【《同步发电机微电网VSG控制策略研究分析案例》5100字】

同步发电机微电网VSG控制策略研究分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2561同步发电机微电网VSG控制策略研究分析案例 1118731.1VSG控制系统结构 1273481.2VSG控制策略数学模型分析 2129161.2.1定子电压方程 3142351.2.2转子运动方程 4233591.3VSG控制器设计 4167651.3.1功频控制器设计 471611.3.2励磁控制器设计 589111.4VSG控制稳定性分析 6208901.4.1小信号分析模型 6104351.4.2控制参数对系统稳定性的影响 8123781.5VSG运行仿真分析 1028961.5.1功频控制器中控制参数分析 1067641.5.2励磁控制器控制参数分析 11同步发电机在电力系统中的地位不可替代，其控制技术已非常成熟，在微电网中应用同步发电机控制技术，将有效提高微电网运行时电压和频率的稳定性。VSG控制算法是把同步发电机控制技术引入到并网逆变器的控制算法中，既保留了电力电子灵活高效的特性，又不同程度地模拟实现了同步发电机的运行特性，在多逆变器并联运行中有利于功率的均匀分配。VSG控制系统结构VSG控制系统如图3-1所示，在功率环中，采用VSG控制算法，逆变器输出的参考电压由VSG控制算法得到，控制环路中所用到的角频率全部来自VSG控制算法中的功率平衡机制，不依赖于锁相环。图3-1VSG控制系统组成VSG控制策略数学模型分析同步发电机控制系统集静止与旋转、电磁变化与机械运动于一体，其模型非常复杂。微电网实际运行工况不同，模拟同步发电机运行的VSG控制模型也不太一样。理想的同步发电机模型如图3-2所示，图中画出了转子三相绕组和定子两相绕组，轴领先轴90度，在轴上有一个轴等效的阻尼绕组，在轴上有轴等效的阻尼绕组和励磁绕组。假定转子逆时针旋转，定子三相绕组磁链为，，，其正方向与、、三轴正方向一致，定子三相绕组端电压的极性与相电流方向一致，励磁绕组、阻尼绕组的磁链正方向和轴的正方向一致，轴上阻尼绕组的磁链正方向轴的正方向一致。若考虑转子绕组和定子绕组的电压方程、磁链方程以及转子运动方程，那么同步发电机的模型将非常复杂，这也给逆变器控制增加了非常大的难度。图3-2理想的同步发电机模型VSG的数学模型根据模型阶次的不同可分为多种，阶数越高，越能更精确模拟同步发电机数学模型，具有一定的理论价值，但越高阶数学模型越复杂，缺乏实用性。因此，建立的数学模型应在满足应用场合要求的基础上应尽量降低算法的复杂度。目前使用最为广泛的VSG模型是经典的同步发电机二阶模型，包括机械运动部分和定子电气部分两部分。对于机械运动部分，通过加入转子运动方程引入转动惯量和阻尼系数，使得微网运行具有较大的惯性特性，模型较为统一，而对于定子电气部分，模型主要分为两种：第一种是主要模拟同步发电机的转动惯量，而忽略同步机的电磁暂态过程的经典同步发电机模型，第二种是钟庆昌教授研究团队提出的充分考虑同步发电机的机电与电磁暂态特性的电磁模型ADDINNE.Ref.{C969F19F-7020-452C-8FA2-5B69361992A7}[53]。本文研究内容为VSG控制下逆变器并联运行的功率分配问题，主要借鉴同步发电机的一次调频调压特性及输出阻抗性特性，因此选择上述第一种同步发电机的二阶数学模型，引入定子方程和转子运动方程。基于该模型对同步发电机模型进行简化：(1)忽略绕组和绕组，通过在转子运动方程中加入阻尼项来等效转子运动状态下的阻尼作用；(2)忽略定子绕组的暂态特性，令；(3)忽略暂态凸极效应，令轴电感与轴电感相等，；(4)忽略磁饱和问题、机械损耗和涡流等因素。定子电压方程通过对理想发电机模型进行简化等效，可得到简化后的同步发电机定子电压方程： (3-1)式中，为励磁感应电动势，为输出电压，为定子电阻，为定子电抗，为定子电流。VSG控制通过引入定子电压方程来模拟同步发电机中定子电路电压与电流的电气关系。定子方程中的定子电阻和定子电抗分别由虚拟负电阻和虚拟电抗来代替。虚拟复阻抗的引入可以改变系统等效输出阻抗的阻感比，有利于提高下垂控制精度。VSG定子方程的表达式如式(3-2)所示： (3-2)式中，为虚拟电阻，为虚拟电感。转子运动方程VSG控制算法中引入同步发电机的二阶暂态模型的转子运动方程为： (3-3)式中，为转动惯量，为阻尼系数，为电网的同步角频率，为逆变器实际输出的角频率，为输入机械功率，为输出电磁功率。VSG控制器设计功频控制器设计VSG的一次调频是依据同步发电机的调速器的原理来实现。依据转子运动方程，当系统有功负荷发生变化时，为保证系统运行在新的工作点，系统机械转矩和电磁转矩都会产生相应的变化来改变角频率，从而完成调频单元动作。当有功功率发生变化时，角频率沿着下垂特性曲线成线性反比变化，同步发电机的有功频率静态特性如图3-3所示。图3-3有功频率静态特性VSG有功下垂控制框图如图3-4所示，当频率发生变化时，通过下垂控制会产生相应的有功变化量，从而实时调整瞬态有功输出，保证了电网频率稳定。图中逆变器输出角频率的参考值为，为VSG实际输出角频率，为有功频率下垂控制系数。图3-4有功下垂控制框图根据图3-4，可得到VSG机械功率下垂控制表达式： (3-4)根据VSG调速器表达式和式转子运动方程，并且假设逆变器工作在理想状态，即认为逆变器输出参考角频率近似等于电网同步角频率，可得到VSG功频控制器的表达式： (3-5)根据式(3-5)可得到功频控制器的整体控制框图：图3-5功频控制器整体控制框图励磁控制器设计虚拟同步机励磁感应电动势的大小是通过励磁调节器来控制励磁电流而改变的，从而调节逆变器的输出的无功功率。同步发电机的无功电压下垂特性曲线如图3-6所示。无功负荷发生变化时，系统会根据无功下垂控制，来线性反向调节励磁感应电动势，使系统运行于新的工作点。图3-6同步发电机无功电压下垂特性同步发电机通过励磁调节系统中的电压调节器来改变其输出电压，从而合理地分配无功功率。因此，VSG励磁控制器可通过模拟同步发电机的无功下垂特性，实现一次调压。VSG无功电压下垂控制框图如图3-7所示。图3-7无功电压下垂控制框图图3-7中，为无功下垂系数，和分别为励磁感应电动势的实际值和励磁感应电动势的参考值，和分别为实际输出的无功功率和输出无功功率的参考值。根据图3-7，可以得到VSG励磁电动势的表达式为： (3-6)VSG控制稳定性分析在分布式电源大量接入时，逆变器采用VSG控制使得控制系统具有大的惯性和阻尼特性，提高了电网的稳定性和可靠性。下面分析VSG关键控制参数转动惯量、阻尼系数、有功下垂系数和无功下垂系数对系统稳定性的影响。小信号分析模型电力电子变流器是非线性时变的动态系统，目前电力电子变流器稳定性分析的主要思路是将非线性时变系统转化为线性时不变系统进行研究，特征根分析法能够更加直观地看到参数变化时系统的动态稳定情况，在稳定性分析中得到了广泛的应用。电力系统进行稳定性分析时常采用特征根分析法，该方法需要建立线性化后的小信号状态空间模型，并以此为基础，通过特征根、特征向量、参与因子、灵敏度等工具来分析系统稳定性及系统过渡过程相关特征ADDINNE.Ref.{81CC076A-A99A-4DEF-B29B-6FBB87C3FC11}[54]。因此，建立VSG小信号模型通过特征根分析法对VSG的控制参数进行稳定性分析。对式(3-5)进行拉普拉斯变换且在平衡点线性化后得到的功频控制器传递函数为： (3-7)将式(3-7)进一步整理得： (3-8)由式(3-8)可得，VSG功频控制器的传递函数表现为一阶惯性环节，其中惯性时间常数和等效下垂系数为： (3-9)根据式(3-9)，有功环传递函数中下垂系数和阻尼系数既影响系统的静态频率响应又影响系统动态频率响应，转动惯量只影响系统的动态频率响应。通过对传递函数的分析，发现有功下垂系数和阻尼系数对传递函数的影响效果相同。阻尼系数减小时，调速器的静态下垂曲线斜率会增大，进而影响VSG的静态功率分配。同时有功下垂系数减小时，动态过程中的阻尼作用会增大。因此，为简化分析，将有功下垂系数和阻尼系数等效为新的阻尼系数，既体现系统动态过程中的阻尼特性，又体现其静态下垂特性。令，则式(3-8)等价于： (3-10)逆变器输出电压会产生大量谐波，一般在逆变器输出端加入一阶低通滤波器来减小谐波对控制系统的影响。假设低通滤波器截止频率为，输出瞬时有功功率和无功功率分别为和，那么VSG输出频率和电压的增量式为： (3-11)对式(3-11)两边进行微分并化简得： (3-12)当系统传输线路阻抗呈阻感性时，由图4-1可得逆变器输出有功功率和无功功率为： (3-13)式(3-13)的增量式为： (3-14)式中， ，，， (3-15)由于输出电压与公共母线电压间的相位差较小，且忽略线路阻抗上的降压，为了简化分析电路，近似地认为，，，此时将式(3-14)带入式(3-12)得： (3-16)对于这样一个动态非线性系统，可以通过建立小信号模型，将非线性系统转化为线性系统，利用线性系统理论进行分析。小信号模型表达式为： (3-17)式中，为状态变量，为状态矩阵。根据式(3-16)可得到VSG系统的小信号模型： (3-18)建立小信号模型后，求得系统的特征根方程，根据李雅普诺夫第一法则，通过分析特征根在复平面的分布情况来判断系统零输入时的稳定情况。求解系统特征根方程表达式如式： (3-19)式中，表示行列式运算，表示系统状态矩阵的单位矩阵。根据式(3-18)得到系统的特征根方程： (3-20)式中， (3-21)通过式(2-20)求解系统特征方程的特征根，观察特征根在复平面的分布情况来分析控制参数对系统的稳定性的影响。控制参数对系统稳定性的影响系统稳定的充分必要条件为：系统特征方程的根都具有负实部，即所有的极点都分布在复平面的左半平面。观察系统特征方程为四阶方程，令求解的特征根为。加入的虚拟负电阻抵消等效输出阻抗的阻性，虚拟电感增大系统输出阻抗的感性。利用根轨迹法分析控制参数对系统稳定性的影响，VSG逆变器参数为：，滤波电感，滤波电容，虚拟电感，低通滤波器截止频率，系统参考频率。(1)转动惯量对系统稳定性的影响保持和不变，当从0.01到2变化时，系统四个特征根变化情况如图3-8所示。图3-8转动惯量增大时VSG系统根轨迹图上图中，和和对系统的稳定性影响不明显可以忽略。和为一对共轭复根可看作系统主导极点，随着的增大，共轭复根会接近虚轴，系统逐渐趋于不稳定，系统的动态特性和稳定性会变差。由此看出，在等效阻尼系数和无功下垂系数保持不变的情况下，转动惯量越大，系统稳定性越差。(2)等效阻尼系数对系统稳定性的影响保持和不变，从500到30000变化时，系统四个特征根变化情况如图3-9所示。图3-9等效阻尼系数增大时VSG系统根轨迹图在很小时，特征根在复平面右侧，系统不稳定，随着的逐渐增大，系统逐渐稳定。当持续增大时，共轭复根逐渐靠近实轴，然后反向移动，逐渐接近虚轴，系统稳定变差。因此，过小或过大，都会使系统失去稳定，要合理选择和的值。(3)无功下垂系数对系统稳定性的影响保持和不变，无功下垂系数从0.0001增加到0.2时系统四个特征根变化情况如图3-10所示。由图看出，在一定范围内取值时，系统保持稳定。由特征根和看出，随着的逐渐增大，系统阻尼减小，超调量增大，稳定性变差。图3-10无功下垂系增大时VSG系统根轨迹图VSG运行仿真分析利用Matlab/Simulink对单台VSG独立带负载运行进行仿真分析，控制参数：，其余仿真参数和3.4节相同。功频控制器中控制参数分析仿真设置：0-0.5s逆变器空载运行，0.5s时，VSG开始带3kW有功负载运行，1s时突增有功负载3kW，整体运行时间为1.5s。VSG输出有功功率和频率的波形变化分别如图3-11和图3-12所示。由图可以看出，0-0.5s内，逆变器空载运行，输出有功功率为0kW，输出频率为50Hz，0.5s时突增负载，输出有功功率为3kW，频率下降，1s时突减负载，输出有功上升为3kW，频率继续下降，有功功率变化越大，频率反向变化越大，在整个运行过程中，输出有功与有功给定值保持一致，验证了VSG的调频特性。图3-11VSG输出有功功率图3-12VSG输出频率为研究分析有功环中关键控制参数转动惯量、阻尼系数和有功下垂系数对功频控制器的影响，控制参数取不同值时，VSG输出频率的波形如图3-13所示。(a)转动惯量变化时VSG输出频率图(b)阻尼系数变化时VSG输出频率波形(c)有功下垂系数变化时VSG输出频率图图3–13转动惯量、阻尼系数、有功下垂系数对功频控制器的影响由图3-13(a)可知，保持阻尼系数和有功下垂系数不变，转动惯量越大，频率变化率越慢，频率趋于稳态值的时间变长，且稳态值相等。转动惯量越大，对频率的支撑能力越强，但较大的转动惯量增加了系统的动态响