一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法，包括：设定频率安全阈值；实时获取虚拟同步发电机暂态过程中的频率；比较所述频率和所述频率安全阈值，获得比较结果；当所述比较结果表示所述频率小于或等于所述频率安全阈值时，确定阻尼系数为稳态阻尼系数；当所述比较结果表示所述频率大于所述频率安全阈值，增大阻尼系数，直至所述频率小于或等于所述频率安全阈值。该控制方法能够对阻尼系数进行实时调节，从而能够平抑暂态过程中频率的波动，从根本上改变了VSG的频率变化性质，保证了电网系统安全稳定的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟同步发电机技术领域，特别是涉及一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法及系统。

背景技术

随着分布式电源渗透率的不断增加，传统同步发电机的装机比例将逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，这对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。再者，并网逆变器控制策略各异，加之可再生能源出力具有波动性、不确定性等特点，导致分布式电源很难实现即插即用与自主协调运行。国内外学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术，可使并网逆变器模拟同步发电机运行机理。具体而言，主要通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上可与传统同步发电机相比拟。虚拟同步发电机因集成了同步发电机的优点而备受学者青睐，其在现代电力系统中的应用也将日益广泛。

VSG属于静止设备，不仅不具有类似于同步发电机的惯性和阻尼，且对频率和输出功率波动的承受能力远不及同步发电机。因而，当可再生能源通过VSG接入电网后，若有功输入侧发生不可预知的波动时，VSG的频率也会发生波动，若波动幅值超过VSG的安全允许阈值时，可能会对以逆变器为主的设备造成损害甚至导致VSG脱网，进而威胁系统安全稳定运行。

当新能源出力发生不可预知的变化而引起VSG的频率波动时，现有控制方法中改变虚拟惯量的大小只是加快或减缓角频率的变化过程，并不能从根本上改变VSG的频率变化性质。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法及系统，该控制方法及系统能够对阻尼系数进行实时调节，从而能够平抑暂态过程中频率的波动，从根本上改变了VSG的频率变化性质，保证了电网系统安全稳定的运行。

为实现上述目的，本发明提供了一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法，包括：

设定频率安全阈值；

实时获取虚拟同步发电机暂态过程中的频率；

比较所述频率和所述频率安全阈值，获得比较结果；

当所述比较结果表示所述频率小于或等于所述频率安全阈值时，确定阻尼系数为稳态阻尼系数；

当所述比较结果表示所述频率大于所述频率安全阈值时，增大阻尼系数直至所述频率小于或等于所述频率安全阈值。

可选的，所述比较所述频率和所述频率安全阈值，获得比较结果，具体包括：

设定频率差的预设值为n；

获取所述频率与额定频率的频率差Δf；

判断所述频率差Δf是否小于或等于所述预设值n，获得判断结果；

当所述判断结果表示是时，确定阻尼系数D为稳态时虚拟同步发电机的阻尼系数D₀；

当所述判断结果表示否时，确定阻尼系数D为频率差Δf的指数函数。

可选的，所述频率差Δf的指数函数表达式为其中，k为相关系数。

可选的，所述相关系数k的取值条件为：

所述相关系数k的取值下限k_min为：其中ΔP为虚拟同步发电机输出的有功功率的设定值P_m与测量值P_e的差值，Δω为虚拟同步发电机的测量角频率ω与额定角频率ω₀的差值。

所述相关系数k的取值上限k_max为：其中D_max为虚拟同步发电机允许设置的最大阻尼系数。

可选的，所述预设值n的取值范围为0.5～1。

本发明的另一目的在于提供一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制系统，包括：

频率安全阈值设定单元，用于设定频率安全阈值；

实时频率获取单元，用于实时获取虚拟同步发电机暂态过程中的频率；

比较单元，用于比较所述频率和所述频率安全阈值，获得比较结果；

当所述比较结果表示所述频率小于或等于所述频率安全阈值时，确定阻尼系数为稳态阻尼系数；

当所述比较结果表示所述频率大于所述频率安全阈值时，增大阻尼系数直至所述频率小于或等于所述频率安全阈值。

可选的，所述比较单元具体包括：

预设值设定单元，用于设定频率差的预设值为n；

频率差获取单元，用于获取所述频率与额定频率的频率差Δf；

判断单元，用于判断所述频率差Δf是否小于或等于所述预设值n，获得判断结果；

当所述判断结果表示是时，确定阻尼系数D为稳态时虚拟同步发电机的阻尼系数D₀；

当所述判断结果表示否时，确定阻尼系数D为频率差Δf的指数函数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：当可再生能源出力波动时，虚拟同步发电机VSG的频率会发生波动，为了抑制波动程度，可以增大阻尼系数，但是一味地增大阻尼系数又会减慢系统的响应速度，本发明提供的虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法解决了该问题。当检测到的实时频率变化超过频率安全范围时，如果不及时控制，在功率差尚未消除的情况下，虚拟同步发电机VSG仍处于加速状态，这必将导致频率越过频率安全阈值，从而损坏虚拟同步发电机VSG设备。本发明通过实时检测虚拟同步发电机VSG的频率，当其增加至频率安全阈值时，则增大阻尼系数，使公式中的阻尼项DΔω大于功率差额从而让虚拟转子进入减速状态，当频率恢复到频率安全阈值以内或功率差消除时，阻尼系数调整至稳态阻尼系数。本发明保证了虚拟同步发电机VSG在暂态过程中安全稳定地运行，抑制了虚拟同步发电机VSG的频率波动。并且由于本发明是实时检测虚拟同步发电机VSG的频率，并判定是否要增大阻尼系数，通过对阻尼系数的自适应控制实现了即使增大阻尼系数也不会减慢虚拟同步发电机的响应速度的目的，反而加快了虚拟同步发电机的响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为虚拟同步发电机的基本拓扑结构；

图2为基于虚拟同步发电机VSG的控制系统框图；

图3为虚拟惯量的bang-bang控制的控制框图；

图4为本发明实施例提供的虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法流程图；

图5为本发明实施例提供的比较频率和频率安全阈值具体方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

虚拟同步发电机的基本拓扑结构如图1所示，该虚拟同步发电机包括三相逆变器、滤波器、并网端口功率计算、VSG控制算法及SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉宽调制)调制5个子模块。虚拟同步发电机VSG是通过模仿同步发电机的机械特性和电磁特性，使逆变器具有与同步发电机相似的特性，以达到为电网提供惯性支持和阻尼支持的目的。图1中，e＝[e_a,e_b,e_c]^T，u＝[u_a,u_b,u_c]^T，i＝[i_a,i_b,i_c]^T，分别为虚拟同步发电机三相感应电动势、输出端电压与并网电流；R_s和L_s分别指虚拟的定子电枢电阻与同步电感；P_e与Q_e分别是VSG输出的有功功率与无功功率。

由图1可知，虚拟同步发电机主要包括主电路与控制系统。其中，主电路为常规的并网逆变器拓扑，包括可再生能源侧(可视为原动机)、DC/AC变换器及滤波电路等(对应同步发电机的机电能量转换过程)；控制系统是实现虚拟同步发电机的核心，其主要包括虚拟同步发电机本体模型与控制算法，前者主要是从机理上模拟同步发电机的电磁关系与机械运动，后者则主要从外特性上模拟同步发电机的有功调频与无功调压等特征。

传统的基于虚拟同步发电机VSG的控制系统如图2所示，图2中，P_m和P_e分别表示VSG输出有功功率的参考设定值和量测值。ω和ω₀分别为VSG的角频率和额定角频率，D和J分别为VSG的阻尼系数与虚拟惯量。虚拟同步发电机的有功-频率控制方法实际上是模拟同步发电机的调速器，用以表征有功功率和系统频率的下垂特性。有功-频率控制方法通过检测功率差来控制虚拟机械转矩输出而调节频率，调节能力大小与虚拟惯量的大小有关，同时，VSG采用阻尼系数来描述角频率发生单位变化时的输出功率变化量，从而减小角频率与额定值的偏差，上述过程可以用下式表示：

$>J\frac{d\omega }{dt}=\frac{P_m-P_e}{\omega }-D\Delta \omega$>

由上式可知，在暂态过程中，VSG的频率波动受到三个因素的影响，根本原因是功率差额的出现，这是由可再生能源出力的波动性所决定的，可控性较低。另一方面，频率的波动情况主要受虚拟惯量和阻尼系数的影响。一般来讲，虚拟惯量越大，频率变化越缓慢，波动时的幅值越低，但响应速度也较慢，若减小虚拟惯量则可加快响应速度，但可能引起频率波动时幅值过大，损害VSG设备。对于同步发电机而言，转子惯量由其转子质量决定，其大小受物理条件的约束无法改变，但对于VSG来说，虚拟惯量只是其控制参数，其取值不拘泥于物理因素的制约，大小可以实时改变，为此，有大量学者针对虚拟惯量的可控性开展了许多研究工作。

因为虚拟惯量过大或过小各有其优点和缺点，为了扬长避短，可通过在不同阶段采用不同的虚拟惯量以优化暂态响应，为此，可以考虑选取两组大小不同的虚拟惯量对其进行控制，该控制方法为虚拟惯量的bang-bang控制，其控制框图如图3所示，通过测量角频率与额定角频率的偏差和角频率随时间的变化率，两者相乘，根据其符号来决定虚拟惯量的取值。当符号为正，则将其视为加速过程，此过程中选取较大的虚拟惯量；相反地，当其符号为负时，可视为减速过程，对应地可选取较小的虚拟惯量。总之，此方法根据角频率的变化情况对暂态过程进行阶段划分，根据每个阶段的特点选取不同的虚拟惯量，从而可以优化暂态响应，甚至增强系统稳定性。

现有技术中还有虚拟惯量自适应控制方法，该方法充分发挥VSG参数灵活可调的优势，对影响暂态过程频率响应的重要参数—虚拟惯量进行自适应控制，其取值表达式如下：

$>J=\left(\begin{array}{cc}{J}_0,& \frac{d\omega }{dt}\le C\\ J_0+k(\omega -{\omega }_0)\frac{d\omega }{dt},& \frac{d\omega }{dt}>C\end{array}\right)$>

如上式所示，通过检测角频率随时间的变化率，当其超过阈值C时，C为预先设定值，虚拟惯量为其原值和附加项之和，附加项的大小跟角频率的变化情况相关，这样的取值能够满足VSG在角频率远离额定值限制其变化，而在角频率回归额定值时加速其相应，从而优化暂态过程。

但是，通过改变虚拟惯量的大小只是加快或减缓角频率的变化过程，并不能影响虚拟同步发电机VSG输出频率的波动情况，因此，虚拟惯量的控制方法并不能从根本上改变VSG的频率变化性质，那么对于VSG的频率波动也就没有达到较好的抑制效果。

图4为本发明提供的虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法流程图，如图4所示，本发明提供的虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法，包括：

步骤401：设定频率安全阈值；

步骤402：实时获取虚拟同步发电机暂态过程中的频率；

步骤403：比较频率和频率安全阈值，获得比较结果；

步骤404：当比较结果表示频率小于或等于频率安全阈值时，确定阻尼系数为稳态阻尼系数；

步骤405：当比较结果表示频率大于频率安全阈值，增大阻尼系数，直至频率小于或等于频率安全阈值。

本实施例通过实时检测虚拟同步发电机VSG的频率，当其增加至频率安全阈值时，则增大阻尼系数，使公式中的阻尼项DΔω大于功率差额从而让虚拟转子进入减速状态，当频率恢复到频率安全阈值以内或功率差消除时，阻尼系数调整至稳态阻尼系数，本发明保证了虚拟同步发电机VSG在暂态过程中安全稳定地运行，抑制了虚拟同步发电机VSG的频率波动。并且由于本发明是实时检测虚拟同步发电机VSG的频率，并判定是否要增大阻尼系数，通过对阻尼系数的自适应控制实现了即使增大阻尼系数也不会减慢虚拟同步发电机的响应速度的目的，反而加快了虚拟同步发电机的响应速度。

在上述实施方式中，如图5和6所示，比较频率和频率安全阈值，获得比较结果，具体可以包括：

步骤501：设定频率差的预设值为n；

步骤502：获取频率与额定频率的频率差Δf；

步骤503：判断频率差Δf是否小于或等于预设值n，获得判断结果；

步骤504：当判断结果表示是时，确定阻尼系数D为稳态时虚拟同步发电机的阻尼系数D₀；

步骤505：当判断结果表示否时，确定阻尼系数D为频率差Δf的指数函数。

根据上述判断结果对阻尼系数进行选取后，不难发现，当频率差在预设值以内时，阻尼系数大小保持为稳态时虚拟同步发电机的阻尼系数D₀，一旦频率差超过预设值，在本实施方式中预设值可取为0.5～1之间的任何一个数，具体取多少需要根据VSG设备及负荷对频率变化的承受能力决定，在本实施方式中选为0.5Hz，则阻尼系数取为频率差的指数函数。对阻尼系数D的取值进行指数函数选取方法，一方面是当频率超过阈值时使阻尼系数增大，从而对频率增长进行限制；另一方面，是借鉴最优化课程中的罚函数思想，在频率超过频率安全阈值的情况下，其超出量越多，阻尼系数需要越大，以使频率能够快速回到稳定范围内，其他的选取方法，如线性函数并不能起到这样的作用。

具体的，阻尼系数D的表达式为D＝e^k(|Δf|-n)，其中，k为相关系数。

如果k在规定范围内取合适的值，则可保证在频率差超过设定值之后，频率差再稍微增大一点，则带来阻尼系数指数型增大的结果，因此可以很快地对频率进行限制。因此，限定相关系数k的取值条件为：

相关系数k的取值下限k_min为：其中ΔP为虚拟同步发电机输出的有功功率的设定值P_m与测量值P_e的差值，Δω为虚拟同步发电机的测量角频率ω与额定角频率ω₀的差值。

相关系数k的取值上限k_max为：其中D_max为虚拟同步发电机允许设置的最大阻尼系数。

可再生能源主要通过VSG接入电网，由于可再生能源的随机性和不确定性，其有功出力会发生不可预知的波动，从而引起暂态过程中系统频率出现大幅波动。本发明充分利用VSG控制参数灵活可调的优势，检测暂态过程中频率的变化情况，若频率差增大至预设值时，及时切换阻尼系数，使阻尼系数为频率差的指数形式，从而严格限制频率差的继续扩大。经过暂时强阻尼之后，频率差减小至预设值以下时，阻尼系数重新切换至原始值，从而保证系统的响应速度。本发明控制简单，易于实现，具有很强的工程实践性。

本发明还提供了一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制系统，包括：

频率安全阈值设定单元，用于设定频率安全阈值；

实时频率获取单元，用于实时获取虚拟同步发电机暂态过程中的频率；

比较单元，用于比较频率和频率安全阈值，获得比较结果；

当比较结果表示频率小于或等于频率安全阈值时，确定阻尼系数为稳态阻尼系数；

当比较结果表示频率大于频率安全阈值时，增大阻尼系数直至频率小于或等于频率安全阈值。

本实施例通过实时检测虚拟同步发电机VSG的频率，当其增加至频率安全阈值时，则增大阻尼系数，使公式中的阻尼项DΔω大于功率差额从而让虚拟转子进入减速状态，当频率恢复到频率安全阈值以内或功率差消除时，阻尼系数调整至稳态阻尼系数，本发明保证了虚拟同步发电机VSG在暂态过程中安全稳定地运行，抑制了虚拟同步发电机VSG的频率波动。并且由于本发明是实时检测虚拟同步发电机VSG的频率，并判定是否要增大阻尼系数，通过对阻尼系数的自适应控制实现了即使增大阻尼系数也不会减慢虚拟同步发电机的响应速度的目的，反而加快了虚拟同步发电机的响应速度。

作为一种可选的实施方式，上述比较单元具体包括：

预设值设定单元，用于设定频率差的预设值为n；

频率差获取单元，用于获取所述频率与额定频率的频率差Δf；

判断单元，用于判断所述频率差Δf是否小于或等于所述预设值n，获得判断结果；

当所述判断结果表示是时，确定阻尼系数D为稳态时虚拟同步发电机的阻尼系数D₀；

当所述判断结果表示否时，确定阻尼系数D为频率差Δf的指数函数。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。