基于功率动态耦合机理的VSG同步频率谐振抑制方法与流程

基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法
技术领域
1.发明涉及电力系统及电力电子领域，具体涉及一种基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法。


背景技术：

2.随着分布式电源(dg)在电力系统(epss)中所占比例越来越大,电网惯性和阻尼的不足对eps的稳定和运行提出了巨大的挑战。针对这些问题,人们提出了虚拟同步发电机(vsg)的概念。
3.虚拟同步发电机通过模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，为电网提供电压和频率支撑。如图1所示为虚拟同步发电机控制的并网系统控制框图，本文将直流侧储能系统用理想电源替代，储能vsg经过滤波电路后汇入大电网。其中，控制电路主要包含有功控制环节、无功控制环节以及电压电流双环控制。同步发电机的反电动势由逆变器输出电压e∠δ表示；pcc为公共接地点，根据pcc点采集到的电压u0与电流i0进行实时功率计算后获得输出功率pe与qe，将所得功率送入vsg主体控制部分，通过与指令功率p
ref
和q
ref
进行比较计算后得出vsg输出电压幅值e与相位θ；j为转动惯量；d为阻尼系数；滤波电感l1和电阻r1等效为同步发电机电感和电阻，c为滤波电容；l2和r2等效为网侧线路的电感和电阻。
4.尽管虚拟同步发电机可以从外特性上完全模拟同步发电机，但由于其具有更宽的频域响应，动态变化过程中会存在同步频率谐振问题。本发明通过建立vsg的小信号模型，得出同步频率谐振产生的原因，并建立了有功环与无功环耦合模型，考虑功率耦合情况下，功角的波动会导致有功和无功功率同时变化，电压幅值的变化也会引起有功与无功同时改变，且不管是有功环还是无功环的振荡，均可以借助耦合通道反馈到另一个环路中，因此，有功功率与无功功率之间的耦合效应会加剧同频谐振现象。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，步骤包括：
6.s1.实时监测并获取pcc点的电压电流信息；
7.s2.将s1中的电压电流进行功率计算得到vsg实时并网功率；
8.s3.将s2所得的并网有功与无功功率送入vsg有功环节与无功环节，经有功-功角控制与无功-电压控制后生成指令电压幅值与相位；
9.s4.在vsg有功与无功控制环节中分别对电压相位和幅值进行一定量的补偿，将补偿所得值与s3中的指令值相加，得到新的电压幅值与相位指令值；
10.s5.对s4中新生成的指令电压进行电压电流双环控制，使得vsg输出电压跟随指令值变化；
11.s6.根据s5中双环控制生成的pwm调制信号对vsg输出电压电流进行调控，从而完成对并网点功率振荡的抑制。
12.进一步的，步骤s2所述的计算实时并网功率，其中有功功率为p，无功功率为q，计算公式如下所示：
[0013][0014]
式中ud、uq为vsg输出电压在dq坐标系下的坐标，id、iq为vsg在dq坐标系下的输出电流。
[0015]
进一步的，步骤s3所述的计算vsg生成指令电压幅值e与相位θ，相位θ公式如下：
[0016][0017]
其中ω为系统角频率，j为虚拟转动惯量，d为阻尼系数；
[0018][0019]
其中un为额定电压。
[0020]
进一步的，步骤s3所述vsg有功环节与无功环节，其中有功控制环与无功控制环非耦合的情况下开环传递函数如下：
[0021][0022]
其中为有功-功角控制环节，由有功功率表达式进行小信号建模分析得出；为无功-电压控制环节，由无功功率表达式进行小信号建模分析得出；
[0023]
当有功与无功耦合情况下开环传递函数如下：
[0024][0025][0026]
其中为有功-电压控制环节，由有功功率表达式进行小信号建模分析得出；
[0027]
为无功-功角控制环节，由无功功率表达式进行小信号建模分析得出。
[0028]
进一步的，步骤s4在vsg有功与无功控制环节中分别对电压相位和幅值对施加前馈补偿时，新的有功-功角传递函数为：
[0029][0030]
新的无功-电压传递函数为：
[0031][0032]
进一步的，步骤s4所述的补偿环节的计算推导过程为：
[0033]
为了消除无功环对有功环的影响，则必有：
[0034][0035]
得出有功补偿环节为：
[0036]
为了消除有功环对无功环的影响，则必有：
[0037][0038]
得出无功补偿环节为
[0039][0040]
本发明通过在vsg控制环节中加入交叉前馈补偿环节，实现了vsg并网功率振荡的抑制，实现了vsg控制的并网逆变器的友好并网。
附图说明
[0041]
图1为传统的并网vsg控制系统模块示意图；
[0042]
图2为本发明的控制原理图；
[0043]
图3为本发明应用到vsg并网后的系统控制图；
[0044]
图4为施加本发明前h
pδ
(s)阶跃响应图；
[0045]
图5为施加本发明前h
qe
(s)的阶跃响应；
[0046]
图6为考虑功率系统开环传递函数对比伯德图；
[0047]
图7为本发明实施前后系统并网功率变化图；
[0048]
图8为本发明实施前后系统并网电流变化图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其它实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明基础上的改进改造都属于本发明保护的范围。
[0050]
如图2所示为本发明的控制策略图，图3则是本发明应用到vsg并网后的系统控制图，本发明提供的这种基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，包括如下步骤：
[0051]
s1.实时监测并获取pcc点(公共接地点)的电压电流信息；
[0052]
s2.将s1中的电压电流进行功率计算得到vsg实时并网功率；
[0053]
s3.将s2所得的并网有功与无功功率送入vsg有功环节与无功环节，经有功-功角控制与无功-电压控制后生成指令电压幅值与相位；
[0054]
具体实施时，根据pcc点采集到的电压u与电流i进行实时功率计算后获得输出功率p与q，计算公式为：
[0055]
式中ud、uq为vsg输出电压在dq坐标系下的坐标，id、iq为vsg在dq坐标系下的输出电流，
[0056]
将p、q与指令功率p
ref
、q
ref
作比较计算后得出vsg输出电压幅值e与相位θ，相位θ公式如下：
[0057][0058]
其中ω为系统角频率，j为虚拟转动惯量，d为阻尼系数；
[0059][0060]
其中un为额定电压。
[0061]
由于大电网的钳位作用，电压ud近似为电网电压u，uq近似为0，则功率表达式化为：
[0062][0063]
其中l、r分别为系统总电感与总电阻，x为总电抗，δe＝e-u表示vsg输出电压与电网电压之差，功角为δ。
[0064]
其有功控制环与无功控制环开环传递函数如下：
[0065][0066]
其中为有功-功角控制环节，由有功功率表达式进行小信号建模分析得出；为无功-电压控制环节，由无功功率表达式进行小信号建模分析得出。
[0067]
以上分析是基于有功与无功非耦合的情况，当考虑功率耦合时，新的有功与无功开环传递函数如下所示：
[0068][0069][0070]
其中为有功-电压控制环节，由权利要求2中有功功率表达式进行小信号建模分析得出；
[0071]
为无功-功角控制环节，由权利要求2中无功功率表达式进行小信号建模分析得出。
[0072]
s4.在vsg有功与无功控制环节中分别对电压相角和幅值进行一定量的补偿。在未施加补偿环节之前，系统有功-功角传递函数为：
[0073][0074]
无功-电压传递函数为：
[0075][0076]
可见传递函数存在共轭复根系统的交流侧等效阻感比较小会使得输出功率产生同频谐振，当考虑功率耦合时，这种振荡还会加剧。
[0077]
s4所述的补偿环节的计算推导：
[0078]
为了消除无功环对有功环的影响，则必有：
[0079][0080]
得出有功补偿环节为：
[0081]
为了消除有功环对无功环的影响，则必有：
[0082][0083]
得出无功补偿环节为
[0084][0085]
当施加前馈补偿时，新的有功-功角传递函数为：
[0086][0087]
新的无功-电压传递函数为：
[0088][0089]
可见施加交叉前馈补偿之后传递函数共轭极点消失，从根本上抑制了并网功率的振荡。
[0090]
s5.对s4中新生成的指令电压进行电压电流双环控制，使得vsg输出电压跟随指令值变化；
[0091]
s6.根据s5中双环控制生成的pwm调制信号对vsg输出电压电流进行调控，从而完成对并网点功率振荡的抑制。
[0092]
为了验证本发明所提出的基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法,采用表1的电路参数和控制参数进行matlab仿真实验：
[0093]
表1
[0094][0095]
如图4、图5所示，在不施加本发明所提方法之前，系统有功-功角传递函数与无功-电压传递函数阶跃响应，在0.2s时刻功角δ发生3deg的阶跃变化，对应的有功功率产生50hz的振荡；在0.2s时刻给电压幅值e加入3v的阶跃变化，系统的无功功率也产生了50hz的振荡。其有功与无功开环传递函数伯德图如图6所示，由开环传递函数波德图可知，系统在ω0＝314rad/s处出现谐振尖峰，并引发180
°
相位滞后，使得系统的幅值裕度和相角裕度均为负值，导致输出功率振荡，系统最终失去稳定性。
[0096]
在不施加本发明所提方法之前，系统并网功率发散振荡，在1.2秒之后施加本发明所提方法，系统并网功率振荡逐渐减弱并最终趋于稳定，1.8秒时刻再次去除交叉前馈补偿后功率再次出现振荡，如图7所示。系统在施加交叉前馈补偿前系统并网电流严重畸变，1.2
秒后施加交叉前馈补偿，电流变得三相对称，1.8秒后去除交叉前馈补偿，电流再次振荡，如图8所示。
[0097]
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的技术方案和原理之内所作的任何修改、等同替换或改进等，特别是原理运用及设计方式，比如本发明设计的原理和具体实效办法，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，其特征在于：步骤包括：s1.实时监测并获取pcc点的电压电流信息；s2.将s1中的电压电流进行功率计算得到vsg实时并网功率；s3.将s2所得的并网有功与无功功率送入vsg有功环节与无功环节，经有功-功角控制与无功-电压控制后生成指令电压幅值与相位；s4.在vsg有功与无功控制环节中分别对电压相位和幅值进行一定量的补偿，将补偿所得值与s3中的指令值相加，得到新的电压幅值与相位指令值；s5.对s4中新生成的指令电压进行电压电流双环控制，使得vsg输出电压跟随指令值变化；s6.根据s5中双环控制生成的pwm调制信号对vsg输出电压电流进行调控，从而完成对并网点功率振荡的抑制。2.根据权利要求1所述的基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，其特征在于步骤s2所述的计算实时并网功率，其中有功功率为p，无功功率为q，计算公式如下所示：式中u
d
、u
q
为vsg输出电压在dq坐标系下的坐标，i
d
、i
q
为vsg在dq坐标系下的输出电流。3.根据权利要求1所述的基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，其特征在于：步骤s3所述的计算vsg生成指令电压幅值e与相位θ，相位θ公式如下：其中ω为系统角频率，j为虚拟转动惯量，d为阻尼系数；其中u
n
为额定电压。4.根据权利要求1所述的基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，其特征在于：步骤s3所述vsg有功环节与无功环节，其中有功控制环与无功控制环非耦合的情况下开环传递函数如下：其中为有功-功角控制环节，由有功功率表达式进行小信号建模分析得出；为无功-电压控制环节，由无功功率表达式进行小信号建模分析得出；当有功与无功耦合情况下开环传递函数如下：
其中为有功-电压控制环节，由有功功率表达式进行小信号建模分析得出；为无功-功角控制环节，由无功功率表达式进行小信号建模分析得出。5.根据权利要求1所述的基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，其特征在于：步骤s4在vsg有功与无功控制环节中分别对电压相位和幅值对施加前馈补偿时，新的有功-功角传递函数为：新的无功-电压传递函数为：6.根据权利要求5所述的基于功率动态耦合机理的vsg同步频率谐振抑制方法，其特征在于：步骤s4所述的补偿环节的计算推导过程为：为了消除无功环对有功环的影响，则必有：得出有功补偿环节为：为了消除有功环对无功环的影响，则必有：得出无功补偿环节为：

技术总结
本发明公开了一种基于功率动态耦合机理的VSG同步频率谐振抑制方法，涉及电力系统的暂稳态运行和VSG控制的逆变器输出功率的整定。包括：建立VSG功率耦合下的动态模型；对VSG功率传输模型进小信号建模分析，得到耦合状态下的小信号模型，分析了有功环与无功环动态耦合时的振荡机理以及功率耦合对并网功率同频谐振的影响；基于耦合情况下的谐振机理，提出一种前馈补偿抑制策略，即通过在有功控制环路与无功控制环路分别加入补偿环节来达到消除并网功率同频谐振的目的。通过采集公共接地点的电压电流信号，计算得到输出功率，将所得的功率值送入VSG控制环节与补偿环节得到输出电压幅值与相角，通过三相坐标变换后将所得电压送入电压电流双环控制，得到PWM调制信号，进而实现控制VSG并网电流的目的，使得并网电流保持三相对称，并网功率保持稳定，提高了VSG并网稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：史丽萍 成方壮 王攀攀 张远 常思龙 胡东舟
受保护的技术使用者：徐州上若科技有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/20