一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法技术

本发明专利技术公开了一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，包括步骤：以交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧角度出发，得到电压方程；建立MMC互联变换器功率输出方程；建立MMC互联变换器输出复功率S的表达式；建立有功功率小信号模型、无功功率小信号模型；基于功率传输原则的虚拟同步机控制机械方程和虚拟同步机无功励磁控制方程；建立虚拟控制的小信号模型；根据虚拟控制的小信号模型，定义参数矩阵；得到MMC互联变换器虚拟同步机系统处于稳定运行状态时的小信号模型；分析虚拟转动惯量J对控制系统稳定性的影响；分析虚拟阻尼系数D对控制系统稳定性的影响。本发明专利技术通过研究虚拟参数根轨迹，验证MMC互联变换器虚拟同步机控制系统稳定性。步机控制系统稳定性。步机控制系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法


[0001]本专利技术涉及一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，通过研究虚拟参数根轨迹，验证MMC互联变换器虚拟同步机控制系统稳定性。

技术介绍

[0002]交直流混合微电网中MMC互联变换器接口变换器通常采用下垂控制，常规下垂控制不具备惯性和阻尼环节，无法维持分布式电源高渗透率，虚拟同步机(Virtual Synchronous Generation,VSG)控制通过模仿同步发电机特性能够为系统提供惯性和阻尼支撑，实现一次调频和一次调压。虚拟同步机暂态变换过程中缓冲能量变化量采用虚拟转动惯量J变化表征，各种摩擦阻力采用虚拟阻尼系数D变化量表征。为了验证交直流混合微电网MMC互联变换器虚拟同步机控制系统的稳定性，需要对虚拟同步机控制系统稳定性进行研究。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，首先建立基于功率传输原则的混合微电网MMC互联变换器虚拟同步机控制模型；然后分析虚拟同步机传输有功功率、无功功率小信号模型；接着分析虚拟同步机控制的小信号模型；最后通过研究虚拟参数根轨迹，验证MMC互联变换器虚拟同步机控制系统稳定性。
[0004]本专利技术采取如下技术方案来实现的：
[0005]一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，包括以下步骤：
[0006]1)以交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧角度出发，得到电压方程；
[0007]2)根据步骤1)MMC互联变换器交流侧电压方程，建立MMC互联变换器功率输出方程；
[0008]3)根据步骤2)MMC互联变换器功率传输方程，建立MMC互联变换器输出复功率S的表达式；
[0009]4)根据步骤3)MMC互联变换器输出复功率S的表达式，建立有功功率小信号模型、无功功率小信号模型；
[0010]5)根据交直流混合微电网MMC互联变换器控制系统中，交流微电网、直流微电网瞬时有功功率变化量相同，在MMC互联变换器控制系统注入同步机特性，得到基于功率传输原则的虚拟同步机控制机械方程和虚拟同步机无功励磁控制方程；
[0011]6)根据步骤5)基于功率传输原则的虚拟同步机控制机械方程，建立虚拟控制的小信号模型；
[0012]7)根据步骤6)虚拟控制的小信号模型，定义参数矩阵；
[0013]8)结合步骤4)有功功率小信号模型、无功功率小信号模型和步骤6)虚拟控制的小信号模型及步骤7)参数矩阵，得到MMC互联变换器虚拟同步机系统处于稳定运行状态时的小信号模型；
[0014]9)根据步骤8)MMC互联变换器虚拟同步机系统处于稳定运行状态时的小信号模型，绘制虚拟转动惯量J的根轨迹变化图，分析虚拟转动惯量J对控制系统稳定性的影响；
[0015]10)根据步骤8)MMC互联变换器虚拟同步机系统处于稳定运行状态时的小信号模型，绘制虚拟阻尼系数D的根轨迹变化图，分析虚拟阻尼系数D对控制系统稳定性的影响。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，步骤1)以交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧角度出发，得到电压方程，
[0017]其中：为交流电网电压e0对应的矢量；为MMC互联变换器交流侧电压U
ac
对应的矢量；为交流电网电流i0对应的矢量。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)MMC互联变换器交流侧电压方程，建立MMC互联变换器功率传输方程：
[0019]其中：R
f
、X
f
为滤波电路电阻值及感抗；δ为交流电网电压矢量与MMC互联变换器交流侧电压矢量之间的相角差；交流电网电压e0可类比于同步电机电枢电动势；MMC互联变换器交流侧电压U
ac
可类比于同步电机端电压；同步电机根据电枢电动势和端电压相角差的正负，即，作为电动机或者发电机；同样，在交直流混合微电网MMC互联变换器控制系统中，通过控制δ正负，实现功率双向流动；当δ＞0，超前MMC互联变换器运行于逆变模式，功率由直流微电网向交流微电网传输；当δ＜0，滞后MMC互联变换器运行于整流模式，功率由交流微电网向直流微电网传输；当δ＝0，与同相位，交流微电网、直流微电网之间无功率交换。
[0020]本专利技术进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)MMC互联变换器功率传输方程，建立MMC互联变换器输出复功率S表达式：
[0021]本专利技术进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)MMC互联变换器输出复功率S的表达式，建立有功功率小信号模型、无功功率小信号模型：
[0022][0023][0024]本专利技术进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：根据交直流混合微电网MMC互联变换器控制系统中，交流微电网、直流微电网瞬时有功功率变化量相同，在MMC互联变换器控制系统注入同步机特性，得到基于功率传输原则的虚拟同步机控制机械方程：
[0025]其中：J为虚拟转动惯量；为交流微电网侧角频率当前值；为交流微电网侧角频率初始值；D为虚拟阻尼系数；k
udc
为直流微电网下垂调节系数；U
dc
为直流侧母线电压当前值；U
dc0
为直流侧母线电压初始值；C
dc
为直流侧电容值；MMC互联变换器虚拟同步机控制中通过直接控制交流频率和直流电压实现交直流混合微电网有功功率调节控制，均衡混合微电网有功负荷；当交直流混合微电网MMC互联变换换流器功率调节量无波动，即控制系统稳态运行，交流频率和直流电压达到稳定值，存在：虚拟同步机感应内电势由两部分组成：一部分是空载时，虚拟励磁电压对于的空载电动势，一部分是由无功功率偏差产生，虚拟同步机无功励磁控制方程为虚拟同步机无功励磁控制方程：E＝E0+k
q
(Q
ref-Q)；其中：E为虚拟同步机感应内电势有效值；E0为励磁空载电动势有效值；k
q
为无功电压下垂控制系数；Q
ref
为无功功率参考值；Q为无功功率当前值；综合虚拟同步机有功频率控制计算得到的虚拟转子角频率 和相角差δ，得到交直流混合微电网MMC互联变换器等效交流输出端口三相电压调制信号
[0026]本专利技术进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)基于功率传输原则的虚拟同步机控制机械方程，建立虚拟控制的小信号模型：
[0027]本专利技术进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)虚拟控制的小信号模型，定义参数矩阵：Y＝(Δδ
′
，ΔU
′
ac
，Δδ，ΔU
ac
)；其中：Δδ
′
为Δδ的导数，ΔU
′
ac
为对ΔU
ac
的导数。
[0028]本专利技术进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：结合步骤4)有功功率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧角度出发，得到电压方程；2)根据步骤1)MMC互联变换器交流侧电压方程，建立MMC互联变换器功率输出方程；3)根据步骤2)MMC互联变换器功率传输方程，建立MMC互联变换器输出复功率S的表达式；4)根据步骤3)MMC互联变换器输出复功率S的表达式，建立有功功率小信号模型、无功功率小信号模型；5)根据交直流混合微电网MMC互联变换器控制系统中，交流微电网、直流微电网瞬时有功功率变化量相同，在MMC互联变换器控制系统注入同步机特性，得到基于功率传输原则的虚拟同步机控制机械方程和虚拟同步机无功励磁控制方程；6)根据步骤5)基于功率传输原则的虚拟同步机控制机械方程，建立虚拟控制的小信号模型；7)根据步骤6)虚拟控制的小信号模型，定义参数矩阵；8)结合步骤4)有功功率小信号模型、无功功率小信号模型和步骤6)虚拟控制的小信号模型及步骤7)参数矩阵，得到MMC互联变换器虚拟同步机系统处于稳定运行状态时的小信号模型；9)根据步骤8)MMC互联变换器虚拟同步机系统处于稳定运行状态时的小信号模型，绘制虚拟转动惯量J的根轨迹变化图，分析虚拟转动惯量J对控制系统稳定性的影响；10)根据步骤8)MMC互联变换器虚拟同步机系统处于稳定运行状态时的小信号模型，绘制虚拟阻尼系数D的根轨迹变化图，分析虚拟阻尼系数D对控制系统稳定性的影响。2.根据权利要求1所述的一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，其特征在于，步骤1)以交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧角度出发，得到电压方程，其中：为交流电网电压e0对应的矢量；为MMC互联变换器交流侧电压U
ac
对应的矢量；为交流电网电流i0对应的矢量。3.根据权利要求2所述的一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)MMC互联变换器交流侧电压方程，建立MMC互联变换器功率传输方程：其中：R
f
、X
f
为滤波电路电阻值及感抗；δ为交流电网电压矢量与MMC互联变换器交流侧电压矢量之间的相角差；交流电网电压e0可类比于同步电机电枢电动势；MMC互联变换器交流侧电压U
ac
可类比于同步电机端电压；同步电机根据电枢电动势和端电压相角差的正负，即，作为电动机或者发电机；同样，在交直流混合微电网MMC互联变换器控制系统中，通过控制δ正负，实现功率双向流动；当δ＞0，超前MMC互联变换器运行于逆变模式，功率
由直流微电网向交流微电网传输；当δ＜0，滞后MMC互联变换器运行于整流模式，功率由交流微电网向直流微电网传输；当δ＝0，与同相位，交流微电网、直流微电网之间无功率交换。4.根据权利要求3所述的一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)MMC互联变换器功率传输方程，建立MMC互联变换器输出复功率S表达式：5.根据权利要求4所述的一种MMC互联变换器虚拟同步机小信号模型分析方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)MMC互联变换器输出复功率S的表达式，建立有功功率小信号模型、无功功率小信号模型：6.根据权利要求5所述的一种MMC互...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯仰敏，王恩南，杨沛豪，王羚宇，高峰，韩毅，常洋涛，杨洋，宋子琛，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：