[发明专利]具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，具体涉及一种基于具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机(VSG+)方法，其中虚拟同步发电机的英文为Virtual Synchronous Generator，简称VSG。

背景技术

随着全球范围内的能源危机和气候问题日益突出，太阳能作为一种洁净的可再生资源得到了越来越广泛的应用和发展，分布式光伏发电系统已经开始大规模的接入电网，其能量渗透率也在不断增加。然而，分布式光伏发电系统中含有大量的并网逆变器，尤其是常规并网逆变器响应速度快、几乎没有转动惯量、难以参与电网调节，无法为含有分布式光伏发电系统的主动配电网提供必要的电压和频率支持。目前常规光伏逆变器的并网控制策略(PQ控制、V/f控制、Droop下垂控制)都难以解决光伏逆变器惯性缺乏的问题，难以参与电网电压和频率的调节，这些都给配电网和微电网的安全稳定运行带来了巨大的挑战。

传统的同步发电机具有高阻抗、大惯性、自同步的特性，若能够使得分布式发电系统中并网逆变器从外特性和机理上都具有同步发电机的良好特性，必然能够提高含并网逆变器的分布式发电系统和微电网的运行性能。基于该思想，有学者提出：将同步发电机的上述特性植入到并网逆变器的控制策略中，进而提高分布式发电系统并网的能力。因此，虚拟同步发电机(VSG)的思想应运而生。

发明专利《一种基于虚拟同步发电机的微网微源控制方法》(专利号为CN 103972928 A)给出了该方案的一种实施方法，建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程，通过虚拟同步发电机的建立使得分布式光伏发电系统的光伏逆变器具有惯性和阻尼，具备参与配网调节的能力。

然而上述实施方式中，电网中的转动惯量和阻尼大小不能够自适应的做出调整，为更好的实现分布式光伏发电系统的并网，需要一种更佳的方案来提高并网稳定域。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，用以提高分布式光伏发电系统并网稳定域，实现分布式光伏发电系统中光伏逆变器的“电网友好型”特征和组网特性。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种具有转动惯量和阻尼自趋优的虚拟同步发电机方法，步骤如下：

步骤(1)：建立虚拟同步发电机的机械方程和电磁方程；

步骤(2)：虚拟同步发电机模型中的转动惯量J和阻尼D随|Δf|变大而变大，Δf是电网额定频率与虚拟同步发电机实际频率之差的绝对值。

步骤(3)：根据上述转动惯量J和阻尼D的自我调整，对|Δf|实现闭环控制，最终实现分布式光伏发电系统的并网。

进一步的，步骤(2)中转动惯量参数闭环控制的具体方程为

其中，f_N为电网系统额定频率，f为虚拟同步发电机实际频率，k_J为转动惯量自适应比例常数，J₀为转动惯量初始给定值。

进一步的，步骤(2)中阻尼参数闭环控制的具体方程为

其中，f_N为电网系统额定频率，f为虚拟同步发电机实际频率，k_D为阻尼自适应比例常数,D₀为阻尼初始给定值。

进一步的，步骤(1)中，虚拟同步发电机的机械方程为

其中，J为虚拟发电机的转动惯量,单位是kg·m²；P_T'和P_VSG分别为输入虚拟机械功率和虚拟电磁功率，单位为kW；ω为虚拟同步发电机转子的角速度，ω_N为电网同步角速度，单位为rad/s；D为阻尼系数，单位为N·m·s/rad；θ为电角度，单位为rad。

进一步的，步骤(1)中，虚拟同步发电机的电磁方程为

其中，为逆变器桥侧输出电压，等效于同步发电机电势。为虚拟同步发电机的机端电压。R和X分别为虚拟同步发电机的同步电阻和同步电抗。

进一步的，分布式光伏发电系统中设有储能装置，储能装置采用如下控制方式：将计算得到的电网实时功率与光伏输出功率之差ΔP作为储能装置功率的参考值，然后其与储能装置功率的差值送入PI控制器后进行限幅，其输出与功率ΔP除以母线电压的商值(即功率前馈环节)之和作为储能装置实际电流参考值，与储能装置实际电流值之差送入PI控制器，得到最终PWM脉冲信号以控制储能装置功率的输出和接受。