CN114725998A - 一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法 - Google Patents

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卢柯奇
张友博
徐衍会
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Abstract

本发明公开了一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法，包括以下步骤：步骤1、将第一台变流器型电压源以下垂控制方式空载启动运行；步骤2、根据参数整定方案对第二台变流器的下垂系数kω、转动惯量J、阻尼系数D进行设置；步骤3、将第二台变流器型电压源以虚拟同步机控制方式启动，设置一个比第一台变流器型电压源小的有功功率指令值开始运行；步骤4、合上并联运行开关，同时调节有功功率指令值从设定值在相同的时间间隔内阶梯式增加，直到达到第二台变流器额定功率。

Description

一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法
技术领域
本发明属于电力电子设备控制领域，尤其涉及一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法。
背景技术
微电网作为输送电能的终端环节，因其既可并网运行又能自理自治，便有能力将不同种类、不同形式的电源连接起来。所以，当微电网运行在不同的模式工况时，是否会影响分布式电源的稳定出力，这既要考虑到微电网自身的特性，更需要考虑不同类型、不同特性的电源之间的差异。微电网中没有提供电压、相角参考的电源，所有电源都是一致的控制方式时，称之为微网系统的对等控制。对等控制系统中，各个电源地位平等，没有主从关系。对于每一个电源而言，没有了电压和频率的参考，可用电气量只有端口或并网点处的采集量。以下垂控制举例，下垂控制是对等控制中最具代表性的一种控制方式。假设微网中所有电源均使用下垂控制，因其具有有功—频率、无功—电压的下垂特性，可以根据采集量的不同改变自身的输出。当系统运行状态发生改变是，并网点处采集到的电气量也发生改变。变流器根据下垂控制模块输出的参考值对自身的输出做出调整。整个过程无需调度信号也无需其他电源的测量值，实现了就地控制，独立自治
在对等控制的微电网系统中，通过改变下垂系数，更可以使得每个电源应对负荷变化的灵敏度不同。当负荷发生变化或者系统运行模式发生改变时，根据根据每个电源的具体情况，如考虑距离、成本等因素，综合配比每个电源的出力，使得系统的运行方式更优化。
下垂控制方式使逆变器在稳态响应上与传统发电设备保持一致，通过下垂方程计算逆变器静态工作点，以此对逆变器输出进行控制。但下垂控制方式的逆变器与传统同步发电机一样，在多机并联时有产生次同步振荡的可能性；此外下垂控制只是模拟同步发电机的稳态特性，基本不会涉及对同步发电机暂态特性的模拟，因此下垂控制的逆变器暂态响应时间常数小、惯性与阻尼较低的特点与传统同步发电机差异较大，大规模接入电网时会对电网整体的惯性与稳定性产生较大影响。
虚拟同步机控制在下垂控制的基础上进一步模仿了传统同步发电机的外特性，将同步发电机的暂态特性也考虑在内，更加接近智能电网对新能源并网发电设备“即插即用”的需求。在一个稳定运行的微电网系统中，若要新并入一个其他控制方式的变流器，则存在一些影响稳定运行的问题，缺少可拓展性。基于虚拟同步机控制的微电网系统，若要新并入一个下垂控制的变流器，会存在冲击电流等问题。
发明目的
本发明的目的即在于解决现有技术中所存在的，虚拟同步机控制的变流器与下垂控制的变流器在并联运行时，合闸后会出现冲击电流，且无法用PI调节及参数整定消除该冲击电流的问题，以及在并联运行后的均流过程中，不合理的参数配置会影响均流效果的问题。
发明内容
本发明提供了一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法，所述电压源包括两台变流器型电压源，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将第一台变流器型电压源以下垂控制方式空载启动运行；所述下垂控制方式是通过有功频率、无功电压的下垂关系对电网的运行状态做出反应；所述下垂控制没有虚拟同步机的惯性系数J和阻尼系数D，对于电网状态的变化反应更为迅速；
步骤2、根据参数整定方案对第二台变流器的下垂系数kω、转动惯量J、阻尼系数D进行设置。
步骤3、将第二台变流器型电压源以虚拟同步机控制方式启动，设置一个比第一台变流器型电压源小的有功功率指令值开始运行；
步骤4、合上并联运行开关，同时调节有功功率指令值从设定值在相同的时间间隔内阶梯式增加，直到达到第二台变流器额定功率。
优选地，所述虚拟同步机的有功频率控制方法包括：将变流器输出端口角频率与额定角频率做差，差值乘上下垂系数得到下垂曲线上对应的有功功率部分，再加上额定有功功率得到虚拟的机械功率PM，再减去变流器输出电磁功率Pe得到有功功率变化量△P。然后参照转子运动方程，将△P除以额定角频率得到虚拟转矩变化量△T，再经过惯性和阻尼环节，得到变流器输出的角频率参考值ωref。
优选地，所述虚拟同步机的无功电压控制方法包括：将无功功率的采样测量与其额定值比较作差，并将差值乘以相应的下垂系数，得到无功功率变化量所对应的电压差，将电压差值与系统电压的给定值相加，得到变流器输出的电压，将反馈电压与得到的参考值比较作差，经过PI调节器的调节得到虚拟的励磁电流。
进一步优选地，所述虚拟同步机的控制过程包括：通过测量逆变器桥臂端口输出的电压电流值得到逆变器输出的功率Pe、Qe；通过虚拟同步发电机的有功频率下垂特性和无功电压下垂特性得到端口电压指令值的幅值Eref和频率指令值ωref；并通过电压电流双闭环控制得到所需的调制波信号，经过PWM调制产生所需PWM信号。
优选地，当惯性系数为0、阻尼系数为1的时候，有功功率为二阶的虚拟同步机VSG控制就转换为了一阶的下垂控制。
附图说明
图1是虚拟同步机有功频率控制框图。
图2是虚拟同步机无功电压控制框图。
图3是虚拟同步机控制框图。
图4是下垂控制框图。
图5是有功频率下垂特性曲线。
图6是是无功电压下垂特性曲线。
图7是虚拟同步机控制与下垂控制的等效转换。
图8是两种控制方式的变流器型电压源并联系统示意图。
图9是虚拟同步机控制的电压源型变流器并机时有功功率指令随时间的变化关系图。
图10是虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
图1是虚拟同步机有功频率控制框图，为了模拟同步发电机有功和频率下垂特性，将变流器输出端口角频率与额定角频率做差，差值乘上下垂系数得到下垂曲线上对应的有功功率部分，再加上额定有功功率得到虚拟的机械功率PM，再减去变流器输出电磁功率Pe得到有功功率变化量△P。然后参照转子运动方程，将△P除以额定角频率得到虚拟转矩变化量△T，再经过惯性和阻尼环节，得到变流器输出的角频率参考值ωref。
图2是虚拟同步机无功电压控制框图，将无功功率的采样测量与其额定值比较作差，并将差值乘以相应的下垂系数，得到无功功率变化量所对应的电压差，将电压差值与系统电压的给定值相加，得到变流器输出的电压，将反馈电压与得到的参考值比较作差，经过PI调节器的调节得到虚拟的励磁电流。
图3是虚拟同步机控制框图，我们通过测量逆变器桥臂端口输出的电压电流值得到逆变器输出的功率Pe、Qe，通过虚拟同步发电机的有功频率下垂特性和无功电压下垂特性得到端口电压指令值的幅值Eref和频率指令值ωref。并通过电压电流双闭环控制得到所需的调制波信号，经过PWM调制产生所需PWM信号。
图4是下垂控制框图，下垂控制的整体思路也是通过有功频率、无功电压的下垂关系对电网的运行状态做出反应。不同的是，下垂控制没有虚拟同步机的惯性系数J和阻尼系数D，对于电网状态的变化反应更为迅速。
图5是有功频率下垂特性曲线，同步发电机的一次调频过程中同步发电机的输出的有功功率和频率体现为下垂特性。
图6是无功电压下垂特性曲线，同步发电机的无功调压过程在外特性上体现为无功电压下垂特性。
图7是虚拟同步机控制和下垂控制的等效转换，当惯性系数为0、阻尼系数为1的时候，有功功率为二阶的VSG控制就转换为了一阶的下垂控制。
图8是两种控制方式的变流器型电压源并联系统示意图，图中I1、I2分别为两台逆变器机端输出的电流，U1、U2分别为两台逆变器机端输出的电压，
Figure BDA0003646852150000062
Figure BDA0003646852150000063
分别为两台逆变器机端电压相对公共负载点电压的相角，P1、P2、Q1、Q2分别为两台逆变器机端输出的有功功率和无功功率。Z1、Z2分别为两台逆变器到公共负载的线路阻抗，θ为线路的阻抗角。
图9是虚拟同步机控制的电压源型变流器并机时有功功率指令随时间的变化关系，在相同的时间段内逐级增加变流器输出功率，使并机的暂态过程得以平缓。
图10是下垂控制与虚拟同步机控制的变流器型电压源并机运行流程图。
表1是虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机时的参数整定方案：
表1虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机时的参数整定方案
Figure BDA0003646852150000061
如表1所示，根据三个参数造成的影响进行整定，整定结果如下：
若要使得变流器输出的功率可以按照额定容量的比例均分，则必须确保下垂系数之比等于额定容量之比；要使得每台变流器型电压源的过渡时间Δt均相等，则需要使惯性常数J与变流器的额定容量成正比；较大阻尼系数D可以提高有功功率的暂态性能。D的增大会减少惯性系数不匹配对有功功率瞬态分配的影响，系统变为无超调，但阻尼系数D不能过大大，以避免过阻尼导致响应速度过慢。

Claims (5)

1.一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法，所述电压源包括两台变流器型电压源，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将第一台变流器型电压源以下垂控制方式空载启动运行；所述下垂控制方式是通过有功频率、无功电压的下垂关系对电网的运行状态做出反应；所述下垂控制没有虚拟同步机的惯性系数J和阻尼系数D，对于电网状态的变化反应更为迅速；
步骤2、根据参数整定方案对第二台变流器的下垂系数kω、转动惯量J、阻尼系数D进行设置；
步骤3、将第二台变流器型电压源以虚拟同步机控制方式启动，设置一个比第一台变流器型电压源小的有功功率指令值开始运行；
步骤4、合上并联运行开关，同时调节有功功率指令值从设定值在相同的时间间隔内阶梯式增加，直到达到第二台变流器额定功率。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法，其特征在于，所述虚拟同步机的有功频率控制方法包括：将变流器输出端口角频率与额定角频率做差，差值乘上下垂系数得到下垂曲线上对应的有功功率部分，再加上额定有功功率得到虚拟的机械功率PM，再减去变流器输出电磁功率Pe得到有功功率变化量△P。然后参照转子运动方程，将△P除以额定角频率得到虚拟转矩变化量△T，再经过惯性和阻尼环节，得到变流器输出的角频率参考值ωref。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法，其特征在于，所述虚拟同步机的无功电压控制方法包括：将无功功率的采样测量与其额定值比较作差，并将差值乘以相应的下垂系数，得到无功功率变化量所对应的电压差，将电压差值与系统电压的给定值相加，得到变流器输出的电压，将反馈电压与得到的参考值比较作差，经过PI调节器的调节得到虚拟的励磁电流。
4.根据权利要求3所述的一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法，其特征在于，所述虚拟同步机的控制过程包括：通过测量逆变器桥臂端口输出的电压电流值得到逆变器输出的功率Pe、Qe；通过虚拟同步发电机的有功频率下垂特性和无功电压下垂特性得到端口电压指令值的幅值Eref和频率指令值ωref；并通过电压电流双闭环控制得到所需的调制波信号，经过PWM调制产生所需PWM信号。
5.根据权利要求1所述的一种虚拟同步机和下垂控制的变流器型电压源并机方法，其特征在于，当惯性系数为0、阻尼系数为1的时候，有功功率为二阶的虚拟同步机VSG控制就转换为了一阶的下垂控制。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116454910A (zh) * 2023-01-17 2023-07-18 国网江苏省电力有限公司 虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统
CN116454910B (zh) * 2023-01-17 2024-03-01 国网江苏省电力有限公司 虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统

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