【《同步发电机微电网VSG控制策略功率分配分析案例》6200字】

同步发电机微电网VSG控制策略功率分配分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15587同步发电机微电网VSG控制策略功率分配分析案例 173291.1功率传输特性分析 1310831.2VSG功率分配参数匹配设计 2124611.3基于虚拟复阻抗控制的功率分配 574091.3.1虚拟复阻抗对逆变器等效输出阻抗的影响 5289831.3.2虚拟复阻抗对功率分配精度的影响 8316481.3.3虚拟复阻抗法功率分配仿真 839421.4自适应改进虚拟阻抗策略研究 1184501.5小结 13功率传输特性分析功率传输特性是分析功率分配的前提，因此首先分析逆变器输出电压频率与有功和无功的关系。单台逆变器的等效电路如图4-1所示。逆变器等效为一个受控电压源，通过线路阻抗与系统公共交流母线相连。为VSG励磁电动势，为输出电流，为微网交流母线电压，和分别为励磁电动势相角、逆变器输出电压相角，为逆变器输出电压，系统等效输出阻抗为逆变器等效输出阻抗和线路阻抗之和。图4-1逆变器输出功率等效电路图系统输出电流为： (4-1)系统输出的有功功率为： (4-2)由式(4-2)得： (4-3)在电力系统中，由于电压等级的不同对应的线路阻抗特性也不同。在中高压等级线路中，线路感性往往高于阻性，线路阻抗特性整体表现为感性，低压等级线路中，线路阻性通常高于感性，系统的线路阻抗特性几乎呈现为阻感性甚至阻性。由式(4-3)分析可知，当系统线路阻抗整体表现为阻感性时，线路传输的有功功率和无功功率与电压和频率都有着强烈的耦合关系，使得下垂控制精度降低。当等效输出输出阻抗分别表现为阻感性、感性、阻性时，VSG输出功率表达式和下垂控制方程如表4-1所示ADDINNE.Ref.{ED7BE1E7-2BB5-4EF4-B8EE-278C416F2FBA}[55]。表4-1输出功率表达式及下垂控制表达式功率表达式下垂控制方程VSG功率分配参数匹配设计逆变器并联运行可以自由扩容，灵活改变微网的容量，可满足不同用户对电力的特定需求，且弥补了单台逆变器容易发生单点故障的劣势，当某台逆变器发生故障时，其它逆变器可分担负荷继续运行，提升了微网供电的可靠性。在实际工况中，由于发电装置容量的不同，所需要逆变器的容量也不同。下面针对VSG不同容量并联运行时，研究VSG输出功率可实现均匀分配的参数匹配条件。根据表4-1可得，当VSG等效输出阻抗呈感性，注入公共交流母线有功功率和无功功率表达式为： (4-4)通常逆变器输出电压与微网交流母线电压的相位差很小，因此，，功率表达式简化为： (4-5)当多个VSG逆变器并联运行于微电网时，其中一台VSG逆变器的输出有功功率和无功功率表达式为： (4-6)根据式(3-5)，当VSG系统稳定运行于额定角频率时，系统不存在频率差值，此时逆变器的机械功率等于电磁功率，那么： (4-7)根据式(3-4)和式(3-6)，可得一台VSG控制系统中的调速器和励磁控制表达式为： (4-8)式(4-8)表示在第台VSG逆变器中，为逆变器输出有功功率的参考值，为逆变器输出角频率的参考值，为逆变器实际输出角频率，为逆变器有功下垂控制系数，为逆变器励磁电动势给定值，为逆变器额定无功功率，为逆变器无功下垂控制系数。以两台VSG逆变器并联运行为例研究逆变器输出功率分配策略。首先分析VSG逆变器的有功功率分配。假设两台VSG逆变器的额定容量之比为，那么满足式： (4-9)两台VSG逆变器的给定有功功率满足式： (4-10)根据式(4-8)，为使输出有功功率按照容量比进行分配，那么下式就该成立： (4-11)当并联系统处于稳定运行状态，且VSG逆变器都在额定频率下工作，由于频率为全局变量，因此两台逆变器的输出频率相等，如果上式想要式成立，那么需满足式： (4-12)在系统动态过程中，为了保证并联的两台VSG有良好的运行特性，假设其有功功率变化量分别为和。由式(3-7)知一台VSG逆变器励磁控制器传递函数为： (4-13)式中，为输出角频率的变化量，为输出有功功率变化量，为转动惯量，为阻尼系数。由式(4-13)得： (4-14)当并联系统稳定运行于额定角频率时，各个逆变器输出角频率变化量相等，上式可整理为： (4-15)想要满足式(4-15)，需满足： (4-16)由式(4-16)可得，只有当有功下垂控制系数、转动惯量及阻尼系数分别与逆变器额定容量成正比时，两台VSG并联系统方可实现有功功率均匀分配。接下来分析无功功率分配策略，与有功功率分配策略同理，由式(4-9)可知，两台VSG的额定无功功率也满足： (4-17)如果不考虑线路阻抗压降，那么并联运行时逆变器的输出电压相等，即： (4-18)为实现功率分配，使得下式成立： (4-19)将式(4-19)带入式(4-18)得： (4-20)逆变器等效输出阻抗相对于线路阻抗值很小，故忽略不计。考虑线路线路阻抗压降时，逆变器输出电压表达式为： (4-21)第台VSG逆变器线路阻抗的压降为： (4-22)当传输线路阻抗呈感性时，若要，只需使得线路阻抗与逆变器容量成反比关系，可表示为： (4-23)若系统参数满足上式，可实现无功功率均匀分配ADDINNE.Ref.{4F61540A-21B7-4AED-8092-A34256DE77D9}[56]。综上所述，VSG系统实现功率分配条件为： (4-24)基于虚拟复阻抗控制的功率分配在上节分析中，逆变器输出功率可在控制参数与逆变器容量匹配后实现均分都是建立在VSG控制系统等效输出呈感性基础上，因微电网电压等级不同使得线路阻抗呈现出不同的阻抗特性。低压微电网中传输线路阻抗通常情况下呈阻感性，线路有功功率和无功功率与电压、频率间有着强烈的耦合性，在一定程度上，直接影响下垂控制的精确性。在逆变器并联系统中，通常加入大电感来改善线路的阻感比，有利于下垂控制，实现功率均匀分配。但是加入的电感体积大、成本高，往往不适用于实际工况。加入虚拟复阻抗可以改变微电网系统等效输出阻抗阻感比，虚拟负电阻可以减少系统等效输出阻抗的阻性，虚拟正电感增大系统等效输出阻抗的感性，提高下垂控制的精确度。虚拟复阻抗对逆变器等效输出阻抗的影响(1)未加入虚拟复阻抗逆变器等效输出阻抗VSG控制系统中内环控制采用电压电流双闭环控制，电压环采用比例积分控制，电流环采用比例控制。由图2-3可推导出电压电流环的传递函数： (4-25)式中，表示输出电压跟踪输出电压参考值的能力，表示电压电流双闭环的等效输出阻抗；忽略系统采样环节所带来的时间延迟，和的表达式为： (4-26) (4-27)式中，为电压环参考电压到输出电压的增益传递函数，为逆变器等效输出阻抗，增益传递函数和输出阻抗传递函数性能均和电压电流双闭环传递函数的控制参数密切相关。通过对控制参数的设计使增益传递函数在工频处幅值为1，相位为0°。通过对双闭环控制参数的设计，可以改变工频处逆变器等效输出阻抗的阻感性，进而改变系统等效输出阻抗的阻感比，提高下垂控制精度和功率的分配精度ADDINNE.Ref.{1A078929-FFD5-45A2-AB1D-87841E9AA93B}[39]。系统的等效输出阻抗由逆变器等效输出阻抗和线路阻抗组成，逆变器等效输出阻抗很小，当线路阻性分量较大时，通过调节双闭环参数来调节系统等效输出阻抗的阻感比的能力非常有限。(2)虚拟复阻抗环对逆变器等效输出阻抗的影响考虑到通过调节双闭环控制参数来调节逆变器等效输出阻抗具有很大的局限性，在VSG控制系统中通过定子方程引入虚拟复阻抗来调节系统等效输出阻抗阻感比，从而提高下垂控制精度，实现输出功率的精确分配。在电压电流双闭环控制系统加入虚拟阻抗环后的三环控制系统控制框图如图4-2所示：图4-2三环控制结构框图由图4-2可得，加入虚拟阻抗环后系统的传递函数： (4-28)将上式带入式(4-25)得： (4-29)加入虚拟阻抗后逆变器等效输出阻抗为： (4-30)下面分析虚拟复阻抗对系统等效输出阻抗的影响。先分析虚拟负电阻，令，分别为-0.1、-0.4、-0.8时，逆变器等效输出阻抗的伯德图如图4-3所示。由图可以看出，在引入虚拟负电阻前，逆变器等效输出阻抗在工频处幅值很小，近似为0，相角为90°，呈感性。在加入虚拟负电阻后，随着虚拟负电阻值的增加，逆变器等效输出阻抗值也开始增加，相位处于第二象限，逐渐靠近180°。图4-3加入虚拟负电阻前后逆变器等效输出阻抗伯德图接下来分析虚拟电感对系统等效输出阻抗的影响，令，分别取、、时、，系统等效输出阻抗的伯德图如图4-4所示。虚拟电感增大时，工频处逆变器等效输出阻抗幅值随之增大，当时，，这与加入的虚拟复阻抗近似相等。图4-4加入虚拟复阻抗后逆变器等效输出阻抗伯德图综上，考虑到通过调节电压电流双闭环参数调节逆变器等效输出阻抗呈感性的方法非常受限，引入虚拟复阻抗可有效调节逆变器等效输出阻抗性，从而改善系统等效输出阻抗阻感比，实现功率解耦。引入虚拟复阻抗后系统的等效输出阻抗为： (4-31)虚拟复阻抗对功率分配精度的影响在微电网系统中频率为全局变量，在VSG控制策略下只需满足有功下垂系数、转动惯量、阻尼系数匹配逆变器容量就可实现有功功率的合理分配。无功功率分配误差取决于公共母线电压、线路阻抗差和无功下垂系数，线路阻抗差异是引起无功功率无法均匀分配的根本原因ADDINNE.Ref.{C50A4189-1EDC-43F7-99E7-B357E5D89510}[57]。如果不考虑线路阻抗的差异性，只需满足无功下垂系数与逆变器容量成比例分配就可实现功率均分。但是在实际工程中，总是存在逆变器地理位置的差异、数值计算误差、干扰、参数偏移等问题，线路阻抗差的存在在所难免。在传统的修正下垂方法中，通过增大下垂系数来提高无功功率分配精度ADDINNE.Ref.{78A295D4-B346-482A-8173-52037DDCAC4A}[58,59]，但这种方法降低了微电网的稳定性和并网电压质量，因此改善线路阻抗差可以有效改善无功功率分配误差。加入虚拟复阻抗可提高输出无功功率的分配精度。加入的虚拟负电阻可以减小系统等效输出阻抗的阻性，加入的虚拟正电感可增大系统等效输出阻抗的感性，调节阻感比，提高下垂控制精度。并且由于加入的虚拟电抗远大于线路电抗，所以系统等效输出阻抗近似等于虚拟电抗，此时逆变器容量与虚拟电感成反比关系就可实现输出无功功率的均分分配。虚拟复阻抗匹配如图4-5所示。为加入的虚拟复阻抗，为加入虚拟复阻抗后逆变器等效输出阻抗。图4-5虚拟复阻抗匹配图令虚拟负电阻值等于线路电阻值，虚拟电抗远大于线路电抗，虚拟电抗与逆变器容量近似匹配，此时输出无功功率均分条件为： (4-32)虚拟复阻抗法功率分配仿真低压微电网下逆变器传输线路阻抗成阻感特性以及线路阻抗不匹配时都会影响无功功率的均匀分配，虚拟复阻抗首先可以改善等效输出阻抗的阻感比，提高下垂控制精度。另外，当线路阻抗与逆变器容量不匹配时，虚拟复阻抗的引入可以使得系统等效输出阻抗与逆变器容量近似成比例，从而调高无功功率分配精度，但同时也会影响逆变器输出电压质量。基于上述理论分析，利用Matlab/Simulink搭建两台逆变器并联运行模型，进行理论仿真研究。以两台DG并联为例，假设DG1和DG2的容量之比为2:1，线路阻抗之比为。依据VSG控制下功率分配均分条件，下垂系数、转动惯量、阻尼系数分别与逆变器容量成比例。设置负荷突变工况，仿真时间设置为1.5s。输出有功功率和无功功率如图4-6所示。(a)DG输出有功功率(b)DG输出无功功率图4-6线路阻抗匹配时DG输出功率由图4-6可知，负荷突变前，DG1和DG2输出的有功功率分别为6kW和3kW，输出无功功率分别为和；负荷突变后，输出的有功功率分别为和，输出无功功率分别为和，负荷突变前后有功功率和无功功率之比均为。由上述数据分析可知，当线路阻抗匹配时，有功功率和无功功率按比例分配。下面对线路阻抗与逆变器容量不匹配时加入虚拟复阻抗后DG输出功率分配情况进行仿真研究。假设DG容量之比为，线路电阻，线路电抗分别为，虚拟负电阻为，虚拟电感为。引入虚拟复阻抗前后DG输出有功功率和无功功率的分配情况分别如图4-7和图4-8所示。(a)未引入虚拟复阻抗DG输出有功功率(b)引入虚拟复阻抗DG输出有功功率图4-7引入虚拟复阻抗前后DG输出有功功率图4-7为DG输出有功功率情况，负荷突变前，未引入虚拟复阻抗时DG1和DG2输出有功功率之比，引入虚拟复阻抗后输出有功功率之比为；负荷突变后，引入虚拟复阻抗前后输出有功功率之比分别为和。由上述数据分析可知，引入虚拟复阻抗后实现有功和无功解耦，提高了下垂控制精度。(a)未引入虚拟复阻抗DG输出无功功率(b)引入虚拟复阻抗DG输出无功功率图4-8引入虚拟复阻抗前后DG输出无功功率图4-8为DG输出无功功率情况，负荷突变前，未引入虚拟复阻抗时DG1和DG2输出无功功率之比，引入虚拟复阻抗后输出无功功率之比为；负荷突变后，引入虚拟阻抗前后输出无功功率之比分别为和。由以上述数据分析可知，虚拟复阻抗的引入提高了线路阻抗不匹配时DG输出无功功率的分配精度。引入虚拟复阻抗前后母线电压情况如图4-9所示。(a)未引入虚拟复阻抗母线电压(b)引入虚拟阻抗母线电压图4-9引入虚拟复阻抗前后母线电压由图4-9可知，在负载突变前，引入虚拟阻抗前后母线电压值分别为和，母线电压下降；负载突变后，引入虚拟阻抗前后母线电压值分别为和，电压下降为接近；这是由于虚拟阻抗上产生了大的压降。由此看出虚拟复阻抗的引入在提高了功率分配精度的同时，母线电压降落较大，影响了并网电压电能质量，在虚拟复阻抗控制下，DG输出功率的分配精度和母线电压电能质量存在矛盾。自适应改进虚拟阻抗策略研究为了进一步提高无功功率分配精度，并减少母线电压降落，对虚拟复阻抗控制进行自适应改进。首先对线路阻抗存在差异时逆变器输出无功功率分配情况进行进一步分析。以两台逆变器并联为例，假设逆变器容量相同，下垂控制系数相同，传输线路呈感性，两台逆变器所连接的线路阻抗不一致，输出无功功率分配情况如图4-10所示。由于线路电感不一致，两台DG的负荷输出曲线斜率不同。DG2的线路电感值大于DG1，负荷输出曲线斜率较大，输出的端电压较大，无功功率无法均匀分配。图4-10线路阻抗不同时逆变器输出无功功率分配情况为消除输出阻抗差，实现无功功率均分，提出自适应虚拟阻抗控制，自适应虚拟阻抗表达式为： (4-33)式中，为无功积分系数，为中央控制器采集系统的负荷功率，并将总负荷功率按照逆变器容量比例分配给各个逆变器的控制器所得到。当台逆变器并联运行时，假设系统无功负荷为，那么一台逆变器无功参考功率为： (4-34)式中，为第台逆变器的无功下垂控制系数。根据文献ADDINNE.Ref.{3C834B84-AA9C-4742-8679-0C6ADE46D9B6}[60]和本文提出的自适应改进方法，改进虚拟阻抗后逆变器输出参考电压在dq坐标系下的表达式为： (4-35)式中，和为励磁电动势在d轴和q轴的分量，和分别为逆变器输出参考电压在d轴和q轴的分量。自适应虚拟阻抗在dq旋转坐标系下的控制框图如图4-11所示，虚拟复阻抗由自适应虚拟阻抗来代替，自适应虚拟电阻和自适应虚拟电感表达式相同，由中央控制器计算并得到各台逆变器输出无功功率参考值，与实际输出无功功率差值的积分来构造自适应虚拟阻抗，逆变器输出电流流经自适应虚拟阻抗产生的电压降落与励