d2、k_j1、k_j2根据系统运行时的对稳定性的影响程度选取。

4.根据权利要求1所述的针对构网型换流器虚拟转动惯量和阻尼调节的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

当|df/dt|＜C₁时，此时系统频率稳定，阻尼系数D_p定义为给定初始固定值D_p0；

当|df/dt|≥C₁时，频率波动明显，通过与频率变化率建立函数关系式增大阻尼系数，实现减小频率衰减速率；

当|df/dt|＜C₂时，虚拟转动惯量J为给定的初始固定值J₀；

当|df/dt|≥C₂时，通过虚拟转动惯量与频率变化率建立函数关系式增大系统转动惯量的值，抑制换流器发出有功功率波形，提高系统稳定性。

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