一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法，本发明专利技术以允许的电网频率最大偏差为约束条件，提出暂态能量需求最优的VSG参数优化方法。本发明专利技术建立的模型贴近实际的VSG系统并网运行真实工况，利用该方法能够在给定条件下快速求出VSG暂态能量需求的数值解，为VSG系统的储能设置提供参考。本发明专利技术在暂态能量需求计算方法上提出基于优化算法的VSG参数和暂态能量需求的优化方案。该方案能在给定系统最大频率偏移要求的约束条件下，快速给出使VSG系统暂态能量需求最小的优化参数。利用本发明专利技术提出的VSG暂态能量需求计算和参数优化方法，能够为VSG系统储能成本优化设计提供参考。优化设计提供参考。优化设计提供参考。

A method for transient energy demand calculation and parameter optimization of virtual synchronous machine system

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法


[0001]本专利技术属于虚拟同步机，具体涉及一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法。

技术介绍

[0002]新能源发电通常通过并网逆变器接入电网，而传统的并网逆变器无法像同步发电机一样为电网提供电压支撑、惯性支撑和一次调频能力。为了保证电网的稳定运行，传统新能源并网逆变器在电网中的占比受到了限制。
[0003]传统新能源并网逆变器通常工作在输出功率恒定或最大功率点跟踪的模式，不参与电网调频。这样的电源在电力系统中装机容量占比增大意味着参与调频的电源的装机容量相对减少，不利于系统的稳定性。虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术是解决上述问题的有效方法。通过在并网逆变器控制系统中模拟同步发电机的摆动方程和调速器(下垂控制)，VSG能为电网提供有效的惯性支撑和一次调频。与此同时，这一特性要求VSG能够在电网频率发生波动时吸收或放出额外的能量。因此，相较于传统新能源发电系统，VSG需要一个较大的储能装置来满足这部分能量缓冲的需求。
[0004]对于VSG提供惯性支撑和一次调频所需的暂态能量，主要实现方案可以分为两类：一是通过直接配备储能装置实现，比如电池储能装置、超级电容储能装置或电池与超级电容结合的储能装置等；二是利用新能源发电装置提供能量备用，例如在光伏发电系统中，控制光伏工作点偏离最大功率点，以保留部分能量作为频率调整时的暂态能量。
[0005]通过模拟同步发电机调速器模型，VSG具有一次调频能力。通常在不考虑暂态能量优化的情况下，有足够大的暂态能量用于支撑一次调频，可将调速器视为线性模型以简化控制。然而，考虑暂态能量最优的情况时，储能提供暂态能量将无法持续地使VSG工作在一次调频模式，因此需要利用带有死区的调速器模型，使VSG在电网频率允许的波动范围内停止一次调频。
[0006]为了优化VSG系统的储能，降低投资成本，需要建立一种确定VSG系统需求暂态能量的方法。文献[1]分析了VSG缓冲输入指令功率突变时所需的暂态能量，然而对更为复杂的电网侧负载变动时的能量需求没有进行分析，并且也没有考虑带有死区的调速器模型，整体模型不完整，各参数的作用效应也不明确。
[0007]文献[2]利用发电机的时间常数，计算出了储能单元在负载阶跃变化时所需要的补偿的功率。负载功率阶跃曲线与系统发电功率曲线间的差值即为储能单元所需要补偿的功率。但是该方案只考虑了发电系统工作于孤岛模式的情况，对于并网模式下的网侧需求并未考虑，并且没有明确VSG参数与储能之间相互联系，无法作为一种普适的暂态能量需求计算方案。
[0008]文献[3]基于惯性支撑和一次调频分析了VSG下垂系数、阻尼系数和惯性常数与储能容量的关系，提出了VSG储能单元功率、容量的配置方法，然而该研究建立在系统频率阶跃响应分析的基础上，没有考虑系统调频过程的实际响应和系统本身的详细物理模型。并
且该研究也没有考虑调速器模型中死区对暂态能量需求的影响。文献[4]虽然考虑了系统自身的模型。然而只考虑了VSG的惯性支撑，没有同时考虑一次调频。因此相较于同时考虑惯性支撑和一次调频的情况，该问题变得大为简化，不符合VSG实际应用情景。
[0009]根据以上对VSG系统相关的储能计算方案的分析，到目前为止，尚没有一种较全面地考虑了VSG的惯性、阻尼、下垂系数和下垂死区宽度，以及电网的等效同步机模型、原动机模型以及一次和二次调频模型的VSG暂态能量需求计算与参数优化方法。
[0010][1]曾正,邵伟华,冉立,吕志鹏,李蕊.虚拟同步机的模型及储能单元优化配置[J].电力系统自动化,2015,39(13):22
‑
31.
[0011][2]H.S.Hlaing,J.Liu,Y.Miura,H.Bevrani,and T.Ise,“Enhanced performance of a stand
‑
alone gas
‑
engine generator using virtual synchronous generator and energy storage system,”IEEE Access,vol.7,pp.176960
–
176970,2019.
[0012][3]张波,张晓磊,贾焦心,曾亚敏,颜湘武.基于惯量支撑和一次调频需求的VSG储能单元配置方法[J].电力系统自动化,2019,43(23):202
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209.
[0013][4]Fang J,Li H,Tang Y,Blaabjerg F.Distributed Power System Virtual Inertia Implemented by Grid
‑
Connected Power Converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(10):8488
‑
8499.

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法，以允许的电网频率最大偏差(Maximum Grid Frequency Deviation,MGFD)为约束条件，提出暂态能量需求最优的VSG参数优化方法。
[0015]为了达到上述目的，本专利技术包括以下步骤：
[0016]S1，建立并网模式下虚拟同步机系统的等效模型；
[0017]S2，建立等效模型的小信号状态空间模型；
[0018]S3，对带死区的调速器模型离散化，得到虚拟转子角频率ω
m_vsg
位于死区外和死区内的调速器方程；
[0019]S4，分别建立在调速器模型死区内和死区外的离散化空间状态方程，结合小信号状态空间模型，迭代计算分别得到在扰动负载有功功率ΔP
load
引起的电网转子角频率Δω
m_sg
和虚拟同步机输出功率ΔP
out_vsg
的轨迹；
[0020]S5，根据负载有功功率ΔP
load
引起的转子角频率Δω
m_sg
和ΔP
out_vsg
的轨迹，得到虚拟同步机系统暂态能量需求W
TED
和电网的最大频率偏移ω
MGFD
；
[0021]S6，采用单约束条件和多约束条件对虚拟同步机系统暂态能量需求W
TED
进行优化。
[0022]S2中，小信号状态空间模型的表达式如下：
[0023][0024]其中，
[0025]u
m
＝[ΔP
0_sg ΔP
0_vsg
]T
[0026]w
m
＝ΔP
load
[0027]y
m...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立并网模式下虚拟同步机系统的等效模型；S2，建立等效模型的小信号状态空间模型；S3，对带死区的调速器模型离散化，得到虚拟转子角频率ω
m_vsg
位于死区外和死区内的调速器方程；S4，分别建立在调速器模型死区内和死区外的离散化空间状态方程，结合小信号状态空间模型，迭代计算分别得到在扰动负载有功功率ΔP
load
引起的电网角频率Δω
m_sg
和虚拟同步机输出功率ΔP
out_vsg
的轨迹；S5，根据负载有功功率ΔP
load
引起的转子角频率Δω
m_sg
和ΔP
out_vsg
的轨迹，得到虚拟同步机系统暂态能量需求W
TED
和电网的最大频率偏移ω
MGFD
；S6，采用单约束条件和多约束条件对虚拟同步机系统暂态能量需求W
TED
进行优化。2.根据权利要求1所述的一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法，其特征在于，S2中，小信号状态空间模型的表达式如下：其中，u
m
＝[ΔP
0_sg ΔP
0_vsg
]
T
w
m
＝ΔP
load
y
m
＝[Δω
m_sg Δω
m_vsg ΔP
out_sg ΔP
out_vsg
]
T
A
m
为状态矩阵，B
m
为控制输入矩阵，E
m
为扰动输入矩阵，x
m
状态变量矩阵，C
m
为输出矩阵，F
m
为扰动输出矩阵，ΔP
0_sg
为相当于电网等效模型的同步发电机有功功率指令扰动，ΔP
0_vsg
为虚拟同步机有功功率指令扰动，ΔP
load
为负载有功功率指令扰动，Δω
m_sg
为同步发电机转子角频率扰动，Δω
m_vsg
为虚拟同步机转子角频率扰动，ΔP
out_sg
为同步发电机输出有功功率扰动，ΔP
out_vsg
为虚拟同步机输出有功功率扰动。3.根据权利要求1所述的一种虚拟同步机系统的暂态能量需求计算与参数优化方法，其特征在于，S3中，带死区的调速器模型的表达式如下：其中，P0为有功功率指令，k
p
为有功
‑
频率下垂系数，ω
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳，李学文，刘进军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：