基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器，包括功率型储能元件、DC/DC转换器、滤波电路、逆变器和控制器，所述功率型储能元件依次通过DC/DC转换器、逆变器和滤波电路连接电网；在系统负荷发生阶跃变化时，所述控制器控制DC/DC转换器和逆变器输出惯性功率并表现出衰减振荡特性，用于补偿系统转动惯量。与现有技术相比，本发明专利技术可以不改变分布式电源的传统并网模式的同时，有针对性的增加电力系统的惯性从而提高电力系统的稳定性，增强分布式电源并网的适应性，其作用可以代替虚拟同步发电机，从而避免了虚拟同步发电机控制算法复杂、设备投入高的缺点。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器
本专利技术涉及虚拟同步发电机技术，尤其是涉及一种基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器。
技术介绍
近年来，随着能源危机和环境污染的日益加剧，利用可再生能源发电的分布式发电技术得到了快速发展。风电、光伏发电等分布式发电的安全、稳定、高效并网，对改善能源的结构形式、提高大电网运行安全具有重要意义。传统同步发电机转子具有惯性能够稳定系统频率，但逆变器系统结构中缺乏具有惯性的旋转体，通常只能作为电流源并网。通过模拟传统同步发电机，在逆变器结构中配置储能单元的虚拟同步发电机技术改变了逆变器的电源形式。然而，对比分布式电源的传统并网模式下垂控制策略、PQ控制策略，虚拟同步发电机仍存在诸多不足之处，如控制算法复杂、设备投入成本高，因此如何在不改变逆变器传统并网模式的基础上在电力系统中引入惯性提高系统稳定性具有重要意义。虚拟同步发电机结构多有分布式电源、储能单元、并网逆变器组成。其控制算法在并网逆变器中引入了传统同步发电机的转子惯性特性和阻尼特性，使得并网逆变器表现出传统同步发电机的诸多特性。然而，虚拟同步发电机技术及其应用仍存在诸多不足之处。文献“虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略”(李武华，王金华，杨贺雅，等.中国电机工程学报，2017，37(02)：381-391.)指出虚拟同步发电机技术通过模拟同步发电机运行机制，改善了系统稳定性，成为解决分布式电源高渗透率问题的有效方案之一。然而，虚拟同步发电机存在同步频率谐振现象，容易引发功率振荡，导致系统不稳定。该文分析电磁磁链的动态过程；通过建立虚拟同步发电机的宽频域功率动态耦合模型，发现有功–无功的功率耦合效应会加剧同步频率谐振。文献“基于储能系统SOC反馈调节的变参数风电场虚拟惯量补偿控制”(王晓东,郑帅,刘颖明,等.电器与能效管理技术,2017(13):8-15.)研究指出直流侧储能单元是实现虚拟同步机系统提供虚拟惯性和阻尼特性的物理基础。但储能单元的容量受限于环境和投资等因素，其具有充放电的功率限值，因此根据虚拟同步机相关动态特性，储能单元的配置会影响虚拟同电机功能的实现。同时该文献还研究指出储能单元在不同荷电状态下具有充放电的功率上限，通过检测系统频率的变化与蓄电池荷电状态，调节蓄电池的荷电状态变化率与充放电电流的速率，从而短时为系统提供惯性支持，这一特性对于虚拟同步发电机转动惯量的设置具有重要影响。虚拟同步发电机控制策略能够在控制算法中引入惯性控制，从而提高了系统频率稳定，但这种控制策略控制算法复杂、投入成本高。针对以上所提虚拟同步发电机的缺点，逆变器的传统并网模式下垂控制策略和PQ控制策略，控制算法简单、投入成本低，目前已经大规模应用至电力系统之中。逆变器下垂控制策略，经实测光伏逆变器可参与电网快速频率响应，其响应特性与水电机组一次调频性能相当，优于火电机组；PQ控制策略能够实现光伏的最大化利用，降低发电成本。但由于逆变器缺乏惯性结构，这两种控制策略响应速度过快使得电网频率稳定性降低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器，包括功率型储能元件、DC/DC转换器、滤波电路、逆变器和控制器，所述功率型储能元件依次通过DC/DC转换器、逆变器和滤波电路连接电网；在系统负荷发生阶跃变化时，所述控制器控制DC/DC转换器和逆变器输出惯性功率并表现出衰减振荡特性，用于补偿系统转动惯量。优选的，所述控制器采用双环控制结构。优选的，所述双环控制结构包括外环控制结构和内环控制结构，所述外环控制结构的输入和输出分别为电网电气角频率和转子惯性功率参考值，所述转子惯性功率参考值除以电网电压的直流分量后输入到所述内环控制结构。优选的，所述内环控制结构采用并网电流PI控制，用于保证惯性功率的大小和参考值一致。优选的，所述内环控制结构的输出为逆变器端口电压参考值，所述逆变器端口电压参考值被输送到脉冲宽度调制开关信号发生和驱动环节。优选的，所述功率型储能元件具体为超级电容器。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、利用功率守恒原理，使用功率解耦的方法分解出了转子惯性功率，由于转子惯性功率的存在，延长了系统暂态调整时间从而降低了频率变化率，借鉴静止无功补偿器提出了静止惯性补偿器的系统结构和控制方法，增加电力系统的惯性，从而提高电力系统的稳定性，增强分布式电源并网的适应性，其作用可以代替虚拟同步发电机，从而避免了虚拟同步发电机控制算法复杂、设备投入高的缺点。2、使用超级电容和逆变器组成静止惯性补偿器的结构，能够利用超级电容功率密度较高、逆变器响应速度快的优点，实现了系统惯性的独立集中补偿，控制参数的可调性大大提高。3、不改变分布式电源的传统并网模式，从而使得逆变器控制算法简单，保留了传统并网模式的优点，无需大规模更换现有设备，运行更为可靠，节省改造成本。附图说明图1为本专利技术静止惯性补偿器结构示意图；图2为静止惯性补偿器控制模型示意图；图3为现有的虚拟同步发电机结构示意图；图4为虚拟同步发电机输出功率；图5为虚拟同步发电机对系统频率的改善情况示意图；图6为静止无功补偿器系统结构图；图7为引入静止惯性补偿器系统结构图；图8为虚拟同步发电机控制过程示意图；图9为虚拟同步发电机在负荷阶跃增大时的不同转动惯量条件下的转子惯性功率动态响应；图10为下垂控制策略系统仿真中负荷功率参考值结果图；图11为下垂控制策略系统仿真中逆变器输出功率结果图；图12为下垂控制策略系统仿真中系统频率结果图；图13为虚拟同步发电机控制策略仿真中虚拟同步发电机输出功率结果图；图14为虚拟同步发电机控制策略仿真中系统频率结果图；图15为静止惯性补偿器控制策略仿真中分布式电源输出功率结果图；图16为静止惯性补偿器控制策略仿真中静止惯性补偿器输出功率结果图；图17为静止惯性补偿器控制策略仿真中系统频率结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。将传统同步发电机特性方程引入逆变器控制算法中可使逆变器表现出同步发电机相关运行特性。如将下垂特性引入逆变器中通过蓄电池的充放电可使得逆变器实现一次调频功能，一定程度提高了系统功频稳定。无配置储能单元的PQ控制策略控制算法简单，实际应用运行可靠，且投入成本较低。虽然以上控制算法过程简单、易于实现，但由于逆变器结构中缺乏与传统同步发电机转子等效的旋转设备，逆变器并网系统缺乏惯性和阻尼特性，当大量分布式电源并入电网后，电网频率稳定难以保持。将转子惯性和发电机下垂特性引入逆变器控制算法的虚拟同步发电机可使得逆变器实现惯量特性和一次调频功能。如图3所示为虚拟同步发电机结构和控制策略示意图。图4所示为应对负荷阶跃变化的输出功率响应，可知虚拟同步发电机输出功率特性与传统同步发电机一致，表现出二阶振荡衰减特性。图5为虚拟同步发电机对系统频率的改善情况，可知系统频率稳定性提高，且随着转动惯量的增大稳定性增强。虚拟同步发电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器，其特征在于，包括功率型储能元件、DC/DC转换器、滤波电路、逆变器和控制器，所述功率型储能元件依次通过DC/DC转换器、逆变器和滤波电路连接电网；在系统负荷发生阶跃变化时，所述控制器控制DC/DC转换器和逆变器输出惯性功率并表现出衰减振荡特性，用于补偿系统转动惯量。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器，其特征在于，包括功率型储能元件、DC/DC转换器、滤波电路、逆变器和控制器，所述功率型储能元件依次通过DC/DC转换器、逆变器和滤波电路连接电网；在系统负荷发生阶跃变化时，所述控制器控制DC/DC转换器和逆变器输出惯性功率并表现出衰减振荡特性，用于补偿系统转动惯量。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器，其特征在于，所述控制器采用双环控制结构。3.根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电机转子惯性功率解耦的惯性补偿器，其特征在于，所述双环控制结构包括外环控制结构和内环控制结构，所述外环控制结构的输入和...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晋斌，李吉祥，屈克庆，李芬，毛玲，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31