CN113346517B - 一种虚拟同步机的阻尼支撑策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，具体按照以下步骤实施：步骤1、建立同步发电机二阶模型，获得功率‑频率的传递函数；步骤2、通过VSG并网控制电路对同步发电机二阶模型施加功率扰动，计算该功率扰动下频率响应函数；步骤3、对功率扰动下频率响应函数求导，并设置阻尼系数，获得扰动后的稳态频率；避免惯性时间常数和阻尼不匹配的问题，增加的虚拟同步机并网的稳定性与可靠性。

Description

一种虚拟同步机的阻尼支撑策略

技术领域

本发明属于虚拟阻尼支撑技术领域，具体涉及一种虚拟同步机的阻尼支撑策略。

背景技术

随着传统化石能源枯竭和环境问题突出，新能源迅速发展，新能源以并网逆变器作为接口并入电网，电力电子装备具有可调节性能好的优点，然而逆变器存在着过载能力差、输出阻抗小和不存在惯性等缺点。大量新能源以电力电子装备并网引起电力***惯量降低，造成频率问题突出，威胁电力***的安全稳定运行。

传统电力***以大型同步发电机作为主要电源为电网提供电能。当电力***发生功率扰动时，同步发电机具有转动惯量，当频率过高或过低时，其能够吸收或释放动能应对过剩功率或者弥补功率不足，此过程对于保证功率平衡和抑制频率的快速变化至关重要。新能源以电力电子设备并网，电力电子装置不具备同步发电机的转动惯量，高比例新能源电力***低惯量特征突出，***抗扰能力减弱。

为应对电力***惯量降低的问题，学者提出了虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator)技术，使逆变器模拟同步发电机运动过程，通过模拟同步发电机的转子运动过程、有功调频以及无功调压等特性，从物理机理出发，使并网逆变器具有类似于同步发电机的外特性。

将同步发电机的电磁特性与机械运动过程融入到逆变器控制中，外特性可等效同步发电机，逆变器能够为电网提供惯性支撑。为提高VSG的并网性能，学界针对VSG的本题控制器和参数整定进行了相关研究。目前主要的研究有控制结构和参数设计的研究。结合同步发电机功角曲线与转子惯量提出了一种转动惯量自适应的VSG控制算法，通过小信号建模确定惯量系数；针对多台VSG并网出现的功率振荡问题，对主电路和控制器参数进行优化可达到抑制振荡发生的目的；根据频率响应特性对其进行分区，根据动态性能对惯量进行了自适应控制，可有效提升了频率响应特性。

目前研究主要考虑了虚拟同步机的转动惯量对频率响应特性的影响，对VSG***的虚拟阻尼对频率支撑作用研究不足，且无法解决惯性时间常数和阻尼不匹配的问题，导致虚拟同步机并网的稳定性与可靠性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，解决了现有的阻尼支撑策略由于惯性时间常数和阻尼不匹配而导致并网稳定问题。

本发明所采用的技术方案是，一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立同步发电机二阶模型，获得功率-频率的传递函数；

步骤2、通过VSG并网控制电路对同步发电机二阶模型施加功率扰动，计算该功率扰动下频率响应函数；

步骤3、对功率扰动下频率响应函数求导，并设置阻尼系数，获得扰动后的稳态频率。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：取同步发电机极对数为1，建立同步发电机二阶模型等效摇摆方程：

式(1)中:P_m为同步发电机机械功率，P_e为电磁功率；ω为同步发电机电角速度，因为极对数为1，电角速度与机械角速度ω近似相同，Δω为电角速度与额定电角速度之差，H为惯性时间常数，D为阻尼系数，θ为电角度。

步骤2具体过程为：

通过VSG并网控制电路对同步发电机二阶模型施加功率扰动，考虑功率扰动下频率响应的传递函数为：

其中，

其中ω_n为无阻尼振荡频率，ξ为阻尼比；

当***发生扰动时，单位阶跃响应即s域的频率偏差响应函数为：

其中ω_d为阻尼振荡频率

步骤3具体过程为：

将频率偏差响应函数转换到时域，并加上扰动前的稳态频率，得扰动后频率：

其中

对扰动后频率进行求导得:

令式(6)为0，得到到达频率最低点的时间为：

将(7)带入(5)可得频率最低点为：

当频率响应到达稳态频率时，公式(5)中的衰减相为0，得扰动后的稳态频率为：

其中，D表示阻尼系数。

设置阻尼系数具体过程为：利用最优二阶***分析法，确定***的阻尼比为ξ＝0.707，确定关于惯性时间常数的阻尼参数表示为：

本发明有益效果是：

本发明结合阻尼对频率响应的作用，提出一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，避免惯性时间常数和阻尼不匹配的问题，增加的虚拟同步机并网的稳定性与可靠性。

附图说明

图1是本发明中VSG并网控制电路整体控制图；

图2是本发明中VSG并网控制电路本体模型控制图；

图3是根据本发明一种虚拟同步机的阻尼支撑策略得到的根轨迹图；

图4是本发明实施例中不同惯性时间常数下频率响应变化示意图；

图5是本发明实施例中采用阻尼支撑策略与非阻尼支撑策略得到的频率变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

针对目前VSG对阻尼支撑认识不足导致的并网稳定问题，本发明结合阻尼对频率响应的作用，提出了阻尼支撑的策略，避免惯性时间常数和阻尼不匹配的问题，增加的虚拟同步机并网的稳定性与可靠性。

本发明一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

同步发电机二阶模型可描述发电机的转动运动过程且不需要电磁耦合分析，故将其作为虚拟同步发电机本体的控制算法。建立同步发电机二阶模型，获得功率-频率的传递函数；具体过程为：取同步发电机极对数为1以简化分析过程，同步发电机输出频率变化微小，建立同步发电机二阶模型等效摇摆方程：

式(1)中:P_m为同步发电机机械功率，P_e为电磁功率；ω为同步发电机电角速度，因为极对数为1，电角速度与机械角速度ω近似相同，Δω为电角速度与额定电角速度之差，H为惯性时间常数，D为阻尼系数，θ为电角度。

式(1)模拟了同步发电机的转子运动过程，当机械功率与电磁功率不平衡时，电角速度会发生偏移，H和D对于运动过程中的稳定具有重要作用。

传统同步发电机转子具有惯性响应之外，还可以通过对机械转矩进行调节，以控制发电机的有功输出，当电网频率出现偏差时，调频器动作增发或者减少功率输出。借鉴调速器原理，将频率偏差作为输入调节虚拟同步发电机输出功率P_m，考虑到调速器的延时动作，调速器下垂特性在频域的表示为

其中R_d为下垂系数，功率输出与频率成负相关，当频率上升时，减少有功功率输出减少频率上升；当频率下降时，增大有功功率输出以阻止频率进一步下跌。

通过VSG并网控制电路对同步发电机二阶模型施加功率扰动，VSG并网控制电路本体模型控制图如图2所示，忽略分布式能源的动态响应特性，用直流电压源进行等效替代，计算该功率扰动下频率响应函数；具体过程为：

通过VSG并网控制电路对同步发电机二阶模型施加功率扰动，考虑功率扰动下频率响应的传递函数为：

其中，

其中ω_n为无阻尼振荡频率，ξ为阻尼比；

当***发生扰动时，单位阶跃响应即s域的频率偏差响应函数为：

其中ω_d为阻尼振荡频率

对功率扰动下频率响应函数求导，并设置阻尼系数，获得扰动后的稳态频率。具体过程为：

将频率偏差转换到时域，并加上扰动前的稳态频率，得扰动后频率：

其中

从频率响应可知，VSG参数决定了频率响应的动态性能与稳态性能。对频率指标频率变化率(RoCoF)f_RoCoF、频率最低点f_peak和稳态频率f_∞进行计算。

对扰动后频率进行求导得:

从频率响应曲线可值，频率最低点即为频率变化率首次为0的点，令式(6)为0，得到到达频率最低点的时间为：

将(7)带入(5)可得频率最低点为：

当频率响应到达稳态频率时，公式(5)中的衰减相为0，得扰动后的稳态频率为：

其中，D表示阻尼系数。

画出***根轨迹图为分析阻尼对稳定性的影响如图3所示。

从根轨迹图可知，当D为0时，有在正半轴的根，即***不稳定；当D逐步增大时，正半轴的跟会进入左半平面，***进入稳定状态，即阻尼有利于***稳定。

针对目前惯性时间常数自适应较多，随着H的变化，为保证***稳定，D需要满足一定的条件，设置阻尼系数具体过程为：利用最优二阶***分析法，，确定关于惯性时间常数的阻尼参数表示为：

实施例

为验证本发明设计VSG阻尼支撑策略的有效性，利用Matlab/Simulink仿真软件单台VSG的仿真算例。仿真***运行在并网模式，1s时发生有功功率扰动，惯性时间常数固定，分析不同阻尼下的频率变化，分析阻尼对频率的支撑作用。

为分析阻尼对频率响应的影响，取H为10，D分别取0.1、1、5和10，当***发生扰动时，频率响应变化如图4所示，根据图4可知随着阻尼***的增大，频率最低点和稳态频率增大，且频率振荡消失，***阻尼增大有利于频率稳定，***调节时间并没有明显增大。扰动发生初期，频率变化率并没有显著变化，阻尼对初始频率变化率影响小。

为验证本发明所提策略的可行性，将本发明所提阻尼支撑策略与阻尼参数不匹配的情况进行对比，试验结果如图5所示。当阻尼参数不匹配时，频率最低点低，频率变化率大，稳态频率低，且在恢复阶段存在频率振荡，频率响应的动态和静态性能差；应用本发明最优二次***阻尼支撑策略，频率变化率减小，最低频率上升，在上升阶段不存在振荡，频率响应在动态性能和稳态性能方面有明显提升，验证了发明所提策略的可行性与优越性。

通过上述方式，本发明一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，避免惯性时间常数和阻尼不匹配的问题，增加的虚拟同步机并网的稳定性与可靠性。

Claims (2)

1.一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立同步发电机二阶模型，获得功率-频率的传递函数；具体过程为：取同步发电机极对数为1，建立同步发电机二阶模型等效摇摆方程：

式(1)中:P_m为同步发电机机械功率，P_e为电磁功率；ω为同步发电机电角速度，因为极对数为1，电角速度与机械角速度ω相同，Δω为电角速度与额定电角速度之差，H为惯性时间常数，D为阻尼系数，θ为电角度；

步骤2、通过虚拟同步机VSG并网控制电路对同步发电机二阶模型施加功率扰动，计算该功率扰动下频率响应函数；具体过程为：

通过虚拟同步机VSG并网控制电路对同步发电机二阶模型施加功率扰动，考虑功率扰动下频率响应的传递函数为：

其中，

其中ω_n为无阻尼振荡频率，ξ为阻尼比，Δω为电角速度与额定电角速度之差，R_d为下垂系数，H为惯性时间常数，D表示阻尼系数；

当***发生扰动时，单位阶跃响应即s域的频率偏差响应函数为：

其中ω_d为阻尼振荡频率

步骤3、对功率扰动下频率响应函数求导，并设置阻尼系数，获得扰动后的稳态频率；具体过程为：

将频率偏差响应函数转换到时域，并加上扰动前的稳态频率，得扰动后频率：

其中

对扰动后频率进行求导得:

令式(6)为0，得到到达频率最低点的时间为：

将(7)带入(5)可得频率最低点为：

当频率响应到达稳态频率时，公式(5)中的衰减相为0，得扰动后的稳态频率为：

其中，D表示阻尼系数。

2.根据权利要求1所述一种虚拟同步机的阻尼支撑策略，其特征在于，所述设置阻尼系数具体过程为：利用最优二阶***分析法，确定关于惯性时间常数的阻尼参数表示为：

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