一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法技术

本发明专利技术公开了一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法，通过建立多VSG并网系统的机械导纳模型，推导出各台VSG输出角频率的传递函数矩阵；基于频率的RGA原理对VSG输出角频率的传递函数矩阵进行分析，进而确定VSG控制通道间的交互影响程度；研究了并网VSG台数、虚拟惯性系数、阻尼系数及电网阻抗变化时VSG不同控制通道间交互作用的变化规律，从而确定了易产生交互影响的频率范围。围。围。

【技术实现步骤摘要】
一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法


[0001]本专利技术涉及电力系统低频振荡
，具体涉及一种多虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)并网控制环路间交互影响的定量分析方法。

技术介绍

[0002]随着光伏、风电等分布式能源在电力系统中装机规模的扩大，具有良好可控性和灵活性的电力电子变换器在电网中的渗透率逐渐提高，导致电力系统的惯性和阻尼缺乏，不利于系统的安全可靠运行。为了维持系统的电压和频率稳定，有学者提出了VSG的概念，其通过模拟同步发电机的转子运动方程为系统提供惯性和阻尼支撑。然而，当多VSG并联并网运行时，公共连接点(point of common coupling，PCC)的频率通常被认为是恒定的，即不考虑电网阻抗的耦合作用，VSG的运行不受其他并联VSG输出波动的影响。实际上，由于电网等值阻抗的存在，多个并联VSG通过PCC点耦合在一起产生交互影响，使得多VSG并网运行特性更加复杂。
[0003]目前，针对多逆变器并联系统控制环路间的交互作用研究主要集中于两方面：一方面是多逆变器并网系统电流控制环路的交互影响分析，其通常基于构建多逆变器并联系统的阻抗模型展开研究。另一方面是多VSG并网系统控制环路间的交互影响分析，可通过构建系统的状态空间模型或机械导纳模型展开研究，但是当拓展到多机并联系统时，状态空间法易产生“维数灾”问题。相比于多逆变器并网电流控制环路的交互影响分析，对多VSG并网控制间交互影响的定量分析研究尚不多见。维持系统频率稳定是保证并网VSG安全稳定运行的一项重要指标，因此，有必要针对扰动下多VSG并网系统输出角频率间的交互影响进行定量分析。
[0004]专利技术目的
[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中所面临的问题，提出一种基于相对增益矩阵(Relative gain array，RGA)原理的多VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤S1:构建多VSG并网系统的机械导纳模型；
[0008]步骤S2:推导出VSG输出角频率的传递函数矩阵；
[0009]步骤S3:基于频率的相对增益矩阵RGA原理，对VSG输出角频率的传递函数矩阵进行分析，确定VSG控制通道间交互影响的程度；
[0010]步骤S4:根据并网VSG台数、虚拟惯性、阻尼系数及电网阻抗变化时VSG控制通道间交互作用的变化规律，确定出VSG易产生交互影响的频率范围。
[0011]优选地，所述步骤S1进一步包括：
[0012]采用单机并网模式下的功频调节特性分析模型，将同步环节、阻尼环节和惯性环节均视为两端元件，得出功率与角频率的关系如式(1)所示：
[0013][0014]其中，ω
s
为系统参考角频率；K
S
＝EU
C
/Z为同步系数，E为VSG输出电压值，U
PCC
为PCC的电压初始值，Z为VSG传输阻抗，即输出阻抗与线路阻抗Z
line
之和；J为VSG转动惯量，D为阻尼/下垂系数；ω0为系统的参考角频率，Δ表示在平衡点上的小扰动量，Δω为角速度的小扰动量，ΔP
D
、ΔP
e
及ΔP
in
分别为阻尼功率增量、同步功率增量及输入功率增量；
[0015]电感L、电阻R和电容C存在如下式(2)所示的电压、电流关系：
[0016][0017]其中：i
L
、i
R
分别为流过电感和电阻的电流，i
S
为电流源输出的电流；
[0018]根据机电比拟原理，将VSG的转子运动方程类比为机械网络，依据元件的串、并联关系求出反映VSG输出功率和角速度响应关系的机械导纳Y
a
和Y
b
。其中，Y
a
为第一机械导纳Y
a
＝Jω
s
s+Dω
s
，Y
b
为第二机械导纳
[0019]基于多VSG并网系统的拓扑结构，构建多台VSG并网系统的机械导纳模型，其中，电网阻抗的机械导纳Y
g
(s)＝K
g
/s，K
g
＝U
g
U
PCC
cosδ
g0
/X
g
，其中，U
g
为电网电压的初始值，X
g
为电网电抗，δ
g0
为电网电压和PCC点电压的初始相角差。
[0020]优选地，所述步骤S2中，由单VSG并网模式下的功频小信号模型得出功率环的输出角频率，如式(3)所示：
[0021][0022]其中，为VSG角频率的小扰动量，为公共连接点(point of common coupling，PCC)交流母线频率的小扰动量，ω
s
为系统参考角频率，是转子角度的小扰动量，K
P
＝E0U
PCC
/Z0为同步系数，E0为VSG输出电压，U
PCC
为PCC点电压初始值，Z0为VSG传输阻抗，包括输出阻抗与线路阻抗，J为VSG转动惯量，D为阻尼/下垂系数；
[0023]根据步骤S1所构建的多VSG并网系统的机械导纳模型，根据Kirchhoff定律，求得PCC处频率满足式(4)所示关系：
[0024][0025]将式(4)代入式(3)，得到第m台VSG角频率如式(5)所示：
[0026][0027]其中，Rm(s)、Hm,t(s)和Sm(s)分别为VSG自身有功指令输入、与其它并网VSG的交互作用以及电网频率扰动产生的响应，并满足式(6)
‑
(8)所示的关系：
[0028][0029][0030][0031]优选地，所述步骤S2中推导出VSG输出角频率的传递函数矩阵,即将n个VSG的输出角频率表达式写成如式(9)和式(10)所示的矩阵形式：
[0032][0033][0034]优选地，所述步骤S3中采用RGA原理对所述传递函数矩阵进行分析，具体为：
[0035]式中：表示Hadamard乘积，即矩阵中的对应元素进行相乘；G(s)表示MIMO控制系统的传递函数矩阵，
[0036]当s＝jω＝0时，RRGA[G(0)]表示MIMO控制系统稳态时不同控制回路间的相对增益矩阵；
[0037]当s＝jω＝j2πf时，R
RGA
[G(s)]表示在不同频率下MIMO控制系统控制回路间的动态相对增益矩阵；
[0038]通过矩阵R
RGA
[G(s)]定量分析MIMO控制系统不同控制回路间的交互影响，确定出系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:构建多VSG并网系统的机械导纳模型；步骤S2:推导出VSG输出角频率的传递函数矩阵；步骤S3:基于频率的相对增益矩阵(RGA)原理，对VSG输出角频率的传递函数矩阵进行分析，确定VSG控制通道间交互影响的程度；步骤S4:根据并网VSG台数、虚拟惯性、阻尼系数及电网阻抗变化时VSG控制通道间交互作用的变化规律，确定出VSG易产生交互影响的频率范围。2.根据权利要求1所述的一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：采用单机并网模式下的功频调节特性分析模型，将同步环节、阻尼环节和惯性环节均视为两端元件，得出功率与角频率的关系如式(1)所示：其中，ω
s
为系统参考角频率；K
S
＝EU
C
/Z为同步系数，E为VSG输出电压值，U
PCC
为PCC的电压初始值，Z为VSG传输阻抗，即输出阻抗与线路阻抗Z
line
之和；J为VSG的转动惯量，D为阻尼/下垂系数；ω0为系统的参考角频率，Δ表示在平衡点上的小扰动量，Δω为角速度的小扰动量，ΔP
D
、ΔP
e
及ΔP
in
分别为阻尼功率增量、同步功率增量及输入功率增量；电感L、电阻R和电容C存在如下式(2)所示的电压、电流关系：其中：i
L
、i
R
分别为流过电感和电阻的电流，i
S
为电流源输出的电流；将VSG的转子运动方程类比为机械网络，依据元件的串、并联关系求出反映VSG输出功率和角速度响应关系的机械导纳Y
a
和Y
b
，其中，Y
a
为第一机械导纳Y
a
＝Jω
s
s+Dω
s
，Y
b
为第二机械导纳基于多VSG并网系统的拓扑结构，构建多台VSG并网系统的机械导纳模型，其中，电网阻抗的机械导纳Y
g
(s)＝K
g
/s，K
g
＝U
g
U
PCC
cosδ
g0
/X
g
，其中，U
g
为电网电压的初始值，X
g
为电网电抗，δ
g0
为电网电压和PCC点电压的初始相角差。3.根据权利要求1所述的一种多虚拟同步发电机VSG并网控制环路间交互影响的定量分析方法，其特征在于，所述步骤S2中由单VSG并网模式下的功频小信号模型得出功率环的
输出角频率，如式(3)所示：其中，为VSG角频率的小扰动量，为公共连接点(point of common coupling，PCC)交流母线频率的小扰动量，ω
s
为系统参考角频率，是转子角度的小扰动量，K
P
＝E0U
PCC
/Z0为同步系数，E0为VSG输出电压，U
PCC
为PCC点电压初始值，Z0为VSG传输阻抗，包括输出阻抗与线路阻抗，J为VSG转动惯量，D为阻尼/下垂系数；根据步骤S1所构建的多VSG并网系统的机械导纳模型，根据Kirchhoff定律，求得PCC处频率满足式(4)所示关系：将式(4)代入式(3)，得到第m台VSG角频率如式(5)所示：其中，R
m
(s)、H
m,t
(s)和S
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永海，秦本双，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：