CN114614494A - 一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法及系统，属于新能源发电中的控制技术领域。从减缓构网型变流器自身输出频率的变化率和减缓系统频率的变化率两个方面出发，保持整个系统的频率稳定。通过引入一阶惯性环节，模拟同步发电机的转子运动方程，将变流器自身输出频率的变化量与输入、输出有功功率变化量的偏差联系起来，使得构网型变流器具备类似同步发电机的惯性，在输入输出有功功率不平衡时，减缓构网型变流器自身输出频率的变化率。通过检测系统频率的变化率，快速调节构网型变流器的输入有功功率，以支撑系统功率缺额/盈额，减缓系统频率的变化率，为系统的一次调频争取时间。能够提升构网型变流器虚拟惯量。

Description

一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法及系统
技术领域
本发明属于新能源发电中的控制技术领域，更具体地，涉及一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法及系统。
背景技术
为了应对能源危机和环境污染等问题，世界各国大力发展新能源发电。随着风电、光伏等新能源的容量占比不断提高，电力系统中电力电子变流器逐渐取代同步发电机，由于电力电子变流器不具备类似同步发电机中的机械装备或旋转部件，使得电力系统的惯性降低，当电网遭受干扰时，将严重影响到频率稳定性。
根据与电网同步方式的不同，新能源电力电子变流器可分为两类：一类是以锁相环同步为代表的锁相同步型变流器；另一类是以有功-频率下垂、虚拟同步机控制为代表的构网型变流器。构网型变流器可以主动构建电压和频率，为系统提供电压和频率支撑，具备在无需外电网的情况下带负荷运行的能力。为提高比例电子电子化电力系统的惯性，需要从构网型变流器的控制方法出发，使得构网型变流器具备类似同步发电机的惯性，在系统出现大功率缺额冲击下减缓频率的变化率，为系统提供频率支撑，提高电力系统抵御负荷突变的能力。
目前，国内外研究者为了提升系统的惯性，以降低频率的变化率，提出了诸多提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法。(1)为了提高频率的动态稳定性，根据检测变流器自身输出频率的变化率自适应地改变惯性时间常数T，即在频率变化率较小时，惯性时间常数T取值较小；在频率变化率较大时，惯性时间常数T取值较大。该方法提高了构网型变流器自身输出频率的动态响应，能较好的减缓构网型变流器自身输出频率的变化率。但是自适应虚拟惯性控制策略需要检测自身输出频率变化来改变惯性时间常数，应用起来较为复杂，且不能减缓系统频率的变化率，并不能为系统提供惯量支撑功率。(2)从减缓系统频率的变化率出发，在构网型变流器固有调频策略的基础上，引入了微分补偿环节。通过检测系统频率偏差的变化率，引入与系统频率偏差的变化率相关的辅助调频功率，来减缓系统频率的变化率。但该种虚拟惯性控制策略未考虑变流器自身输出频率的变化，在系统发生有功功率缺额时，不能为系统提供良好的频率支撑效果。
发明内容
针对现有虚拟惯量技术的研究现状和工程实际需求，本发明提供了一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法及系统，其目的在于当系统中某节点突然出现大功率有功功率缺额时，构网型变流器能够为系统提供频率支撑，分别从减缓构网型变流器自身输出频率的变化率和减缓系统频率的变化率两个方面出发，从而增强系统的虚拟惯量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，包括：
在有功-频率下垂控制的基础上，引入给定频率与系统频率偏差值的微分环节，得到构网型变流器的输入有功功率；
引入一阶惯性环节，模拟同步发电机的转子运动方程，将构网型变流器输入、输出有功功率变化量的偏差，映射为构网型变流器自身输出频率的变化量；
基于构网型变流器自身输出频率的变化量，以及构网型变流器输出电压的dq轴参考值，经电压电流双环控制生成PWM控制信号，并根据所述PWM控制信号控制所述构网型变流器的开关管。
进一步地，构网型变流器的输入有功功率表达式为：
Pin＝Pref+Kfp(fref-f系统)+Ms(fref-f系统)
其中，Pref为构网型变流器的直流侧输入有功功率的参考值，Kfp为频率有功功率下垂系数，fref为给定频率，f系统为系统频率，M为微分系数。
进一步地，构网型变流器自身输出频率的变化量Δf(s)与构网型变流器输入、输出有功功率变化量的偏差ΔP(s)的映射关系为：
Figure BDA0003559459300000031
其中，T为模拟同步发电机的惯性时间常数，D为模拟同步发电机的阻尼系数。
进一步地，所述基于构网型变流器自身输出频率的变化量，以及构网型变流器输出电压的dq轴参考值，经电压电流双环控制生成PWM控制信号，包括：
构网型变流器自身输出频率的变化量Δf加上给定频率fref得到构网型变流器自身输出频率f，再经积分环节得到参考角度θ；根据参考角度θ以及构网型变流器输出电压的dq轴参考值，经电压电流双环控制生成PWM控制信号。
进一步地，构网型变流器输出电压的dq轴参考值通过以下方式确定：
计算构网型变流器输出无功功率，并得到所述构网型变流器输出无功功率经无功-电压下垂环节生成的输出电压幅值参考值Ucref，以及Ucref经虚拟励磁环节生成的虚拟励磁电压E，再减去虚拟阻抗上的压降生成输出电压的dq轴参考值。
进一步地，在所述微分环节后加入一个时间常数τ的一阶惯性环节，以实现对系统频率的微分。
本发明另一方面，还提供了一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法。
总体而言，相比于现有的技术方案，本发明所构思的以上技术方案具有以下优点：
(1)本发明提供的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，从减缓构网型变流器自身输出频率的变化率和减缓系统频率的变化率两个方面出发，为提供系统频率支撑。通过引入一阶惯性环节，模拟同步发电机的转子运动方程，将变流器自身输出频率的变化量与输入、输出有功功率变化量的偏差联系起来，使得构网型变流器具备类似同步发电机的惯性，在输入输出有功功率不平衡时，减缓构网型变流器自身输出频率的变化率；通过检测系统频率的变化率，进而快速调节构网型变流器的输入有功功率，以支撑系统功率缺额/盈额，减缓系统频率的变化率，为系统的一次调频争取时间。
(2)仿真证明，本发明虚拟惯量控制方法与传统虚拟惯量控制方法相比，在系统中负荷突增相同功率下，构网型变流器自身输出频率的变化率和系统频率的变化率都较小，符合理论分析结果，满足构网型变流器频率惯量的要求。
附图说明
图1是本发明提供的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法的流程示意图；
图2是本发明具体实施例提供的两台构网型变流器独立供电系统的拓扑结构示意图；
图3是本发明所提出的构网型变流器的控制框图；
图4是构网型变流器独立供电系统负荷突增前后，整个系统的负荷有功功率波形图；
图5是构网型变流器独立供电系统负荷突增前后，构网型变流器1的自身输出频率波形图；
图6是构网型变流器独立供电系统负荷突增前后，系统频率波形图；
图7是构网型变流器独立供电系统负荷突增前后，构网型变流器1的输入有功功率波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面将结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明，以便本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅为解释本发明，并不作为本发明的限定。下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图1-7说明本发明的工作原理及其具体实施方式。
当系统中某一节点负荷突增/突减，导致系统有功功率缺额/盈额时，为保持整个系统的频率稳定，构网型变流器需提供频率支撑能力。提高频率支撑能力可以从减缓构网型变流器自身输出频率的变化率和减缓系统频率的变化率两方面出发。参阅图1，结合图2和图3，本发明提供了一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，包括以下各步骤：
S1，在有功-频率下垂控制的基础上，引入给定频率与系统频率偏差值的微分环节，得到构网型变流器的输入有功功率。
具体的，当突增/突减负荷的节点位置距离构网型变流器较远时，构网型变流器分担负荷增量较小，有功功率缺额/盈额导致系统频率的变化率较快。在有功-频率下垂控制的基础上，引入给定频率与系统频率偏差值的微分环节。通过检测系统频率的变化率，进而快速调节构网型变流器的输入有功功率，以支撑系统功率缺额/盈额，减缓系统频率的变化率，为系统的一次调频争取时间。
更具体的，在有功-频率下垂控制(相当于系统的一次调频)的基础上，引入给定频率与系统频率偏差值的微分环节。在系统频率变化时，构网型变流器直流输入侧增发与系统频率变化量的相反数成正比的惯性支撑功率P1，其表达式为：
P1＝Ms(fref-f系统)
其中，fref为给定频率，f系统为系统频率，M为微分系数。引入给定频率与系统频率偏差值的微分环节后，构网型变流器的输入有功功率表达式为：
Pin＝Pref+Kfp(fref-f系统)+Ms(fref-f系统)
其中Pref为构网型变流器的直流侧输入有功功率的参考值，Kfp为频率有功功率下垂系数。当突增/突减负荷的节点位置距离构网型变流器较远时，构网型变流器分担负荷增量较小，有功功率缺额/盈额导致系统频率的变化率较快。由于一次调频尚未作用，通过检测系统频率的变化率，快速调节构网型变流器的输入有功功率，以支撑系统功率缺额/盈额，减缓系统频率的变化率，为系统的一次调频争取时间。
S2，引入一阶惯性环节，模拟同步发电机的转子运动方程，将构网型变流器输入输出有功功率变化量的偏差，映射为构网型变流器自身输出频率的变化量。
具体的，当突增/突减负荷的节点位置距离构网型变流器较近时，需要构网型变流器分担大部分的负荷增量，从而导致构网型变流器自身输出频率的变化率较快，而此时系统频率的变化率并不大。通过引入一阶惯性环节，模拟同步发电机的转子运动方程，将构网型变流器自身输出频率的变化量与输入输出有功功率变化量的偏差联系起来，使得构网型变流器具备类似同步发电机的惯性，在输入输出有功功率不平衡时，减缓构网型变流器自身输出频率的变化率。
更具体的，在构网型变流器有功频率P-f控制环路中，利用以下公式实现模拟同步发电机的转子运动，来实现构网型变流器自身输出频率的虚拟惯性：
Figure BDA0003559459300000071
式中T为模拟同步发电机的惯性时间常数；Pin为构网型变流器的直流侧输入有功功率；Pout为构网型变流器的输出有功功率；D为模拟同步发电机的的阻尼系数；f为构网型变流器自身输出频率；fref为参考频率。
将上式线性化，得：
Figure BDA0003559459300000072
令ΔP＝ΔPin-ΔPout，ΔP为构网型变流器的输入有功功率变化量与输出有功功率变化量之间的差值。对上式进行拉普拉斯变换，化简可得构网型变流器自身频率的变化量与输入输出有功功率的变化量的关系：
Figure BDA0003559459300000073
由上式可见，构网型变流器的有功频率P-f控制引入一阶惯性环节，模拟同步发电机的转子运动方程，将变流器自身输出频率的变化量与输入输出有功功率的偏差联系起来，使得构网型变流器具备类似同步发电机的惯性。在输入输出有功功率不平衡时，减缓构网型变流器自身输出频率的变化率。使得构网型变流器的自身输出频率变化有一定的过渡时间，从而可抑制自身输出频率突变，增强了自身频率抵抗负荷变化的能力，有利于提高构网型变流器的自身输出频率的稳定性。
S3，基于构网型变流器输出频率的变化量，以及构网型变流器输出电压的dq轴参考值，经电压电流双环控制生成PWM控制信号，并根据所述PWM控制信号控制所述构网型变流器的开关管。
具体的，1、检测构网型变流器的输入有功功率并检测构网型变流器的输出电压(如附图2中的Uc1)和输出电流(如附图2中的Io1)，计算得到输出有功功率(如附图2中的Pout1)，模拟同步发电机的转子运动方程，将功率差值ΔP映射为变流器自身输出频率的差值Δf，自身输出频率的差值加上给定频率fref得到变流器自身输出频率f，自身输出频率经积分环节得到参考角度θ。
2、检测构网型变流器的输出电压(如附图2中的Uc1)和输出电流(如附图2中的Io1)，计算得到输出无功功率(如附图2中的Qout1)。计算反馈回来的无功功率经无功电压下垂环节生成输出电压幅值参考值Ucref，经虚拟励磁环节生成虚拟励磁电压E。为了实现功率解耦，在控制中加入虚拟阻抗环节，虚拟励磁电压减去虚拟阻抗上的压降生成输出电压的dq轴参考值。
3、参考角度θ和输出电压的dq轴参考值经电压电流双环和旋转变换得到PWM信号。PWM信号经驱动装置控制构网型变流器的输出电压电流，经交流网络到达交流母线，交流母线点测得的频率可认为是系统频率f系统。根据系统频率和交流线路的特性，当系统中出现负荷突增(功率缺额)，系统频率会下降，为了调整系统频率的偏差以及变化率，需要及时补偿系统功率缺额，故需要对构网变流器进行控制，及时调节其输出电压电流，也就是调节其输出功率。
具体实施例在Matlab/Simulink中搭建两台构网型变流器并联运行带负荷运行构成独立供电系统仿真模型进行了仿真验证，两台构网型变流器具有相同容量和相同参数。由构网型变流器构成的独立供电系统的参数见表1。为了进一步直观展示本发明所提出的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法的优越性，构网型变流器分别采用本发明虚拟惯量控制方法和传统虚拟惯量控制方法进行对比。
仿真工况：初始时刻两台构网型变流器在公共并网点Upcc带负荷并联运行。t＝3s时，在节点a突增负荷，其中负荷模型采用恒阻抗模型。仿真结果如图4-图7所示。
表1构网型变流器独立供电系统仿真参数
Figure BDA0003559459300000091
仿真结果如下：
需要说明的是，在t＝3s之前，由构网型变流器构成的独立供电系统在公共并网点带负荷稳定运行。当系统运行到t＝3s时，在节点a突增1.938MW的有功负荷，导致整个系统重新分配负荷，构网型变流器自身输出频率和系统频率发生变化，偏离初始值。图4是整个系统的负荷有功功率波形图，节点a突增1.938MW的有功负荷，使得系统总有功功率从8.153MW增加至10.091MW。图5是构网型变流器1自身输出频率波形图，由图5可知，本发明提出的虚拟惯量控制方法能够在负荷突增时，较好的减缓构网型变流器自身输出频率的变化率。图6是系统频率波形图，由图6可知，本发明提出的虚拟惯量控制方法能够在负荷突增时，较好的减缓系统频率的变化率。图7是构网型变流器1的输入有功功率波形图，由图7可知，本发明提出的虚拟惯量控制方法相对传统虚拟惯量控制方法能够在负荷突增时，快速调节构网型变流器的输入有功功率，为系统提供功率支撑。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，其特征在于，包括：
在有功-频率下垂控制的基础上，引入给定频率与系统频率偏差值的微分环节，得到构网型变流器的输入有功功率；
引入一阶惯性环节，模拟同步发电机的转子运动方程，将构网型变流器输入、输出有功功率变化量的偏差，映射为构网型变流器自身输出频率的变化量；
基于构网型变流器自身输出频率的变化量，以及构网型变流器输出电压的dq轴参考值，经电压电流双环控制生成PWM控制信号，并根据所述PWM控制信号控制所述构网型变流器的开关管。
2.根据权利要求1所述的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，其特征在于，构网型变流器的输入有功功率表达式为：
Pin＝Pref+Kfp(fref-f系统)+Ms(fref-f系统)
其中，Pref为构网型变流器的直流侧输入有功功率的参考值，Kfp为频率有功功率下垂系数，fref为给定频率，f系统为系统频率，M为微分系数。
3.根据权利要求1所述的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，其特征在于，构网型变流器自身输出频率的变化量Δf(s)与构网型变流器输入、输出有功功率变化量的偏差ΔP(s)的映射关系为：
Figure FDA0003559459290000011
其中，T为模拟同步发电机的惯性时间常数，D为模拟同步发电机的阻尼系数。
4.根据权利要求1所述的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，其特征在于，所述基于构网型变流器输出频率的变化量，以及构网型变流器输出电压的dq轴参考值，经电压电流双环控制生成PWM控制信号，包括：
构网型变流器自身输出频率的变化量Δf加上给定频率fref得到构网型变流器自身输出频率f，再经积分环节得到参考角度θ；根据参考角度θ以及构网型变流器输出电压的dq轴参考值，经电压电流双环控制生成PWM控制信号。
5.根据权利要求1或4所述的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，其特征在于，构网型变流器输出电压的dq轴参考值通过以下方式确定：
计算构网型变流器输出无功功率，并得到所述构网型变流器输出无功功率经无功-电压下垂环节生成的输出电压幅值参考值Ucref，以及Ucref经虚拟励磁环节生成的虚拟励磁电压E，再减去虚拟阻抗上的压降生成输出电压的dq轴参考值。
6.根据权利要求1所述的提升构网型变流器虚拟惯量的控制方法，其特征在于，在所述微分环节后加入一个时间常数τ的一阶惯性环节，以实现对系统频率的微分。
7.一种提升构网型变流器虚拟惯量的控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-6任一项所述的方法。
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