提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方法

摘要

本发明公开了一种提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方法，具体包括以下步骤：1)有功控制环模拟转子机械特性，获得虚拟同步发电机的输出频率、相位指令以及功角；2)无功功率环模拟励磁控制器，得到输出电压幅值指令；3)利用步骤1)得到的功角和步骤2)得到的电压幅值指令计算电压补偿量；5)将步骤4)得到的电压补偿量叠加到步骤2)得到的电压幅值指令上，再与步骤1)得到的相位指令组合作为调制波，经PWM后得到开关信号驱动变流器。本发明提出了一种提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方法，可以补偿传统虚拟同步发电机控制中功率耦合的影响。与现有方法相比，该发明可以明显改善虚拟同步发电机的无功功率动态响应特性。

说明书

技术领域：

本发明专利属于虚拟同步电机控制领域，具体涉及一种提高虚拟同步发电 机无功功率动态响应性能的方法。

背景技术：

以风力、光伏为主的可再生新能源发电主要是以电力电子变流器作为并网 接口，其具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和阻尼等不足， 尤其目前并网变流器往往是以电流源模式并网，这些与传统能源所采用的同步 发电机在外特性上具有显著差别。现在随着分布式可再生能源渗透率的不断提 高，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，使得系统频率波动性增 加，电能质量变差，严重时危及系统的频率稳定性，对电网的安全稳定运行带 来了严峻挑战，这严重限制了新能源的并网容量。为了充分发挥分布式能源的 优势，减弱分布式电源对配电网和传输网的影响，让电网消纳更多的分布式能 源，分布式电源必须参与配电网和传输网的调频和调压过程，分布式电源潜在 辅助服务必须被充分挖掘，分布式电源必须向电网提供必要的辅助服务。

虚拟同步发电机是近年来提出的一种适合新能源广泛接入的并网控制策 略，它通过模拟传统同步发电机的外特性，因此可以使并网变流器像传统同步 发电机一样向电网提供惯性和一次调频调压功能。根据众多学者的共识，并网 变流器模拟同步电机特性是未来并网变流器控制的趋势。

虚拟同步发电机是通过下垂控制实现对有功功率和无功功率的控制，即通 过分别控制频率和电压来独立地控制有功功率和无功功率。这种控制策略在虚 拟同步发电机经过感性线路连到电网或负载且功角较小时是有效的，而在线路 阻性成分较大以及功角较大时会使得有功功率和无功功率之间存在耦合而互相 影响，造成控制策略效果变差甚至失效。这可能会使虚拟同步发电机在功率调 节过程中产生较大的功率振荡，甚至使系统崩溃。而且，由于有功调节的动态 过程比无功调节慢很多，因此这种耦合作用也会导致无功功率无法实现快速的 响应。

发明内容：

本发明的目的是针对现有虚拟同步发电机技术存在有功功率和无功功率之 间存在耦合而使得无功动态响应变慢的问题，提供了一种提高虚拟同步发电机 无功功率动态响应性能的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方法，包括以下步骤：

1)有功控制模拟传统同步发电机的转子机械特性，根据有功功率的参考指 令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值P_err计算得到虚拟同步电机的输出频率ω， 进而得到虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ；

2)无功功率采用PI闭环无差控制，将无功功率指令Q_ref与实际输出的无功 功率Q作差，经PI调节器后得到虚拟同步发电机的输出电压幅值指令V_t；

3)利用步骤1)中得到的虚拟同步机的输出频率ω与电网频率ω_g作差积分 后得到虚拟同步发电机的功角信息δ；

4)根据步骤3)得到的功角信息δ、线路阻抗信息和步骤2)得到的虚拟同 步发电机的输出电压幅值指令V_t计算得到电压幅值补偿量ΔV_t；

5)将步骤4)得到的电压幅值补偿量ΔV_t通过前馈叠加到步骤2)中得到的 电压幅值指令V_t上，作为新的虚拟同步发电机输出电压的幅值指令V_{t_mod}，再将 新的电压幅值指令V_{t_mod}与步骤2)得到的虚拟同步发电机的输出电压的相位指令 θ组合作为虚拟同步发电机的输出电压指令，将其作为调制信号经过PWM后得 到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，有功功率的参考指令P_ref与实际输 出有功功率P_e作差，然后除以转动惯量J并对结果积分，得到变流器的输出频 率ω，具体公式如下：

$\omega =\frac{1}{Js}(P_{ref}-P_e)---\left(1\right)$

式中：s为积分算子。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，将输出频率ω与电网频率ω_g作差并 对结果积分，得到功角δ，具体公式如下：

$\delta =\frac{1}{s}(\omega -{\omega }_g)---\left(3\right).$

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，用来计算电压幅值补偿量ΔV_t，补 偿有功功率和无功功率之间的相互耦合对无功功率调节的影响；其中，

电压幅值补偿量ΔV_t的具体公式如下：

${\mathrm{\Delta V}}_t=tan(\delta +{\tan }^{-1}\frac{R}{X})V_t·\delta ---\left(4\right)$

其中，ΔV_t是电压幅值补偿量，δ是实际的功角，V_t实际输出电压的幅值指 令，R和X是线路的电阻和感抗，实际的功角δ是依据步骤1)得到，V_t实际输 出电压的幅值指令依据步骤2)得到，线路的电阻R和感抗X通过线路阻抗测量 得到。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，用来校正得到新的虚拟同步发电机 输出电压的幅值指令，并生成调制信号控制开关网络，具体方法如下：

首先，将步骤4)得到的电压幅值补偿量ΔV_t通过前馈叠加到步骤2)中得 到的电压幅值指令V_t上，作为新的虚拟同步发电机输出电压的幅值指令V_{t_mod}， 具体公式如下：

V_{t_mod}＝V_t+ΔV_t(5)

式中，V_t是校正之前的电压幅值指令，ΔV_t是电压幅值补偿量，V_{t_mod}是校 正之后得到的新的虚拟同步发电机输出电压的幅值指令；

然后将将校正之后的虚拟同步发电机输出电压的幅值指令V_{t_mod}与步骤2)得 到的虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ组合，作为虚拟同步发电机的输出 电压指令，将其作为调制信号经过PWM后得到变流器开关网络的开关控制信 号，进而用于驱动开关网络。

与现有技术相比，本发明提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方 法的优点体现在：

其在传统虚拟同步发电机的算法上增加了有功功率对电压的调节通道，补 偿了线路阻抗比和功角在虚拟同步发电机控制算法中引起的功率耦合造成的对 无功功率调节环的影响。该发明可以保证无功功率在有功调节过程中不会产生 动态振荡以及稳态误差，并减小虚拟同步发电机有功功率调节过程中引起的有 功和电流的超调。同时，该发明可以提高无功调节的响应速度并消除无功超调， 以及减小无功调节引起的有功振荡。

附图说明：

图1为提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方法的总体控制框图；

图2为虚拟同步发电机有功控制环部分；

图3为虚拟同步发电机无功控制环部分；

图4为虚拟同步发电机功角获取环节；

图5为虚拟同步发电机电压补偿量获取环节；

图6为有功功率指令阶跃时VSG的有功无功响应的结果；其中，图6(a)和 (b)分别是未加入和加入本发明所提方法的有功无功响应波形；

图7为有功功率指令阶跃时VSG的电流响应的结果；其中，图7(a)和(b)分 别是未加入和加入本发明所提方法的电流响应波形；

图8为无功功率指令阶跃时VSG的有功无功响应的结果；其中，图8(a)和 (b)分别是未加入和加入本发明所提方法的有功无功响应波形；

图9为无功功率指令阶跃时VSG的电流响应的结果；其中，图9(a)和(b)分 别是未加入和加入本发明所提方法的电流响应波形。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提高虚拟同步发电机无功功率动态响应性能的方法，总体框图如图1 所示，包括以下步骤：

1)有功控制模拟传统同步发电机的转子机械特性，根据有功功率的参考指 令P_ref与实际输出有功功率P_e的差值P_err计算得到虚拟同步电机的输出频率ω， 进而得到虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ。如图2所示。

其中，P_ref为二次调频给出的虚拟同步电机并网运行的有功功率指令。P_e与 同步电机的电磁转矩对应，为并网变流器注入电网的有功功率。J为虚拟同步电 机的转动惯量。ω_ref是电网额定频率，也即同步角速度。此部分为虚拟同电机控 制提供端口电压的相位信息，为指令功率留有接口。

该步骤中，电压变流器的输出有功功率的参考指令P_ref与实际输出有功功率 P_e作差，经机械方程计算得到虚拟同步电机的输出频率ω，具体公式如下：

$\omega =\frac{1}{Js}(P_{ref}-P_e)---\left(1\right)$

式中：s为积分算子。

对频率ω进行积分，得到设计变流器电压电流双闭环控制环所需的相位信 息θ，具体公式如下：

$\theta =\frac{\omega }{s}---\left(2\right)$

2)无功功率采用PI闭环无差控制，将无功功率指令Q_ref与实际输出的无功 功率Q作差，经PI调节器后得到虚拟同步发电机的输出电压幅值指令V_t。如图3 所示。

其中，Q_ref为虚拟同步电机无功功率指令。Q与是虚拟同步发电机实际输出 的无功功率。V_t是虚拟同步发电机的输出电压幅值指令。此部分模拟了传统同步 发电机的励磁控制器部分，为虚拟同电机控制提供端口电压的幅值信息，为系 统提供调压功能。

3)利用的输出频率ω与电网频率ω_g作差，并对结果积分，得到虚拟同步发 电机与并网点的相角差，即功角δ。如图4所示。

该步骤中，利用步骤2)得到的输出频率ω与电网频率ω_g作差，并对结果积 分，得到功角δ，具体公式如下：

$\delta =\frac{1}{s}(\omega -{\omega }_g)---\left(3\right).$

4)利用功角信息δ、线路阻抗信息和虚拟同步发电机的输出电压幅值指令V_t计算得到电压幅值补偿量ΔV_t。如图5所示。

该步骤中，通过电压幅值补偿量ΔV_t，来解除有功功率和无功功率之间的耦 合作用。电压幅值补偿量ΔV_t的具体公式如下：

${\mathrm{\Delta V}}_t=tan(\delta +{\tan }^{-1}\frac{R}{X})V_t·\delta ---\left(4\right)$

其中ΔV_t是电压幅值补偿量，δ是实际的功角，V_t实际输出电压的幅值指令， R和X是线路的电阻和感抗。实际的功角δ是依据步骤1)得到。V_t实际输出电 压的幅值指令依据步骤2)得到。线路的电阻R和感抗X可通过线路阻抗测量得 到。

5)计算新的输出电压幅值指令，并将其与相位指令组合作为调制信号，经 过PWM后得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。如图 1所示。

该步骤中，将步骤4)得到的电压幅值补偿量ΔV_t通过前馈叠加到步骤2) 中得到的电压幅值指令V_t上，作为新的虚拟同步发电机输出电压的幅值指令 V_{t_mod}。具体公式如下：

V_{t_mod}＝V_t+ΔV_t(5)

然后，再将新的电压幅值指令V_{t_mod}与步骤2)得到的虚拟同步发电机的输出 电压的相位指令θ组合作为虚拟同步发电机的输出电压指令，将其作为调制信号 经过PWM后得到变流器开关网络的开关控制信号，进而用于驱动开关网络。

实施例：

从有功功率指令阶跃时VSG的响应和无功功率指令阶跃时VSG的响应两 个方面，对比加入本发明所提方法与不加本发明所提方法的VSG控制效果。

有功功率指令阶跃时VSG的响应的结果如图6和图7所示。初始稳态时， 有功功率在0.15MW，无功功率输出为0。在2s时刻，有功功率指令由0.15MW 阶跃到1.5MW。图6(a)和(b)分别是未加入和加入本发明所提方法的有功无功响 应波形。从图中可以看出本发明提出方法能够保证无功功率在有功调节过程中 不会产生动态振荡以及稳态误差，并同时改善了有功功率的动态响应特性。图 7(a)和(b)分别是未加入和加入本发明所提方法的电流响应波形。从图中可以看 出本发明提出方法能够减小电流的超调量，并使电流更快地达到稳态。

无功功率指令阶跃时VSG的响应结果如图8和图9所示。初始稳态时，有 功功率在0.15MW，无功功率输出为0。在2s时刻，无功功率指令由0Mvar阶 跃到1.35Mvar。图8(a)和(b)分别是未加入和加入本发明所提方法的有功无功响 应波形。从图中可以看出本发明提出方法可以提高无功调节的响应速度并消除 无功超调，同时使有功振荡也相应地减小。图9(a)和(b)分别是未加入和加入本 发明所提方法的电流响应波形。从图中可以看出本发明提出方法能够减小无功 调节过程中输出电流的超调量。

综上，该实施例证明了本发明可以有效改善虚拟同步发电机无功动态响应， 同时对有功响应也有一定的改善作用。实施例的具体参数设置参见表1：

表1实施例参数