CN208142845U - 一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统，包括：中央控制器，用于输出无功功率参考值和有功功率参考值；输出无功控制电路，用于根据输出无功功率参考值通过无功下垂系数控制每个逆变器的输出无功；输出有功控制电路，用于在对虚拟同步发电机控制时，模拟同步发电机的调频特性和转动惯量，根据输出有功功率参考值通过有功下垂系数和阻尼系数控制控制每个逆变器的输出有功；输出电流控制电路，用于设置两台逆变器并联，通过控制每个逆变器的输出有功和输出无功控制逆变器的输出电流为预设比例；环流抑制电路，用于控制线路阻抗为预设比例的倒数，使两台逆变器的线路压降一致，对虚拟同步机并网时的环流进行抑制。

Description

一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统

技术领域

本实用新型涉及计量校准领域，并且更具体地，涉及一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统。

背景技术

并网时，逆变器输出功率(电流)可控，因此所谓的环流主要体现在逆变器孤岛运行中。并联逆变器孤岛运行方式如图1所示。逆变器的输出电流共分为两个部分，一个是负荷电流，另一个即是逆变器之间的环流。而由环流分量可知，当两台逆变器的输出电压幅值与相位相同时，环流分量为0。环流影响因素：

第i台逆变器输出的功率分别为：

由于逆变器的控制要用到下垂控制，即：

wi为第i台逆变器出口频率，Ei为第i台逆变器出口电压；w*为空载频率(两台逆变器一直)，E*为空载电压(两台逆变器一一致)，mi、ni 为第i台逆变器的有功、无功下垂系数；Pi、Qi为第i台逆变器输出有功、无功；Pi*、Qi*为第i台逆变器的参考有功、无功。孤岛模式是，逆变器输出功率由负荷决定，P*、Q*无效，等于0，即：

对功率公式进行简化，即认为θ≈0，cosθ≈1，sinθ≈θ；r≈0。原功率公式可化简为：

由上述两式得到：

可知，稳态时无功与阻抗相关，无法通过下垂控制器单独控制，间接导致两台逆变器端口电压幅值一般不相等。即E1≠E2。所以抑制环流，首先应该解锁无功输出与线路阻抗的耦合关系。

发明内容

本实用新型提供了一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的方法及系统，以解决如何对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统，其特征在于，设置双机并联模式，在逆变器双闭环控制中引入虚拟阻抗抑制环流，所述系统包括：

中央控制器，分别和输出无功控制电路和输出有功控制电路相连接，用于输出无功功率参考值和有功功率参考值；

输出无功控制电路，和输出电流控制电路相连接，用于在无功控制中添加同步发电机固有的励磁环节，增加积分项，根据输出无功功率参考值通过无功下垂系数控制每个逆变器的输出无功；

输出有功控制电路，和输出电流控制电路相连接，用于在对虚拟同步发电机控制时，模拟同步发电机的调频特性和转动惯量，根据输出有功功率参考值通过有功下垂系数和阻尼系数控制控制每个逆变器的输出有功；

输出电流控制电路，用于设置两台逆变器并联，通过控制每个逆变器的输出有功和输出无功控制逆变器的输出电流为预设比例；

环流抑制电路，和输出电流控制电路相连接，用于通过引入电感阻抗和阻抗引入控制策略控制线路阻抗为预设比例的倒数，使两台逆变器的线路压降一致，对虚拟同步机并网时的环流进行抑制。

优选地，其中在双机并联模式下进行环流抑制，在线路阻抗不同时，产生的无功环流能够通过调整虚拟阻抗的数值和比率抑制，实现无功功率的重新分配。

优选地，其中两台逆变器的并联情况为等容量并联和不等容量并联，

等容量并联时，两台逆变器的参数信息和线路阻抗相同，其中，所述参数包括：下垂系数、阻尼系数和惯性时间常数；

不等容量并联时，两台逆变器的参数信息或线路阻抗存在差异。

优选地，其中引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。

优选地，其中通过电压差对逆变器的实际出口的无功功率进行控制。

优选地，其中引入的电感阻抗能够用负电阻阻抗代替，当引入的阻抗为负电阻阻抗时，通过电压差对逆变器的实际出口的有功功率进行控制。

优选地，其中所述系统还包括：

仿真验证单元，用于在电力仿真软件中搭建双机并联仿真模型，两台逆变器并联带负荷工作，逆变器出口处的阻抗是线路阻抗的表征，通过调整该阻抗的数值，能够模拟不同接入距离的逆变器，模拟环流的形成，并对环流抑制的系统进行验证。

本实用新型提供了一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统，包括：中央控制器分别和输出无功控制电路和输出有功控制电路相连接；输出无功控制电路和输出电流控制电路相连接；输出有功控制电路和输出电流控制电路相连接；输出电流控制电路和输出电流控制电路相连接以及环流抑制电路，当在逆变器的控制中模拟了同步发电机的励磁控制时，通过无功下垂系数、有功下垂系数和阻尼系数来控制输出的有功和无功，即可以控制逆变器的输出电流。两个逆变器并联，通过控制其输出电流为 k:1。当通过虚拟阻抗等控制策略使得线路阻抗为1:k时，可以使得两台逆变器的线路压降一致，结果可使逆变器出口电压一致，从而抑制了环流。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式：

图1为孤岛模式逆变器并联运行示意图；

图2为根据本实用新型实施方式的用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统200的结构示意图；

图3为根据本实用新型实施方式的含阻抗的虚拟同步机的控制框图；

图4为根据本实用新型实施方式的阻抗与电压电流控制框图；

图5为根据本实用新型实施方式的逆变器参数全等时的功率分配及频率曲线图；

图6为根据本实用新型实施方式的逆变器的下垂系数不同时的功率分配及频率曲线图；

图7为根据本实用新型实施方式的惯性时间常数不同时的功率曲线；以及

图8为根据本实用新型实施方式的阻尼系数不同时的功率曲线。

具体实施方式

现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图2为根据本实用新型实施方式的用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统的结构示意图。如图2所示，本实用新型的实施方式提供的用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统200包括：中央控制器201、输出无功控制单元202、输出有功控制单元203、输出电流控制单元204和环流抑制单元205。优选地，其中在双机并联模式下进行环流抑制，在线路阻抗不同时，产生的无功环流能够通过调整虚拟阻抗的数值和比率抑制，实现无功功率的重新分配。

优选地，所述中央控制器201，分别和输出无功控制电路和输出有功控制电路相连接，用于输出无功功率参考值和有功功率参考值。

优选地，在所述输出无功控制单元202，和输出电流控制电路相连接，用于在无功控制中添加同步发电机固有的励磁环节，增加积分项，根据输出无功功率参考值通过无功下垂系数控制每个逆变器的输出无功

传统下垂控制无功部分只有调压特性，通过研究可知无功控制环由于缺少积分项，所以无法实现环流抑制。因此本实用新型通过在无功控制中添加传统同步发电机固有的励磁环节，增加积分项，添加了励磁环节的无功控制环。各台逆变器的输出无功仅可通过无功下垂系数来控制。有功采用虚拟同步发电机控制时，仅模拟同步发电机的调频特性和转动惯量。各台逆变器的输出有功可通过有功下垂系数和阻尼系数来控制。综上，当在逆变器的控制中模拟了同步发电机的励磁控制时，可以通过无功下垂系数、有功下垂系数和阻尼系数来控制输出的有功和无功，即可以控制逆变器的输出电流。假设两个逆变器并联，可通过控制其输出电流为k:1。当通过虚拟阻抗等控制策略使得线路阻抗为1:k时，可以使得两台逆变器的线路压降一致，结果可使逆变器出口电压一致，从而抑制了环流。

优选地，在所述输出有功控制单元203，和输出电流控制电路相连接，用于在对虚拟同步发电机控制时，模拟同步发电机的调频特性和转动惯量，根据输出有功功率参考值通过有功下垂系数和阻尼系数控制控制每个逆变器的输出有功。

优选地，在所述输出电流控制单元204，和环流抑制电路相连接，用于设置两台逆变器并联，通过控制每个逆变器的输出有功和输出无功控制逆变器的输出电流为预设比例。优选地，其中两台逆变器的并联情况为等容量并联和不等容量并联，等容量并联时，两台逆变器的参数信息和线路阻抗相同，其中，所述参数包括：下垂系数、阻尼系数和惯性时间常数；不等容量并联时，两台逆变器的参数信息或线路阻抗存在差异。

优选地，在所述环流抑制单元205，用于通过引入电感阻抗和阻抗引入控制策略控制线路阻抗为预设比例的倒数，使两台逆变器的线路压降一致，对虚拟同步机并网时的环流进行抑制。

优选地，其中引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。优选地，其中通过电压差对逆变器的实际出口的无功功率进行控制。优选地，其中引入的电感阻抗能够用负电阻阻抗代替，当引入的阻抗为负电阻阻抗时，通过电压差对逆变器的实际出口的有功功率进行控制。

优选地，其中所述系统还包括：

仿真验证单元，用于在电力仿真软件中搭建双机并联仿真模型，两台逆变器并联带负荷工作，逆变器出口处的阻抗是线路阻抗的表征，通过调整该阻抗的数值，能够模拟不同接入距离的逆变器，模拟环流的形成，并对环流抑制的系统进行验证。

图3为根据本实用新型实施方式的含阻抗的虚拟同步机的控制框图。由于电压跟踪器采用在同步坐标系下电压外环，电流内环的解耦控制方式，所以需要将虚拟阻抗在dq坐标系下实现。

选择的dq变化坐标系如图所示。所以，下垂控制求出的电压E，虚拟同步发电机输出电压的参考值Vo*，和虚拟阻抗r_ξ+j·ω·l_ξ上的压降之间的关系为：

io为虚拟同步发电机输出电流，rξ是虚拟电阻，lξ是虚拟电感，ω是虚拟同步发电机输出角频率。

在dq坐标下进行变换得：

其中Vo*,d，Vo*,q是虚拟同步发电机输出电压的参考值d、q轴分量；Ed，Eq是下垂控制求出的电压的d、q轴分量；io,d，io,q是虚拟同步发电机输出电流d、q轴分量。虚拟阻抗与电压电流双环控制的框图如图4所示。

本实用新型实施方式的并联环流抑制仿真电路在PSCAD中搭建的双机并联仿真模型，两台VSG并联带负荷工作。VSG模块出口处的阻抗是线路阻抗的表征，通过调整该阻抗的数值，能够模拟不同接入距离的VSG，从而模拟环流的形成，并验证环流抑制的算法。模块内部的VSG的结构相同。本实用新型实施方式的逆变器模块的主电路仿真模型中三相全桥逆变器经 LC滤波器模拟同步发电机电抗。仿真模型中各项参数如表1所示。

在PSCAD中使用的仿真电路如所示：针对微网系统中的运行工况，逆变器的并联情况可以分为以下几种情况(简化为两台VSG并联进行分析和仿真)：

(1)等容量并联——两台VSG的各项参数(下垂系数、阻尼系数、惯性时间常数)和线路阻抗相同。

(2)不等容量并联——两台VSG的参数或线路阻抗存在差异。

对于以上的几种不同的并联运行工况，通过以下的仿真来验证所提并联环流抑制方法的效果。

(1)等容量、等参数、等线路阻抗并联

图5为根据本实用新型实施方式的逆变器参数全等时的功率分配及频率曲线图。如图5所示，当两台VSG完全相同时，对于公共连接点处的负荷功率，由两台VSG平均分配，当负荷功率为120kW时，两台VSG各输出 60kW功率，由于采用下垂控制实现一次调频，功率参考值给定大于60kW，所以PCC点处测得系统频率为50.1HZ，略大于额定频率，可以通过调整功率参考值校正。

(2)等容量、下垂系数不同、线路阻抗相同并联

图6为根据本实用新型实施方式的逆变器的下垂系数不同时的功率分配及频率曲线图。如图6所示，两台VSG的下垂系数不同时(Dp1： Dp2＝0.01:0.005)，与(1)中相同的120kW负荷会按照下垂系数的反比例分配，即下垂系数小的VSG会按比例分配较少的功率负荷，VSG2输出的功率时VSG1的两倍。

(3)等容量、惯性时间常数不同、线路阻抗相同并联

图7为根据本实用新型实施方式的惯性时间常数不同时的功率曲线。由于惯性时间常数仅影响VSG的动态响应特性，所以不会对稳态值产生影响，稳态时仍然会均分负荷功率，所以只给出了如图7所示的功率的暂态响应曲线。

(4)等容量、阻尼系数不同、线路阻抗相同并联

图8为根据本实用新型实施方式的阻尼系数不同时的功率曲线。类似于惯性时间常数的特性，VSG的稳态特性不会受到阻尼系数的影响，所以稳态时仍然会均分负荷功率，这里只给出如图8所示的功率暂态响应曲线。

本实用新型中的仿真主要从两个方面进行：1)双机并联的容量分配问题2)双机并联的环流抑制措施。从等容量、不等容量、等参数、不等参数几个方面进行了仿真，关于容量分配能够得到以下的一些结论：(1)两台全等的VSG并联时，均分负荷；(2)阻尼系数、惯性时间常数仅影响VSG 的动态过程，不影响稳态时的负荷功率分配结果；(3)等容量并联时，仅有一次调频，下垂系数会影响负荷变动时的功率分配情况，下垂系数的比例决定了负荷及负荷增量的分配比例；(4)不等容量并联时，容量的比例决定功率的分配，容量大的VSG承担更多的负荷。对于线路阻抗不同的情况下，由于线路电感值较小，不会产生很大的相角差值，所以在仿真中调整线路感抗并不会产生明显的有功功率环流；但是改变线路的电阻值，会产生较大的无功环流，通过调整虚拟阻抗的数值，使总阻抗比值相同，可以实现负荷的平均分配。

已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (7)

1.一种用于对虚拟同步机并网时的环流进行抑制的系统，其特征在于，设置双机并联模式，在逆变器双闭环控制中引入虚拟阻抗抑制环流，所述系统包括：

中央控制器，分别和输出无功控制电路和输出有功控制电路相连接，用于输出无功功率参考值和有功功率参考值；

输出无功控制电路，和输出电流控制电路相连接，用于在无功控制中添加同步发电机固有的励磁环节，增加积分项，根据输出无功功率参考值通过无功下垂系数控制每个逆变器的输出无功；

输出有功控制电路，和输出电流控制电路相连接，用于在对虚拟同步发电机控制时，模拟同步发电机的调频特性和转动惯量，根据输出有功功率参考值通过有功下垂系数和阻尼系数控制控制每个逆变器的输出有功；

输出电流控制电路，和环流抑制电路相连接，用于设置两台逆变器并联，通过控制每个逆变器的输出有功和输出无功控制逆变器的输出电流为预设比例；

环流抑制电路，用于通过引入电感阻抗和阻抗引入控制策略控制线路阻抗为预设比例的倒数，使两台逆变器的线路压降一致，对虚拟同步机并网时的环流进行抑制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在双机并联模式下进行环流抑制，在线路阻抗不同时，产生的无功环流能够通过调整虚拟阻抗的数值和比率抑制，实现无功功率的重新分配。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，两台逆变器的并联情况为等容量并联和不等容量并联，

等容量并联时，两台逆变器的参数信息和线路阻抗相同，其中，所述参数包括：下垂系数、阻尼系数和惯性时间常数；

不等容量并联时，两台逆变器的参数信息或线路阻抗存在差异。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，引入虚拟阻抗后线路上的输出阻抗为纯感性，通过引入所述虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行重塑实现有功无功的解耦。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过电压差对逆变器的实际出口的无功功率进行控制。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，引入的电感阻抗能够用负电阻阻抗代替，当引入的阻抗为负电阻阻抗时，通过电压差对逆变器的实际出口的有功功率进行控制。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

仿真验证单元，用于在电力仿真软件中搭建双机并联仿真模型，两台逆变器并联带负荷工作，逆变器出口处的阻抗是线路阻抗的表征，通过调整该阻抗的数值，能够模拟不同接入距离的逆变器，模拟环流的形成，并对环流抑制的系统进行验证。