CN115954899A - 一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，该优化方法在传统虚拟同步机并网有功等效控制框图的基础上，通过增加一个频率前馈补偿环节的方式，提高虚拟同步机暂态阻尼以及抑制并网有功动态振荡的能力，其能够解决传统虚拟同步机并网运行为电网提供一定的虚拟惯量支撑的过程存在的并网有功动态特性与一次调频特性无法兼顾的问题，并具有不影响一次调频特性、控制参数设计简单、不增加控制系统阶数与避免输出频率出现过冲的优点，可适用于电力电子技术中的虚拟同步机并网控制领域。

Description

一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法

技术领域

本发明涉及虚拟同步机控制技术领域，特别涉及一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，适用于电力电子技术中的虚拟同步机并网控制领域。

背景技术

传统虚拟同步机的虚拟惯量控制环节使得自身的有功-频率闭环控制系统变成一个典型二阶振荡系统，故其并网有功在有功参考指令扰动下不可避免地出现动态振荡与功率超调。此外，增加一次调频系数的数值可增强传统虚拟同步机并网有功动态振荡的抑制效果，但同时会影响系统有功-频率的一次调频特性，故通过直接调节虚拟惯量系数、一次参数系数的方式，将难以保证传统虚拟同步机并网有功兼具良好的动态特性与稳态性能。

为此，人们做了各种研究，如题为“An improved virtual inertia algorithm ofvirtual synchronous generator”，XU H Z,YU C Z,LIU C,et al，《Journal of ModernPower Systems and Clean Energy》，2019，8(2)，377–386(“一种改进的虚拟同步发电机虚拟惯性算法”，《现代电力系统与清洁能源期刊》2019年第8卷第2期第377～386页)的文章；该文提出了在传统虚拟同步机并网有功等效控制结构中通过引入并网有功、角频率的一阶微分前馈补偿环节来增加虚拟同步机并网系统的等效阻尼，可有效抑制虚拟同步机并网有功的动态振荡，但微分运算也会引入影响虚拟同步机并网系统稳定运行的高频谐波。

题为“优化储能VSG动态特性的d轴电流微分前馈控制”，《电网技术》2022年第46卷第07期第2510～2523页的文章；该文提出了将虚拟同步机有功电流一阶微分加一阶低通滤前馈环节加入至虚拟同步机有功-频率控制环中的暂态阻尼控制方案，既能对虚拟同步机并网有功的动态振荡实现有效抑制，又能有效消除微分运算所引入的高频谐波对系统产生的不利影响，但一阶低通滤波器将虚拟同步机并网有功闭环系统的阶数提高至三阶，进而存在系统参数设计难度增加与输出频率过冲的缺点。

题为“引入暂态电磁功率补偿的VSG控制策略”，《电网技术》2022年第46卷第04期第1421～1429页的文章；该文提出了一种基于电磁功率前馈补偿的虚拟同步机(PowerFeedforward Compensation--Virtual Synchronous Generator，PFC-VSG)并网有功动态振荡抑制策略，该PFC-VSG控制策略利用电磁功率一阶滞后环节作差运算的方式提升了虚拟同步机并网系统的暂态阻尼，避免了微分运算环节，但虚拟同步机并网有功闭环系统的阶数仍为三阶，且在有功参考指令阶跃下虚拟同步机的输出频率存在过冲的风险。

题为“Areference-feedforward-based damping method for virtualsynchronous generator control”，YUY,CHAUDHARY S K,TINAJERO GDA,et al.，《IEEETransactions on Power Electronics》，2022，37(7)，7566–7571(“基于有功参考指令前馈的虚拟同步机阻尼控制策略”，《IEEE电力电子期刊》2022年第37卷第7期第7566～7571页)的文章；该文提出了一种基于有功参考指令微分前馈的暂态阻尼控制策略，将虚拟同步机并网有功闭环系统设计成典型的二阶系统，具有系统控制参数设计直观的特点，但并未考虑虚拟同步机输出频率在有功参考指令扰动下的响应性能。

由上可知，现有技术虽然解决了传统虚拟同步机并网有功在有功参考指令扰动条件下所存在的功率超调与动态振荡的问题，但仍存在微分运算所带来的谐波放大、系统阶数增加所带来控制参数设计难度大与输出频率出现过冲风险等问题。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，以解决传统虚拟同步机存在并网有功动态特性与一次调频特性难以兼顾的问题，该优化方法既能有效消除虚拟同步机并网有功动态振荡，又能不影响一次调频特性、不存在输出频率过冲风险、不需要进行微分运算与不增加控制系统阶数，响应快，控制效果好。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1，一次调频控制部分，将虚拟同步机的输出角频率ω_s减去电网额定角频率ω₀，得到两者的频率差△ω作为一次调频控制的输入量，将频率差△ω经过由一次调频系数D_p与电网额定角频率ω₀乘积构成的比例环节后得到一次调频控制的有功调节量P_d；

步骤2，虚拟惯量控制部分，将虚拟同步机的有功参考指令P_ref减去虚拟同步机的并网有功P_e与步骤1中得到的一次调频控制的有功调节量P_d后，经过包含虚拟惯量系数J与电网额定角频率ω₀的虚拟惯量控制环节后得到虚拟同步机的输出角频率ω_s；

步骤3，前馈补偿量计算，将电网额定角频率ω₀经过包含有功参考指令P_ref、虚拟惯量系数J、一次调频系数D_p与电网额定角频率ω₀的频率前馈补偿环节G_F(s)后得到前馈补偿控制的补偿量ω_c；

步骤4，将步骤2中得到的虚拟同步机的输出角频率ω_s加上步骤3中得到的前馈补偿控制的补偿量ω_c后得到两者的角频率之和ω_m，将角频率之和ω_m减去电网角频率ω_g后经过积分运算得到虚拟同步机的功率因数角δ；

步骤5，将步骤4中得到的虚拟同步机的功率因数角δ乘以同步电压系数K得到虚拟同步机的并网有功P_e；

步骤6，将步骤4中得到的角频率之和ω_m经过积分运算得到虚拟同步机的输出相位θ，将输出相位θ作为dq坐标变换所用相位，对无功控制环得到dq坐标系下的电压参考指令E^* _dq进行dq坐标变换得到abc坐标系下的三相电压调制信号E^* _abc，再由三相电压调制信号E^* _abc经过SVPWM调制环节生成变换器逆变桥开关管的驱动信号。

优选地，步骤1中的频率差△ω所用计算公式为：

Δω＝ω_s-ω₀，

一次调频控制的有功调节量P_d所用计算公式为：

P_d＝D_pω₀Δω＝D_pω₀(ω_s-ω₀)。

优选地，步骤2中的虚拟同步机的输出角频率ω_s所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤3中的前馈补偿控制的补偿量ω_c所用计算公式为：

ω_c＝G_F(s)ω₀，

而频率前馈补偿环节G_F(s)所用计算公式为：

其中，m₁、m₂、n₁、n₂的表达式分别为：

式中，U_g为电网电压幅值，E为虚拟同步机输出电压幅值，X为线路等效感抗，

为虚拟同步机的自然振荡角频率，K＝1.5U_gE/X为同步电压系数，

为虚拟同步机的阻尼比，s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤4中的角频率之和ω_m所用计算公式为：

ω_m＝ω_s+ω_c，

虚拟同步机的功率因数角δ所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤5中的虚拟同步机的并网有功P_e所用计算公式为：

式中，U_g为电网电压幅值，E为虚拟同步机输出电压幅值，X为线路等效感抗。

优选地，步骤6中的虚拟同步机的输出相位θ所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，该优化方法在传统虚拟同步机并网有功等效控制框图的基础上，通过增加一个频率前馈补偿环节的方式，提高虚拟同步机并网系统的暂态阻尼以及抑制并网有功动态振荡的能力，从而具有不影响一次调频特性、控制参数设计简单、不增加控制系统阶数与避免输出频率出现过冲的优点，可适用于电力电子技术中的虚拟同步机并网控制领域。

附图说明

图1是本发明实施例的虚拟同步机并网有功闭环等效控制结构图。

图2是前馈补偿控制的补偿量计算示意图。

图3是本发明实施例的坐标变换与调制示意图。

图4是虚拟同步机采用本发明前、后的仿真波形对比图。

图5是虚拟同步机采用本发明前、后的实验波形对比图。

具体实施方式

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明，具体如下：

参见图1，本发明所提出的一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1，一次调频控制部分，将虚拟同步机的输出角频率ω_s减去电网额定角频率ω₀，得到两者的频率差△ω作为一次调频控制的输入量，将频率差△ω经过由一次调频系数D_p与电网额定角频率ω₀乘积构成的比例环节后得到一次调频控制的有功调节量P_d。

其中，频率差△ω所用计算公式为：

Δω＝ω_s-ω₀，

一次调频控制的有功调节量P_d所用计算公式为：

P_d＝D_pω₀Δω＝D_pω₀(ω_s-ω₀)。

步骤2，虚拟惯量控制部分，将虚拟同步机的有功参考指令P_ref减去虚拟同步机的并网有功P_e与步骤1中得到的一次调频控制的有功调节量P_d后，经过包含虚拟惯量系数J与电网额定角频率ω₀的虚拟惯量控制环节后得到虚拟同步机的输出角频率ω_s。

其中，虚拟同步机的输出角频率ω_s所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

步骤3，前馈补偿量计算，如图2所示，将电网额定角频率ω₀经过包含有功参考指令P_ref、虚拟惯量系数J、一次调频系数D_p与电网额定角频率ω₀的频率前馈补偿环节G_F(s)后得到前馈补偿控制的补偿量ω_c。

其中，前馈补偿控制的补偿量ω_c所用计算公式为：

ω_c＝G_F(s)ω₀，

而频率前馈补偿环节G_F(s)所用计算公式为：

其中，m₁、m₂、n₁、n₂的表达式分别为：

式中，U_g为电网电压幅值，E为虚拟同步机输出电压幅值，X为线路等效感抗，

为虚拟同步机的自然振荡角频率，K＝1.5U_gE/X为同步电压系数，

为虚拟同步机的阻尼比，s为拉普拉斯算子。

步骤4，将步骤2中得到的虚拟同步机的输出角频率ω_s加上步骤3中得到的前馈补偿控制的补偿量ω_c后得到两者的角频率之和ω_m，将角频率之和ω_m减去电网角频率ω_g后经过积分运算得到虚拟同步机的功率因数角δ。

其中，角频率之和ω_m所用计算公式为：

ω_m＝ω_s+ω_c，

虚拟同步机的功率因数角δ所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

步骤5，将步骤4中得到的虚拟同步机的功率因数角δ乘以同步电压系数K得到虚拟同步机的并网有功P_e。

其中，虚拟同步机的并网有功P_e所用计算公式为：

式中，U_g为电网电压幅值，E为虚拟同步机输出电压幅值，X为线路等效感抗。

步骤6，如图3所示，将步骤4中得到的角频率之和ω_m经过积分运算得到虚拟同步机的输出相位θ，将输出相位θ作为dq坐标变换所用相位，对无功控制环得到dq坐标系下的电压参考指令E^* _dq进行dq坐标变换得到abc坐标系下的三相电压调制信号E^* _abc，再由三相电压调制信号E^* _abc经过SVPWM调制环节生成变换器逆变桥开关管的驱动信号。

其中，虚拟同步机的输出相位θ所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

实施例

为了验证本发明所提基于频率前馈补偿的虚拟同步机(下文简称FFC-VSG)并网有功优化方法的控制效果，本实施方式将本发明所提的FFC-VSG并网有功优化方法与已有基于电磁功率前馈补偿的虚拟同步机(下文简称PFC-VSG)并网有功动态振荡抑制方法(该抑制方法在背景技术中提到的题为“引入暂态电磁功率补偿的VSG控制策略”，《电网技术》2022年第46卷第04期第1421～1429页的文章里给出)进行仿真和实验对比，主要对比在应对有功参考指令P_ref发生阶跃扰动工况下并网有功P_e及其输出频率的动态响应性能。

在本实施例中，有关参数设置如下：

虚拟同步机的额定容量为100kVA，有功参考指令P_ref为20kW，电网额定角频率ω₀为314.16rad/s，虚拟惯量系数J为2.5kg·m²，一次调频系数D_p为50.66J/rad，电网电压幅值U_g为311V，虚拟同步机输出电压幅值E为311V，线路等效感抗X为0.1Ω，则同步电压系数K＝1.5U_gE/X为1450815。

值得指出的是，一方面设置虚拟同步机并网有功闭环等效控制系统为临界阻尼或过阻尼系统，以保证虚拟同步机的并网有功在有功参考指令P_ref阶跃扰动下既没有动态振荡又没有功率超调；另一方面设置虚拟同步机并网有功等效闭环控制系统具有相对较大的控制带宽，以保证虚拟同步机的并网有功在有功参考指令P_ref阶跃扰动下还能具有较好的动态响应性能；故在本实施方式中，将虚拟同步机的阻尼比ξ及其自然振荡角频率ω_n分别设置为1与35.1rad/s，随即完成本发明所提基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法的控制参数整定。

基于上述参数设定进行了仿真与实验对比测试，具体如下：

设置的仿真与实验测试工况为：初始时刻虚拟同步机稳定输出20kW的并网有功，4s时有功参考指令P_ref从20kW阶跃至60kW。

依据上述工况分别得到如图4与图5所示的仿真与实验测试对比图，图4、图5中的FFC-VSG表示本发明所提基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，PFC-VSG表示已有基于有功暂态前馈补偿的虚拟同步机并网有功动态振荡抑制方法，即，PFC-VSG所指向的曲线为采用本发明前的测试波形图，具体是采用已有基于有功暂态前馈补偿的虚拟同步机并网有功动态振荡抑制方法的动态响应测试波形图，FFC-VSG所指向的曲线为采用本发明后的测试波形图，具体是采用本发明所提基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法的动态响应测试波形图。

根据图4可以看出，已有PFC-VSG与本发明所提FFC-VSG的并网有功在有功参考指令P_ref从20kW阶跃至60kW的过程中均不存在动态振荡与功率超调，但已有PFC-VSG对应的虚拟同步机输出频率过冲幅值为0.27Hz，远高于本发明所提FFC-VSG对应的0.04Hz。

而从图5中可以得出，已有PFC-VSG与本发明所提FFC-VSG均能有效抑制虚拟同步机在有功参考指令P_ref阶跃扰动下的动态振荡，但已有PFC-VSG所对应的虚拟同步机输出频率过冲幅值为0.32Hz，远高于本发明所提FFC-VSG对应的0.05Hz。

将图5和图4的结果进行对比后不难看出，本实施方式图5中的实验测试对比结果与图4中的仿真测试对比结果是一一对应，两者均充分表明了本发明所提FFC-VSG可有效规避已有PFC-VSG所存在的输出频率过冲的风险，故本发明所提FFC-VSG在有功参考指令P_ref阶跃扰动下具有更优的频率动态响应性能。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1，一次调频控制部分，将虚拟同步机的输出角频率ω_s减去电网额定角频率ω₀，得到两者的频率差△ω作为一次调频控制的输入量，将频率差△ω经过由一次调频系数D_p与电网额定角频率ω₀乘积构成的比例环节后得到一次调频控制的有功调节量P_d；

步骤2，虚拟惯量控制部分，将虚拟同步机的有功参考指令P_ref减去虚拟同步机的并网有功P_e与步骤1中得到的一次调频控制的有功调节量P_d后，经过包含虚拟惯量系数J与电网额定角频率ω₀的虚拟惯量控制环节后得到虚拟同步机的输出角频率ω_s；

步骤3，前馈补偿量计算，将电网额定角频率ω₀经过包含有功参考指令P_ref、虚拟惯量系数J、一次调频系数D_p与电网额定角频率ω₀的频率前馈补偿环节G_F(s)后得到前馈补偿控制的补偿量ω_c；

步骤4，将步骤2中得到的虚拟同步机的输出角频率ω_s加上步骤3中得到的前馈补偿控制的补偿量ω_c后得到两者的角频率之和ω_m，将角频率之和ω_m减去电网角频率ω_g后经过积分运算得到虚拟同步机的功率因数角δ；

步骤5，将步骤4中得到的虚拟同步机的功率因数角δ乘以同步电压系数K得到虚拟同步机的并网有功P_e；

步骤6，将步骤4中得到的角频率之和ω_m经过积分运算得到虚拟同步机的输出相位θ，将输出相位θ作为dq坐标变换所用相位，对无功控制环得到dq坐标系下的电压参考指令E^* _dq进行dq坐标变换得到abc坐标系下的三相电压调制信号E^* _abc，再由三相电压调制信号E^* _abc经过SVPWM调制环节生成变换器逆变桥开关管的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，步骤1中的频率差△ω所用计算公式为：

Δω＝ω_s-ω₀，

一次调频控制的有功调节量P_d所用计算公式为：

P_d＝D_pω₀Δω＝D_pω₀(ω_s-ω₀)。

3.根据权利要求1所述的基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，步骤2中的虚拟同步机的输出角频率ω_s所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

4.根据根据权利要求1所述的基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，步骤3中的前馈补偿控制的补偿量ω_c所用计算公式为：

ω_c＝G_F(s)ω₀，

而频率前馈补偿环节G_F(s)所用计算公式为：

其中，m₁、m₂、n₁、n₂的表达式分别为：

式中，U_g为电网电压幅值，E为虚拟同步机输出电压幅值，X为线路等效感抗，

为虚拟同步机的自然振荡角频率，K＝1.5U_gE/X为同步电压系数，

为虚拟同步机的阻尼比，s为拉普拉斯算子。

5.根据权利要求1所述的基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，步骤4中的角频率之和ω_m所用计算公式为：

ω_m＝ω_s+ω_c，

虚拟同步机的功率因数角δ所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求1所述的基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，步骤5中的虚拟同步机的并网有功P_e所用计算公式为：

式中，U_g为电网电压幅值，E为虚拟同步机输出电压幅值，X为线路等效感抗。

7.根据权利要求1所述的基于频率前馈补偿的虚拟同步机并网有功优化方法，其特征在于，步骤6中的虚拟同步机的输出相位θ所用计算公式为：

式中，s为拉普拉斯算子。

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