CN113394829A - 一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及虚拟同步发电机技术,具体涉及一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法,首先通过加入虚拟复阻抗来实现***输出功率解耦并匹配传输阻抗,提高多VSG并联的稳态无功功率分配比例、减小暂态时的功率波动。然后在VSG无功‑电压下垂控制中引入二次调压控制器来实现负载电压的无差控制。针对孤岛模式下多VSG并联运行且都参与二次调压的情况,通过给PI调节器设置相同的参数且在其后串联一个与容量成正比的系数来保证各VSG增加的无功功率也能按容量分配。该方法实现了虚拟同步发电机之间的传输阻抗匹配和功率解耦,同时还实现了负载电压的无差调节且各VSG按容量分配无功功率,并改善了***的动态响应。

Description

一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法
技术领域
本发明属于虚拟同步发电机技术领域,特别涉及一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法。
背景技术
传统的化石能源容量有限且会带来环境污染等问题,促进了可再生能源的大力发展。分布式发电具有环境友好、范围广、高灵活性等明显的优势,近年来越来越受到社会各界的广泛关注。而微电网整合分布式发电的资源,通过电力电子变换器将发电侧和用户负荷连起来,作为整体可控的独立电网。
分布式电源采用多逆变器并联的方式可提高微电网***的整体容量及可靠性。近年来,逆变器并联控制技术成为了分布式能源技术发展的重难点之一。逆变器并联控制策略中的虚拟同步发电机控制由于可模拟大电网中的同步发电机优良的惯性和阻尼特性,使逆变器具有良好的抗频率扰动能力;且该控制方法下逆变器能够参与电网电压和频率的调节,有利于逆变器并入电网。但是在中低压微电网中,分布式电源往往因为距离不同而导致线路阻抗不匹配且阻感比较大导致***输出功率无法实现解耦控制,且由于虚拟同步发电机的电压一次调节特性,导致***容量和负载吸收功率不匹配时,负载无法工作在额定电压条件下。
而申请号为CN201310517616.1名称为“一种具有二次调频调压特性的逆变器下垂控制方法”的发明专利和申请号为CN201510628811.0名称为“具有二次调压调频功能的同步逆变器控制***”的发明专利,都是基于单台***的调节方法。申请号为CN201810081860.0名称为“一种虚拟同步发电机控制方法”的发明专利和申请号为CN201811175117.8名称为“基于“虚拟复阻抗”的低压微网下垂控制方法”的发明专利,其虚拟复阻抗主要是用来改变***阻抗比从而实现***输出功率解耦。
发明内容
针对背景技术存在的问题,本发明提供一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法,通过给并联的各虚拟同步发电机VSG无功-电压下垂控制中引入电压二次调节控制器并设置其参数一致,在PI调节器后串联一个与容量成正比的系数;设置电压电流双闭环和滤波器参数使***输出阻抗为0,加入虚拟复阻抗来改变***的等效传输阻抗,使无功功率按容量分配;包括以下步骤:
步骤1、将***输出的有功功率和无功功率经过有功-频率环和优化后的无功-电压环得到***输出电角度和虚拟内电势;
步骤2、通过加入虚拟复阻抗实现***等效传输阻抗的匹配,将***输出电角度和虚拟内电势合成三相电压并减去虚拟复阻抗上的压降,得到电压电流双闭环的输出参考电压;
步骤3、将电压电流环的参考电压电流信号分别和逆变器主电路中电容电压、电感电流作差经过PI调节器调节后,通过PWM发生器控制逆变器的通断来调节***输出的电压电流。
在上述基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法中,步骤1所述优化后的无功-电压环公式为:
Figure BDA0003138662540000021
其中,E和En分别表示无功-电压环输出虚拟内电势和空载电动势,Vn、VL分别表示额定电压和负载电压,Kp、Ki、kp、Dq、K分别负载电压二次调节PI控制器的比例和积分系数、无功容量分配系数、无功-电压下垂系数、无功-电压环积分器系数,En=Vn=311V;
多虚拟同步发电机并联时PI调节器的参数保持一致,不同VSG间kp的比值等于***容量之比。
在上述基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法中,步骤2所述虚拟复阻抗公式为:
Figure BDA0003138662540000022
其中,ωv是用于避免引入输出电流时间导数的高频噪声的低通滤波器的截止频率,Rv、Lv分别为虚拟电阻和虚拟电感;
步骤2所述通过虚拟复阻抗实现***阻抗匹配,其表达式为:
Zoi(s)=(-Rvi+Rli)+jω(Lvi+Lli)
其中,ω表示***输出的角频率,Zoi(s)为***等效传输阻抗,虚拟负电阻用于抵消线路电阻,减少阻抗压降,虚拟电感用于提高***的感性分量,使***呈纯感性;加入了虚拟复阻抗之后的***等效传输阻抗之比等于***容量之比的倒数。
与现有技术相比,本发明通过引入负载电压二次调节模块并将其参数设置相同,然后PI调节器后面串联一个与***无功容量呈正比的无功分配系数,以及加入虚拟复阻抗来实现虚拟同步发电机之间的传输阻抗匹配和功率解耦。实现了负载电压的无差调节且各VSG按容量分配无功功率,并改善了***的动态响应。
附图说明
图1为本发明实施例2的虚拟同步发电机并联结构示意图;
图2为本发明实施例2的加入虚拟复阻抗之后的虚拟同步发电机并联示意图;
图3为本发明实施例2的优化后的无功-电压环示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例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作出创造性劳动的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。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。
实施例1:
本实施例针对中低压微电网中分布式电源(DGs)距离不同,导致不同逆变单元的线路阻抗不匹配且线路阻感比过大,使得***无法实现输出功率间的解耦控制,且采用传统虚拟同步发电机(VSG)控制的多逆变器间无法实现无功功率按容量分配。本发明首先通过加入虚拟复阻抗来实现传输阻抗的匹配和***输出功率解耦,提高多VSG并联的稳态无功功率分配比例、减小暂态时的功率波动。然后在VSG无功-电压下垂控制中引入二次调压控制器来实现负载电压的无差控制。针对孤岛模式下多VSG并联运行且都参与二次调压的情况下,通过将PI调节器参数设置相同并在调节器后串联一个与容量成正比的系数来实现,且各VSG增加的无功功率也能按容量分配。
本实施例是通过以下技术方案来实现的,一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法,通过给并联的各VSG引入电压二次调节模块并设置其参数一致,然后在PI调节器后串联一个与容量成正比的系数来确保***增加的无功容量也能与容量成正比,从而保证***输出的无功功率按容量分配。通过设置电压电流双闭环和滤波器参数使***输出阻抗近似为0,然后加入虚拟复阻抗来改变***的等效传输阻抗,从而使本身没有比例关系且主要由线路阻抗决定的等效传输阻抗能够与***容量之比成倒数关系,从而实现无功功率能够按容量分配。包括以下步骤:
S1、将***输出的有功功率和无功功率经过有功-频率环和优化后的无功-电压环得到***输出电角度和虚拟内电势;
S2、通过加入虚拟复阻抗来实现***阻抗的匹配,将***输出电角度和虚拟内电势合成三相电压并减去虚拟复阻抗上的压降来得到电压电流双闭环的输出参考电压;
S3、将电压电流环的参考电压电流信号分别和虚拟同步发电机输出电路中电容电压、电感电流作差经过PI调节器调节后,通过PWM发生器控制逆变器的通断来调节***输出的电压电流。
所述S1中优化后的无功-电压环,具体为:
Figure BDA0003138662540000041
其中,E和En分别表示无功-电压环输出虚拟内电势和空载电动势,Vn、VL分别表示额定电压和负载电压,Kp、Ki、kp、Dq、K分别负载电压二次调节PI控制器的比例和积分系数、无功容量分配系数、无功-电压下垂系数、无功-电压环积分器系数;En=Vn=311V;Qref、Qe分别为VSG无功功率容量、输出无功功率;
所述优化后的无功-电压环,多虚拟同步发电机并联时PI调节器的参数应保持一致,不同VSG间kp的比值等于***容量之比。
所述S2中虚拟复阻抗具体为:
Figure BDA0003138662540000051
其中,ωv是用于避免引入输出电流时间导数的高频噪声的低通滤波器的截止频率,Rv、Lv分别为虚拟电阻和虚拟电感;
通过加入虚拟复阻抗来实现***的等效传输阻抗进行匹配的具体表达式为:
Zoi(s)=(-Rvi+Rli)+jω(Lvi+Lli)
其中,Zoi(s)为***等效传输阻抗,虚拟负电阻用来抵消线路电阻,减少阻抗压降,虚拟电感用来提高***的感性分量,使***呈纯感性。加入了虚拟复阻抗之后的***等效传输阻抗之比等于***容量之比的倒数。
实施例2:
图1所示为本实施例2的虚拟同步发电机并联结构示意图,主电路为三相全桥逆变电路,两台虚拟同步发电机并入母线实现共同带负载运行。
根据同步发电机二阶模型,得到虚拟同步发电机的有功-频率环,具体如下:
Figure BDA0003138662540000052
其中,Pref为VSG额定功率,Pe为VSG输出的有功功率,J、Dp分别表示虚拟同步发电机的虚拟转动惯量和虚拟阻尼,Δω表示角频率偏差,
Figure BDA0003138662540000053
R和X分别表示励磁电动势、定子端电压、定子电流、定子电枢电阻和同步电抗。
其中,Δω具体为:
Δω=ω-ω0
其中,ω表示***输出的角频率,ω0表示参考角频率,取值为314rad/s。
图2所示为引入了虚拟复阻抗来进行多虚拟同步发电机传输阻抗匹配的结构示意图,该方法包括以下步骤:
S1、将***输出的有功功功率和无功功率经过有功-频率环和优化后的无功-电压环的到***输出电角度和电压幅值;
S2、通过加入虚拟复阻抗来实现***等效传输阻抗的匹配,将***输出电角度和电压幅值合成三相电压并减去虚拟复阻抗上的压降来得到电压电流双闭环的输出参考电压;
S3、将电压电流环的参考电压电流信号分别和虚拟同步发电机输出电路中电容电压、电感电流经过PI调节器调节后,通过PWM发生器控制逆变器的通断来调节***频率。
如图3所示,优化后的无功-电压环的具体表达式为:
Figure BDA0003138662540000061
其中,E和En分别表示无功-电压环输出的虚拟内电势和空载电动势,Vn、VL分别表示额定电压和负载电压,Kp、Ki、kp、Dq、K分别负载电压二次调节PI控制器的比例和积分系数、无功容量分配系数、无功-电压下垂系数、无功-电压环积分器系数;
多虚拟同步发电机并联时PI调节器的参数应保持一致,不同VSG间kp应等于***容量比;即kp1:kp2=Qref1:Qref2=n,kp1和kp2分别为VSG1和VSG2的无功容量分配系数,Qref1和Qref2分别为VSG1和VSG2的无功功率容量,n为容量比。
步骤S2中虚拟复阻抗具体为:
Figure BDA0003138662540000062
其中,ωv是用于避免引入输出电流时间导数的高频噪声的低通滤波器的截止频率,Rv、Lv分别为虚拟电阻和虚拟电感;
如图2所示,经过虚拟复阻抗来实现***的等效传输阻抗与***的无功容量呈反比,其具体表达式为:
Zoi(s)=(-Rvi+Rli)+jω(Lvi+Lli)
其中,Zoi(s)为***等效传输阻抗,虚拟负电阻用来抵消线路电阻,减少阻抗压降,虚拟电感用来提高***的感性分量,使***呈纯感性。加入了虚拟复阻抗之后的***等效传输阻抗之比等于***容量之比的倒数。
如图所1示,VSG上层功率环输出的角度θ与虚拟内电势E,经过三相电压合成模块再减去虚拟复阻抗上的电压之后得到电压电流双闭环的输入信号,电压电流环的电压和电流参考信号与逆变器输出电感电流和电容电压做差后再经PI调节器调节可以改善输出电压电流波形。最后通过电压电流双闭环输出的调制波通过控制PWM发生器的通断来控制逆变器的输出电压电流。
以上仅为本发明较佳的实施例,并非因此限制本发明的实施方式及保护范围,对于本领域技术人员而言,应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案,均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法,其特征在于:通过给并联的各虚拟同步发电机VSG无功-电压下垂控制中引入电压二次调节控制器并设置其参数一致,在PI调节器后串联一个与容量成正比的系数;设置电压电流双闭环和滤波器参数使***输出阻抗为0,加入虚拟复阻抗来改变***的等效传输阻抗,使无功功率按容量分配;包括以下步骤:
步骤1、将***输出的有功功率和无功功率经过有功-频率环和优化后的无功-电压环得到***输出电角度和虚拟内电势;
步骤2、通过加入虚拟复阻抗实现***等效传输阻抗的匹配,将***输出电角度和虚拟内电势合成三相电压并减去虚拟复阻抗上的压降,得到电压电流双闭环的输出参考电压;
步骤3、将电压电流环的参考电压电流信号分别和逆变器主电路中电容电压、电感电流作差经过PI调节器调节后,通过PWM发生器控制逆变器的通断来调节***输出的电压电流。
2.根据权利要求1所述基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法,其特征在于:步骤1所述优化后的无功-电压环公式为:
Figure FDA0003138662530000011
其中,E和En分别表示无功-电压环输出虚拟内电势和空载电动势,Vn、VL分别表示额定电压和负载电压,Kp、Ki、kp、Dq、K分别负载电压二次调节PI控制器的比例和积分系数、无功容量分配系数、无功-电压下垂系数、无功-电压环积分器系数,En=Vn=311V;
多虚拟同步发电机并联时PI调节器的参数保持一致,不同VSG间kp的比值等于***容量之比。
3.根据权利要求1所述基于电压二次调节的多虚拟同步发电机并联控制方法,其特征在于:步骤2所述虚拟复阻抗公式为:
Figure FDA0003138662530000012
其中,ωv是用于避免引入输出电流时间导数的高频噪声的低通滤波器的截止频率,Rv、Lv分别为虚拟电阻和虚拟电感;
步骤2所述通过虚拟复阻抗实现***阻抗匹配,其表达式为:
Zoi(s)=(-Rvi+Rli)+jω(Lvi+Lli)
其中,ω表示***输出的角频率,Zoi(s)为***等效传输阻抗,虚拟负电阻用于抵消线路电阻,减少阻抗压降,虚拟电感用于提高***的感性分量,使***呈纯感性;加入了虚拟复阻抗之后的***等效传输阻抗之比等于***容量之比的倒数。
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