CN110098632A - 一种虚拟同步发电机阻尼系数定量识别方法、***及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别方法及***，获取频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流；根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数。本发明使得阻尼系数D设置后能够正确的定量识别。

Description

一种虚拟同步发电机阻尼系数定量识别方法、***及装置

技术领域

本发明涉及新能源接入与控制技术，具体涉及一种虚拟同步发电机阻尼系数定量识别方法、***及装置。

背景技术

与传统能源大多通过同步发电机并入电网不同，越来越多的分布式电源通过电力电子并网逆变器接入到电网中，相比于传统的同步发电机，分布式电源并网逆变器具有响应迅速的优点，但由于其属于静置设备，不能够为电网提供足够的阻尼系数D，随着分布式电源渗透率的不断增加，将严重影响到电力***的动态响应和稳定性。

目前提出了虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)概念。其主要思想是利用并网逆变器模拟同步发电机运行特性，从而为含大量分布式电源的电力***提供转动阻尼系数D，同时可以借鉴电力***关于同步发电机运行的经，将传统同步发电机的相关控制策略和理论分析方法有效地引入其中，以实现分布式电源的友好接入。

还有提出了VSG的运行控制方法，然而却忽略了对阻尼系数D实际效果的综合评测，缺乏对VSG控制性能的定量计算，难以定量量化VSG对电网的支撑作用。在辅助服务市场中，电网公司更无法根据VSG所提供的辅助服务的强弱，给予经济激励。

一般地，对于传统的同步发电机，其自然振荡角频率在0.628～15.7rad/s之间，阻尼系数受机械摩擦、定子损耗和阻尼绕组等多种因素的影响，在阻尼系数D不够大时会引起电网功率的低频振荡，是电网安全稳定的一大隐患。一般地，对于一个确定的同步发电机，其阻尼系数几乎是不变的，而对于虚拟同步发电机，阻尼系数只是其控制参数，可以根据实际需要进行设置。然而阻尼系数D设置后如何正确的定量识别，是当前困扰学术界和产业的疑难问题。

发明内容

为解决现有技术中阻尼系数D设置后如何正确的定量识别的问题，本发明的目的是提供一种虚拟同步发电机阻尼系数定量识别方法、***及装置，使得阻尼系数D设置后能够正确的定量识别。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别方法，其改进之处在于：

获取频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流；

根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

进一步地：所述阻尼系数定量识别表达式的建立过程，包括：

确定虚拟同步电机的转子运动方程，同时用微电源逆变器模拟虚拟同步发电机一次调频特性；

根据虚拟同步电机的转子运动方程和虚拟同步发电机一次调频特性构建虚拟同步发电机的虚拟惯量控制器表达式；

当频率变化为设定阈值时简化虚拟惯量控制器表达式，得到阻尼系数定量识别的表达式。

进一步地：所述确定虚拟同步电机的转子运动方程用下式表示：

其中，P_m为机械有功功率，P_e为电磁有功功率，ω为实际角速度，ω_N为额定角速度，J为转动惯量，D为阻尼系数。

进一步地：所述用微电源逆变器模拟虚拟同步发电机一次调频特性用下式表示：

其中，P_m为机械有功功率；P₀为虚拟同步发电机实际输出有功功率；D_p为有功-频率下垂系数。

进一步地：所述根据虚拟同步电机的转子运动方程和虚拟同步发电机一次调频特性构建虚拟同步发电机的虚拟惯量控制器表达式如下：

其中，P_e为电磁有功功率，ω为实际角速度，ω_N为额定角速度，J为转动惯量，D为阻尼系数；P₀为虚拟同步发电机实际输出有功功率；D_p为有功-频率下垂系数。

进一步地：所述当频率变化为设定阈值时简化虚拟惯量控制器表达式，得到阻尼系数定量识别的表达式如下：

其中，ω为实际角速度；ω₁为频率变化后的设定角速度阈值；P₁为ω＝ω₁时对应的虚拟同步电机输出的有功功率；ω_N为额定角速度，D为阻尼系数；P₀为虚拟同步发电机实际输出有功功率；D_p为有功-频率下垂系数。

进一步地：所述根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数，包括：

当虚拟同步发电机在额定频率下正常运行时，获得虚拟同步电机在频率变化前的电压和电流；

将频率由额定频率调整为设定阈值，并在频率达到设定阈值时维持运行，此时获得虚拟同步电机在频率变化后的电压和电流；

根据所述频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流计算输出的有功功率P₀和P₁；

根据有功功率P₀和P₁和阻尼系数定量识别的表达式计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

进一步地：所述P₁为频率变化后的实际输出有功功率，按下式计算：

P1＝1.732*U₁*I₁*cosδ

其中，U₁为频率变化后的虚拟同步电机电压；I₁为频率变化后的虚拟同步电机电流；δ为阻抗角；

P₀为频率变化前的实际输出有功功率，按下式计算：

P₀＝1.732*U₀*I₀*cosδ

其中，U₀为频率变化后的虚拟同步电机电压；I₀为频率变化后的虚拟同步电机电流。

本发明提供一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别***，其改进之处在于：

建立模块，用于预先建立阻尼系数定量识别的表达式；

获取模块，用于获取频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流；

计算模块，用于根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

进一步地：所述建立模块，包括：

确定单元，用于确定虚拟同步电机的转子运动方程，同时用微电源逆变器模拟虚拟同步发电机一次调频特性；

构建单元，用于根据虚拟同步电机的转子运动方程和虚拟同步发电机一次调频特性构建虚拟同步发电机的虚拟惯量控制器表达式；

获得单元，用于当频率变化为设定阈值时简化虚拟惯量控制器表达式，得到阻尼系数定量识别的表达式。

进一步地：所述计算模块，包括：

第一获取单元，用于当虚拟同步发电机在额定频率下正常运行时，获得虚拟同步电机在频率变化前的电压和电流；

第二获取单元，用于将频率由额定频率调整为设定阈值，并在频率达到设定阈值时维持运行，此时获得虚拟同步电机在频率变化后的电压和电流；

第一计算单元，用于根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流计算输出的有功功率P₀和P₁；

第二计算单元，用于根据有功功率P₀和P₁和阻尼系数定量识别的表达式计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

本发明提供一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别装置，其改进之处在于，包括：电网模拟装置和采集装置；所述采集装置设置于所述电网模拟装置和所述虚拟同步发电机之间，所述虚拟同步发电机通过所述电网模拟装置与电网连接；

所述采集装置包括电压互感器和电流互感器；所述电压互感器用于采集虚拟同步发电机的电压；所述电流互感器用于采集虚拟同步发电机的电流；

所述电网模拟装置包括：依次连接的降压变压器、整流器、逆变器、逆变器控制模块和升压变压器；

所述降压变压器与电网连接；

所述升压变压器与所述虚拟同步发电机连接；

所述逆变器控制模块用于：基于获取到的调频信息修改所述电网模拟装置逆变器侧的电压信息测试母线得到试验所需的频率变化。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：

本发明提供的技术方案解决现有技术中阻尼系数D设置后如何正确的定量识别的问题，为虚拟同步发电机阻尼系数的定量识别提供了方法，为虚拟同步发电机的控制***设计，优化并网性能，奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是本发明提供的虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别方法的流程图；

图2是本发明提供的虚拟同步发电机VSG虚拟惯量控制器原理框图；

图3是本发明提供的电网模拟装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

实施例一、

本发明提供一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别方法，其流程图如图1所示，所述方法可以包括：

S11、获取频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流；

S12、根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

步骤S11中，虚拟同步发电机是通过逆变器控制算法模拟传统同步电机的运行机制和外特性，从而使逆变电源具备惯量响应和阻尼特性，为***稳定运行提供频率和电压支撑。目前虚拟同步发电机模型多采用同步发电机组的经典二阶模型，VSG的转子运动方程如式(1)所示。

其中，P_m、P_e为机械有功功率和电磁有功功率，ω为实际电角速度，ω_N为额定角速度，J为转动惯量，D为阻尼系数。

借鉴同步发电机调速器的基本原理，微电源逆变器模拟同步发电机一次调频特性，通常采用有功功率-频率(P-f下垂)下垂方程：

其中，P与P_m物理意义相同，即P＝P_m；P₀为VSG实际输出有功功率；D_p为有功-频率下垂系数，为常数。

将式(1)、(2)两式联立，可得

根据式(3)可知，VSG虚拟惯量控制器框图，如图2所示。

当ω变化至ω₁(ω₁≠0)并稳定后，(ω₁-ω_N)保持恒定，即为常数；角速度变化率为0，即dω/dt为0，式(3)简化为：

其中，P₀为VSG实际输出有功功率，可由频率变化前(即ω＝ω_N时)的VSG输出端电压和电流计算得到；P₁为ω＝ω₁时对应的VSG输出的有功功率，亦可计算得到P₁；D_p为设置的有功-频率下垂系数，为已知；因此可以容易的算出阻尼系数D。根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流计算输出的有功功率P₀和P₁；其中：P₁为频率变化后的实际输出有功功率，P1＝1.732*U₁*I₁*cosδ，U₁为频率变化后的虚拟同步电机电压；I₁为频率变化后的虚拟同步电机电流；δ为阻抗角；P₀为频率变化前的实际输出有功功率，P1＝1.732*U₁*I₁*cosδ，U₀为频率变化后的虚拟同步电机电压；I₀为频率变化后的虚拟同步电机电流。P₀为频率变化前的实际输出有功功率，按下式计算：

P₀＝1.732*U₀*I₀*cosδ

其中，U₀为频率变化后的虚拟同步电机电压；I₀为频率变化后的虚拟同步电机电流。

最后，根据有功功率P₀和P₁和阻尼系数定量识别的表达式计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

实施例二、

为定量识别获取阻尼系数，需进一步开展试验，采集频率变化前后VSG的电压和电流。

采用附图2所示的电网模拟装置，为试验开展提供条件，包括：电网模拟装置和采集装置；所述采集装置设置于所述电网模拟装置和所述虚拟同步发电机之间，所述虚拟同步发电机通过所述电网模拟装置与电网连接；所述采集装置包括电压互感器和电流互感器；所述电压互感器用于采集虚拟同步发电机的电压；所述电流互感器用于采集虚拟同步发电机的电流；

所述电网模拟装置包括：依次连接的降压变压器、整流器、逆变器、逆变器控制模块和升压变压器；所述降压变压器与电网连接；所述升压变压器与所述虚拟同步发电机连接；所述逆变器控制模块用于：基于获取到的调频信息修改所述电网模拟装置逆变器侧的电压信息测试母线得到试验所需的频率变化。

当虚拟同步发电机有功出力大于30％额定功率时开展试验，具体试验步骤如下：

a)根据图3，连接虚拟同步发电机和测试、测量设备；

b)保持虚拟同步发电机在额定频率(50Hz)下正常运行；

c)设置电网模拟装置频率由额定频率降(或升)为f₁(f₁应在虚拟同步发电机可运行范围内，f₁＝ω₁/2π)，并在频率为f₁时维持运行t秒(t≥10s)；

d)采集记录测试点电压与电流的数据，计算输出的有功功率P₀、P₁，并根据式(4)计算出阻尼系数D。

实施例三、

基于同样的发明构思，本发明还提供一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别***，包括：

建立模块，用于预先建立阻尼系数定量识别的表达式；

获取模块，用于获取频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流；

计算模块，用于根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

进一步地：所述建立模块，包括：

确定单元，用于确定虚拟同步电机的转子运动方程，同时用微电源逆变器模拟虚拟同步发电机一次调频特性；

构建单元，用于根据虚拟同步电机的转子运动方程和虚拟同步发电机一次调频特性构建虚拟同步发电机的虚拟惯量控制器表达式；

获得单元，用于当频率变化为设定阈值时简化虚拟惯量控制器表达式，得到阻尼系数定量识别的表达式。

进一步地：所述计算模块，包括：

第一获取单元，用于当虚拟同步发电机在额定频率下正常运行时，获得虚拟同步电机在频率变化前的电压和电流；

第二获取单元，用于将频率由额定频率调整为设定阈值，并在频率达到设定阈值时维持运行，此时获得虚拟同步电机在频率变化后的电压和电流；

第一计算单元，用于根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流计算输出的有功功率P₀和P₁；

第二计算单元，用于根据有功功率P₀和P₁和阻尼系数定量识别的表达式计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

实施例四、

本发明还提供一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别方法的识别装置，包括电网模拟装置和采集装置；所述采集装置设置于所述电网模拟装置和所述虚拟同步发电机之间，所述虚拟同步发电机通过所述电网模拟装置与电网连接；所述采集装置包括电压互感器和电流互感器；所述电压互感器用于采集虚拟同步发电机的电压；所述电流互感器用于采集虚拟同步发电机的电流；所述电网模拟装置包括：依次连接的降压变压器、整流器、逆变器、逆变器控制模块和升压变压器；所述降压变压器与电网连接；所述升压变压器与所述虚拟同步发电机连接；所述逆变器控制模块用于：基于获取到的调频信息修改所述电网模拟装置逆变器侧的电压信息测试母线得到试验所需的频率变化。

本发明推导了虚拟同步发电机阻尼系数与有功功率关系的数学表达式，量化了频率变化与阻尼系数之间的关系；基于理论推导，给出了虚拟同步发电机阻尼系数定量识别的试验方法和步骤，简单并易于实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：

获取频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流；

根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

2.如权利要求1所述的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：所述阻尼系数定量识别表达式的建立过程，包括：

确定虚拟同步电机的转子运动方程，同时用微电源逆变器模拟虚拟同步发电机一次调频特性；

根据虚拟同步电机的转子运动方程和虚拟同步发电机一次调频特性构建虚拟同步发电机的虚拟惯量控制器表达式；

当频率变化为设定阈值时简化虚拟惯量控制器表达式，得到阻尼系数定量识别的表达式。

3.如权利要求2所述的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：所述确定虚拟同步电机的转子运动方程用下式表示：

其中，P_m为机械有功功率，P_e为电磁有功功率，ω为实际角速度，ω_N为额定角速度，J为转动惯量，D为阻尼系数。

4.如权利要求2所述的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：所述用微电源逆变器模拟虚拟同步发电机一次调频特性用下式表示：

其中，P_m为机械有功功率；P₀为虚拟同步发电机实际输出有功功率；D_p为有功-频率下垂系数。

5.如权利要求2-4任一所述的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：所述根据虚拟同步电机的转子运动方程和虚拟同步发电机一次调频特性构建虚拟同步发电机的虚拟惯量控制器表达式如下：

其中，P_e为电磁有功功率，ω为实际角速度，ω_N为额定角速度，J为转动惯量，D为阻尼系数；P₀为虚拟同步发电机实际输出有功功率；D_p为有功-频率下垂系数。

6.如权利要求2所述的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：所述当频率变化为设定阈值时简化虚拟惯量控制器表达式，得到阻尼系数定量识别的表达式如下：

其中，ω为实际角速度；ω₁为频率变化后的设定角速度阈值；P₁为ω＝ω₁时对应的虚拟同步电机输出的有功功率；ω_N为额定角速度，D为阻尼系数；P₀为虚拟同步发电机实际输出有功功率；D_p为有功-频率下垂系数。

7.如权利要求1所述的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：所述根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数，包括：

当虚拟同步发电机在额定频率下正常运行时，获得虚拟同步电机在频率变化前的电压和电流；

将频率由额定频率调整为设定阈值，并在频率达到设定阈值时维持运行，此时获得虚拟同步电机在频率变化后的电压和电流；

根据所述频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流计算输出的有功功率P₀和P₁；

根据有功功率P₀和P₁和阻尼系数定量识别的表达式计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

8.如权利要求7所述的阻尼系数定量识别方法，其特征在于：所述P₁为频率变化后的实际输出有功功率，按下式计算：

P1＝1.732*U₁*I₁*cosδ

其中，U₁为频率变化后的虚拟同步电机电压；I₁为频率变化后的虚拟同步电机电流；δ为阻抗角；

P₀为频率变化前的实际输出有功功率，按下式计算：

P₀＝1.732*U₀*I₀*cosδ

其中，U₀为频率变化后的虚拟同步电机电压；I₀为频率变化后的虚拟同步电机电流。

9.一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别***，其特征在于：

建立模块，用于预先建立阻尼系数定量识别的表达式；

获取模块，用于获取频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流；

计算模块，用于根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流，基于预先建立的阻尼系数定量识别的表达式，计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

10.如权利要求9所述的阻尼系数定量识别***，其特征在于：所述建立模块，包括：

确定单元，用于确定虚拟同步电机的转子运动方程，同时用微电源逆变器模拟虚拟同步发电机一次调频特性；

构建单元，用于根据虚拟同步电机的转子运动方程和虚拟同步发电机一次调频特性构建虚拟同步发电机的虚拟惯量控制器表达式；

获得单元，用于当频率变化为设定阈值时简化虚拟惯量控制器表达式，得到阻尼系数定量识别的表达式。

11.如权利要求9所述的阻尼系数定量识别***，其特征在于：所述计算模块，包括：

第一获取单元，用于当虚拟同步发电机在额定频率下正常运行时，获得虚拟同步电机在频率变化前的电压和电流；

第二获取单元，用于将频率由额定频率调整为设定阈值，并在频率达到设定阈值时维持运行，此时获得虚拟同步电机在频率变化后的电压和电流；

第一计算单元，用于根据频率变化前后的虚拟同步电机电压和电流计算输出的有功功率P₀和P₁；

第二计算单元，用于根据有功功率P₀和P₁和阻尼系数定量识别的表达式计算虚拟同步发电机的阻尼系数。

12.一种虚拟同步发电机的阻尼系数定量识别装置，其特征在于，包括：电网模拟装置和采集装置；所述采集装置设置于所述电网模拟装置和所述虚拟同步发电机之间，所述虚拟同步发电机通过所述电网模拟装置与电网连接；

所述采集装置包括电压互感器和电流互感器；所述电压互感器用于采集虚拟同步发电机的电压；所述电流互感器用于采集虚拟同步发电机的电流；

所述电网模拟装置包括：依次连接的降压变压器、整流器、逆变器、逆变器控制模块和升压变压器；

所述降压变压器与电网连接；

所述升压变压器与所述虚拟同步发电机连接；

所述逆变器控制模块用于：基于获取到的调频信息修改所述电网模拟装置逆变器侧的电压信息测试母线得到试验所需的频率变化。