一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法，在虚拟同步发电机有功控制策略基础上引入一阶高通滤波器环节，提取负荷扰动分量，将其作为传统VSG中频率参考输出值的补偿分量，改变负荷突变暂态过程中的VSG频率输出特性，进而实现电网频率的主动支撑，并利用粒子群算法进行高通滤波器环节参数的优化，提升主动支撑效果。本发明专利技术提出的控制结构简单，能够在负荷功率波动时实现主动支撑的效果，改善系统暂态频率响应，还进一步促进了电网对新能源的消纳能力。进了电网对新能源的消纳能力。进了电网对新能源的消纳能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法


[0001]本专利技术属于逆变器控制领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法。

技术介绍

[0002]随着新能源并网逆变器的大规模馈入，以分布式新能源发电系统为主的电力系统时代必将到来。传统电力系统中，旋转电机可以提供较大的转动惯量，有利于维持系统稳定，而在高比例新能源并网系统中，并网逆变器作为分布式电源并网的接口，具有快速响应、控制性能灵活、无转动惯量的特点，无法在负荷扰动时为系统提供功率支撑，因此并网逆变器接入电网会降低系统惯性，增大电网频率波动，严重威胁系统的安全稳定运行。
[0003]借鉴传统同步发电机的运行经验，相关学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)概念，利用并网逆变器控制灵活的特点使其模拟同步发电机的运行特征，进而获得与同步发电机机械转子和调速器相似的惯量和一次调频特性，增强了高比例电力电子系统的频率抗干扰能力，因而VSG控制策略受到广泛关注和应用。
[0004]目前对VSG技术的研究多集中于对虚拟惯量的模拟或改进，不仅实现过程复杂，而且没有充分利用并网逆变器控制系统灵活可控的特点，导致VSG对提高频率稳定性的效果存在一定局限性。VSG控制重要的缺点在于该算法模拟SG转动惯量的同时，亦对有功
‑
频率(P
‑
f)和无功
‑
幅值(Q
‑
V)特性进行了模拟。导致系统负荷变化后，VSG和SG的频率均沿着P
‑
f下垂特性曲线进行变化，因而VSG对电网频率的支撑能力有限，不能实现电网频率的主动支撑。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法，旨在实现主动支撑电网频率效果，并能提高系统频率暂态稳定性，进一步促进电网对新能源的消纳能力。
[0006]本专利技术的一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：获取VSG
‑
SG耦合系统中VSG侧的输出电压和输出电流，根据输出电压和输出电流，通过功率计算环节得到实时有功功率值。
[0008]步骤2：将步骤1中获取的有功功率值通过一阶高通滤波器环节引入至VSG的有功控制环中，将其作为传统VSG中频率参考输出值的补偿分量。
[0009]步骤3：建立VSG
‑
SG耦合系统模型，包括VSG有功控制环节、SG模型及线路，推导负荷扰动输入到SG频率输出的传递函数关系G(s)。
[0010]步骤4：采用粒子群算法对以G(s)的H
∞
/H2范数为目标函数的主动电网频率支撑策略进行参数优化，得到频率响应性能最优的高通滤波器参数值，提升提高主动电网频率支撑效果。
[0011]进一步的，VSG
‑
SG耦合系统模型的有功控制环方程为：
[0012][0013]其中，ω
n
为额定角频率，ω1为VSG的虚拟角频率，P
m1
为虚拟机械功率，P1为逆变器输出有功功率，J1为虚拟惯量，D1为阻尼系数，P
ref
为有功功率指令，k
p1
为调速器调节系数。
[0014]SG控制系统包括励磁调节器和调速器环节，根据同步发电机的转子运动方程可得：
[0015][0016]其中，ω2*为发电机转子角频率，k
p2
为SG调速器比例系数，T2为调速器时延常数，*号上标表示标幺值，T
j
为惯性时间常数。
[0017]将式(2)线性化并转换至有名值下得：
[0018][0019]其中，S
base
为系统功率基准值。
[0020]VSG
‑
SG耦合系统等效电路中，E1∠θ1、E2∠θ2分别为VSG、SG输出电压，V
pcc
∠θ
pcc
为PCC点电压，X1、X2分别为线路等效输出电抗，P
load
为负载功率。对应VSG和SG输出的有功功率分别为：
[0021][0022]其中，δ1、δ2分别为VSG及SG输出电压相对PCC电压的相角差，可以表示为
[0023][0024]根据功率守恒关系，负荷扰动功率为VSG、SG输出功率扰动量之和，因此有：
[0025]ΔP1+ΔP2＝ΔP
load
ꢀꢀ
(6)
[0026]将式(1)
‑
式(6)进行线性化，得到负荷扰动输入到SG频率输出的闭环传递函数为
[0027][0028]其中，系数a0‑
a5，b0‑
b4表达式分别为：
[0029][0030][0031]其中，
[0032]进一步的，选用H
∞
范数和H2范数的加权作为目标函数，利用粒子群优化算法对高通滤波器环节的参数进行优化，目标函数设为：
[0033]minJ＝α||G(s)||
∞
+(1
‑
α)||G(s)||2ꢀꢀ
(10)
[0034]其中，G(s)为等式(7)所示传递函数，α∈[0,1]为权重系数，表示系统考虑H
∞
范数性能的比重。
[0035]本专利技术与现有技术相比的有益技术效果为：
[0036]本专利技术充分利用并网变流器高动态响应速度和灵活可控的特征，提出基于高通滤波器的负荷扰动提取策略，提取负荷扰动分量，将其作为传统VSG中频率参考输出值的补偿分量，改变负荷突变暂态过程中的VSG频率输出特性，实现了电网频率的主动支撑，提高了
系统频率稳定性。
附图说明
[0037]图1为VSG
‑
SG耦合系统结构图；
[0038]图2为基于主动电网频率支撑策略的VSG有功控制框图；
[0039]图3为SG调速器控制框图；
[0040]图4为VSG
‑
SG耦合系统等效电路；
[0041]图5为VSG的频率响应波形对比图；
[0042]图6为SG频率响应波形对比图；
[0043]图7为PCC点频率响应波形对比图。
具体实施方式
[0044]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。
[0045]VSG
‑
SG耦合系统结构如图1所示，图1中，U
dc
为VSG直流侧电压，u
oabc
、i
oabc
分别为逆变器输出电压和输出电流，L
f
、C
f
分别为滤波电感和滤波电容，L1为VSG侧线路电感，x
t1
、x
t2
分别为SG出口升压变压器和降压变压器的漏抗，L2为SG侧传输线路电感。通过对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取VSG
‑
SG耦合系统中VSG侧的输出电压和输出电流，根据输出电压和输出电流，通过功率计算环节得到实时有功功率值；步骤2：将步骤1中获取的有功功率值通过一阶高通滤波器环节引入至VSG的有功控制环中，将其作为传统VSG中频率参考输出值的补偿分量；步骤3：建立VSG
‑
SG耦合系统模型，包括VSG有功控制环节、SG模型及线路，推导负荷扰动输入到SG频率输出的传递函数关系G(s)；步骤4：采用粒子群算法对以G(s)的H
∞
/H2范数为目标函数的主动电网频率支撑策略进行参数优化，得到频率响应性能最优的高通滤波器参数值，提升提高主动电网频率支撑效果。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步发电机的主动电网频率支撑控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：VSG
‑
SG耦合系统模型的有功控制环方程为：其中，ω
n
为额定角频率，ω1为VSG的虚拟角频率，P
m1
为虚拟机械功率，P1为逆变器输出有功功率，J1为虚拟惯量，D1为阻尼系数，P
ref
为有功功率指令，k
p1
为调速器调节系数；SG控制系统包括励磁调节器和调速器环节，根据同步发电机的转子运动方程可得：其中，ω2*为发电机转子角频率，k
p2
为SG调速器比例系数，T2为调速器时延常数，*号上标表示标幺值，T
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马俊鹏，谢振学，吴子豪，李明，黄海，王若谷，王辰曦，王顺亮，刘天琪，
申请(专利权)人：国网陕西省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：