CN115764989A - 一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及虚拟同步发电机(VSG)技术领域，具体公开了一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，包括顺序连接的电源Udc、电容Cdc、三相桥逆变器、LC滤波器，还包括功率计算模块、VSG控制模块和PSWM调制模块。VSG控制模块根据瞬时有功功率P和无功功率Q，结合VSG给定无功功率Qref、VSG输出电压有效值的指令值Uref、基准有功功率Pref，利用VSG控制方程求出基准电压E，进一步根据基准电压综合计算式求出基准电压E。本系统以虚拟同步发电机为主要研究对象，设计新的控制策略，提供了同步发电机具有的惯量和阻尼，可最大程度弥补SG的性能，提供电压支撑以及提供惯量支持特性，提高了系统的抗干扰性和鲁棒性，具有广阔发展和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟同步发电机(VSG)技术领域，尤其涉及一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统。
背景技术
由于不可再生资源的日渐匮乏，发展风电、光伏等新能源发电方式成为了不可避免的时代潮流。因此，以新能源发电和并网换流器为核心的微电网系统成为了电力体系炙手可热的话题。传统换流器响应的速度不低，可是电网发生扰动时，抑制扰动能力差，无法有效稳定系统。电网的稳定较依靠同步电机，其具备的惯性和阻尼，给维护电网稳定给予助力。微网无法提供同步发电机(SG)所具备的高阻尼以及高转动惯量，对系统稳定性造成了巨大威胁。
同步发电机是电力网络中的主力发电机组，其阻尼与惯量对系统的稳定起到了很好的支持作用。并且，在调速器、励磁控制的情况下，可以有效地调整调频和调压。在大量风光发电接入系统的境况下，电网结构特性、控制环节会产生不可规避的变化。电力系统逐渐向高比例新能源和高比例电力电子设备系统发展。但目前大多数新能源发电通过换流器接入电网系统，新能源机组容量不断增长。换流器控制采用控制算法而非物理特性。响应速度较同步发电机更快、可控性能更好。但是换流器的接口阻尼小和惯性低的特点会对系统稳定运行产生负面影响，频率电压调节能力的低下会对微网系统稳定性造成冲击。
新能源发电渗透率越高，换流器比重越高，导致系统惯性水平大幅降低，频率质量下降。
发明内容
本发明提供一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，解决的技术问题在于：新能源发电渗透率越高，换流器比重越高，导致系统惯性水平大幅降低，频率质量下降。
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，包括顺序连接的电源Udc、电容Cdc、三相桥逆变器、LC滤波器，还包括功率计算模块、VSG控制模块和PSWM调制模块；所述功率计算模块用于根据所述三相桥逆变器的输出电压和输出电流求出所述三相桥逆变器的瞬时有功功率P和无功功率Q；
所述VSG控制模块用于根据瞬时有功功率P和无功功率Q，结合VSG给定无功功率Qref、VSG输出电压有效值的指令值Uref、基准有功功率Pref，利用VSG控制方程求出基准电压E的幅度Em和相角δ，进一步根据基准电压综合计算式求出基准电压E；
所述PSWM调制模块用于根据所述基准电压E通过电压电流环控制求出基准电流，并对所述基准电流进行跟踪输出最终的参考调制电压波作用于所述三相桥逆变器。
具体的，所述VSG控制方程中求取基准电压E的幅度Em的公式表示如下：
其中，ku为电压调节系数，kq为无功调节系数，E0为电网电压有效值，为VSG给定无功功率，U为所述三相桥逆变器的输出电压有效值，ΔEU表示电压调节值，ΔEQ表示无功功率调节值。
具体的，所述基准电压综合计算式表示为：
ea、eb、ec表示基准电压E的三相电压。
具体的，所述VSG控制方程中求取基准电压E的相角δ的公式表示如下：
其中，J是惯量系数；D是与阻尼转矩相对应的虚阻尼系数；ω0是以rad/s表示的VSG额定角速度，ω是虚拟转子转动瞬时角速度；Tm、Te、Td分别是VSG的机械、电磁、阻尼转矩，P是VSG输出瞬时功率。
具体的，所述电压电流环控制包括电压外环控制和电流内环控制；
所述电压外环控制具体为：将并网点电压与所述基准电压E作差，经过虚拟阻抗环节，得到三相并网参考电流；
所述电流内环控制具体为：将所述三相并网参考电流经过电流内环控制器输出最终的参考调制电压波。
具体的，所述电流内环控制器采用PR控制器。
具体的，所述LC滤波器包括串联在电路中的a相电感L1、b相电感L2、c相电感L3，还包括并联在电路中的a相电容C1、b相电容C2、c相电容C3。
具体的，令C1＝C2＝C3＝C，所述PR控制器的传递函数表示如下：
其中，KC表示电流环控制系数，
表示所述三相桥逆变器的传递函数，Uin表示所述三相桥逆变器输出三角载波的电压幅度，s表示拉普拉斯算子。
具体的，所述PSWM调制模块采用SVPWM调制对所述基准电流进行调制。
本发明提供的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，以虚拟同步发电机为主要研究对象，设计新的控制策略，将构网型换流器同控制策略结合在一起，此控制提供了同步发电机具有的惯量和阻尼，可最大程度弥补SG的性能，提供电压支撑以及提供惯量支持特性，提高了系统的抗干扰性和鲁棒性，具有广阔发展和应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统的拓扑结构图；
图2是本发明实施例提供的稳态下输出有功功率波形图；
图3是本发明实施例提供的稳态下输出角频率波形图；
图4是本发明实施例提供的稳态下输出电压波形图；
图5是本发明实施例提供的稳态下输出电流波形图；
图6是本发明实施例提供的稳态下谐波基波百分比图；
图7是本发明实施例提供的在0.5s切除5kW负荷的输出有功功率波形图；
图8是本发明实施例提供的在0.5s切除5kW负荷的输出无功功率波形图；
图9是本发明实施例提供的在0.5s切除5kW负荷的角频率波形图；
图10是本发明实施例提供的在0.5s切除5kW负荷的谐波基波百分比图；
图11是本发明实施例提供的在0.5s功率值阶跃至8kW的输出有功功率波形图；
图12是本发明实施例提供的在0.5s功率值阶跃至8kW的角频率波形图；
图13是本发明实施例提供的在0.5s功率值阶跃至8kW的输出电压波形图；
图14是本发明实施例提供的在0.5s功率值阶跃至8kW的输出电流波形图；
图15是本发明实施例提供的在0.5s功率值阶跃至8kW的谐波基波百分比图；
图16是本发明实施例提供的在0.5s投入3kW有功负荷的输出有功功率波形图；
图17是本发明实施例提供的在0.5s投入3kW有功负荷的输出无功功率波形图；
图18是本发明实施例提供的在0.5s投入3kW有功负荷的角频率波形图；
图19是本发明实施例提供的投入3000Var时角频率波形图；
图20是本发明实施例提供的投入3000Var时输出无功功率波形图；
图21是本发明实施例提供的投入3000Var时的谐波基波百分比图；
图22是本发明实施例提供的投入3000Var时的输出电压波形图；
图23是本发明实施例提供的投入3000Var时的输出电流波形图；
图24是本发明实施例提供的恒D时输出有功功率波形图；
图25是本发明实施例提供的恒D时输出无功功率波形图；
图26是本发明实施例提供的恒D时的角频率波形图；
图27是本发明实施例提供的恒J时输出有功功率波形图；
图28是本发明实施例提供的恒J时的角频率波形图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
虚拟同步发电机技术(VSG)是对同步发电机运行特性的模拟，其本质上是常规逆变器硬件结构和VSG控制方法的结合。虽然VSG控制和PQ控制或者Vf控制的核心思想差异较大，但是这几种控制策略所依赖的逆变器主电路可以采取相同的拓扑结构。如图1所示为虚拟同步发电机的主电路拓扑，也是本发明实施例提供的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统的主电路拓扑，其包括顺序连接的电源Udc、电容Cdc、三相桥逆变器、LC滤波器，还包括功率计算模块、VSG控制模块和PSWM调制模块。LC滤波器包括串联在电路中的a相电感L1、b相电感L2、c相电感L3，还包括并联在电路中的a相电容C1、b相电容C2、c相电容C3。
其中，功率计算模块用于根据三相桥逆变器的输出电压(三相电压)和输出电流(三相电流)求出三相桥逆变器的瞬时有功功率P和无功功率Q。
VSG控制模块用于根据瞬时有功功率P和无功功率Q，结合VSG给定无功功率Qref、VSG输出电压有效值的指令值Uref、基准有功功率Pref，利用VSG控制方程求出基准电压E的幅度Em和相角δ，进一步根据基准电压综合计算式求出基准电压E。
PSWM调制模块用于根据基准电压E通过电压电流环控制求出基准电流，并对基准电流进行跟踪输出最终的参考调制电压波作用于三相桥逆变器。
为了提高系统的抗干扰性和鲁棒性，本发明改进了控制策略，体现在VSG控制方程、基准电压综合计算式、电压电流环控制这三个环节。
VSG的有功-频率控制器提供基准电压的相位角度(相角δ)，而无功-电压控制器则提供基准电压的幅度(Em)，由基准电压综合计算式得出VSG的基准电压E。
VSG控制方程中求取基准电压E的幅度Em的公式表示如下：
其中，ku为电压调节系数，kq为无功调节系数，E0为电网电压有效值，U为三相桥逆变器的输出电压有效值的真实值，ΔEU表示电压调节值，ΔEQ表示无功功率调节值。
VSG控制方程中求取基准电压E的相角δ的公式表示如下：
其中，J是惯量系数；D是与阻尼转矩相对应的虚阻尼系数；ω0是以rad/s表示的VSG额定角速度，ω是虚拟转子转动瞬时角速度；Tm、Te、Td分别是VSG的机械、电磁、阻尼转矩，P是VSG输出瞬时功率。
最后，基准电压综合计算式表示为：
ea、eb、ec表示基准电压E的三相电压。
电压电流环控制包括电压外环控制和电流内环控制。
电压外环控制具体为：将并网点电压与基准电压E作差，经过虚拟阻抗环节，得到三相并网参考电流；
电流内环控制具体为：将三相并网参考电流经过电流内环控制器输出最终的参考调制电压波。
本例电流内环控制器采用PR控制器。令C1＝C2＝C3＝C，PR控制器的传递函数设计为：
其中，KC表示电流环控制系数，
表示三相桥逆变器的传递函数，Uin表示三相桥逆变器输出三角载波的电压幅度，s表示拉普拉斯算子。
设置系统以恒定参考功率运行，给定有功功率为10kW，给定无功功率为0，参考频率f为50Hz。下面对不同工况下系统的运行情况分别进行仿真研究。
在0～1s内对VSG策略进行仿真，在未添加扰动的情况下得到稳态下系统输出功率和输出角频率分别如图2、图3所示。从图2可以看出，系统输出功率在0.201s后从0逐渐到达稳定数值，数值为10kW，此时输出跟踪到输入值。从图3可以看出，系统输出角频率在0.216s后达到稳定值，数值在314.15(rad/s)处达到稳态。
图4、图5分别为在VSG控制下系统输出电压电流的波形图，可以看到，输出电压和输出电流均为正弦波，且相位一致。
图6为系统的谐波基波百分数变化图，可以看到，并网电流畸变率为1.62％，满足并网同步的要求。
图2～6说明了，在稳态工况下，系统很快到达稳定状态，并且轻松满足要求，证明正常情况下采用虚拟同步发电机策略的运行方式可靠。下面对其他工况的暂态过程进行研究分析。
设置功率扰动下的仿真工况，初设功率设置为10kW，在0.5s切除5kW负荷，观察仿真的有功功率波形输出，如图7所示。图7显示了当瞬间一次性切除一半负荷这种大扰动状态下，观察波形可以得到，0.5s切除负荷，输出有功功率迅速下降，在0.603s到达超调顶峰，在0.682s输出平稳于给定输入值。0s到0.2s，VSG输出有功功率按给定值上升至10kW，经过0.5s到0.69s的暂态过程，达到切除负荷后的5kW，随后保持给定稳态输出，有功超调量为5.25％，角频率超调量为0.33％。扰动前后电压电流输出均为正弦波。如图10所示，系统电网电流畸变率为3.21％，符合国家标准要求。
0.5s切除负荷后，通过图8看到无功功率因为有功功率的减少，如预期般增大，在0.615s到达稳态。由电机传动原理，频率与转速线性相关。转速的变化联系发电机的转矩平衡，其又受到输入机械功率和输出电磁功率的影响。当有功减少时，频率因此下降，如图9所示，系统在0.615s后恢复到稳定状态。
设置功率扰动下的仿真工况，初设功率设置为10kW，在0.5s功率值阶跃至8kW，观察仿真的有功功率、角频率波形输出，分别如图11、图12所示。系统的输出电压、负载电流的波形图分别如图13、14所示。
如图11所示，当瞬间切除2kW负荷状态下，观察波形可以得到0.5s切除负荷，输出有功功率迅速下降，在0.603s到达超调顶峰，随后输出平稳于给定输入值。0s到0.2s，VSG输出有功功率按给定值上升至10kW，经过0.5s到0.7s的暂态过程，达到切除负荷后的8kW，随后保持给定稳态输出，有功超调量为2.5％：角频率超调量为0.14％。
图12同图9，当有功减少时，转速及角频率下降。相比图9，扰动更小的本工况超调顶峰出现更早，同样稳定更早。这种情况下系统更加稳定。
如图13、图14所示，扰动前后电压电流输出均为正弦波，且相位一致。
如图15所示，系统电网电流畸变率为2.07％，符合国家标准要求。
设置仿真工况，初设功率设置为10kW，在0.5s投入3kW有功负荷，观察仿真的波形输出，对应的有功功率、无功功率、角频率波形分别如图16、图17、图18所示。可以看到，0s到0.2sVSG输出有功功率按给定输入上升至10kW，超调量为9％，0.5s投入3kW有功负荷，经历0.15s的暂态过程后达到给定输入的13kW，随后保持给定稳态输出超调量为2.8％，角频率超调量为0.2％，扰动前后电压电流输出均为正弦波，且相位一致。
验证搭建的VSG模型Q-V特性能否达到预期目标，现在对单机无穷大系统中展开验证。仿真系统在0s～0.3s时间内，只投入负荷1，它的无功功率设置为5000Var；在t＝0.3s时，再投入一个负荷2，其无功为Q＝3000Var；负荷投入过程瞬间完成。图19为投入3000Var时的角频率波形图，图20为投入3000Var时无功功率波形图，图21为投入3000Var时的谐波基波百分比图，图22为投入3000Var时输出电压波形图，图23为投入3000Var时输出电流波形图。
从图19～图23可以看到，在第一次切换负载之前，VSG输出负载的额定功率为：5000Var，输出和给定功率一致。在仿真运行至0.3s后开始逐渐上升，0.5s时VSG输出的无功功率Q大小为8000Var，输出和给定基本一致。随后保持稳定状态。扰动前后电压电流输出均为正弦波，且相位一致。电网电流畸变率为1.54％，符合国家标准要求。
本部分由搭建出的有功无功模块进行拓展仿真，最后根据设计出的仿真验证了VSG调控系统中有功特性和无功特性以及转动惯量大小对调频特性的影响，直观地说明了设计的VSG算法用于逆变器系统的调控是可行的。由上可以看出VSG控制下，系统发生扰动后能很快再次恢复至新的稳态，验证了VSG控制策略的抗扰性和鲁棒性性能好。
接下来分析惯量阻尼系数对系统输出的影响。
当阻尼系数恒定为D＝10，惯量系数J从0.2改为0.05时，对应的有功波形图如图24所示，无功功率波形图如图25所示，角频率波形如图26所示。从图24可以看出，J＝0.5的有功功率波动、有功超调峰值最高，J＝0.05的有功功率波动小，超调峰值低，J＝0.2居中。观察图25，J＝0.5的无功功率波动最高，超调量也最高，J＝0.05的无功功率、超调峰值波动最小，J＝0.2居中。观察图26，J＝0.05的角频率波动最高，超调量也最高，J＝0.5的角频率、超调峰值波动最小，J＝0.2居中。由此可见，当阻尼系数D取值一定时，在相同的有功变化量下，惯性矩J的取值愈低，表现出的频率变化愈慢；惯性J的数值越大，出现的频率也就越快。由以上结果可知，频率变化与转动惯量的大小是有直接联系的，只要选择合适的J，即可使系统的频率稳定输出，从而可以很好地反映出VSG调节系统的中大惯性特性。
接下来分析变量阻尼系数D的暂态同步特性。
为验证阻尼系数对系统输出的影响，固定惯量系数恒定为J＝0.2，阻尼系数D从10至20，观察系统输出情况，对应的有功功率和角频率输出波形分别如图27、图28所示。
观察图27所示的有功功率输出波形，D＝10的波形其波动和超调量是最高的，相比之下D＝20的波动和超调量最小，D＝15居中。而对于达到稳定的过程时间，D＝10的波形用时最长，D＝20的波形用时最短，D＝15居中。
观察图28所示的角频率输出波形，可知，角频率随转速和有功功率正向相关，值得注意的是，当D＝10时，此时有功功率及角频率波动已经较大，则对于系统而言，产生的波动会造成损失，应选取更大的阻尼系数。
随着阻尼系数的增大，系统的波动性减小，达到稳定时间的时间变短。当惯性矩J不变时，当阻尼系数D增大时，系统的有功超调减小，振荡衰减速率加快。通过对VSG的分析，得出以下结论：VSG在有功功率响应时的振动频率是由VSG的转动惯性J决定的，而阻尼系数D则是决定其振动衰减率的主要因素。
本实施例通过建模仿真分析得到惯性矩J对VSG输出功率振荡频率的影响。阻尼系数D对输出功率振荡衰减速率影响明显。此外本次仿真对功率突变，瞬间投切有功无功进行了仿真，仿真结果均符合国家标准要求，且输出电压电流波形均为正弦波，且相位一致。根据国家标准GB/14549-1993的文件要求，电压谐波畸变率应控制在5％以内，电流由于率波次数不一样，标准也不致。一般而言，5次谐波电流因小于62A，7次谐波电流因小于32A，总之，谐波电流的畸变率也应该控制在5％以内。而对于高于10KV的高压电网，谐波要求更高，不超过4％。仿真中，最高电流畸变率在3.21％。全部符合国家标准。本设计将同步发电机机械方程引入换流器控制中，实现换流器对同步机惯量、阻尼调压调频特性的模拟。这种VSG控制提高了系统的抗干扰性和鲁棒性，使系统的有功超调减小，加快振荡衰减速率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，包括顺序连接的电源Udc、电容Cdc、三相桥逆变器、LC滤波器，还包括功率计算模块、VSG控制模块和PSWM调制模块；所述功率计算模块用于根据所述三相桥逆变器的输出电压和输出电流求出所述三相桥逆变器的瞬时有功功率P和无功功率Q；其特征在于：
所述VSG控制模块用于根据瞬时有功功率P和无功功率Q，结合VSG给定无功功率Qref、VSG输出电压有效值的指令值Uref、基准有功功率Pref，利用VSG控制方程求出基准电压E的幅度Em和相角δ，进一步根据基准电压综合计算式求出基准电压E；
所述PSWM调制模块用于根据所述基准电压E通过电压电流环控制求出基准电流，并对所述基准电流进行跟踪输出最终的参考调制电压波作用于所述三相桥逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于，所述VSG控制方程中求取基准电压E的幅度Em的公式表示如下：
其中，ku为电压调节系数，kq为无功调节系数，E0为电网电压有效值，为VSG给定无功功率，U为所述三相桥逆变器的输出电压有效值，ΔEU表示电压调节值，ΔEQ表示无功功率调节值。
3.根据权利要求1所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于，所述基准电压综合计算式表示为：
ea、eb、ec表示基准电压E的三相电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于，所述VSG控制方程中求取基准电压E的相角δ的公式表示如下：
其中，J是惯量系数；D是与阻尼转矩相对应的虚阻尼系数；ω0是以rad/s表示的VSG额定角速度，ω是虚拟转子转动瞬时角速度；Tm、Te、Td分别是VSG的机械、电磁、阻尼转矩，P是VSG输出瞬时功率
5.根据权利要求1所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于，所述电压电流环控制包括电压外环控制和电流内环控制；
所述电压外环控制具体为：将并网点电压与所述基准电压E作差，经过虚拟阻抗环节，得到三相并网参考电流；
所述电流内环控制具体为：将所述三相并网参考电流经过电流内环控制器输出最终的参考调制电压波。
6.根据权利要求5所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于，所述电流内环控制器采用PR控制器。
7.根据权利要求6所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于，所述LC滤波器包括串联在电路中的a相电感L1、b相电感L2、c相电感L3，还包括并联在电路中的a相电容C1、b相电容C2、c相电容C3。
8.根据权利要求7所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于，令C1＝C2＝C3＝C，所述PR控制器的传递函数表示如下：
其中，KC表示电流环控制系数，
表示三相桥逆变器的传递函数，Uin表示所述三相桥逆变器输出三角载波的电压幅度，s表示拉普拉斯算子。
9.根据权利要求1所述的一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统，其特征在于：所述PSWM调制模块采用SVPWM调制对所述基准电流进行调制。
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