本發(fā)明涉及一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著采用電力電子變換器并網(wǎng)接口的分布式新能源發(fā)電機(jī)組（dg）和各種負(fù)載大規(guī)模、高滲透、高密度接入電網(wǎng)，常規(guī)的基于同步發(fā)電機(jī)（sg）的火電機(jī)組滲透率不斷下降。然而電力電子并網(wǎng)接口并不具備剛體轉(zhuǎn)動慣量的特性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生小擾動出現(xiàn)功率缺額時，dg機(jī)組并不能額外提供功率動態(tài)支持；而常規(guī)sg機(jī)組由于具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，能夠?qū)崟r響應(yīng)該過程。sg機(jī)組滲透率下降意味著電力系統(tǒng)將由于缺乏足夠的慣量支持而導(dǎo)致運(yùn)行穩(wěn)定性惡化。為應(yīng)對由高密度、高滲透率新能源接入所帶來的系統(tǒng)慣性、阻尼的缺失，提高電網(wǎng)頻率、電壓支撐能力以及系統(tǒng)穩(wěn)定性，基于虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual?synchronousgenerator，vsg）的構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過模擬同步發(fā)電機(jī)的動態(tài)調(diào)節(jié)特性，vsg能在系統(tǒng)擾動時提供必要的慣性和阻尼來抑制電網(wǎng)頻率和輸出功率的波動。

2、虛擬同步發(fā)電機(jī)(vsg)控制通過模擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性和下垂特性提供電網(wǎng)頻率支持和下垂控制等構(gòu)網(wǎng)控制功能，以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。vsg控制包括外環(huán)功率控制環(huán)路和內(nèi)環(huán)電壓控制環(huán)路。常規(guī)的vsg控制的內(nèi)環(huán)電壓控制環(huán)路多采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(srf)比例積分(pi)控制器，在諧波畸變擾動下無法保證高質(zhì)量的并網(wǎng)（pcc）電壓，例如非線性整流充電負(fù)載、畸變的電網(wǎng)電壓等，畸變的pcc電壓會增加構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。此外，pi控制器參數(shù)的參數(shù)設(shè)計(jì)與整定，通常采用試錯來完成，電壓控制器的參數(shù)優(yōu)化與調(diào)試過程非常耗時。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而提供一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，能更好地應(yīng)對大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)的影響，增強(qiáng)構(gòu)網(wǎng)型柔并網(wǎng)設(shè)備動態(tài)支撐能力。

2、一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，包括以下步驟：

3、步驟1：設(shè)計(jì)虛擬同步機(jī)vsg功率外環(huán)控制器，以vsg功率外環(huán)控制器輸出作為vsg電壓內(nèi)環(huán)的輸入；

4、步驟2：建立并網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)側(cè)變流器gsc的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，基于gsc的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)vsg電壓內(nèi)環(huán)采用的狀態(tài)反饋sf控制器，并得到vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)；

5、步驟3：建立基于諧波擾動信號模型建立廣義積分gi控制器；

6、步驟4：選取gi控制器的補(bǔ)償器，以完全補(bǔ)償vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)在第h次諧波頻率處的相位延遲，若gi控制器的控制增益滿足判斷條件，則在vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉合系統(tǒng)的控制環(huán)路中加入gi控制器可使控制系統(tǒng)仍將保持穩(wěn)定。

7、虛擬同步機(jī)vsg功率外環(huán)控制器為：

8、??????????????(1)

9、???????????????(2)

10、公式(1)表示vsg的有功功率p與頻率wm關(guān)系，其中pref為vsg功率外環(huán)的輸入有功信號，p為并網(wǎng)設(shè)備的有功輸出信號，?j為vsg的轉(zhuǎn)動慣量，d為阻尼系數(shù)；wm為vsg的機(jī)械角頻率，wn為電網(wǎng)角頻率；式(2)表示vsg的無功功率q與電壓vm下垂特性，其中vm為同步旋轉(zhuǎn)dq軸坐標(biāo)系下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓參考值，v0為額定電壓，kq為下垂系數(shù)，qref為vsg功率外環(huán)的輸入無功信號，q為并網(wǎng)設(shè)備的無功輸出信號；

11、以vsg功率外環(huán)控制器輸出作為vsg電壓內(nèi)環(huán)的輸入，具體為：

12、vsg功率外環(huán)所輸出的并網(wǎng)點(diǎn)電壓參考量vm，經(jīng)過dq/abc坐標(biāo)變換將轉(zhuǎn)換為靜止abc坐標(biāo)系下的三相并網(wǎng)點(diǎn)電壓參考量vref,j(k),?其電壓相數(shù)j?=?a,?b,?c，三相并網(wǎng)點(diǎn)電壓參考量vref,j(k)將作為vsg電壓內(nèi)環(huán)的參考輸入量。

13、步驟2具體包括以下步驟：

14、建立風(fēng)電機(jī)組gsc的微分方程數(shù)學(xué)模型如下：

15、???????????（3）

16、將（3）離散化可得到gsc的離散狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型如下：

17、???(4)

18、其中，為狀態(tài)變量,為控制變量,,和為系數(shù)矩陣，i1,j(k)為gsc側(cè)j相電感電流，vo,j(k)為j相并網(wǎng)點(diǎn)電壓，uj(k)為j相gsc的控制信號，io,j(k)為gsc流向電網(wǎng)的輸出電流；

19、基于gsc的離散狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，vsg電壓內(nèi)環(huán)采用的sf控制器如下:

20、?????????????(5)

21、其中?，j為電壓相數(shù)，j?=?a,?b,?c；

22、將式（5）帶入式（4），可得vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)為：

23、?(6)

24、通過選取反饋系數(shù)矩陣f和y，sf控制器可以直接配置vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)，通過在單位圓內(nèi)優(yōu)化配置極點(diǎn)從而獲得快速性好和穩(wěn)定性佳的vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)；

25、對于vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)，從并網(wǎng)點(diǎn)電壓參考量到并網(wǎng)點(diǎn)電壓vo,j(k)的傳遞函數(shù)記為。

26、gi控制器為：

27、?(7)

28、其中，為頻率為wh的第h次諧波擾動信號，表示為：

29、?(8)

30、kh為頻率為wh的第h次諧波擾動的gi控制器的控制增益,?fh(z)為頻率為wh的第h次諧波擾動的補(bǔ)償器，qh為在頻率wh處的相位補(bǔ)償角，ts為控制系統(tǒng)的采樣頻率。

31、選取gi控制器的補(bǔ)償器，以完全補(bǔ)償vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)在第h次諧波頻率處的相位延遲，表示為：

32、。

33、gi控制器控制增益的判斷條件為：

34、?。

35、本發(fā)明所提出的并網(wǎng)設(shè)備vsg控制方法，能夠快速、魯棒且準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)并網(wǎng)電壓，并消除諧波擾動所導(dǎo)致的并網(wǎng)電壓諧波畸變，減少vsg控制方法可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，更好地適應(yīng)未來新能源友好型并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展要求。

36、本發(fā)明面向構(gòu)網(wǎng)型并網(wǎng)設(shè)備，提出一種由基于網(wǎng)側(cè)變換器（gsc）模型的狀態(tài)反饋（sf）控制器和基于諧波擾動信號模型的廣義積分（gi）控制器所復(fù)合而成的虛擬同步機(jī)電壓內(nèi)環(huán)控制器，用于快速、魯棒且準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)并網(wǎng)電壓，并消除諧波擾動所導(dǎo)致的諧波畸變，從而提高并網(wǎng)設(shè)備輸出的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性；

37、本發(fā)明針對所提出的由基于網(wǎng)側(cè)變換器模型的狀態(tài)反饋控制器和基于諧波擾動信號模型的廣義積分控制器所復(fù)合而成的虛擬同步機(jī)電壓內(nèi)環(huán)控制器，給出了簡單易行的控制器參數(shù)設(shè)計(jì)和選取方法。

技術(shù)特征：

1.一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，其特征在于，虛擬同步機(jī)vsg功率外環(huán)控制器為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，其特征在于，以vsg功率外環(huán)控制器輸出作為vsg電壓內(nèi)環(huán)的輸入，具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，其特征在于，步驟2具體包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，其特征在于，gi控制器為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，其特征在于，選取gi控制器的補(bǔ)償器，以完全補(bǔ)償vsg電壓內(nèi)環(huán)sf控制閉環(huán)系統(tǒng)在第h次諧波頻率處的相位延遲，表示為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，其特征在于，gi控制器控制增益的判斷條件為：

技術(shù)總結(jié)
一種消除并網(wǎng)電壓諧波擾動的并網(wǎng)設(shè)備虛擬同步機(jī)控制方法，包括以下步驟：設(shè)計(jì)虛擬同步機(jī)VSG功率外環(huán)控制器，以VSG功率外環(huán)控制器輸出作為VSG電壓內(nèi)環(huán)的輸入；建立并網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)側(cè)變流器GSC的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)VSG電壓內(nèi)環(huán)采用的狀態(tài)反饋SF控制器，并得到VSG電壓內(nèi)環(huán)SF控制閉環(huán)系統(tǒng)；建立基于諧波擾動信號模型建立廣義積分GI控制器；選取GI控制器的補(bǔ)償器，若GI控制器的控制增益滿足判斷條件，則在VSG電壓內(nèi)環(huán)SF控制閉合系統(tǒng)的控制環(huán)路中加入GI控制器可使控制系統(tǒng)仍將保持穩(wěn)定。能更好地應(yīng)對大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)的影響，增強(qiáng)構(gòu)網(wǎng)型柔并網(wǎng)設(shè)備動態(tài)支撐能力。

技術(shù)研發(fā)人員：冀肖彤,柳丹,熊平,趙一帆,李獵,胡畔,葉暢,孫宇,肖夢涵,鄧萬婷,曹侃,康逸群,江克證,譚道軍,梅欣,王偉,陳孝明,劉巨,周克亮,唐金銳,何青青
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15