文章编号:1009-2552(2019)11-0062-05 DOI:1013274/jcnkihdzj201911014
基于VSG的微电网二次调频控制策略
李 季ꎬ楚冰清ꎬ余健明
(商洛学院电子信息与电气工程学院ꎬ陕西商洛726000)
摘 要:针对多台虚拟同步发电机(VSG)并联运行的微电网系统易受负荷波动影响而产生的频率越限问题ꎬ提出一种基于VSG的频率二次控制策略ꎮ首先ꎬ分析VSG的控制原理ꎬ并指出一次调频的不足ꎻ其次ꎬ通过将频率偏差引入PI控制器中ꎬ实现微电网在不需要通讯的条件下的二次频率控制ꎮ同时实现了各并联VSG调频功率的均匀分配ꎬ并利用小信号模型分析PI参数对系统稳定性的影响ꎮ最后ꎬ利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型ꎬ验证了所提二次调频控制的有效性ꎮ
关键词:微电网ꎻ虚拟同步机ꎻ一次调频ꎻ二次调频ꎻ稳定性中图分类号:TM464 文献标识码:A
SecondaryfrequencymodulationcontrolstrategybasedonVSG
inmicro ̄grid
(SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineeringꎬShangluoUniversityꎬ
LIJiꎬCHUBing ̄qingꎬYUJian ̄ming
Shangluo726000ꎬShaanxiProvinceꎬChina)
Abstract:AfrequencyreversalcontrolbasedonVSGisproposedfortheproblemthatthemicro ̄gridprincipleofVSGisanalyzedꎬandtheshortageoffrequencymodulationispointedout.Sec ̄ondlyꎬthesecondaryfrequencycontrolofthemicro ̄gridwithoutcommunicationisrealizedbyintroducingthefrequencydeviationintothePIcontrollertorealizethesystemwithnodifferenceinfrequencymodulation.parametersonthestabilityofthesystem.FinallyꎬthesimulationmodelisbuiltbyMATLAB/Simulink.Thesimulationverifiestheeffectivenessoftheproposedquadraticfrequencymodulationcontrol.quencymodulationꎻstability
Atthesametimeꎬtheproposedquadraticfrequencymodulationcanrealizetheuniformdistributionofthe
systemwithmultipleVSGsoperatinginparallelissusceptibletoloadfluctuations.Firstlyꎬthecontrol
parallelVSGfrequencymodulationpower.ThesmallsignalmodelisusedtoanalyzetheinfluenceofPIKeywords:micro ̄gridꎻvirtualsynchronousgeneratorꎻprimacyfrequencycontrolꎻsecondaryfre ̄
0 引言
究ꎮ文献[4-5]将同步机惯量、调频及调压特性引入逆变器控制中ꎬ具有与发电机相似的外特性ꎮ文献[6]将频率变化进行区域划分ꎬ重新确定给定功率以减小频率偏差ꎬ但增加了控制难度ꎮ文献[7]
收稿日期:2019-06-21
基金项目:商洛学院教育教学改革研究项目(19jyjx104)ꎻ陕西省社
科界2018重大理论与现实问题研究项目(2018Z87)
作者简介:李季(1989-)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ讲师ꎬ研究方向为电力系统分
析与优化运行ꎮ
由分布式电源等构成的微电网能够改善分布式
发电系统波动情况ꎬ提高运行的经济性ꎬ因而受到广泛的关注[1-2]ꎮ
大多数分布式电源通过电力电子设备接入微电
网ꎬ使得系统惯量降低甚至出现零惯量系统[3]ꎬ不利于微电网的稳定运行ꎮ虚拟同步发电机(Virtual—62—
SynchronousGeneratorꎬVSG)控制技术得到了广泛研
提出一种无须通讯的二次调频控制策略ꎬ通过在功频控制中引入二次调频控制器实现频率的无差控制ꎬ但由于改造了转子方程ꎬ并未对PI参数对系统稳定性影响进行分析ꎮ
本文对多VSG并联组成的微电网二次调频进行分析ꎮ首先介绍VSG控制原理及一次调频的不足ꎬ然后通过在VSG频率偏差调节过程中引入PI控制ꎬ实现稳态频率无静差ꎬ在此基础上对VSG并联运行情况进行稳定性分析ꎮ最后利用仿真验证了所提控制策略的有效性ꎮ
式(3)中可以看出ꎬ虽然一次调频可以减小负荷波动带来的频率偏差ꎬ但并不能完全消除ꎬ属于有差调05Hz)ꎬ不能够满足系统运行要求ꎬ为保证微电网1.2 VSG电压控制
正常运行ꎬ必须要进行二次调频控制ꎮ
节ꎮ当频率偏差超过规定值时(±0.2Hz或者±
借鉴发电机励磁调压特性实现VSG的输出电
压控制ꎬ如图3所示为VSG无功-电压控制框图ꎮVSG电压控制方程为[10]:
E=
ω
[Q-Q+DQ(un-ug)]Ksref
(4)
1 虚拟同步发电机原理
图1为包含两台VSG控制的逆变器构成的微
电网结构图ꎮ其中Udc为逆变器直流侧母线电压ꎬLs为VSG等效定子电抗ꎬCf为滤波电容ꎬZline为输电传输线电抗dꎮVSG的机械方程和电磁方程为[8]J
:
dω
t
=Tm-Te-DpΔω(1)Lddi
abct=eabc-uabc-Riabc
(2)
图1 微电网结构图
1.1 VSGVSG的频率控制通过转子运动方程来实现频率控制
中将阻尼系数作为调差系数ꎬ以滤波电感等效为定ꎬ其
子电抗ꎬ控制结构简单ꎬ如图2所示为有功-频率控制框图ꎮ
图2 有功-频率控制框图
由式(1)可得:
Pω0-ω=-
1
VSGref-频率控制是通过转子运动方程实现PJω0s+Dpω0
(3)
过阻尼系数即可模拟发电机的一次调频[9]ꎬꎮ并通
从
图3 无功-电压控制框图
图中Quref、Q分别为给定无功和VSG输出无功ꎻ
n、u分别为给定电压和输出电压为无功电压调节系数ꎮꎻ与DQ为无功电压下垂系数ꎬKVSG频率调节
相似ꎬVSG电压调节利用了无功-电压下垂特性ꎬ
2 通过模拟励磁调压来保证VSG输出电压稳定ꎮ
2.1 VSG二次调频控制
根据前文分析可知单VSG二次调频原理
ꎬVSG具有一次调频特性ꎬ
当负载波动较小时VSG可以满足输出频率要求ꎬ但
当负载波动较大导致系统频率越限时ꎬ将影响到微电网整体的运行ꎬ所以有必要进行而二调频控制ꎮ
引起微电网频率波动较大的情况可以分为两种ꎬ一种是由于二类负荷突增ꎬ另一种是由于发电机出力4突然减小ꎮ本文主要针对第一种情况进行分析ꎬ如图
图中系统稳定运行时于所示为由于二类负荷增加微电网二次调频过程O点ꎬ二类负荷突然增加导致ꎮ系统有功功率缺额ꎬ由于一次调频作用ꎬ系统频率下降至ω′ꎬ且低于频率下限ω点ꎮ当二次调频作用时系统增发有功minꎬ系统此时运行在ꎬ频率增加运行O′于O″点ꎬ若增大功率能够完全抵消增加的功率ꎬ系统频率则可以恢复到额定频率ꎮ
借鉴电力系统二次调频ꎬ若能使VSG功率变化
量完全补偿增加的负荷ꎬ则可以实现频率的无差调节ꎮ因此通过在VSG频率调节中将频率偏差量引入PI控制ꎬ稳态时系统频率即可恢复到额定状态ꎮ那么式(3)则变为:
—63—
图4微电网二次调频
式中ꎬkp、ki为PI控制器的比例和积分系数ꎮ
ω0-ωs
=-2
Pref-PJω0s+Dpω0kps+ki
(5)
与发电机组二次调频不同的是ꎬVSG通过调节
频率偏差量来弥补系统缺额ꎬ而发电机组则是通过Ji、Prefi、Pi分别表示各个VSG的量ꎬΔPi表示经PI调
节器输出的功率增量ꎮ根据式(3)可以确定稳态运行时系统频率偏差为:
P+ΔPi-Pi
ω-ω0=refiꎬi=1ꎬ2ꎬꎬn(7)
Dpi
并联运行时ꎬ系统功频特性满足:Pref1+ΔP1-P1P+ΔP2-P2
=ref2
Dp1Dp2
P+ΔPn-Pn
=refn(8)
Dpn
与一次调频相似ꎬ由于Dpi充当了一次调频系数ꎬ并联运行时ꎬ根据Dpi的不同即可实现VSG按自控制调频器来给变频率特性ꎬ如图5所示为发电机组的二次调频过程ꎮ
图5 发电机组二次调频
ΔP发电机组进行二次调频时ꎬ由发电机增发功率
Go弥补系统增加负荷ΔPLo特性平行上移为P′ꎬ在调频器作用下频率G二次调频对应方程为ꎬ:
对应稳态运行点为O″ꎬ系统Δf=-
ΔPKLo-ΔPGo
G+KL
(6)
式中ꎬKG率ꎬ而在、VSGKL分别表示发电机和负荷的单位调节功控制中ꎬVSG增发功率由频率偏差量决定ꎬ在PI控制器作用下ꎬ调节Δf使ΔPGo即可实现VSG频率的无差调节ꎮ
=ΔPLoꎬ2.2 通过多VSG2.1并联二次调频
节分析可知ꎬ单台逆变器通过对频率
偏差的PI控制ꎬ即可实现VSG频率的二次调整ꎬ但在微电网中若仅仅让系统内部分机组承担负荷的增加量ꎬ可能造成某台VSG的过载ꎬ不利于系统整体运行ꎮ为此在考虑各机组不需要通信的条件下ꎬ若能使所有VSG均能按照自身容量大小进行二次调频则必然能够提高系统运行性能ꎮ假设微电网系统中有n台VSG并联运行ꎬDPi—64—
、
身额定功率的比例关系分摊负荷ꎮ二次调频中为了能够使VSG按各自功率分摊负荷ꎬ各VSG输出需满足:
PDref1p1=PDref2p2=P
Drefnpn(9)按照Dpi的设定方法:
Dpi=f%P%ωP2ni
n
(10)
式(10)中f%、P%为频率和功率变化百分比ꎬ根据式(10)可知ꎬDpi参数的选择满足式(9)ꎬ这样就很容易使各个VSG根据自身容量大小参与系统二次调频ꎮ带有二次调频作用的VSG有功-频率控制框图如图6所示ꎮ
图6 带有二次调频功能的VSG有功-频率控制框图
按照上述控制策略ꎬ一方面可以实现VSG频率二次调节ꎬ确保微电网系统频率不越限ꎮ另一方面对于对机并联系统ꎬ在调频系数Dpi的约束下可以使各机组在二次调频时能够按照自身容量分摊负荷2.3 ꎮ由于二次调频的加入改变了PI参数对VSG输出特性的影响
VSG的控制方程ꎬ借鉴电力系统发电机小信号分析法ꎬ如图7所示为具有二次调频的VSG小信号稳定分析模型ꎮ通过小信号分析模型ꎬ不难得到有功功率输入、输出特性的传递函数:
Gi(s)=PPi
refi((s)
s)
=s2
+(k/JSei/Jiω20
pDpii)s+(Sei+ω0kiDpi)/Jiω2(11)
0
式中ꎬSei表示微电网中一台VSG同步功率的有名值:
Se=∂P
∂δ
δ=δsu=us
3 仿真分析
=
usu
sin(α-δ)Z
式中ꎬus、δs为系统稳定运行的平衡点ꎬ在网络拓扑确定的情况下ꎬ其值为常数ꎮ
δ=δsu=us
(12)
MATLAB/Simulink搭建如图1所示的低压微电网仿真模型ꎮ部分仿真参数如表1所示ꎮ
表1 VSG仿真参数
系统参数数值系统参数数值为了验证所提二次调频控制策略的有效性ꎬ在
图7 VSG小信号模型
由式(11)可见ꎬ具有二次调频功能的VSG的输入输出响应依然是一个典型的二阶系统ꎬ所以PI的加入并没有改变VSG输出功率响应的系统类型ꎮ8为了直观的反应给出了不同PI参数下PI参数对系统动态性能的影响VSG输出功率响应结果ꎮꎬ其图10.中转动惯量132ꎮ
J和阻尼系数Dp分别为0.203kgm2、
图8 不同PI参数下VSG的输出响应
根据图8的响应曲线可以发现ꎬPI控制器的加入会对VSG的动态性能造成影响ꎮ其中积分系数ki的存在为系统提供了缺额功率ꎬ但同时也会使功率响应超调量增大ꎻ比例系数kp影响相对较小ꎬ由图8(b)可知ꎬkp会影响到系统的响应速度ꎬ同时也可以改善系统阻尼ꎬ降低系统震荡的风险ꎬ所以在选择PI参数要综合考虑上述因素ꎮ
Ls/mHp1C10.fω/μF314.104DDp25.0661320J/(rad/s)0.3kp1、211J1/kgm22/kgm20.203102kik2i243.1 第一类负荷在电力系统最为常见第一类负荷波动时VSG输出特性仿真验证
ꎬ相对于第二
类负荷其变动幅度较小ꎬ周期短ꎬ具有很大的偶然性ꎮ由于加入的二次调频并没有针对性ꎬ也会对一类负荷的波动产生影响ꎮ
设置仿真工况为:在1s到2s间系统接入波动负荷ꎬ负荷波动大小为额定功率的10%ꎬ波动频率为0.1sꎬ如图9所示为一、二次调频时VSG输出频率对比曲线ꎮ图10为一、二次调频时VSG输出功率对比曲线ꎮ
图9 VSG输出频率曲线
图10 VSG输出功率曲线
从图9中可以看出ꎬ与一次调频相比ꎬ二次调频对系统输出频率有较大影响ꎬ频率偏差在PI控制器作用下消除ꎬ系统频率频率响应得到改善ꎮ从图10中可以发现ꎬ一、二调频作用时VSG输出功率曲线几乎重合ꎬ可见二次调频不会对第一类负荷扰动下
—65—
3.2 第二类负荷波动时VSG输出特性仿真验证
VSG的输出功率产生较大影响ꎮ
4 结束语
和结论如下:
本文通过对虚拟同步发电机控制的有功-频率
电力系统中ꎬ第二类负荷变动幅度较大ꎬ周期较
环节的改进ꎬ实现了微电网的二次调频ꎮ主要工作
①对VSG的一次调频特性进行了分析ꎬ指出一
长ꎬ对电力系统运行影响较大ꎮ为了验证二次调频控制的有效性ꎬ设置仿真工况为:初始时刻负载功率为12kWꎬ1s时突增负载10kWꎬ3s时负荷切除ꎬ5s仿真结束ꎮ对比一、二次调频作用下ꎬ微电网输出频率及各机组出力情况ꎬ如图11所示ꎮ
次调频的不足ꎬ并通过在一次调频有功-频率环节引入频率偏差的PI控制实现微电网的二次调频控制ꎻ
②建立二次调频控制下系统小信号模型ꎬ分析③在仿真平台上搭建微电网仿真模型ꎬ验证了PI控制参数对系统的影响ꎻ图11 VSG一、二次调频输出特性对比
从图11中(a)中可以看出ꎬ二次调频作用下ꎬ系统具有较好的频率响应ꎬ且在稳态时能够保证频率的无差调节ꎬ但同时注意到当负荷切除时ꎬ系统频率有较大超调ꎮ对比图11的(b)和(c)可以发现ꎬ在下垂机制控制下ꎬ无论是一次调频还是二次调频都能够实现负荷的平均分配ꎬ且二次调频可以通过频率偏差增加VSG出力ꎬ以满足负荷增加下微电网的稳定运行ꎮ
—66—
所提控制策略的有效性ꎮ
文中通过对频率偏差的PI控制实现了二次调频VSGꎬ但通过仿真分析可以发现负荷是时出现频率超调的频率的无差调节ꎬꎬ虽然PI控制实现了ꎬ但同时也会使系统在切除这将不利于系统运行ꎮ针对PI控制所存在的问题将在后续文章中给出解决办法ꎮ参考文献:
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责任编辑:张培