CN116581822A - 一种孤岛模式下具有选择特性的vsg频率控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明电力系统微电网频率控制领域，公开了一种孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路，主电路包括逆变器，LC滤波器和恒功率负载。在有功频率控制环节加入积分模块且VSG频率控制电路中还设置有VSG选择一次调频和二次调频的开关s，一次调频为传统VSG有功频率控制环节，二次调频为增加了积分模块的有功频率控制环节。定义一个频率偏差界限，当系统频率在频率偏差界限内，只采用一次调频保证系统的响应速度，当系统频率因负载扰动超过偏差界限时。本发明使得频率恢复到偏差界限内，实现微电网的二次调频，消除稳态误差，保证系统工作在安全区间。

Description

一种孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路

技术领域

本发明属于电力系统微电网频率控制领域，应用于孤岛运行的微电网中，具体涉及一种孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路。

背景技术

随着人类社会的发展，煤炭，石油这些一次能源日益枯竭，如果再肆无忌惮地消耗他们，将会导致碳排放的情况越来越严峻，为了减少对环境的污染以及实现碳中和的目标，人类逐步将能源使用转换到太阳能、风能等可再生能源上，由于光伏和风电的波动性较高，导致能源渗透率过高，而微电网系统的惯量和阻尼特性较低，不利于系统的稳定运行，因此虚拟同步机技术(VSG)应运而生，VSG模拟了同步机惯量和阻尼特性，提高了系统运行的稳定性。VSG的控制结构主要包括有功调频环节，无功调压环节和电压电流双闭环环节。

虚拟同步机本身具备一次调频的能力，当负载发生波动时，频率发生偏差，属于有差调频，传统大电网系统通过一次调频来调节负载扰动带来的系统频率偏移，而当负载变化过大时，则需要通过二次调频实现频率的无差控制，其频率特性如图2所示，其中ω为角频率，P为有功功率：刚开始系统在a点，当负载增大时，有功功率从P₀变成P₁，VSG开始一次调频，角频率由ω₀偏移到ω₁，系统运行到b点，仍能稳定运行，当系统负载增加过大时，有功功率从P₀增加到P₂，此时角频率偏移过大，不利于系统的稳定运行，就需要进行二次调频，使角频率恢复到ω₀，即系统稳定运行在c点。

而现有的二次调频技术在负载发生扰动时，频率恢复速度慢，且系统回到稳定状态需要时间较长，不能满足系统在低负载扰动下的动态性能。

发明内容

发明目的：针对背景技术中在发生负载突变时，当频率偏差较小时，仅采用一次调频以保证系统响应速度，当频率偏差超过界限时，系统无法稳定运行的问题，本发明公开了一种孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路。

技术方案：本发明公开了一种孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路，包括逆变器、LC滤波器、恒功率负载、abc-dq变换模块、有功功率控制环节、无功电压控制环节，逆变器、LC滤波器、恒功率负载依次连接，在所述有功频率控制环节加入积分模块且所述VSG频率控制电路中还设置有VSG选择一次调频和二次调频的开关s，所述一次调频为传统VSG有功频率控制环节，所述二次调频为增加了积分模块的有功频率控制环节，改进后的有功频率传递函数为：

其中，Δω是运行频率与额定频率的差值，ΔP是机械功率与电磁功率的差值，K是积分系数，J是转动惯量，D是阻尼系数，ω是孤岛运行频率，ω_N是额定频率；

由终值定理得：

设定最大许可频率偏移界限f_M＝0.2，检测系统频率f并计算出Δf，将其与f_M作比较，起始时刻开关s与触点1相接，同时J＝J_M,若Δf＜f_M，则开关s与触点1相接，VSG实现一次调频，若Δf≥f_M，则开关与触点2相接，同时J＝J_m，VSG实现二次调频。

进一步地，所述VSG频率控制电路的控制原理为：

主电路采样电流和电压经过abc-dq变换模块后计算得到有功功率P和无功功率Q，将P和Q分别送入有功调频控制环节和无功调压控制环节得到电角度θ和电压幅值E，两者合成送入电压电流双闭环控制环节得到PWM信号，再由PWM控制逆变器形成一个完整的闭环控制。

进一步地，所述VSG频率控制电路具体的控制过程如下：

1)在初始情况下，虚拟同步机执行一次调频；

2)当负载发生突变时，系统频率开始偏移，通过检测额定频率和系统频率的偏差Δf＝f_N-f，并判断其绝对值是否超过0.2，若没有超过0.2，系统就继续执行一次调频，若超过了0.2，系统立即启动二次调频，直至频率恢复到系统额定频率并保持稳定运行。

进一步地，所述传统VSG有功频率控制环节由下垂方程和转子运动方程组成：

其中P_m是VSG的机械功率，P_e是电磁功率，P₀是额定功率，J是转动惯量，D是阻尼系数，θ是电角度，ω是孤岛运行频率，ω_N是额定频率，m是有功下垂系数。

根据上式可得传统VSG的有功频率传递函数为：

进一步地，所述VSG频率控制电路的无功电压控制环节具体为：

E＝Q_ref+n(U_ref-U₀)

其中，E为电压信号有效值；Q_ref为无功功率参考值；n为无功电压下垂系数；U_ref为额定电压；U₀为输出电压有效值。

有益效果：

本发明对比传统VSG控制法案有以下优点：1)满足了负载扰动过大时，频率越限无法回调的目的，消除稳态误差保证了系统的稳定性；2)在频率偏差不大时进行一次调频，保证了系统的响应速度；3)不依赖通信，兼具稳定性和快速性。本申请即保证了在负载扰动较小时系统有很快的响应速度，又保证了在负载扰动较大时，频率发生越限，二次调频能够快速消除稳态误差，使系统工作在安全区间。

附图说明

图1为本发明主电路控制框图；

图2为调频特性图；

图3为改进有功调频控制框图；

图4为负载增加时有功、频率波形图，其中(a)为有功功率波形图，(b)为频率波形图；

图5为负载减小时有功、频率波形图，其中(a)为有功功率波形图，(b)为频率波形图。

具体实施方式

为了是本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路，如图1所示，主电路包括逆变器，LC滤波器和恒功率负载，根据主电路采样电流和电压经过abc-dq变换模块后计算得到有功功率P和无功功率Q，将P和Q分别送入有功功率控制环节和无功电压控制环节得到电角度θ和电压幅值E，两者合成送入电压电流双闭环控制环节得到PWM信号，再由PWM控制逆变器形成一个完整的闭环控制。

在有功频率控制环节加入积分模块且VSG频率控制电路中还设置有VSG选择一次调频和二次调频的开关s，一次调频为传统VSG有功频率控制环节，二次调频为增加了积分模块的有功频率控制环节。

图3为改进后的有功频率控制框图。其中s为VSG选择一次调频和二次调频的开关。其中传统VSG有功频率控制环节由下垂方程和转子运动方程组成：

其中，P_m是VSG的机械功率，P_e是电磁功率，P₀是额定功率，J是转动惯量，D是阻尼系数，θ是电角度，ω是孤岛运行频率，ω_N是额定频率，m是有功下垂系数。

根据上式可得传统VSG的有功频率传递函数为：

如图3所示有功频率控制环节加入积分环节，改进后的有功频率传递函数为：

其中K是积分系数。

由终值定理得：

由上式可知，在负载发生变化时，有功功率也随之变化，但在负载波动的终止时刻有能够实现频率的无差控制。

由国家规定对于大电力系统的频率偏差不得超过±0.2Hz，得到最大许可频率偏移界限f_M＝0.2，检测系统频率f并计算出Δf，将其与f_M作比较，起始时刻开关s与触点1相接，同时J＝J_M,若Δf＜f_M，则开关s与触点1相接，VSG实现一次调频，若Δf≥f_M，则开关与触点2相接，同时J＝J_m，VSG实现二次调频。

当负荷增加后，频率会对应的下降，此时开关接入2，使得频率逐步恢复，同时，为保证系统稳定运行，应减小转动惯量J，至频率恢复到50Hz时，转动惯量J再恢复到原来数值。转动惯量J满足下式：

为验证上述方案可行，本发明通过Matlab/Simulink仿真软件搭建了具体的VSG控制模型，系统参数设置如表1，

表1

图4为本实施例增加负载的仿真结果，在0到0.1s，负载稳定在10kW,此时频率稳定在50Hz，在0.1s时刻加入1kW负载,有功功率P能够稳定达到11kW,此时系统本身进行一次调频，系统频率偏移到49.95Hz左右，在0.2s时刻再加入3kW负载，有功功率P能够稳定到达14kW，由于系统自身的一次调频使得频率下降超过了最大频率偏差界限，系统开始执行二次调频，使得频率恢复到额定值。

图5为本实施例减小负载的仿真结果，同样的在负载增加较小时进行一次调频，频率稳定在50.05Hz左右，当负载减小过大时，系统进行二次调频，使频率恢复到50Hz。仿真结果表明，这种具有选择特性的VSG调频电路能够使频率偏移稳定在安全范围内，既能保证系统的响应速度，也能保证系统运行的安全性。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路，主电路包括逆变器、LC滤波器、恒功率负载、abc-dq变换模块、有功功率控制环节、无功电压控制环节，逆变器、LC滤波器、恒功率负载依次连接，其特征在于：在所述有功频率控制环节加入积分模块且所述VSG频率控制电路中还设置有VSG选择一次调频和二次调频的开关s，所述一次调频为传统VSG有功频率控制环节，所述二次调频为增加了积分模块的有功频率控制环节，改进后的有功频率传递函数为：

其中，Δω是运行频率与额定频率的差值，ΔP是机械功率与电磁功率的差值，K是积分系数，J是转动惯量，D是阻尼系数，ω是孤岛运行频率，ω_N是额定频率；

由终值定理得：

设定最大许可频率偏移界限f_M＝0.2，检测系统频率f并计算出Δf，将其与f_M作比较，起始时刻开关s与触点1相接，同时J＝J_M,若Δf＜f_M，则开关s与触点1相接，VSG实现一次调频，若Δf≥f_M，则开关与触点2相接，同时J＝J_m，VSG实现二次调频。

2.根据权利要求1所述的孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路，其特征在于，所述VSG频率控制电路的控制原理为：

主电路采样电流和电压经过abc-dq变换模块后计算得到有功功率P和无功功率Q，将P和Q分别送入有功调频控制环节和无功调压控制环节得到电角度θ和电压幅值E，两者合成送入电压电流双闭环控制环节得到PWM信号，再由PWM控制逆变器形成一个完整的闭环控制。

3.根据权利要求1所述的孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路，其特征在于，所述VSG频率控制电路具体的控制过程如下：

1)在初始情况下，虚拟同步机执行一次调频；

2)当负载发生突变时，系统频率开始偏移，通过检测额定频率和系统频率的偏差Δf＝f_N-f，并判断其绝对值是否超过0.2，若没有超过0.2，系统就继续执行一次调频，若超过了0.2，系统立即启动二次调频，直至频率恢复到系统额定频率并保持稳定运行。

4.根据权利要求1所述的孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路，其特征在于，所述传统VSG有功频率控制环节由下垂方程和转子运动方程组成：

其中P_m是VSG的机械功率，P_e是电磁功率，P₀是额定功率，J是转动惯量，D是阻尼系数，ω是孤岛运行频率，ω_N是额定频率，m是有功下垂系数。

根据上式可得传统VSG的有功频率传递函数为：

5.根据权利要求1至4任一所述的孤岛模式下具有选择特性的VSG频率控制电路,其特征在于：所述VSG频率控制电路的无功电压控制环节具体为：

E＝Q_ref+n(U_ref-U₀)

其中，E为电压信号有效值；Q_ref为无功功率参考值；n为无功电压下垂系数；U_ref为额定电压；U₀为输出电压有效值。