CN115459301A - 一种提高vsg稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，方法包括以下步骤：借鉴传统电力系统稳定器的设计方法，采用“超前‑滞后”形式的虚拟PSS结构，并以VSG角频率偏差为期输入信号，以功率偏差为其输出信号，将虚拟PSS引入VSG的功率控制环节，并根据VSG的转子运动方程、虚拟励磁调节器，搭建含虚拟PSS接入的VSG并网系统结构，根据计及虚拟PSS接入的VSG并网系统结构，构建了对应的Phillips‑Heffron模型，得出虚拟PSS接在VSG无功环的传递函数，从而克服了传统VSG功率振荡风险较大的缺陷，能有效改善VSG并网系统的稳定性，并可一定程度上保证引入虚拟PSS后的VSG控制的鲁棒性与优越性。

Description

一种提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定性控制技术领域，具体涉及一种提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器的设计方法。

背景技术

随着高比例新能源、高比例电力电子设备接入的“双高”特征的形成，由火力发电主导的传统电力系统逐步转变为以新能源为主体的新型电力系统。然而，新能源机组在一般的控制方式下无法参与系统调频，使电力系统呈“低惯量”特征，导致“双高”电力系统稳定性问题突出。

现有技术中VSG虚拟励磁调节器使VSG并网系统阻尼为负，从而导致电力系统稳定性差。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器的设计方法，能够补偿VSG虚拟励磁调节器的扰动信号、使VSG 并网系统阻尼为正，从而提高电力系统稳定性、抑制电力系统低频振荡等问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，方法包括以下步骤：

步骤一：基于电力系统稳定器，以VSG角频率偏差为输入信号，以功率偏差为输出信号，得出虚拟PSS结构；

步骤二：将虚拟PSS结构引入VSG的功率控制环节，根据VSG的转子运动方程、虚拟励磁调节器方程，搭建含虚拟PSS接入的VSG并网系统结构；

步骤三：基于虚拟PSS接入的VSG并网系统结构，构建含虚拟PSS接入的VSG并网系统的Phillips-Heffron模型，基于该Phillips-Heffron模型，得出 VSG机电振荡回路公式；

步骤四：根据VSG机电振荡回路公式的阻尼转矩分析，确定虚拟PSS接在无功环节的传递函数，以抵消VSG虚拟励磁调节器的固有负阻尼，进而改善VSG并网系统的稳定性。

可选的，步骤一中虚拟PSS结构公式如下：

式中，s代表拉普拉斯变换所用的复变量，G_VPSS(s)为虚拟PSS的传递函数， K_VPSS为虚拟PSS的比例系数；T₁-T₄为对应的超前滞后环节的时间常数。

虚拟PSS的输入与输出关系公式如下：

ΔQ_VPSS(s)＝G_VPSS(s)Δω₁

式中，s代表拉普拉斯变换所用的复变量，ΔQ_VPSS(s)为VSG的输出功率偏差，Δω₁为输入的VSG的角频率偏差。

可选的，步骤二中含虚拟PSS接入的VSG转子运动方程与虚拟励磁调节器方程如下：

式中，s为拉普拉斯变换所用的复变量，δ₁为VSG虚拟功角，ω₀为电网角频率基准值，ω₁为VSG虚拟角频率，ω_g为电网额定角频率，P_VPSS和Q_VPSS分别为VPSS的输出有功和输出无功，P_ref、Q_ref分别为VSG有功设定值和无功设定值，P₁、Q₁分别为VSG的输出有功和输出无功，J和D_p分别为VSG的惯性系数和阻尼系数，K_Q为无功控制器的增益系数，V₁为VSG端口电压。

可选的，步骤三中VSG机电振荡回路公式如下：

式中，s为拉普拉斯变换所用的复变量，Δδ₁VSG虚拟功角的微增量，J 和D_p分别为VSG的惯性系数和阻尼系数，ω₀为电网角频率基准值，K₁为VSG 输出有功对虚拟功角求偏导的系数，T₁为VSG阻尼转矩系数，T₂为VSG同步转矩系数。

可选的，步骤四中虚拟PSS接在VSG无功环后的传递函数公式如下：

式中，

为VSG接入虚拟PSS后的振荡模式，

为虚拟PSS在振荡模式

下的传递函数，D_VPSS为虚拟PSS向VSG机电振荡回路提供的等效阻尼转矩，

为虚拟PSS在振荡模式

下向VSG机电振荡回路提供阻尼转矩的前向通道传递函数。

有益效果

本发明的实施例中所提供的一种提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器的设计方法，借鉴传统电力系统稳定器的设计方法，采用“超前-滞后”形式的虚拟PSS结构，并以VSG角频率偏差为期输入信号，以功率偏差为其输出信号；将虚拟PSS引入VSG的功率控制环节，并根据VSG的转子运动方程、虚拟励磁调节器方程，搭建含虚拟PSS接入的VSG并网系统结构；根据计及虚拟PSS接入的VSG并网系统结构，构建含虚拟PSS接入的VSG并网系统的Phillips-Heffron模型，根据Phillips-Heffron模型得出VSG机电振荡回路公式；根据阻尼转矩分析法的计算结果，确定虚拟PSS接在无功环节的传递函数，以抵消VSG虚拟励磁调节器的固有负阻尼。本发明克服了传统VSG功率振荡风险较大的缺陷，能有效改善VSG并网系统的稳定性，并可一定程度上保证引入虚拟PSS后的VSG控制的鲁棒性与优越性。

1)本发明针对VSG虚拟励磁调节器可能引入的负阻尼特性，通过借鉴传统电力系统稳定器的设计方法，采用“超前-滞后”形式的虚拟PSS结构，并以 VSG角频率偏差为其输入信号，以功率偏差为其输出信号，提出了一种提高 VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法。

2)本发明通过构建计及虚拟PSS接入的VSG并网系统的Phillips-Heffron 模型，观察到VSG的无功控制回路虽可增强系统调压能力，但也对VSG的机电振荡回路造成了负面影响，降低了VSG的稳定性。

3)本发明采用阻尼转矩法对VSG进行了分析，发现了VSG的机电振荡回路的输入信号的构成，合理调节VSG惯量系数、阻尼系数、线路阻抗可为系统提供一定程度的正阻尼，减少功率振荡风险。当电力系统受到不同扰动时，本发明可使VSG的鲁棒性得到增强，同时对于系统稳定性的改善具有一定的有效性与优越性。

附图说明

图1为本发明实施例的VSG并网系统结构示意图；

图2为本发明实施例的含虚拟PSS接入的VSG控制环节框图；

图3为本发明实施例的含虚拟PSS接入的VSG并网系统的Phillips-Heffron 模型示意图。

图4为本发明实施例的虚拟PSS接入前后的VSG有功功率振荡情况。

具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本发明的实施例，一种用于提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，该方法为以下步骤：

步骤一：VSG通常是新能源机组提供虚拟惯量，改善系统调频的主流控制方法，如图1所示。但VSG虚拟励磁调节器存在负阻尼特性，导致含VSG接入的电力系统稳定性差，因此考虑到传统电力系统稳定器一般具有“超前-滞后”环节，本发明的虚拟PSS借鉴传统的电力系统稳定器，同样采用“超前-滞后”的结构接入到电力系统中，虚拟PSS结构的一般表达式为：

式中，s代表拉普拉斯变换所用的复变量，G_VPSS(s)为虚拟PSS的传递函数， K_VPSS为虚拟PSS的比例系数；T₁-T₄为对应的超前滞后环节的时间常数。采用该结构可带来建模简便、易于分析且不失一般性的技术效果。

同时，考虑到传统电力系统稳定器通常以输电线路的功率、频率为输入信号，以励磁电压为输出信号，但可能影响同步机的无功功率，因此本发明的虚拟PSS以VSG角频率偏差为其输入信号，以功率偏差为其输出信号，具体表达式为：

ΔQ_VPSS(s)＝G_VPSS(s)Δω₁

式中，s代表拉普拉斯变换所用的复变量，ΔQ_VPSS(s)为VSG的输出功率偏差，Δω₁为输入的VSG的角频率偏差。虚拟PSS采用以上输入输出关系，避免影响VSG的输出无功功率。

步骤二：为有效改善VSG系统的稳定性，本发明的虚拟PSS引入VSG的功率控制环节，并根据VSG的转子运动方程、虚拟励磁调节器方程，搭建含虚拟PSS接入的VSG并网系统结构，如图2所示。图2可直观表现出虚拟PSS 在VSG系统中的接入位置。

其中，含虚拟PSS接入的VSG转子运动方程与虚拟励磁调节器方程为：

式中，s为拉普拉斯变换所用的复变量，δ₁为VSG虚拟功角，ω₀为电网角频率基准值，ω₁为VSG虚拟角频率，ω_g为电网额定角频率，P_VPSS和Q_VPSS分别为VPSS的输出有功和输出无功，P_ref、Q_ref分别为VSG有功设定值和无功设定值，P₁、Q₁分别为VSG的输出有功和输出无功，J和D_p分别为VSG的惯性系数和阻尼系数，K_Q为无功控制器的增益系数，V₁为VSG端口电压。

步骤三：根据计及虚拟PSS接入的VSG并网系统结构，构建含虚拟PSS 接入的VSG并网系统的Phillips-Heffron模型，如图3所示，并根据模型得出 VSG机电振荡回路公式。该步骤可以直观表现出VSG的阻尼转矩系数较小时会对VSG稳定性带来不利影响。

其中，VSG机电振荡回路公式为：

式中，s为拉普拉斯变换所用的复变量，Δδ₁VSG虚拟功角的微增量，J 和D_p分别为VSG的惯性系数和阻尼系数，ω₀为电网角频率基准值，K₁为VSG 输出有功对虚拟功角求偏导的系数，T₁为VSG阻尼转矩系数，T₂为VSG同步转矩系数。

步骤四：根据得出的VSG机电振荡回路公式，采用阻尼转矩法分析VSG 稳定性问题机理，确定虚拟PSS接在VSG无功环节的传递函数，以抵消VSG 虚拟励磁调节器的固有负阻尼，达到有效改善VSG并网系统的稳定性的目的。

其中，虚拟PSS接在VSG无功环后的传递函数为：

式中，

为VSG接入虚拟PSS后的振荡模式，

为虚拟PSS在振荡模式

下的传递函数，D_VPSS为虚拟PSS向VSG机电振荡回路提供的等效阻尼转矩，

为虚拟PSS在振荡模式

下向VSG机电振荡回路提供阻尼转矩的前向通道传递函数。

本发明实施例的虚拟PSS对VSG稳定性的改善效果如图4所示。图4为 VSG接入电网时，不采用虚拟PSS与采用虚拟PSS时VSG输出有功功率的对比曲线。图4是基于MATLAB/Simulink仿真平台设计得到的。在本实施例中，令t＝1s时在PCC₂处发生短路故障，使其电压降至0.6p.u.，观测采用虚拟 PSS前后VSG的输出功率情况。

由图4可知，系统正常运行时，VSG的有功功率维持稳定。t＝1s后，不含虚拟PSS的VSG输出有功振荡幅度较大，收敛较慢，阻尼特性较差，当其与传统电网相连时，更易发生功率失稳现象。与之相比，计及虚拟PSS接入的 VSG输出有功受扰后迅速收敛，且其振荡幅值远小于传统VSG，表明虚拟PSS 能为系统提供正阻尼，证明了虚拟PSS对于提供VSG并网系统稳定性的有效性。

该仿真实验验证了本发明的虚拟电力系统稳定器能够有效改善VSG并网系统稳定性，对采用VSG的新能源发电系统并网运行控制提供了一定的理论支持和技术保障。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

Claims (5)

1.一种提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

步骤一：基于电力系统稳定器，以VSG角频率偏差为输入信号，以功率偏差为输出信号，得出虚拟PSS结构；

步骤二：将虚拟PSS结构引入VSG的功率控制环节，根据VSG的转子运动方程、虚拟励磁调节器方程，搭建含虚拟PSS接入的VSG并网系统结构；

步骤三：基于虚拟PSS接入的VSG并网系统结构，构建含虚拟PSS接入的VSG并网系统的Phillips-Heffron模型，基于Phillips-Heffron模型，得出VSG机电振荡回路公式；

步骤四：根据VSG机电振荡回路公式的阻尼转矩分析，确定虚拟PSS接在无功环节的传递函数，以抵消VSG虚拟励磁调节器的固有负阻尼，进而改善VSG并网系统的稳定性。

2.根据权利要求1所述的提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，其特征在于，步骤一中虚拟PSS结构公式如下：

式中，s代表拉普拉斯变换所用的复变量，G_VPSS(s)为虚拟PSS的传递函数，K_VPSS为虚拟PSS的比例系数；T₁-T₄为对应的超前滞后环节的时间常数；

虚拟PSS的输入与输出关系公式如下：

ΔQ_VPSS(s)＝G_VPSS(s)Δω₁

式中，s代表拉普拉斯变换所用的复变量，ΔQ_VPSS(s)为VSG的输出功率偏差，Δω₁为输入的VSG的角频率偏差。

3.根据权利要求1所述的提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，其特征在于，步骤二中含虚拟PSS接入的VSG转子运动方程与虚拟励磁调节器方程如下：

式中，s为拉普拉斯变换所用的复变量，δ₁为VSG虚拟功角，ω₀为电网角频率基准值，ω₁为VSG虚拟角频率，ω_g为电网额定角频率，P_VPSS和Q_VPSS分别为VPSS的输出有功和输出无功，P_ref、Q_ref分别为VSG有功设定值和无功设定值，P₁、Q₁分别为VSG的输出有功和输出无功，J和D_p分别为VSG的惯性系数和阻尼系数，K_Q为无功控制器的增益系数，V₁为VSG端口电压。

4.根据权利要求1所述的提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，其特征在于，步骤三中VSG机电振荡回路公式如下：

式中，s为拉普拉斯变换所用的复变量，Δδ₁VSG虚拟功角的微增量，J和D_p分别为VSG的惯性系数和阻尼系数，ω₀为电网角频率基准值，K₁为VSG输出有功对虚拟功角求偏导的系数，T₁为VSG阻尼转矩系数，T₂为VSG同步转矩系数。

5.根据权利要求1所述的提高VSG稳定性的虚拟电力系统稳定器设计方法，其特征在于，步骤四中虚拟PSS接在VSG无功环后的传递函数公式如下：

式中，

为VSG接入虚拟PSS后的振荡模式，

为虚拟PSS在振荡模式

下的传递函数，D_VPSS为虚拟PSS向VSG机电振荡回路提供的等效阻尼转矩，

为虚拟PSS在振荡模式

下向VSG机电振荡回路提供阻尼转矩的前向通道传递函数。

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