对称电压暂降下含无功补偿功能的虚拟同步发电机控制方法

摘要

本发明公开了一种对称电压暂降下含无功补偿功能的虚拟同步发电机控制方法，属于微网电能质量控制领域。该方法对于电网中出现的对称电压暂降故障引起的过流现象，在无功‑电压调节控制环中选取给定的电压幅值

说明书

技术领域

本发明涉及一种对称电压暂降下含无功补偿功能的虚拟同步发电机控制方法，属于微网电能质量控制领域。

背景技术

由于转动部件的存在，传统的同步发电机具有转动惯量，当电网发生故障的情况下，同步发电机能够将储存在转动部件中的动能释放到电网中，从而保证电网的稳定性。但是，由于分布式电源的渗透率逐渐上升，不具备阻尼和惯性的传统逆变器成为其接入电网的主要接口，电网调压调频特性需求难以达到要求，这给电网的安全稳定运行带来了不利影响。

近年来，一种新的逆变器控制方法，虚拟同步发电机控制策略受到国内外学者的广泛关注。其基本思想通过控制方法将逆变器输出特性模拟成同步发电机的运行特性，从而使得由电力电子器件组成的并网逆变器也具有阻尼和惯性，提升了逆变器抑制干扰的能力，增加了电力系统的稳定性。

但是，目前关于虚拟同步发电机在电网异常情况下的控制策略研究还相对较少。在实际电力系统实际运行过程中常出现电压暂降、三相不平衡和谐波畸变等故障，对VSG(虚拟同步发电机)的持续运行和电网稳定产生不良影响。同时，传统的VSG不具备在电网故障情况下抑制故障电流的能力，而且也无法提供无功支撑。

因此，发明一种电网异常情况下抑制故障电流，实现电网电压快速恢复的虚拟同步发电机控制策略成为亟待解决的课题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种对称电压暂降下含无功补偿功能的虚拟同步发电机控制方法，在保证故障期间VSG输出不过流，故障瞬间和故障清除瞬间无暂态电流冲击并输出最大无功的基础上，设计了电压暂降故障期间VSG控制方法，并给出了限流控制方法的控制原理和具体参数整定原则。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种对称电压暂降下含无功补偿功能的虚拟同步发电机控制方法，包括如下步骤：

(1)建立VSG的传统控制方法：对传统的同步发电机的两阶模型进行模拟，假定同步发电机的极对数为1，VSG的机械角速度和电气角速度相同，则VSG的转子运动方程如式所示：

式中：J为转动惯量；D为阻尼系数；T_m、T_e和T_d分别为同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；ω₀为电网同步角速度；ω为同步发电机的角速度，δ为同步发电机的功角；

电磁转矩和虚拟同步发电机输出的电磁功率之间的关系如下式所示：

式中：e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c为VSG的输出电压和输出电流，P_e为虚拟同步发电机输出的电磁功率；

按照上面的输出关系，则建立VSG的传统控制方法，其中的VSG输出参考电压关系式如下所示：

其中：e_a为输出a相电压，e_b为输出b相电压，e_c为输出c相电压；

(2)无功-电压控制部分添加电压幅值控制：在电网发生对称电压暂降时，通过选取无功电压调节中的VSG输出电压幅值E₀与电网电压U相等，来抑制故障电流中的稳态部分；

(3)有功-频率控制部分添加输出有功控制：在电网发生对称电压暂降时，将有功频率调节中的给定有功功率值改进为随电网电压变化而变化的自适应值，从而在减小VSG加速面积的同时增大了减速面积，抑制了由于需求功率和VSG输出功率之间不平衡引起的突增电流；

(4)整定故障下的无功补偿限额：在电网发生对称电压暂降时，综合考虑到VSG输出功率表达式和VSG额定视在功率的限制，整定出故障状态下输出有功功率为P_n时对应的最大无功功率Q_nmax，以此为基础控制VSG避免过流的同时也能提供最大的无功功率支撑。

步骤(2)中所述故障电流由稳态值和暂态值两部分组成：

其中:R_eq和L_eq为VSG到故障点之间的等效电阻和等效电抗，为VSG输出电压，为故障后电网电压，为故障前后电网电压相量差，ω为电网频率，I'为故障电流稳态值，I”为故障电流暂态值。

步骤(3)中所述将有功频率调节中的给定有功功率值改进为随电网电压变化而变化的自适应值，如下式所示：

P'_ref＝P_ref*(U/U_nor)²

其中：P_ref为改进前的VSG输出有功参考值，U为电网实际电压，U_nor为电网额定电压220V，P'_ref为改进后的VSG输出有功参考值。

步骤(3)中所述VSG输出功率时对应的无功功率范围为：

其中，E为VSG输出电压，U为电网电压，X为线路感抗，P_n为某一状态下VSG输出的有功功率，Q_n为VSG输出的无功功率。

步骤(4)中所述VSG额定视在功率限制时对应的无功功率范围为：

其中，k为电压跌落深度，S为VSG额定视在功率，P_n为某一状态下VSG输出的有功功率，Q_n为VSG输出的无功功率。

步骤(4)中所述最大无功功率Q_nmax为：

其中：E为VSG输出电压，U为电网电压，X为线路感抗，k为电压跌落深度，S为VSG额定视在功率，P_n为某一状态下VSG输出的有功功率，Q_n为VSG输出的无功功率。

本发明的有益效果如下：

本发明弥补了虚拟同步发电机在电网故障时控制策略方面的空白，将电压幅值控制、输出有功功率控制和无功补偿控制相结合，保证了VSG输出电流在电网电压暂降故障情况下不出现过流的现象，同时以VSG最大的能力向电网提供无功支撑，有利于电网电压的恢复，大大提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是虚拟同步发电机拓扑结构图。

图2是VSG传统控制框图。

图3是VSG简化等效模型示意图。

图4是改进的VSG无功-电压控制框图。

图5(a)是故障状态下有功指令恒定时等面积准则分析示意图；图5(b)是故障状态下有功指令减小时等面积准则分析示意图。

图6是改进的VSG有功-频率控制框图。

图7是VSG输出有功功率P和无功功率Q的范围示意图。

图8是改进的VSG整体控制策略框图。

图9(a)是电网电压暂降情况下的VSG输出电流波形图；图9(b)是电网电压暂降情况下的VSG输出功率波形图。

图10(a)是含有电压幅值控制的VSG输出电流波形图；图10(b)是含有电压幅值控制的VSG输出功率波形图。

图11(a)是同时含有电压幅值控制和有功功率控制的VSG输出电流波形图；图11(b)是同时含有电压幅值控制和有功功率控制的VSG输出功率波形图。

图12(a)是同时含有电压幅值控制、有功功率控制和无功补偿控制的VSG输出电流波形图；图12(b)是同时含有电压幅值控制、有功功率控制和无功补偿控制的VSG输出功率波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

图1为典型的并网逆变器的拓扑结构，虚拟同步发电机本质为一种控制策略，可以在不改变逆变器物理结构的基础上实现对同步电机工作特性的模仿，实现分布式电源的可靠接入。

对传统的同步发电机的两阶模型进行模拟，假定同步发电机的极对数为1，VSG的机械角速度和电气角速度相同，则VSG的转子运动方程如式(1)所示。

式中：J为转动惯量；D为阻尼系数；T_m、T_e和T_d分别为同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩；ω₀为电网同步角速度；ω为同步发电机的角速度，δ为同步发电机的功角。

电磁转矩和虚拟同步发电机输出的电磁功率之间的关系如式(2)所示。

式中：e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c为VSG的输出电压和输出电流，P_e为虚拟同步发电机输出的电磁功率。

按照上面的输出关系，则可建立如图2所示的VSG传统控制框图，其中的VSG输出参考电压关系式如下所示：

其中：e_a为输出a相电压，e_b为输出b相电压，e_c为输出c相电压，为输出a相的初相。

图3为简化的VSG模型，设故障前电网电压幅值为U(sag-)，故障后电压幅值为U(sag+)，相位没有变化，故障前后瞬间VSG输出电压的幅值和相位均没有变化，为E(sag-)＝E(sag+)＝E。

电网电压暂降故障时，VSG电流、电压满足：

其中，R_eq和L_eq为VSG到故障点之间的等效电阻和等效电抗，U为电网电压幅值，I为VSG输出电流。

根据相量法得到初始电压下电流的稳态值和电压暂降后的稳态值：

其中：为VSG输出电压，为故障前电网电压，为故障后电网电网。

根据一阶电路的全响应规律，可以得到故障响应过程中的电流相量为：

其中：为故障前后电网电压相量差，I(sag-)为故障前VSG的输出电流，

当VSG输出电压不变时，由于故障导致的电流的稳态变化量为：

从上式可知，故障点的电流突变量和故障点的电压矢量的变化以及虚拟同步发电机和故障点之间的等效阻抗相关，且等效阻抗对故障电流有一定的抑制作用。

1)电压幅值控制

从(6)式中可以看出故障电流值由稳态值和暂态值两部分组成：

式(8)中第一式为电流稳态值，第二式为电流暂态值其值为负数，其主要原因是电感对电流突变起到了抑制作用。因此稳态部分的电流值对电压暂降下系统过流起主要影响作用。而电流的稳态值主要是电网电压和VSG输出电压之间的相量差所造成的，对于VSG而言如果能够减小其输出电压的幅值，那么对过流现象的抑制将会有明显作用。

根据之前对过流原理的分析，当电网电压暂降时，电网电压和VSG输出电压的幅值差越小，越有利于故障电流的减小。本发明选取给定的电压幅值E₀和电网电压值U相同的策略来保证电网电压暂降过程中故障电流在合理范围内。改进后的无功-电压控制策略示意图如图4所示。

2)输出有功功率控制

对于如图3所示的简化VSG模型，VSG输出的有功和无功功率为：

式中，

其中：L为线路电感值，R为线路电阻值，

当线路电阻较小可以忽略时，输出有功功率和无功功率为：

式中，X＝ωL。

从上式可以看出在输出电压相位不变的情况下，当电网电压U暂降时，VSG输出功率将会降低。由于输出功率的降低，如果VSG给定的输出功率仍然维持原本的数值将会导致VSG的输出功率和实际需求功率的不对称，部分本应输出的能量转化为VSG虚拟转子的动能，转速增大，可能会引起VSG功角不稳定的问题。

根据等面积法则，当图5中VSG加速面积A小于VSG减速面积B时系统能保持稳定，当在故障期间减小有功功率的参考值时，在减小加速面积A的同时也增加了减速面积，这样有利于振荡的衰减，保证了系统稳定性。

一般情况下，VSG的输出电压幅值E和电网电压U相同，即E≈U，则输出有功功率可以表示为：

从式(11)可以看出当功角δ不变时有功功率与电网电压的平方成正比。在电网故障的情况下，为了抑制输出电流，设定VSG输出功率为0是最安全的，但是在实际的运行过程中为了保证电网的稳定运行还是需要输出一定的有功功率。

对有功功率参考值进行整定，基本原则是保证VSG输出功率和需求功率之间的平衡。相比于传统的有功-频率控制，本发明改进了有功-频率控制结构，将恒定的给定功率值改进为根据电网电压变化而变化的自适应值，从而减小了由于需求功率和VSG输出功率不平衡之间引起的突增电流，也保证了系统的稳定性。改进的有功频率控制示意图如图6所示。

3)无功补偿控制

由忽略线路电阻的VSG输出功率表达式(10)可以得到，VSG的输出有功功率P和无功功率Q满足以下表达式：

那么VSG输出有功功率P和无功功率Q的范围在如图7所示的以为圆心，以为半径的圆内。通过调节电压E和相角δ能够实现输出圆内任意一点所对应的有功功率P和无功功率Q。

假设某一状态下VSG输出的有功功率为P_n，那么对应的无功功率Q_n的范围为：

式(13)所示的输出无功功率的区域为图7中阴影A。同时，为了在保证故障期间安全运行，规定VSG输出视在功率必须要满足小于额定视在功率S的要求，VSG任意时刻输出有功功率和无功功率满足下式：

如果仅仅考虑输出正的无功功率，那么式(14)所示的工作范围为一半圆区域，如图7中阴影区域B所示。阴影区域A和阴影区域B的重合区域即为VSG工作的全部区域。

电网正常情况下电压幅值为U_N，当电压跌落深度为时为了在电压暂降过程中保证不过流，VSG的额定电流不变但是额定电压变为U_sag，此时VSG的额定视在功率变为S_sag＝kS，因此VSG输出的最大无功功率为：

其中：k为电压跌落深度，S为VSG额定视在功率。

根据上式能够整定出故障状态下VSG输出有功功率为P_n时对应的最大的无功功率Q_nmax，以此为基础控制VSG避免过流的同时也能实现提供最大的无功功率支撑，提升了分布式电源对电网的友好性。

综合以上电网对称电压暂降情况下的电压幅值控制、输出有功功率控制和无功补偿控制，给出改进的VSG整体控制策略示意图如图8所示。

实施例：

为了验证电网对称电压暂降情况下含无功补偿功能的虚拟同步发电机控制策略的有效性，采用如图1所示的拓扑结构，在Matlab/Simulink中搭建相应的仿真模型进行仿真验证。主要控制参数和主电路参数如表1所示。

表1改进的虚拟同步放电机控制仿真主要参数

主电路参数数值控制参数数值滤波电感L/mH6转动惯量J/(kg·m²)0.2滤波电容C/μF20阻尼系数D10直流母线电压U_dc/V700调差系数K_ω25交流额定电压U_N/V311调节系数K_j0.2调节系数K_d10

仿真初始状态为正常工况，电网三相电压为0.5s时对称电压暂降故障发生，电压跌落深度为50％，故障工况时电网三相电压为故障持续30个工频周期，1.1s时电压暂降故障清除，仿真总时长为1.5s。

图9给出了电网电压暂降故障情况时的电压波形和不采用限流策略的VSG的输出电流和输出功率的波形，可见常规VSG控制在电网电压暂降故障时的过流现象完全没有得到抑制。正常情况下VSG的输出电流幅值约为27A，故障情况下的输出电流幅值约为50A。

图10为含有电压幅值控制的VSG输出电流波形和功率波形，对比图9的波形可以发现电压幅值控制能够明显降低电压暂降故障发生瞬间的冲击电流，但是稳态电流依然维持在50A没有明显降低，且在故障清除瞬间电流冲击和输出有功功率冲击较强。

图11为在电压幅值控制基础上又添加了有功功率控制的VSG输出电流和功率的波形图。比较图11和图10的电流波形和功率波形可以发现，有功率控制有效抑制了电压暂降过程中的过流现象，同时输出功率振荡也得到了有效抑制，系统的稳定性得到提升，但是故障期间的电流下降到只有正常情况下的一半，VSG的输出能力没有得到充分利用。

图12为使用电压幅值控制，有功功率控制和无功功率控制的三种控制策略的VSG输出电流和输出功率波形，对比图11的结果可以发现，故障前后的瞬间电流冲击得到有效抑制，而且故障期间的稳态电流和正常情况时的电流接近，在保证不过流的同时向电网提供了无功支撑，保证了VSG的输出能力的充分利用，有利于电网电压恢复。

上述仿真结果表明本发明所提的电压暂降故障期间的控制方法的有效性，电压幅值控制和有功控制相结合有效抑制了故障瞬间和故障切除瞬间产生个电流冲击，同时故障期间的稳态电流也得到了有效抑制，同时在故障期间给电网输出VSG所能输出的最大无功，支撑电网电压，有利于电网电压的恢复，提升了系统的稳定性。