一种具备参与电网惯量响应与频率调节功能的虚拟同步发电机的设计与仿真

引言

以风电、光伏为代表的可再生能源接入电网的比例正不断增大,对电力系统的安全稳定运行产生了不可忽略的影响。采用矢量控制的并网变流器体现出无阻尼、小惯量的电流源特性,难以自主观测并参与电网的惯量响应、一次调频,等效降低了电网惯量,使其等效为小惯量的系统,严重影响了电力系统的稳定性与动态特性。为此,本文给出一种并网变流器的虚拟同步发电机控制策略,使其在动态上具有惯量响应特性,稳态上能够自主参与电网频率调节。

1虚拟同步机控制结构

图1给出了三相并网变流器的虚拟同步发电机控制结构图。在有功功率控制环中,参考值Pref与反馈值P之间偏差经过一个低通滤波器,其输出叠加稳态电网频率经过一个积分器后作为输出的角度9,不难发现,有功功率控制环模拟了电力系统中同步发电机的转子运动方程。有功环输出角度9可用作旋转坐标变换。

无功功率控制环的输出叠加上电网电压稳态值作为滤波电容电压控制环d轴的参考值,滤波电容电压控制环g轴参考值为零。电压环的输出作为电流环的参考值,电流环的输出经过旋转变换后用于脉冲宽度调制。图1中,F0、Fu、Fi分别为无功环、电压中环和电流内环的调节器,此处均选择比例积分)PI)调节器。

2控制参数设计

2.1有功控制环参数设计

对图1中虚拟同步发电机有功功率控制环线性化,图2给出有功环的小信号控制框图。

图2中有功功率参考值P^ref*到有功功率实际输出值P^*的传递函数如下:

从式(1)可以看出,有功环实际上等效为二阶系统,其自然振荡频率on与阻尼比〈分别是:

从式(2)可以看出,惯量时间常数H会影响系统的振荡频率on,阻尼系数D则会决定系统的振荡幅度。本文选取阻尼比〈的值为0.707,继而求得阻尼系数D为170,惯量时间常数H为6。

2.2无功控制环参数设计

虚拟同步发电机无功环的控制框图在图3给出。

图3中,当没采用无功控制器进行补偿时,虚拟同步发电机无功参考值0ref到输出的实际无功功率0的传递函数可表示为:

本文所研究的虚拟同步发电机中,功率环、电压环以及电流环之间的控制带宽之比是l:10:100,本文设计的无功环控制带宽为10Hz。无功环在补偿前与补偿后的传递函数频率特性曲线在图4中给出。

图4 虚拟同步发电机无功功率控制环频率特性

从图4中不难看出,无功环在补偿后的开环传递函数频率特性曲线中,幅频特性曲线经过零点时的频率是10Hz,其对应的相位裕度为l106,并且幅频特性曲线穿过零点时的斜率是-20dB/6,由上述幅频、相频特性推知系统具有较好的响应特性。根据图4设计出无功环的PI调节器参数为0.00l+0.0l5/s。

3仿真验证

为了验证本文分析的正确性以及虚拟同步发电机的可行性,在Matlab/Simulink软件中搭建了100kw虚拟同步发电机仿真模型。

3.1并网启动

图5给出了虚拟同步发电机启动并网时的仿真波形。图5(a)所示的启动过程中,有功功率增大时超调量极小,过渡过程平稳无畸变:无功功率维持在0kvar附近。在图5(b)所示的并网电流中,虚拟同步发电机并网输出电流逐渐增加,启动过程平稳,超调量较小,并网电流具有较高的正弦度。

3.2阻尼系数的影响

虚拟同步发电机输出有功功率的响应特性与阻尼系数D间的关系曲线在图6中给出。

从图6不难看出,在阻尼系数D=50时,对应于欠阻尼的工况:在阻尼系数D=l70时,对应0.707的阻尼比,系统为最优二阶系统:在阻尼系数D=300时,对应于过阻尼的工况。图6仿真结果与理论分析一致。

3.3惯量响应与一次调频

图7验证了虚拟同步发电机参与电网惯量响应、频率调节的特性。在图7(a)中,4s时电网频率从50Hz降低到49.98Hz:在图7(b)中,4s时虚拟同步发电机输出有功功率突然增大,实现了虚拟同步发电机对电网频率变化时的惯量响应功能:此外,进入稳态后输出的有功功率是107kw,较有功参考值100kw更大,实现了对电网的一次调频功能。

4结语

为解决大规模新能源并网引起的电力系统惯量缺失问题,本文给出一种虚拟同步发电机的控制方法:建立了有功功率、无功功率控制环路的小信号框图,给出了有功功率、无功功率的参数设计方法,仿真结果验证了本文所提控制方法的可行性。