CN116169689A - 一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，包括如下步骤：S1、通过采集VSG的输出电压和电流确定第一有功功率和无功功率；S2、确定第二有功功率及PSS补偿功率；S3、根据S2的结果确定VSG输出的频率；S4、通过虚拟同步机无功‑励磁控制方程来输出变流内部参考电压，结合虚拟同步机相位输出变流器内部电压的三相电压；S5、利用三相电压和虚拟同步机相位利用派克变化输出对变流器内部参考值电压进行修改；避免了虚拟同步机模拟转子摇摆方程中阻尼项带来的下垂效应的问题，消除了由于引入阻尼系数对下垂控制造成的有功功率偏差，加强了下垂控制的有效性的同时提高了系统的阻尼能力，增强了系统抑制有功功率动态振荡的能力。

Description

一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法
技术领域
本发明涉及变流器控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法。
背景技术
在能源转型和科技进步的双重推动下，电力系统正形成“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”发展趋势。而近年来，新能源发电接入弱电网的规模日益扩大，给电力系统的稳定性带来了挑战。而电力电子变换器作为分布式电源与电网间连接的桥梁，其控制策略的优化是关乎电力系统稳定安全运行的重点。电网的电力电子化，分布式电源的接入会导致系统缺失惯量，威胁着电网的安全运行。
虚拟同步机因可以模拟传统同步发电机为电力系统提供惯量和阻尼能力，从而提升系统频率、电压稳定性，成为微电网逆变器控制领域研究的焦点。然而，对于传统的VSG控制策略，阻尼的引入会对微电网的下垂控制造成影响，产生偏差。并且较大的阻尼系数会带来差的下垂效果，例如电网频率下降时，VSG重新恢复到稳态时，其有功功率会与原先的稳定状态具有一定的差值，并且随着阻尼系数的增大，差值会以进一步增大。
例如，一种在中国专利文献上公开的“基于UNI同步发电机的最优虚拟惯性控制方法”，其公告号：CN105006834A，公开了包括将虚拟同步发电机中的下垂系数m、虚拟惯性J和虚拟阻尼D三个控制自由度有机结合起来，但是没有对下垂控制进行优化。
发明内容
为了解决现有技术中下垂控制有偏差的问题，本发明提供一种基于同步发电机的阻尼优化的控制方法，解决了虚拟同步发电控制策略引入阻尼项对下垂控制效应的影响，消除由于频率波动带来的有功功率偏差的；动态的阻尼项进一步增强了系统的阻尼能力，提升了系统的稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过采集VSG的输出电压和电流确定第一有功功率P和无功功率Q；
S2、确定第二有功功率Pm并基于S1的结果确定PSS补偿功率PPSS；
S3、根据S2的结果确定VSG输出的频率f；
S4、通过虚拟同步机无功-励磁控制方程来输出变流内部参考电压，结合虚拟同步机相位θ输出变流器内部电压的三相电压；
S5、利用三相电压和虚拟同步机相位θ利用派克变化输出对变流器内部参考值电压进行修改。通过有功功率控制、无功功率控制及PSS阻尼功率控制，解决可虚拟同步发电控制策略引入阻尼项对下垂控制效应的影响，消除由于频率波动带来的有功功率偏差的。通过将有功功率偏差经PSS补偿器前馈到VSG的有功控制回路形成附加阻尼控制，补偿阻尼功率。
作为优选的，S1中包括S11、利用派克变化的角频率计算出虚拟同步机相位θ；
S12、利用虚拟同步机的相位θ，和采样电压电流信号一起派克变换输出变流器内部电压电流的dq坐标分量，并据此得到VSG实际输出的第一有功功率P和无功功率Q。避免了虚拟同步机模拟转子摇摆方程中阻尼项带来的下垂效应的问题。
作为优选的，S2中包括S21、以虚拟同步机模拟转子摇摆方程来输出派克变换的角频率ω；
S22、利用角频率ω，与给定的系统额定角频率和给定的有功功率通过下垂控制方程得到第二有功功率Pm；
S23、利用第二有功功率Pm和第一有功功率P的差值通过PI控制器的信号作为电力系统稳定器的输入得到PSS补偿功率PPSS。消除了由于引入阻尼系数对下垂控制造成的有功功率偏差，加强了下垂控制的有效性。
作为优选的，派克变换的角频率通过模拟以下转子摇摆方程生成，
Figure SMS_1
其中,Pm为第二有功功率，P为第一有功功率，J为虚拟惯量；D为阻尼系数；ωn为额定角频率，ω为角频率；δ为VSG功角。能够得到同步虚拟机的电气角频率。
作为优选的，由给定的系统额定角频率和给定的有功功率得到第二有功功率Pm通过以下下垂控制方程得出，
Figure SMS_2
其中，Kω为有功-频率下垂系数。能够得到下垂控制的电磁功率。
作为优选的，根据换流器内部电压电流得到第一有功功率P和无功功率Q通过以下方程计算得出，
Figure SMS_3
其中利用E对VSG内部电动势进行表示；UN为电网额定电压；X为同步电抗。能够得到实际有功功率。
作为优选的，PSS控制的功率PPSS是由功率差值通过高通滤波器和由相角补偿以及补偿增益K组成的增益模块得到的。进而通过PI控制器使得P跟随准确值Pm，作为PSS控制器的输入，产生PSS补偿功率来补偿由于阻尼系数造成的阻尼功率PVSG。能够减少因为引进阻尼系数阻尼反馈通道产生的有功功率偏差。
本发明具有如下优点：
避免了虚拟同步机模拟转子摇摆方程中阻尼项带来的下垂效应的问题，消除了由于引入阻尼系数对下垂控制造成的有功功率偏差，加强了下垂控制的有效性的同时，提高了系统的阻尼能力，改善了动态性能，优化系统的动态特性，增强了系统抑制有功功率动态振荡的能力，提升了系统的稳定性。
附图说明
下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明第二个实施例中虚拟同步发电机控制原理图。
图2为本发明第二个实施例中VSG控制的主电路结构。
图3为本发明第二个实施例中PSS控制的VSG原理图。
图4为本发明第二个实施例中阻尼转矩结构图。
图5为本发明第二个实施例中电磁转矩增量的矢量图。
图6为本发明中第二个实施例中不同频率变化时VSG输出的有功功率。
图7为本发明中第二个实施例中VSG输出的无功功率。
图8为本发明中第二个实施例中短路故障切除前后VSG输出的有功功率。
图9为本发明中第一个实施例的方法步骤图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图9所示，在第一个实施例中，本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，包括：S1、通过采集VSG的输出电压和电流确定第一有功功率P和无功功率Q；S11、利用派克变化的角频率计算出虚拟同步机相位θ；
派克变换的角频率通过模拟以下转子摇摆方程生成，
Figure SMS_4
其中,Pm为第二有功功率，P为第一有功功率，J为虚拟惯量；D为阻尼系数；ωn为额定角频率，ω为角频率；δ为VSG功角。
S12、利用虚拟同步机的相位θ，和采样电压电流信号一起派克变换输出变流器内部电压电流的dq坐标分量，并据此得到VSG实际输出的第一有功功率P和无功功率Q；根据换流器内部电压电流得到第一有功功率P和无功功率Q通过以下方程计算得出，
Figure SMS_5
/>
其中利用E对VSG内部电动势进行表示；UN为电网额定电压；X为同步电抗。
S2、确定第二有功功率Pm并基于S1的结果确定PSS补偿功率PPSS；S21、以虚拟同步机模拟转子摇摆方程来输出派克变换的角频率ω；
S22、利用角频率ω，与给定的系统额定角频率和给定的有功功率通过下垂控制方程得到第二有功功率Pm；由给定的系统额定角频率和给定的有功功率得到第二有功功率Pm通过以下下垂控制方程得出，
Figure SMS_6
其中，Kω为有功-频率下垂系数。第二有功功率Pm是由下垂控制方程得到的给定值。
S23、利用第二有功功率Pm和第一有功功率P的差值通过PI控制器的信号作为电力系统稳定器的输入得到PSS补偿功率PPSS。PSS控制的功率PPSS是由功率差值通过高通滤波器和由相角补偿以及补偿增益K组成的增益模块得到的。通过PI控制器使得P跟随准确值Pm，作为PSS控制器的输入，产生PSS补偿功率来补偿由于阻尼系数造成的阻尼功率PVSG。
S3、根据S2的结果确定VSG输出的频率f。
S4、通过虚拟同步机无功-励磁控制方程来输出变流内部参考电压，结合虚拟同步机相位θ输出变流器内部电压的三相电压。
S5、利用三相电压和虚拟同步机相位θ利用派克变化输出对变流器内部参考值电压进行修改。
在使用时，通过将有功功率偏差经PSS补偿器前馈到VSG的有功控制回路形成附加阻尼控制，补偿阻尼功率。
在第二个实施例中，本发明的原理如下：
三相并网虚拟同步机控制结构主要包括有功功率-频率，无功功率控制，PSS阻尼功率控制三大部分。通过采集VSG输出电压和电流，并经过功率计算环节计算出输出有功P和输出无功Q的大小，接着通过有功-频率控制环节和无功-电压控制环节分别得到角频率ω以及内部电动势E，再将两者结合得到VSG内部电动势矢量E，矢量E在电磁方程控制环节中与同步阻抗上压降做差后得到电压参考值uref，又在双闭环系统控制下保证稳态时输出电压u与其参考值uref相等，满足VSG控制要求。典型的控制结构如图1所示。
图2给出了三相虚拟同步机的并网示意图，可以看出，三相虚拟同步发电机经过滤波器再经过线路连接到电网。其中，Udc表示直流母线电压，i表示逆变器三相输出电流，u表示PCC点处的电压，Lf表示滤波电感，Rf表示滤波电阻，Cf表示滤波电容，Rl和Xl表示线路阻感。由uIabc对逆变器桥臂中点电压进行表示，iL对滤波电感中的电流进行表示。
图3给出了PSS控制的VSG的控制结构图。由图4可得，功率由3部分构成，分别为阻尼回路产生的阻尼功率PVSG、PSS控制的功率PPSS和下垂控制的第二有功功率Pm。其中PVSG是由于引进阻尼系数阻尼反馈通道产生的反馈信号，是有功功率出现偏差的主要原因。PSS控制的功率PPSS是由功率差值通过高通滤波器和由相角补偿以及补偿增益K组成的增益模块得到的。通过PI控制器使得P跟随准确值Pm，作为PSS控制器的输入，产生PSS补偿功率来补偿由于阻尼系数造成的阻尼功率PVSG。其中，第二有功功率Pm是由下垂控制方程得到的给定值。
图4给出了PSS优化控制的阻尼转矩结构图，由下垂控制产生的机械转矩Tm，电压调节环节产生的电磁转矩Te和PSS产生的附加转矩TPSS组成。
图5给出了电磁转矩矢量图，Te为电压调节器产生的附加转矩,传统VSG控制下的产生的阻尼转矩为Mp，合成转矩为M。PSS会产生额外的阻尼转矩TPSS，分解到Δω轴正阻尼转矩为MPSS产生新的阻尼转矩Mp'，合成转矩为M'。可以看出系统的阻尼转矩增加，阻尼能力得到提升。
由上述分析可知，本发明所提出的控制方法能够有效地消除虚拟同步机由于引入阻尼对有功功率-频率下垂控制造成的偏差，利用动态阻尼来增强系统的阻尼能力，从而提升系统的稳定性。该提供阻尼效应的机理可以通过图6电磁转矩矢量图可以看出，即采用本发明提出的利用PSS优化阻尼控制方法时，能分解出正的阻尼转矩，提升系统的阻尼能力，达到稳定系统的目的。
本发明在使用时，以单虚拟同步机并入无穷大系统如图2为例。对直流电源通过虚拟同步机控制逆变器并网进行仿真，逆变器采用本发明所提出的控制方法。虚拟同步机相关参数如表1所示。
表1虚拟同步发电机实例参数
Figure SMS_7
图6给出了传统控制策略下和本发明所提的控制方法下不同频率波动稳定后VSG输出有功功率。可以看出，系统频率发生改变，此时，VSG输出的有功功率随之改变。根据下垂控制原理，Pm＝Pref-Kω×Δf×2π＝233985W。通过图6(a)可以看出传统的控制策略下为231000W，偏离了理论值，改进控制策略下为234000W，说明传统的控制策略下，产生了较大偏差，优化后，偏差被消除了。另外，根据图(b)和图(c)可以看出，频率分别增加0.1Hz和0.15Hz，输出功率理论分析值为应该为230900W和227800W这与改进后的VSG输出值保持一致。而传统控制策略下，偏差随着频率变化值的增大而增大，说明下垂控制的有效性逐渐降低。同时，可以看到随着频率偏差的增大，传统控制策略下振荡时间增加，而改进的控制策略下,振荡时间明显减少，说明系统的阻尼增大，系统稳定性提高。
图7给出了本发明中实例仿真中VSG输出的无功功率。在0.5s设定无功突变，可以看出，VSG输出的无功功率Q始终跟随给定值Qref，VSG动态过程过度平滑，此时并未加剧动态耦合程度，说明优化后不会影响无功-电压的调节环节，只对下垂控制有影响，不影响系统整体正常工作。
为验证系统的稳定性，图8给出了实施例系统合切大负荷前后VSG输出的有功功率动态特性。单台VSG带负载运行，VSG输出功率跟随给定值为237kW，0.5s时系统接入大负荷，系统频率下跌，系统失稳；0.9s时，负荷被切除，系统频率恢复至额定值。从图9可以看出，当大负荷被切除后，传统的控制策略下，系统不能维持正常运行。而改进的控制策略下，系统能很快的恢复正常运行。本发明所提的控制方法可以提升系统的阻尼，能很好的提高系统的静态稳定性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过采集VSG的输出电压和电流确定第一有功功率P和无功功率Q；
S2、确定第二有功功率Pm并基于S1的结果确定PSS补偿功率PPSS；
S3、根据S2的结果确定VSG输出的频率f；
S4、通过虚拟同步机无功-励磁控制方程来输出变流内部参考电压，结合虚拟同步机相位θ输出变流器内部电压的三相电压；
S5、利用三相电压和虚拟同步机相位θ利用派克变化输出对变流器内部参考值电压进行修改。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，所述的S1中包括S11、利用派克变化的角频率计算出虚拟同步机相位θ；
S12、利用虚拟同步机的相位θ，和采样电压电流信号一起派克变换输出变流器内部电压电流的dq坐标分量，并据此得到VSG实际输出的第一有功功率P和无功功率Q。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，所述的S2中包括S21、以虚拟同步机模拟转子摇摆方程来输出派克变换的角频率ω；
S22、利用角频率ω，与给定的系统额定角频率和给定的有功功率通过下垂控制方程得到第二有功功率Pm；
S23、利用第二有功功率Pm和第一有功功率P的差值通过PI控制器的信号作为电力系统稳定器的输入得到PSS补偿功率PPSS。
4.根据权利要求2所述的一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，所述的派克变换的角频率通过模拟以下转子摇摆方程生成，
Figure FDA0003914175710000011
其中,Pm为电磁功率，P为实际有功功率，J为虚拟惯量；D为阻尼系数；ωn为额定角频率，ω为电气角频率；δ为VSG功角。
5.根据权利要求3所述的一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，由给定的系统额定角频率和给定的有功功率得到第二有功功率Pm通过以下下垂控制方程得出，
Figure FDA0003914175710000021
其中，Kω为有功-频率下垂系数。
6.根据权利要求4所述的一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，根据换流器内部电压电流得到第一有功功率P和无功功率Q通过以下方程计算得出，
Figure FDA0003914175710000022
其中利用E对VSG内部电动势进行表示；UN为电网额定电压；X为同步电抗。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于虚拟同步发电机的阻尼优化的控制方法，其特征在于，PSS控制的功率PPSS是由功率差值通过高通滤波器和由相角补偿以及补偿增益K组成的增益模块得到的。
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