CN115765029A - 基于源端动态特性的构网型风电并网系统及稳定分析方法 - Google Patents

基于源端动态特性的构网型风电并网系统及稳定分析方法 Download PDF

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CN115765029A CN202211485909.1A CN202211485909A CN115765029A CN 115765029 A CN115765029 A CN 115765029A CN 202211485909 A CN202211485909 A CN 202211485909A CN 115765029 A CN115765029 A CN 115765029A
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刘小恺
任思宇
刘建强
张爱军
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Abstract

本发明属于风电并网技术领域，公开了一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统，包括风机、PMSG、基于MPPT模式对风电电磁功率进行调节的机侧换流器和采用VSG控制系统的网侧换流器；风机的输出端与PMSG的输入端连接，PMSG的输出端与机侧换流器的输入端连接，机侧换流器的输出端与网侧换流器的输入端连接，网侧换流器的输出端与电网的输入端连接；本发明还公开了上述基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法。本发明适用于对基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定进行分析，可为虚拟同步技术应用到实际多变运行状态的风机稳定控制提供参考。

Description

基于源端动态特性的构网型风电并网系统及稳定分析方法
技术领域
本发明属于风电并网技术领域，涉及一种构网型风电并网系统，具体涉及一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统及稳定分析方法。
背景技术
近年来随着化石能源大量燃烧带来的能源问题和环境问题日益凸显，风能在电力系统中所占比重的越来越高。因此利用沙漠、戈壁等地区丰富的风资源，绿色生态能源战略的重要选择，具备安全、清洁及低廉特征的风力发电受到能源领域的广泛关注。但是，依托高度电力电子化并网的风电逆变器，缺乏转子转速响应电网频率波动的能力，且随着风电渗透率的不断提升，高比例新能源电力系统将逐渐演变为低惯量、弱阻尼特征。现有的风电多为运行于MPPT功率控制模式下，且采用基于锁相环(phaselockedloop,PLL)同步的矢量并网控制策略，一般视其为随网型控制结构。然而，为保证风资源利用最大化，随网型风机缺乏对并网系统阻尼及惯量的调节能力，特别在弱电网接入场景下，PLL控制与风机电流控制的耦合关系极易引发系统失稳风险。
目前为保障新能源电力系统的稳定性，要求风机具备类似同步机响应电网频率、电压波动的机制。在现有风机提升系统稳定能力的控制方法中，按照是否使用PLL 实现与电网同步的原则，划分为两类控制策略：基于PLL的下垂控制和虚拟惯量控制。式中，下垂控制使风电具备系统频率的一次有差调节能力，但对电网缺乏足够的动态响应特性；虚拟惯量控制可以减小与MPPT的控制矛盾，通过扰动时释放风机转子能量实现对系统的惯性响应能力，但其基于电网同步锁相的机制同样存在系统失稳风险。
为了解决上述问题，学者提出了无需PLL主导的构网型自同步电压源型风电 VSG控制策略，通过建立虚拟转子机械方程使风电具备与同步机等效的并网特性。与随网型风电相比较，构网型风电VSG(VirtualSynchronizergenerator)系统对提升弱电网稳定性具有巨大优势。电脑现有研究主要侧重对VSG构网结构及自身惯量、阻尼提升能力进行分析，并未考虑源端风轮机实际运行状态及其调节特性与VSG间的耦合关系对风电VSG系统稳定性的影响。因此研究风机源端动态特性对构网型风电并网系统稳定性的影响对本领域人员具有重要意义。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统，通过建立基于PMSG源端机械特性的虚拟同步PMSG并网系统，求得虚拟同步PMSG并网系统阻尼参数最小值，为构网型风机控制参数整定提供了工程参考；
本发明的另一个目的，是要提供上述基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统，包括风机、PMSG、基于MPPT 模式对风电电磁功率进行调节的机侧换流器和采用VSG控制系统的网侧换流器；
所述风机的输出端与PMSG的输入端连接，PMSG的输出端与机侧换流器的输入端连接，机侧换流器的输出端与网侧换流器的输入端连接，网侧换流器的输出端与电网的输入端连接；
所述机侧换流器用于控制直流电压稳定；网侧换流器通过虚拟调速、虚拟励磁环节模拟PMSG外特性具备主动频率及电压支撑能力。
本发明还提供了上述基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，包括以下步骤：
S1、将风机、PMSG、机侧换流器和网侧换流器接入电网，通过将机侧换流器按照MPPT模式对风机电磁功率进行调节，建立基于PMSG源端机械特性的虚拟同步 PMSG并网系统；
S2、通过虚拟同步PMSG并网系统，得到MPPT模式下的PMSG转子运动方程和虚拟同步PMSG并网有功功率，并建立虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型；
S3、通过虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型，得到虚拟同步PMSG动态方程，并得到基于PMSG源端机械特性的惯量和阻尼转矩系数；
S4、分析PMSG的参数变化对系统暂态稳定影响，建立基于风速的虚拟同步 PMSG并网系统的小信号模型，根据初始风速对应的系统特征值计算PMSG运行于临界风速时风机参与调频时刻的初始转速，得到阻尼转矩系数关于虚拟阻尼系数的函数，并得到虚拟同步PMSG并网系统阻尼参数最小值。
作为上述方法中步骤S2的限定，步骤S2中，MPPT模式下的PMSG转子运动方程由公式(12)、(13)求得：
Figure BDA0003962268580000031
Figure BDA0003962268580000032
式中，δ为风电功角，ω为风电角速度，ωn为系统额定角速度，ωr为PMSG转子转速，Hp为PMSG惯性常数，Pw为PMSG吸收风机的机械能，Pe为风机输出电磁功率，Dp为转子阻尼常数。
作为上述方法中步骤S2的进一步限定，步骤S2中，MPPT模式下的虚拟同步 PMSG并网有功功率由公式(15)求得：
Figure BDA0003962268580000033
式中，km为风机MPPT参数，m为调频参数，Dv为虚拟阻尼系数，ωf为VSG电压角频率，ωg为风机额定角速度，Hv为虚拟惯性系数。
作为上述方法中步骤S2的再进一步限定，步骤S2中，虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型为：
Figure BDA0003962268580000041
式中，Δ代表小扰动，Δδf为VSG虚拟功角偏差量，Δωf为VSG电压角频率偏差量，Δωr为PMSG转子转速偏差量，Kv为VSG同步转矩参数，ωr0为风机参与调频时刻的初始转速。
作为上述方法中步骤S3的限定，步骤S3中，虚拟同步PMSG动态方程由公式 (19)求得：
Figure BDA0003962268580000042
式中，s为拉普拉斯算子，s＝jωv，j为复频域的虚部。
作为上述方法中步骤S3的进一步限定，步骤S3中，基于PMSG源端机械特性的惯量和阻尼转矩系数由公式(20)求得：
Figure BDA0003962268580000043
式中，H’v为基于PMSG源端机械特性的惯量，D’v为阻尼转矩系数。
作为上述方法中步骤S4的限定，步骤S4中，基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型为：
Figure BDA0003962268580000044
Figure BDA0003962268580000045
式中，R为风机叶片半径；kpw和kiw分别为风机PI控制参数，λopt为风机角速度调整的最佳的叶尖速比，vr0为调频对应的初始风速，Z∑为系统阻抗，Vfabc为风机网侧逆变器输出电压；Vgabc为电网的电压相量；δf为VSG输出虚拟功角。
作为上述方法中步骤S4的限定，步骤S4中，临界风速由公式(28)求得：
Figure BDA0003962268580000051
风机参与调频时刻的初始转速由公式(29)求得：
Figure BDA0003962268580000052
作为上述方法中步骤S4的再进一步限定，步骤S4中，阻尼转矩系数关于虚拟阻尼系数的函数为：
Figure BDA0003962268580000053
式中，n为中间变量，m和n由公式(31)求得：
Figure BDA0003962268580000054
虚拟同步PMSG并网系统阻尼参数最小值由公式(33)求得：
Dvmin＝5Hvkm (2/3)/Hp (33)。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
(1)本发明基于VSG控制系统建立了考虑PMSG源端机械特性的虚拟同步 PMSG并网系统，实现了VSG控制策略在风机网侧逆变器的仿真应用；
(2)本发明通过基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型，阐明了 MPPT模式下影响风电VSG控制系统稳定的关键因素；
(3)本发明从构网型风电工程应用角度，分析风机源端运行特性和VSG功率控制回路的耦合关系，评估了其动态调节对VSG控制系统惯量、阻尼的影响；
(4)本发明分析了运行风速对VSG控制系统惯量、阻尼特性的作用机理，推导出临界风速区间保证系统稳定的最小阻尼控制值，为构网型风机控制参数整定提供工程指导；
(5)本发明基于实验室RTLAB数模混合仿真平台，建立基于虚拟同步PMSG 并网系统，仿真结果验证了模型准确性和分析方法的有效性。
本发明适用于对构网型风电并网系统基于源端动态特性的的稳定进行分析，可为虚拟同步技术应用到实际多变运行状态的风机稳定控制提供参考。
附图说明
图1所示为本发明实施例1的电路原理图；
图2所示为本发明实施例2的VSG虚拟惯性系数变化对虚拟同步PMSG并网系统的稳定性分析图；
图3所示为本发明实施例2的VSG虚拟阻尼系数变化对虚拟同步PMSG并网系统的稳定性分析图；
图4所示为本发明实施例2中基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型；
图5所示为本发明实施例2中不同调频对应的初始风速下虚拟同步PMSG并网系统的特征根轨迹图；
图6所示为本发明实施例中不同初始运行风速对虚拟同步PMSG并网系统的惯量特性影响曲线；
图7所示为本发明实施例2的仿真实验平台；
图8所示为本发明实施例2的虚拟同步PMSG并网系统和VSG并网系统的参考功率对比曲线；
图9所示为本发明实施例2的虚拟同步PMSG并网系统和VSG并网系统的系统角频率对比曲线；
图10所示为本发明实施例2在相同虚拟惯性系数下虚拟同步PMSG并网系统和 VSG并网系统的交流侧暂态频率影响对比图；
图11所示为本发明实施例2的虚拟同步PMSG并网系统在不同虚拟惯性系数下的交流侧暂态频率影响对比图；
图12所示为本发明实施例2在相同虚拟阻尼系数下虚拟同步PMSG并网系统和 VSG并网系统的交流侧暂态频率影响对比图；
图13所示为本发明实施例2的虚拟同步PMSG并网系统在不同虚拟阻尼系数下的交流侧暂态频率影响对比图；
图14所示为本发明实施例2的虚拟同步PMSG并网系统在不同初始风速下的频率变化曲线；
图15所示为本发明实施例2的虚拟同步PMSG并网系统在不同虚拟阻尼系数下的电磁功率变化曲线。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统
如图1所示，本实施例公开了一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统，包括风机、PMSG、基于MPPT模式对风电电磁功率进行调节的机侧换流器和采用VSG 控制系统的网侧换流器。
风机的输出端与PMSG的输入端连接，PMSG的输出端与机侧换流器的输入端连接，机侧换流器的输出端与网侧换流器的输入端连接，网侧换流器的输出端与电网的输入端连接；机侧换流器用于控制直流电压稳定；网侧换流器通过虚拟调速、虚拟励磁环节模拟PMSG外特性具备主动频率及电压支撑能力。
本实施例中，网侧换流器按照VSG控制，Pw作为VSG有功调制环的机械功率来构建VSG功率控制回路。图1中，ΔU为直流侧电容电压与及其参考值差值，HS为滤波函数，经过PI控制后得到电流内环q轴电流参考值Isqref，其中，Pw和Pe分别为PMSG吸收风机的机械能及风机输出电磁功率，Isd、Isdref分别为电流内环d轴电流及参考值。Vfabc∠δf、Vgabc∠0分别表示VSG和电网的电压相量。
根据同步机转子运动方程，由公式(1)得到VSG输出虚拟功角δf，VSG电压角频率ωf与功率之间关系：
Figure BDA0003962268580000081
式中，δf为VSG输出虚拟功角，ωf为VSG电压角频率，ωg为风机额定角速度， Pm为VSG输入虚拟机械功率，Pg为VSG输出的电磁功率，Hv为虚拟惯性系数，Dv为虚拟阻尼系数，忽略损耗的影响，风机的有功功率即VSG输出的电磁功率由公式 (2)求得：
Figure BDA0003962268580000082
式中，XΣ为VSG与电网间的阻抗，Vfabc为风机网侧逆变器输出电压；Vgabc为电网的电压相量；σf为VSG转子值，PMSG虚拟同步控制后，电压参考值和指令值分别为Vref、Vg0，通过虚拟励磁控制环得到：
Vref＝Vfabc0 (3)；
式中，Vfabc0为风机网侧逆变器输出电压的初始值；
简化系统小信号模型，忽略电压调节过程，Vfabc0视作恒定值，即Vfabc0＝Vfabc，在平衡点附近对式(1)(2)线性化，推导PMSG并网系统小信号模型为：
Figure BDA0003962268580000091
式中，Δ代表小扰动，σf(0)为VSG转子初始值，Δσf为VSG转子值偏差量，Δωf为VSG虚拟角频率偏差量，ΔPm为VSG输入虚拟机械功率偏差量，ΔPg为VSG输出电磁功率偏差量，此时若不考虑风机机侧换流器功率调节动态，即VSG直流侧为传统理想电压源，Pm＝0，系统动态方程由公式(5)、(6)推导为：
Figure BDA0003962268580000092
Figure BDA0003962268580000093
式中，Δδf为VSG虚拟功角偏差量，δf(0)为VSG虚拟功角初始值，Kv为VSG同步转矩参数，Ugabc为电网电压；联立式(4)、式(5)，VSG系统动态方程由公式(7)表示为：
Figure BDA0003962268580000094
进一步由公式(8)、(9)得出VSG系统的主导振荡频率fv和阻尼比ξ，观察得出，Hv越大，系统对扰动的响应越慢，系统阻尼特性越弱，同时，阻尼比ξ与Dv成正比，Dv对ξ起到关键性作用；
Figure BDA0003962268580000095
Figure BDA0003962268580000096
上述分析设定VSG直流电源为理想工况，但是，PMSG经VSG控制后，虚拟调速、虚拟励磁控制均会引起Pm的改变。因此需要充分考虑风机源端动态对VSG控制系统控制性能的影响。
实施例2一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法
实际应用中功率-转速(Pw/ωr)特性曲线与虚拟同步控制建立耦合关系：电网的电压、频率等扰动会通过功率传送到直流侧，引起直流电压的波动，进而引起PMSG 转速的变化，最终转速变化又通过Pw/ωr曲线对网侧换流器功率造成扰动。因此本实施例提供了一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，包括以下步骤：
S1、将风机、PMSG、机侧换流器和网侧换流器接入电网，通过将机侧换流器按照MPPT模式对风机电磁功率进行调节，建立基于PMSG源端机械特性的虚拟同步 PMSG并网系统；
本步骤中，当风机运行在MPPT模式时，风速Vr下对应的风机最大输出功率即 PMSG吸收风机的机械能Pw由公式(10)、(11)求得：
Figure BDA0003962268580000101
Figure BDA0003962268580000102
式中，ωr为PMSG转子转速，Cmax为最大风能利用系数，ρ为空气密度，R为风机叶片半径，λ为叶尖速比。
S2、通过虚拟同步PMSG并网系统，得到MPPT模式下的PMSG转子运动方程和虚拟同步PMSG并网有功功率，并建立虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型；
本步骤中，机侧换流器按照MPPT模式对风电电磁功率进行调节，MPPT模式下的PMSG转子运动方程由公式(12)、(13)求得：
Figure BDA0003962268580000103
Figure BDA0003962268580000104
Figure BDA0003962268580000111
Figure BDA0003962268580000112
式中，km为风机MPPT参数，m为调频参数，Dv为虚拟阻尼系数，ωf为VSG电压角频率，ωg为风机额定角速度，Hv为虚拟惯性系数；
考虑式(5)并对式(13)(15)线性化，推导得出：
Figure BDA0003962268580000113
Figure BDA0003962268580000114
式中，ωr0为风机参与调频时刻的初始转速。
联立式(16)、式(17)及式(4)，虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型为；
Figure BDA0003962268580000115
式中，Δ代表小扰动，Δδf为VSG虚拟功角偏差量，Δωf为VSG电压角频率偏差量，Δωr为PMSG转子转速偏差量，Kv为VSG同步转矩参数，ωr0为风机参与调频时刻的初始转速。
S3、通过虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型，得到虚拟同步PMSG动态方程，并得到基于PMSG源端机械特性的惯量和阻尼转矩系数；
将式(18)转换为Laplace形式，则虚拟同步PMSG动态方程由公式(19)求得：
Figure BDA0003962268580000121
式中，s为拉普拉斯算子，s＝jωv，j为复频域的虚部；
基于PMSG源端机械特性的惯量和阻尼转矩系数由公式(20)求得：
Figure BDA0003962268580000122
式中，H’v为基于PMSG源端机械特性的惯量，D’v为阻尼转矩系数。
对比式(5)可知，Hv′＜Hv，Dv′＜Dv，风电有功功率调节动态特性与Dv和Hv互相关联，表明虚拟同步PMSG并网系统考虑PMSG源端机械特性后，系统受扰动期间削弱了系统阻尼支撑能力，降低了惯性响应性能。决定Dv′的关键参数一类与 VSG控制特性相关，包括虚拟惯性系数Hv，虚拟阻尼系数Dv，调频参数m等，另一类与PMSG自身特性相关，包括PMSG惯性常数Hp，转子阻尼常数Dp；此外，可以看出，风机MPPT参数km、调频参数m及风机参与调频时刻的初始转速ωr0、调频对应的初始风速vr0同时对Dv′、Hv′起到强相关作用。因此，需要从VSG应用到风电以支撑系统稳定能力的工程实践角度，分析以上因素对系统稳定性的影响程度。
S4、分析PMSG的参数变化对系统暂态稳定影响，建立基于风速的虚拟同步 PMSG并网系统的小信号模型，根据初始风速对应的系统特征值计算PMSG运行于临界风速时风机参与调频时刻的初始转速，得到阻尼转矩系数关于虚拟阻尼系数的函数，并得到虚拟同步PMSG并网系统阻尼参数最小值；
本步骤中的具体过程包括：
S41、在不同VSG参数及不同控制条件下，分析PMSG的虚拟惯性系数Hv，虚拟阻尼系数Dv、调频系数m及系统阻抗ZΣ等参数变化对系统暂态稳定影响；
其中，虚拟同步PMSG并网系统参数如表1、表2所示。如图2及图3所示，为虚拟惯性系数Hv，虚拟阻尼系数Dv变化对系统的稳定性分析，箭头方向代表参数增大时对应系统闭环极点变化规律。由图可以得出，极点S1、S2、S3在Hv增大时向原点移动，表明系统扰动后响应速度变差，风机并网稳定性被削弱。随着Dv增加，极点S2、S3逐渐靠近实轴，同时在虚轴较远位置处向虚轴移动，表明能平抑系统暂态频率波动，但会影响系统暂态恢复速度。
表1PMSG参数
参数 数值 单位
额定频率 50 HZ
额定有功功率 1.5 MW
定子额定电压 690 V
励磁电抗 3.265 p.u.
定子电阻 0.0110 p.u.
定子漏抗 0.097 p.u.
转子电阻 0.01 p.u.
转子漏抗 0.101 p.u.
风机惯性常数 1.5 s
风机阻尼常数 0.85 s
直流电压基准值 1.1 kV
直流电容 10 mF
无功功率给定值 0 MVA
开关频率 2 kHZ
表2VSG控制器参数
参数 数值 单位
惯性增益 1.0 p.u.
比例系数 0.1 p.u.
积分系数 1 p.u.
高通滤波时间常数 0.05 s
功率回路阻尼系数 1 p.u.
电压回路阻尼系数 3.5 p.u.
S42、基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型为：
Figure BDA0003962268580000141
Figure BDA0003962268580000142
式中，R为风机叶片半径；kpw和kiw分别为风机PI控制参数，λopt为风机角速度调整的最佳的叶尖速比，vr0为调频对应的初始风速，Z∑为系统阻抗，Vfabc为风机网侧逆变器输出电压；Vgabc为电网的电压相量；σf为VSG转子值；
由式(10)、式(11)可知，当风机角速度调整为最佳的叶尖速比λopt时，风机参与调频时刻的初始转速ωr0由公式(21)求得：
Figure BDA0003962268580000143
对式(2)、式(13)线性化
Figure BDA0003962268580000144
2Hpωr0sΔωr＝Δpw-Δpe-DpΔωr (23)；
由式(21)、式(23)得：
Figure BDA0003962268580000145
假定系统扰动时风速不变，PMSG风功率偏移量ΔPw0＝0，不计并网系统损耗风机输出电磁功率偏差量ΔPe＝ΔPg，式(14)中调频系数m采用PI控制得公式(25)：
Figure BDA0003962268580000146
由此可得到基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型，如图4所示。
S43、根据基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型求取不同调频对应的初始风速对应的系统特征值，分析特征值对虚拟同步PMSG并网系统的控制稳定性影响；
本步骤中，求取了6-14m/s风速对应的系统特征值，如图5所示为不同调频对应的初始风速下虚拟同步PMSG并网系统的特征根轨迹图；由图5分析可知，虚拟同步PMSG并网系统稳定性受风机实际运行风速的影响。随着风速增大，S1、S2从负实轴初始位置继续向左移动，为稳定的衰减振荡模式，S3、S4则由正实轴初始位置不断左移，逐渐转为衰减振荡模式，风速的改变明显影响系统运行稳定性。
S44、根据风速对应的系统特征值计算PMSG运行于临界风速时风机参与调频时刻的初始转速，得到阻尼转矩系数关于虚拟阻尼系数的函数，并得到虚拟同步PMSG 并网系统阻尼参数最小值；
由式(9)可知，阻尼比为零表示系统临界稳定状态，此时临界风速由公式(28) 求得：
Figure BDA0003962268580000151
当实际运行风速vr0＞vr′0时，虚拟同步PMSG并网系统为振荡衰减模型，系统为
′
稳定运行状态，分析可知，影响vro的主要因素一类与PMSG本体参数PMSG惯性常数Hp，转子阻尼常数Dp相关，另一类与VSG控制参数虚拟惯性系数Hv，虚拟阻尼系数Dv及系统阻抗ZΣ相关，此外，VSG一次调频环节的PI控制参数kpw和kiw对临界风速起到强相关作用。
PMSG运行于临界风速时，对应的风机参与调频时刻的初始转速由公式(29)求得：
Figure BDA0003962268580000152
将式(29)带入式(20)，消去Kv及调频系数，得到阻尼转矩系数关于虚拟阻尼系数的函数为：
Figure BDA0003962268580000161
式中，n为中间变量；m和n由公式(31)求得：
Figure BDA0003962268580000162
虚拟同步PMSG并网系统阻尼参数最小值由公式(33)求得：
Dvmin＝5Hvkm (2/3)/Hp (33)。
当实际运行风速vr0＞vr′0时，虚拟同步PMSG并网系统为振荡衰减模型，系统为稳定运行状态，此时，VSG系统的最小阻尼参数需要满足Dv＞Dvmin，可保证系统稳定运行。
本实施例根据式(20)得到了如图6所示的初始运行风速改变工况下虚拟同步PMSG并网系统的惯量特性影响曲线，分析了初始运行风速对系统惯量特性影响，其中，kpw＝5、kiw＝0.7，Hv′＝2.5。
由图6可知，在低频段和中频段，初始运行风速对虚拟同步PMSG并网系统惯量特性具有明显影响，随着风速增大，在低频段的幅值特性曲线上移，中频段的相频特性曲线的相位角逐渐减小，表明在MPPT控制模式下，初始风速会影响系统的惯性响应性能，系统惯量逐渐增大，而在高频段风速对惯量影响较小。
下面对本实施例进行算例分析：
本实施例在实验室采用OPRT5600系列的RT-ALB构建了虚拟同步PMSG并网系统的硬件在环实验平台，以说明源端机械特性对基于虚拟同步控制的PMSG系统动态性能的影响。其中，数字仿真模型为虚拟同步PMSG并网系统主电路部分，通过Simulink搭建，包括风机、PMSG、机侧换流器和网侧换流器模型，VSG控制算法通过TMS320F28335的DSP28335芯片实现，DSP通过光纤连接主电路实现对网侧换流器的控制，硬件实物部分为实际工程所用控制器，两部分通过AC/DC接口实现交互。实验平台如图7所示，系统参数如表1及表2所示。
一、PMSG源端特性对虚拟同步PMSG并网系统的动态性能影响
传统VSG为静态理想直流电压源控制，当直流侧为直驱风电机组时，运行于 MPPT模式的PMSG通过转子的动态机械特性与VSG功率回路耦合，影响虚拟同步 PMSG并网系统的稳定运行。本部分验证了本实施例的虚拟同步PMSG并网系统(记为PMSG并网系统)中VSG的动态响应与源端为储能系统(记为VSG并网系统) 时VSG的动态响应对比。通过设置仿真开始1s时系统短路比由4降低至2.5工况，两系统参数保持一致，虚拟惯性系数Hv＝0.6，虚拟阻尼系数Dv＝2.5，输入虚拟机械功率Pm＝0.7p.u.。
如图8所示为PMSG并网系统和VSG并网系统在VSG功率回路中参考功率的区别，因为PMSG在扰动作用下转速在MPPT区间调整，根据式(15)，PMSG机械动态传递到VSG功率控制回路，所以Pm不再为恒定值，而VSG并网系统源端无机械特性影响，所以功率参考值始终恒定。
如图9所示为PMSG并网系统和VSG并网系统在VSG功率回路中VSG电压角频率ωf对比曲线，可以看出，扰动发生后第一摆时，与VSG并网系统相比，PMSG 并网系统频率变化率dωf/dt要更剧烈，且PMSG振荡幅度，振荡时间更长，因此，源端为直驱风电机组的VSG削弱了并网系统的阻尼能力，系统稳定性下降。
二、虚拟同步PMSG并网系统稳定性影响因素分析
本部分验证了VSG系统取相同控制参数条件下，PMSG并网系统和VSG并网系统稳定运行能力的区别，以及控制参数变化对本实施例的虚拟同步PMSG并网系统稳定运行的影响，分析了对系统稳定性起关键作用的VSG控制参数虚拟惯性系数Hv，虚拟阻尼系数Dv对系统作用机理，仿真设置在1s时突减负荷，在6s时突增负荷，系统此时共带负荷45kW。
如图10、图12所示为分别取相同虚拟惯性系数Hv、相同虚拟阻尼系数Dv时PMSG 并网系统和VSG并网系统交流侧暂态频率影响对比图。可以看出，相同扰动条件下两系统均具备一定的抗扰动能力，但是，与VSG并网系统相比，因为PMSG并网系统源端机械特性的作用，风电VSG系统的阻尼特性发生改变，其动态响应能力出现下降，且恢复稳定运行的速度变慢，验证了风电对VSG系统稳定性分析的正确性。
如图11、图13所示为分别虚拟同步PMSG并网系统取不同虚拟惯性系数Hv、虚拟阻尼系数Dv对系统稳定性的对比图。可以看出，随着VSG控制参数增大，系统的收敛速度得到提高，扰动后频率的超调量得到一定程度降低，因此，VSG控制参数系统虚拟惯性系数、虚拟阻尼系数可以改善虚拟同步PMSG并网系统的稳定运行能力及抗干扰强度。
三、风速对虚拟同步PMSG并网系统稳定性分析
PMSG运行风速影响虚拟同步PMSG并网系统稳定特性，当系统控制参数设置为表1及表2所示，此时临界风速为vr′＝8m/s，设定初始风速分别为8m/s、10m/s 及11m/s工况下，验证风速对系统惯性响应。此时临界风速对应的阻尼参数最小值 Dvmin＝2.5，相同扰动条件下，验证虚拟阻尼系数Dv变化对本实施例的虚拟同步PMSG 并网系统阻尼特性影响，初始风速设定为10m/s。
如图14所示为不同初始风速对虚拟同步PMSG并网系统的频率变化情况，系统负荷突增时，与风速为8m/s相比较，当风速增加至11m/s时，系统频率最低值由 49.653Hz减小至49.879Hz，频率的跌落幅度减小了66％，频率跌落时间增加减缓了频率变化率，系统负荷突减时，频率上升时间增加了2.15s，因此，初始运行风速增大会减缓系统频率变换率及跌落幅度，增强了系统惯性响应能力。
如图15所示为虚拟阻尼系数Dv不同取值条件下对系统电磁功率变化曲线，随着 Dv增加，系统从Dv＜Dvmin的不稳定向Dv＞Dvmin的小干扰稳定转变，此外，在系统达到稳定运行状态下，随着Dv增加，VSG系统的功角、角频率及风电机组输出功率变化曲线的第一摆幅度得到显著降低，同时系统恢复稳定运行的时间缩短，说明系统在满足最小阻尼系数运行区间下具有较大Dv值的虚拟同步PMSG并网系统具有更好的阻尼特性和动态稳定能力。

Claims (10)

1.一种基于源端动态特性的构网型风电并网系统，其特征在于，包括风机、PMSG、基于MPPT模式对风电电磁功率进行调节的机侧换流器和采用VSG控制系统的网侧换流器；
所述风机的输出端与PMSG的输入端连接，PMSG的输出端与机侧换流器的输入端连接，机侧换流器的输出端与网侧换流器的输入端连接，网侧换流器的输出端与电网的输入端连接；
所述机侧换流器用于控制直流电压稳定；网侧换流器通过虚拟调速、虚拟励磁环节模拟PMSG外特性具备主动频率及电压支撑能力。
2.根据权利要求1所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将风机、PMSG、机侧换流器和网侧换流器接入电网，通过将机侧换流器按照MPPT模式对风机电磁功率进行调节，建立基于PMSG源端机械特性的虚拟同步PMSG并网系统；
S2、通过虚拟同步PMSG并网系统，得到MPPT模式下的PMSG转子运动方程和虚拟同步PMSG并网有功功率，并建立虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型；
S3、通过虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型，得到虚拟同步PMSG动态方程，并得到基于PMSG源端机械特性的惯量和阻尼转矩系数；
S4、分析PMSG的参数变化对系统暂态稳定影响，建立基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型，根据初始风速对应的系统特征值计算PMSG运行于临界风速时风机参与调频时刻的初始转速，得到阻尼转矩系数关于虚拟阻尼系数的函数，并得到虚拟同步PMSG并网系统阻尼参数最小值。
3.根据权利要求2所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S2中，MPPT模式下的PMSG转子运动方程由公式(12)、(13)求得：
Figure FDA0003962268570000021
Figure FDA0003962268570000022
式中，δ为风电功角，ω为风电角速度，ωn为系统额定角速度，ωr为PMSG转子转速，Hp为PMSG惯性常数，Pw为PMSG吸收风机的机械能，Pe为风机输出电磁功率，Dp为转子阻尼常数。
4.根据权利要求3所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S2中，MPPT模式下的虚拟同步PMSG并网有功功率由公式(15)求得：
Figure FDA0003962268570000023
式中，km为风机MPPT参数，m为调频参数，Dv为虚拟阻尼系数，ωf为VSG电压角频率，ωg为风机额定角速度，Hv为虚拟惯性系数。
5.根据权利要求4所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S2中，虚拟同步PMSG并网系统状态空间模型为：
Figure FDA0003962268570000024
式中，Δ代表小扰动，Δδf为VSG虚拟功角偏差量，Δωf为VSG电压角频率偏差量，Δωr为PMSG转子转速偏差量，Kv为VSG同步转矩参数，ωr0为风机参与调频时刻的初始转速。
6.根据权利要求5所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S3中，虚拟同步PMSG动态方程由公式(19)求得：
Figure FDA0003962268570000031
式中，s为拉普拉斯算子，s＝jωv，j为复频域的虚部。
7.根据权利要求6所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S3中，基于PMSG源端机械特性的惯量和阻尼转矩系数由公式(20)求得：
Figure FDA0003962268570000032
式中，Hv'为基于PMSG源端机械特性的惯量，Dv'为阻尼转矩系数。
8.根据权利要求7所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S4中，基于风速的虚拟同步PMSG并网系统的小信号模型为：
Figure FDA0003962268570000033
Figure FDA0003962268570000034
式中，R为风机叶片半径；kpw和kiw分别为风机PI控制参数，λopt为风机角速度调整的最佳的叶尖速比，vr0为调频对应的初始风速，Z∑为系统阻抗，Vfabc为风机网侧逆变器输出电压；Vgabc为电网的电压相量；δf为VSG输出虚拟功角。
9.根据权利要求8所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S4中，临界风速由公式(28)求得：
Figure FDA0003962268570000035
风机参与调频时刻的初始转速由公式(29)求得：
Figure FDA0003962268570000041
10.根据权利要求9所述的基于源端动态特性的构网型风电并网系统的稳定分析方法，其特征在于，步骤S4中，阻尼转矩系数关于虚拟阻尼系数的函数为：
Figure FDA0003962268570000042
式中，n为中间变量，m和n由公式(31)求得：
Figure FDA0003962268570000043
虚拟同步PMSG并网系统阻尼参数最小值由公式(33)求得：
Dvmin＝5Hvkm (2/3)/Hp (33)。
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