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  • 虚拟同步发电机_学术|基于虚拟同步发电机双机并联系统的参数自调节优化控制策略...
    2020-12-18 16:06:13

    西安理工大学自动化与信息工程学院的研究人员任碧莹、邱姣姣等,在2019年第1期《电工技术学报》上撰文,针对虚拟同步发电机(VSG)双机并联系统在采用固定的转动惯量及阻尼系数时无法兼顾有功功率振荡和频率波动的问题,该文提出一种参数自调节优化控制策略。

    首先,建立VSG双机并联系统的小信号模型,分析转动惯量及阻尼系数对输出有功特性的影响;其次,在满足系统动稳态性能的转动惯量及阻尼系数限定取值范围内,根据转子角速度变化率及其偏差量引入了改变转动惯量及阻尼系数的参数自调节优化控制;最后,通过仿真结果验证了所提控制策略的有效性。该策略在保证系统稳定运行的同时,既可抑制VSG并入交流母线过程中的有功振荡,亦可提高频率的支撑能力。

    辅助逆变器是动车组等车辆的重要组成部分,为了实现大功率、高可靠性、易扩展的冗余列车辅助电源供电系统,目前先进动车组辅助逆变器多采用无互联线并联技术。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)技术源于微电网控制,其主要思想是将同步发电机运行特性引入到逆变器控制中,使得逆变器不仅具有稳态的功率下垂特性,无联络信号线,且模拟了同步发电机的转子惯性,可动态弥补功率差额,减少频率波动程度。因此,本文将VSG技术应用于辅助逆变器控制。

    转动惯量和阻尼系数作为VSG系统的核心参数,它们的引入从真正意义上模拟了同步发电机的机理,故而研究该核心参数对系统输出特性的影响尤为重要。文献[2,3]通过建立VSG的小信号模型分析了不同惯量和阻尼对VSG输出有功动态性能的影响,输出有功在动态过程中出现了与传统同步发电机一致的振荡特性,而VSG属于电力电子设备,其承受暂态频率和功率波动的能力远不及同步发电机。暂态过程中的冲击和振荡若超过设备阈值,可能会导致设备运行异常,甚至造成系统失稳。因此,学者们相继提出了各种参数自适应的方法来抑制功率振荡。

    文献[5]提出了一种基于Bang-Bang控制的转动惯量J可调的VSG控制策略,可实现J对频率的动态实时跟踪,但并未给出J上下限的具体取值原则。文献[6]对VSG并网时的暂态能量函数进行分析,提出了一种动态调节J的方法,可加速暂态能量的减少,提高系统的暂态性能,但忽略了阻尼系数D对有功振荡的影响。

    文献[7]根据同步发电机功角特性提出一种自适应阻尼控制,可抑制暂态过程中的频率振荡,并保证其幅值稳定在安全范围内,且可减少输出有功的过冲,降低有功振荡,但同样忽略了J对有功振荡的影响。文献[8]根据转子角速度变化率及其偏差量提出了一种转动惯量J及阻尼系数D自适应控制策略,可减小并网及离网模式下有功和频率超调,但未给出自适应控制算法中两个表达式的选取原则,也未给出表达式中相关系数的选取依据。

    文献[9]利用线性二次型最优控制理论,提出了基于可变惯性和阻尼的VSG优化控制策略,可实时对VSG关键参数进行灵活配置,保证VSG动态有功振荡和频率波动最小,以达到能量和误差综合最优,但该方法对CPU的计算精度要求很高。

    以上文献均是基于单台VSG并入大电网时的参数优化处理,对于离网下VSG多机并联系统,文献[10,11]通过建立VSG多机并联运行时小信号模型,分析了J、D对有功振荡的影响,并通过加入预同步单元减小了有功振荡;文献[12]提出了基于虚拟磁链定向控制的预同步方法,可及时跟踪公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)的电压和频率,避免了并入微网时在PCC点的电流冲击,保证设备安全可靠运行;文献[13]参照柴油发电机调速控制模型提出了一种改进的VSG控制策略,可减少逆变器与柴油发电机之间无缝切换的动态影响,提高整个系统的稳定性,但对于VSG双机并联系统,该控制策略过于复杂。

    上述文献与文献[14,15]相同,J、D均为固定值,若与并网类似能够实时调节J、D的值,该问题将得到解决。基于该思想,文献[16]提出了改进转动惯量自适应控制,可根据频率偏移量动态调节J,当VSG投入微网时提供较小的J以避免动态有功振荡,但D为固定值。文献[17]利用粒子群优化算法对VSG单元参数进行调整,保证系统在发生变化或扰动之后保持平稳过渡,同时将电压角偏差稳定在限定区域内,但需要VSG单元之间通信,较适用于优化大型微电网。

    针对上述控制方法的局限性,本文首先建立了VSG双机并联运行的小信号模型,分析J、D对VSG输出有功特性的影响;其次在J、D限定的取值范围内,提出了一种参数自调节优化控制策略,可根据转子角速度变化率及其偏差量实时改变J、D,以实现抑制有功振荡的同时,增大频率的惯性、加快系统的动态响应;最后通过搭建PSIM仿真模型验证了所提控制策略的正确性和可行性。

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    图1 VSG双机并联系统控制框图

    结论

    本文针对VSG双机并联系统,建立了小信号模型,并分析了转动惯量及阻尼系数变化时对输出有功特性的影响规律。同时,在转动惯量J与阻尼系数D限定的取值范围内,提出了一种参数自调节优化控制方法,可实现根据转子角速度变化率dω/dt和角速度偏差Δω来实时改变J、D,保证系统稳定运行的同时,既可抑制VSG并入交流母线过程中的有功振荡,亦可提高频率的支撑能力、加快系统的动态响应。

    最后,利用PSIM仿真软件对比了采用和未采用参数自调节优化控制策略时,并联运行和负载突变工况下系统输出有功和频率响应特性,验证了所设计的参数自调节优化控制策略更有利于VSG并联系统的运行。

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    基于虚拟同步发电机双机并联系统的参数自调节优化控制策略

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    专利权人 广东电网有限责任公司

    摘要:

    本实用新型实施例公开了一种光储型虚拟同步机,包括逆变器、光伏列、储能装置、本地负荷、开关和电网,所述光伏阵列通过第一DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上,所述储能装置通过第二DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上,所述光伏阵和所述储能装置并联,所述逆变器通过所述开关接入所述电网,在所述逆变器的输出端并联有所述本地负荷;本实用新型通过分析VSG的功率输出需求、光伏电源出力情况和储能装置SOC状态,动态调整光伏、储能、VSG的输出特性,从而使虚拟同步机参与到功率平衡的过程中来,从而有效的改善了VSG对储能容量的依赖。

    一种光储型虚拟同步机技术领域

    背景技术:

    为应对能源危机和环境压力,分布式发电技术受到越来越广泛的关注,光伏发电作为一种重要的新能源,在电网中得到了大力发展。分布式发电系统缺乏传统同步发电机所具有的惯性和阻尼,分布式电源的并网使得电力系统更容易受到功率波动和系统故障的影响。随着分布式发电在系统中渗透率的增加,这一问题愈发不可忽视。 虚拟同步发电机(Virtualsynchronousgenerator,VSG)通过模拟同步发电机转子方程,使分布式发电系统在物理和数学上实现了与同步发电机的等效,具备平滑功率输出、调峰能力、调频等能力,成为一种电网友好型的分布式电源。 学者们往往重视逆变器的控制策略和电源的虚拟特性研究,而将直流侧模拟为一类“电压恒定、容量无限”的动力源。 但是,光伏电源输出功率具有间歇性和波动性,而虚拟同步机则需要根据电网的频率特性调整输出功率,因此光伏输出功率和虚拟同步机的输出功率必定会存在一定的有功功率差额,这就使得虚拟同步机的实际应用涉及到复杂的能量管理问题。 目前主要采用的解决方案,一种是改进光伏发电系统,使其以最大功率点的一定比例输出功率,通过备用发电容量的方式解决有功功率不平衡的问题,但该策略降低了光伏的利用率,提升了运行成本; 另一种通过在发电单元的直流母线配置储能装置来弥补虚拟同步机的功率差额,实现虚拟同步机惯性和调频能力。 但仅通过储能装置来协调功率的供需平衡问题,对储能装置容量的要求较高。  为此,本实用新型实施例提供一种光储型虚拟同步机,通过实现光伏电源、储能设备和逆变器的协调控制,以解决现有技术中VSG对储能容量依赖的问题。 为了实现上述目的,本实用新型的实施方式提供如下技术方案: 一种光储型虚拟同步机,包括逆变器、光伏阵列、储能装置、本地负荷、开关和电网,所述光伏阵列通过第一DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上,所述储能装置通过第二DC/DC转换器连接在所述逆变器的直流母线上,所述光伏阵和所述储能装置并联,所述逆变器通过所述开关接入所述电网,在所述逆变器的输出端并联有所述本地负荷。 作为本实用新型的一种优选方案,所述第一DC/DC转换器采用Boost电路,用于实现最大功率跟踪控制或定功率控制。 作为本实用新型的一种优选方案,所述第二DC/DC转换器采用双向控制的Buck/Boost电路,用于实现所述直流母线的恒压控制,通过充放电平衡光伏发电与逆变器输出功率之间的差额,维持直流母线的电压。 作为本实用新型的一种优选方案,所述逆变器采用VSG控制模拟同步发电机的机械特性和电磁特性。 实用新型的实施方式具有如下优点: 通过分析VSG的功率输出需求、光伏电源出力情况和储能装置SOC状态,动态调整光伏、储能、VSG的输出特性,从而使虚拟同步机参与到功率平衡的过程中来,从而有效的改善了VSG对储能容量的依赖。 附图说明 为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。 显而易见地,下面描述中的附图仅仅是示例性的,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

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    图1为本实用新型光储型虚拟同步机的结构图;

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    图2为本实用新型上层策略的框架图;

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    图3为本实用新型储能装置的SOC分区图;

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    图4为本实用新型逆变器的控制框架图;

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    图5为本实用新型光伏模块的控制框架图;

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    图6为本实用新型储能装置的控制框架图;

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    图7为本实用新型虚拟同步机的输出功率;

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    图8为本实用新型光伏模块的输出功率;

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    其中,所述第一DC/DC转换器采用Boost电路,用于实现最大功率跟踪控制或定功率控制,所述第二DC/DC转换器采用双向控制的Buck/Boost电路,用于实现所述直流母线的恒压控制,通过充放电平衡光伏发电与逆变器输出功率之间的差额,维持直流母线的电压,所述逆变器采用VSG控制模拟同步发电机的机械特性和电磁特性。 基于上述光储型虚拟同步机,本实施方式还提供了一种光储型虚拟同步机能量协调管理系统,包括: 选择策略模块,用于对上层的光伏电源、储能装置、光储型虚拟同步机的工作模式进行选择; 控制策略模块,用于对下层的光伏电源、储能装置、光储型虚拟同步机的功率输出进行控制; 所述光伏电源、储能装置通过光储型虚拟同步机连接有外部电网,且所述光储型虚拟同步机通过选择策略模块和控制策略模块对光伏电源、储能装置进行协调。 本实用新型的实施例如图1至图9所示。 在该光储分布式发电系统的直流侧,光伏阵列和储能装置分别通过DC/DC变流器并联在直流母线上; 直流电流经过采用虚拟同步策略控制的逆变器转换成交流电后,再经过滤波电路输出到本地负荷和电网; 逆变器输出侧与电网之间通过一个并网开关连接。 光伏模块所连的DC/DC变换器采用Boost电路,用于实现最大功率跟踪控制或定功率控制; 连接储能的双向DC/DC电路,用于实现恒压控制,通过充放电平衡光伏发电与逆变器输出功率之间的差额,维持直流母线的电压。 逆变器采用VSG控制模拟同步发电机的机械特性和电磁特性,就可以使其具有同步机的调频能力和惯性。 本实用新型主要考虑虚拟同步机的有功功率控制,故这里省略同步机的励磁特性模拟。 同步发电机的惯性由其机械特性决定,由其转子运动方程体现。

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    华北电力大学分布式储能与微网河北省重点实验室的研究人员颜湘武、王俣珂、贾焦心、王德胜、张波,在2019年第7期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“基于非线性最小二乘曲线拟合的虚拟同步发电机惯量与阻尼系数测量方法”)指出,虚拟同步发电机(VSG)技术是解决经由电力电子变流器并网的新能源发电渗透率逐渐提高下系统惯性与阻尼减小问题的有效手段。

    目前的VSG研究多侧重于技术的优化与改进,少有特性测量方面的研究成果。在实际的VSG应用中也通常是使用惯性时间常数综合表征系统转动惯量J与阻尼系数D,这种表征方式中转动惯量与阻尼系数耦合,无法明确各参数的具体数值。

    为了解决该问题,基于非线性最小二乘曲线拟合法,分析了发电系统在离网、并网不同运行工况与阻尼状态的时域单位阶跃响应函数。定性介绍了一种利用动态响应指标测量J、D的方法。实际测量方法以曲线拟合法为基础,借鉴了一种用于同步发电机转动惯量测量的甩负荷实验,结合并网功率阶跃实验,得到了一种可以自验证的综合测量方法。最后通过多组不同参数与工况的仿真与实验验证了该方法的有效性。

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    电力电子变流器是新能源接入电网的重要方式之一,随着新能源发电在电网中占比的不断提高,传统并网逆变器缺乏惯性和阻尼的问题与电网惯性支撑、一次调频需求之间的矛盾也日渐突出。在这样的背景下,虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)技术在近几年受到了学术界与工业界的广泛关注,其被认为是解决这一问题的有效方法。

    《虚拟同步发电机技术导则》是虚拟同步发电机技术领域的统领性标准,规定了VSG技术的界定,明确VSG是通过模拟同步发电机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源具有同步发电机组的一次调频、一次调压、转动惯量与阻尼响应等外特性的技术。使用了VSG技术的并网逆变器可以具有与传统同步发电机类似的运行特点,即可参与电网的运行与调节,与传统同步电源共同维护电网的稳定运行。

    目前,大部分与VSG技术相关的文献着眼于这种解决方案在逆变器上的应用与优化。文献[7]提出了一种VSG控制模式,以解决现有控制策略在电网频率波动时无法协调恒功率控制与惯量、阻尼支撑之间关系的问题。文献[8]对两种不同的VSG控制策略在实际应用中的优缺点进行了总结与对比,并提出了功率深度利用和光储协调优化控制策略。

    文献[9]针对微电网惯性低、易受负荷波动致使频率偏差过大的问题,提出了基于VSG的二次调频方法,对频率实现了无差控制。文献[10]对多能互补微网的特性进行了研究,提出了一种可以实现微网灵活组网的VSG控制策略。文献[11]提出了一种满足微网孤岛/并网切换的VSG控制策略,同时提出了一种基于控制器状态跟随的适应微网并网运行特性的并行切换方法。

    文献[12]提出一种基于虚拟同步发电机运行的逆变器并联控制方法,使不同额定功率逆变器并联运行时,功率分配和空载环流抑制满足需求。文献[13]提出了一种基于同步发电机机电暂态模型的新型微电网逆变电源,其功率控制器和电压频率控制器使得该逆变电源具有功率控制和调频调压双重功能。

    将VSG技术引入逆变器控制策略,使得分布式电源也具有了与同步发电机相似的惯性与阻尼,可以像同步发电机一样在系统频率变化时为系统提供惯性支撑,减缓一次调频响应前系统频率的变化[14]。然而受控制算法中一些非线性部分及PI调节器的影响,逆变器实际输出的转动惯量和阻尼可能与给定值有一定的偏差,这将会影响到分布式电源的实际外特性,进而影响惯性支撑的效果。

    针对目前VSG研究主要集中于技术应用,而忽略了对使用VSG技术后逆变器实际特性进行测量的情况,文献[15]提出了一种基于VSG二阶非线性模型以及在工作点处线性化的方法,对功率响应向量进行最小二乘拟合求解矩阵系数,进而对设备实际输出的惯性和阻尼进行辨识。

    文献[16]提出了一种基于发电机负载电压阶跃实验的转动惯量仿真辨识方法,并对甩负荷实验测量转动惯量的方法进行了介绍。文献[18]研究了双馈型风电场等效虚拟惯性时间常数HeqWF的定量表征方法,得到了风电场等效虚拟惯性时间常数的计算方法。

    中国电科院于2016年牵头制订了光伏和风电VSG技术标准——《单元式光伏虚拟同步发电机技术要求和试验方法》和《风电机组虚拟同步发电机技术要求和试验方法》,并对有功调频、无功调压、虚拟惯性控制、阻尼控制等给出相关规定。

    本文针对采用VSG技术的逆变器,提出了一种基于非线性最小二乘曲线拟合的转动惯量J与阻尼系数D的测量方法,并通过将两种实验方法综合的方式规避了同步功率取值不准确对于参数测量的影响。利用仿真与实验的结果对所提方法进行了验证,证明了测量方法的有效性,为VSG外特性测量提供了一种新的方法。

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    图1 VSG主电路结构

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    图7 测量流程

    结论

    本文介绍了虚拟同步发电机控制的基本原理,并基于非线性最小二乘曲线拟合的方法,对并网与离网运行下的VSG进行了建模分析,得到了不同运行工况与阻尼状态下的数学模型和时域响应函数。定性分析了利用动态响应指标求解转动惯量与阻尼系数的方法。提出了结合甩负荷实验与并网加载实验的综合测量方法,并通过多组仿真波形与实验数据验证了所提测量方法的有效性。

    本文所提出的方法对于响应波形因滤波与控制产生的延迟问题,目前需要根据曲线拟合误差最小值所对应的采样点对所需拟合数据的起始位置进行手动修正。如何在不影响波形特点的情况下避免随机波动与噪声对拟合效果的影响以及消除数据延迟,仍有待进一步研究。

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