一種具備參與電網(wǎng)慣量響應(yīng)與頻率調(diào)節(jié)功能的虛擬同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

引言

以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源接入電網(wǎng)的比例正不斷增大,對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了不可忽略的影響。采用矢量控制的并網(wǎng)變流器體現(xiàn)出無(wú)阻尼、小慣量的電流源特性,難以自主觀測(cè)并參與電網(wǎng)的慣量響應(yīng)、一次調(diào)頻,等效降低了電網(wǎng)慣量,使其等效為小慣量的系統(tǒng),嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)特性。為此,本文給出一種并網(wǎng)變流器的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略,使其在動(dòng)態(tài)上具有慣量響應(yīng)特性,穩(wěn)態(tài)上能夠自主參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。

1虛擬同步機(jī)控制結(jié)構(gòu)

圖1給出了三相并網(wǎng)變流器的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖。在有功功率控制環(huán)中,參考值Pref與反饋值P之間偏差經(jīng)過一個(gè)低通濾波器,其輸出疊加穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)頻率經(jīng)過一個(gè)積分器后作為輸出的角度9,不難發(fā)現(xiàn),有功功率控制環(huán)模擬了電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。有功環(huán)輸出角度9可用作旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。

無(wú)功功率控制環(huán)的輸出疊加上電網(wǎng)電壓穩(wěn)態(tài)值作為濾波電容電壓控制環(huán)d軸的參考值,濾波電容電壓控制環(huán)g軸參考值為零。電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的參考值,電流環(huán)的輸出經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后用于脈沖寬度調(diào)制。圖1中,F0、Fu、Fi分別為無(wú)功環(huán)、電壓中環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器,此處均選擇比例積分)PI)調(diào)節(jié)器。

2控制參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1有功控制環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)圖1中虛擬同步發(fā)電機(jī)有功功率控制環(huán)線性化,圖2給出有功環(huán)的小信號(hào)控制框圖。

圖2中有功功率參考值P^ref*到有功功率實(shí)際輸出值P^*的傳遞函數(shù)如下:

從式(1)可以看出,有功環(huán)實(shí)際上等效為二階系統(tǒng),其自然振蕩頻率on與阻尼比〈分別是:

從式(2)可以看出,慣量時(shí)間常數(shù)H會(huì)影響系統(tǒng)的振蕩頻率on,阻尼系數(shù)D則會(huì)決定系統(tǒng)的振蕩幅度。本文選取阻尼比〈的值為0.707,繼而求得阻尼系數(shù)D為170,慣量時(shí)間常數(shù)H為6。

2.2無(wú)功控制環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

虛擬同步發(fā)電機(jī)無(wú)功環(huán)的控制框圖在圖3給出。

圖3中,當(dāng)沒采用無(wú)功控制器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),虛擬同步發(fā)電機(jī)無(wú)功參考值0ref到輸出的實(shí)際無(wú)功功率0的傳遞函數(shù)可表示為:

本文所研究的虛擬同步發(fā)電機(jī)中,功率環(huán)、電壓環(huán)以及電流環(huán)之間的控制帶寬之比是l:10:100,本文設(shè)計(jì)的無(wú)功環(huán)控制帶寬為10Hz。無(wú)功環(huán)在補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的傳遞函數(shù)頻率特性曲線在圖4中給出。

圖4 虛擬同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率控制環(huán)頻率特性

從圖4中不難看出,無(wú)功環(huán)在補(bǔ)償后的開環(huán)傳遞函數(shù)頻率特性曲線中,幅頻特性曲線經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)的頻率是10Hz,其對(duì)應(yīng)的相位裕度為l106,并且幅頻特性曲線穿過零點(diǎn)時(shí)的斜率是-20dB/6,由上述幅頻、相頻特性推知系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)特性。根據(jù)圖4設(shè)計(jì)出無(wú)功環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為0.00l+0.0l5/s。

3仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文分析的正確性以及虛擬同步發(fā)電機(jī)的可行性,在Matlab/Simulink軟件中搭建了100kw虛擬同步發(fā)電機(jī)仿真模型。

3.1并網(wǎng)啟動(dòng)

圖5給出了虛擬同步發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)時(shí)的仿真波形。圖5(a)所示的啟動(dòng)過程中,有功功率增大時(shí)超調(diào)量極小,過渡過程平穩(wěn)無(wú)畸變:無(wú)功功率維持在0kvar附近。在圖5(b)所示的并網(wǎng)電流中,虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)輸出電流逐漸增加,啟動(dòng)過程平穩(wěn),超調(diào)量較小,并網(wǎng)電流具有較高的正弦度。

3.2阻尼系數(shù)的影響

虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出有功功率的響應(yīng)特性與阻尼系數(shù)D間的關(guān)系曲線在圖6中給出。

從圖6不難看出,在阻尼系數(shù)D=50時(shí),對(duì)應(yīng)于欠阻尼的工況:在阻尼系數(shù)D=l70時(shí),對(duì)應(yīng)0.707的阻尼比,系統(tǒng)為最優(yōu)二階系統(tǒng):在阻尼系數(shù)D=300時(shí),對(duì)應(yīng)于過阻尼的工況。圖6仿真結(jié)果與理論分析一致。

3.3慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻

圖7驗(yàn)證了虛擬同步發(fā)電機(jī)參與電網(wǎng)慣量響應(yīng)、頻率調(diào)節(jié)的特性。在圖7(a)中,4s時(shí)電網(wǎng)頻率從50Hz降低到49.98Hz:在圖7(b)中,4s時(shí)虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出有功功率突然增大,實(shí)現(xiàn)了虛擬同步發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)頻率變化時(shí)的慣量響應(yīng)功能:此外,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后輸出的有功功率是107kw,較有功參考值100kw更大,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)的一次調(diào)頻功能。

4結(jié)語(yǔ)

為解決大規(guī)模新能源并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)慣量缺失問題,本文給出一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方法:建立了有功功率、無(wú)功功率控制環(huán)路的小信號(hào)框圖,給出了有功功率、無(wú)功功率的參數(shù)設(shè)計(jì)方法,仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提控制方法的可行性。