对称电压暂降下改进的虚拟同步发电机控制方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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，专利技术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。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术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。本专利技术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；Tm、Te和Td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：ea、eb、ec和ia、ib、ic为VSG的输出电压和输出电流，Pe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：ea为输出a相电压，eb为输出b相电压，ec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Pn时对应的最大无功功率Qnmax，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:Req和Leq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＝Pref*(U/Unor)2其中：Pref为改进前的VSG输出有功参考值，U为电网实际电压，Unor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，Pn为某一状态下VSG输出的有功功率，Qn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，Pn为某一状态下VSG输出的有功功率，Qn为VSG输出的无功功率。步骤(4)中所述最大无功功率Qnmax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，Pn为某一状态下VSG输出的有功功率，Qn为VSG输出的无功功率。本专利技术的有益效果如下：本专利技术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专利技术作详细的描述。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；Tm、Te和Td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：ea、eb、ec和ia、ib、ic为VSG的输出电压和输出电流，Pe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：ea为输出a相电压，eb为输出b相电压，ec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-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，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：

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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；Tm、Te和Td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：ea、eb、ec和ia、ib、ic为VSG的输出电压和输出电流，Pe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：ea为输出a相电压，eb为输出b相电压，ec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Pn时对应的最大无功功率Qnmax，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。2.根据权利要求1所述的对称电压暂降下含无功补偿功能的虚拟同步...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴骏，郑建勇，曾繁鹏，闵卫东，叶曙光，顾雷鸣，余运俊，顾盼盼，缪惠宇，杨赟，
申请(专利权)人：江苏林洋能源股份有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32