一种基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法，包括：建立多换流器VSG双环控制等效降阶模型；根据多换流器VSG双环控制等效降阶模型建立等值单台VSG的输出阻抗模型，并提出系统级虚拟惯性评估方法；根据多换流器VSG双环控制等效降阶模型、等值单台VSG的输出阻抗模型和系统级虚拟惯性评估方法，进行电压控制回路和VSG控制回路的控制参数协调设计。本发明专利技术考虑了应用惯性策略对多换流器直流系统稳定性产生的影响，可以对整个系统进行参数协调设计；本发明专利技术能够通过系统输出阻抗模型直观反映直流系统虚拟惯性特征，简单易行；本发明专利技术能有效解决直流系统的低惯性问题，从而确保直流系统稳定运行。从而确保直流系统稳定运行。从而确保直流系统稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法


[0001]本专利技术涉及多换流器直流系统控制参数协调设计
，尤其是一种基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法。

技术介绍

[0002]随着分布式可再生能源和电动汽车等直流负载的增加，直流系统已被认为是电力系统的一个重要的组成部分。作为交流系统的有力补充，直流系统因其供电质量高、网络损耗小、不需要考虑无功和相位问题，以及供电稳定性易于控制等明显优势而备受关注。然而，直流系统是一个高度电力电子化的网络，包含大量经电力电子换流器接入的负载，直流系统大多采用定负载侧电压或定功率控制，对外呈现低惯性，易引发系统的不稳定，导致系统失稳。因此，低惯性问题是直流系统面临的主要稳定问题之一。
[0003]目前，增强直流系统惯性的控制方法大体分为三类：附加微分惯性控制回路、变下垂系数以及类比交流虚拟同步发电机控制。附加微分惯性控制回路法和变下垂系数法等虚拟惯性技术大多会引入微分项，易产生高频干扰的问题。在基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统中，需要考虑应用惯性策略对整个系统稳定性产生的影响以及各换流器之间存在的动态交互，并且直流系统中换流器间的相互作用以及控制参数的改变都会对直流系统整体的虚拟惯性产生影响，甚至会导致系统失稳。此外，现有的类比交流虚拟同步发电机控制方法大多利用零极点图或特征根分析等方法对直流系统稳定性进行判断，过程较为复杂且不能直观反应系统虚拟惯性特征。
[0004]因此，在分布式能源广泛接入的背景下，为提升未来直流互联系统稳定运行能力及实现直流互联系统高可靠灵活供电提供理论和技术支撑，急需研发一种基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法。

技术实现思路

[0005]为解决多换流器直流系统存在的稳定问题，本专利技术的目的在于提供一种能够为电压PI控制参数和虚拟惯性系数间的协调设计提供理论依据，有效地解决直流母线电压的非预期虚拟惯性问题的基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0007](1)建立多换流器VSG双环控制等效降阶模型；
[0008](2)根据多换流器VSG双环控制等效降阶模型建立等值单台VSG的输出阻抗模型，并提出系统级虚拟惯性评估方法；
[0009](3)根据多换流器VSG双环控制等效降阶模型、等值单台VSG的输出阻抗模型和系统级虚拟惯性评估方法，进行电压控制回路和VSG控制回路的控制参数协调设计。
[0010]所述步骤(1)具体是指：
[0011]将多个VSG控制回路等效为一个等值VSG控制回路，将多个电压电流双环控制回路等效为一个等值电压电流双环控制回路，对4n+1阶的多换流器直流系统进行等效处理，得到5阶的等值单台VSG模型；
[0012]假设多换流器直流系统中共包含n台虚拟同步发电机，第x台换流器VSG控制表达式为：
[0013][0014]其中，d和t分别为微分算子和时间，C
virx
、k
droopx
和k
Dx
分别为第x台换流器VSG的虚拟惯性系数、下垂系数和电压阻尼系数，x＝1,2,3,
…
,n，u
*dcx
为第x台换流器VSG的输出电压，u
Nx
为第x台换流器VSG的输出电压参考值即直流母线额定电压，i
dcx
为第x台换流器VSG的输出电流；
[0015]稳态时，上式左边微分项等于零，得到：
[0016][0017]假设各台换流器VSG均来自同一生产厂家，即各台换流器VSG的电路参数和控制参数均相同，则下式成立：
[0018][0019]得到：
[0020][0021]由于多台换流器VSG为并联关系，故等效成等值单台VSG模型时存在下式成立：
[0022][0023]式中，k
droop
和k
D
分别为等值单台VSG模型的下垂系数和电压阻尼系数，u
*dc
为等值单台VSG模型的VSG输出电压，u
dc
和u
N
分别为等值单台VSG模型的换流器输出电压和电压参考值，i
dc
为等值单台VSG模型的输出电流；
[0024]由于存在u
N
＝u
Nx
，u
*dc
＝u
*dcx
成立，故得到：
[0025][0026]等值单台VSG模型的控制表达式为：
[0027][0028]式中，C
vir
为等值单台VSG模型的虚拟惯性系数；
[0029]联立上述公式，得到：
[0030][0031]进而得到：
[0032][0033]多个VSG控制回路等效为一个等值VSG控制回路；
[0034]各换流器VSG与等值单台VSG模型间的电路参数关系表达式为：
[0035][0036]式中，R
f
、L
f
和C
f
分别为等效滤波电阻、等效滤波电感和等效滤波电容，R
fx
、L
fx
和C
fx
分别为第x台换流器VSG的滤波电阻、滤波电感和滤波电容；C
cpl
为恒功率负荷的电容；
[0037]各换流器与等值单台VSG模型间的电流控制参数关系表达式为：
[0038][0039]式中，k
pi
和k
ii
分别为等值单台VSG模型的电流比例系数和电流积分系数；y为第y台换流器VSG，p
y
为功率分配系数，L
fy
为第y台换流器VSG的滤波电感，k
piy
、k
iiy
分别为第y台换流器VSG的电流比例系数和电流积分系数；
[0040]各换流器与等值单台VSG模型间的电压控制参数关系表达式为：
[0041][0042]式中，k
pv
和k
iv
分别为等值单台VSG模型的电压比例系数和电压积分系数，k
pvy
、k
ivy
分别为第y台换流器VSG的电压比例系数和电压积分系数；
[0043]得到等值单台VSG模型的电压参考值至直流母线电压的闭环传递函数G
vivr
(s)即多换流器VSG双环控制等效降阶模型为：
[0044][0045]其中，u
dc0
和D0分别为直流母线电压u
dc
和占空比D对应的稳态值，G
vc
(s)为等值单台VSG模型的电压PI控制器，R
cpl
为恒功率负荷的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：(1)建立多换流器VSG双环控制等效降阶模型；(2)根据多换流器VSG双环控制等效降阶模型建立等值单台VSG的输出阻抗模型，并提出系统级虚拟惯性评估方法；(3)根据多换流器VSG双环控制等效降阶模型、等值单台VSG的输出阻抗模型和系统级虚拟惯性评估方法，进行电压控制回路和VSG控制回路的控制参数协调设计。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的多换流器直流系统控制参数协调设计方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：将多个VSG控制回路等效为一个等值VSG控制回路，将多个电压电流双环控制回路等效为一个等值电压电流双环控制回路，对4n+1阶的多换流器直流系统进行等效处理，得到5阶的等值单台VSG模型；假设多换流器直流系统中共包含n台虚拟同步发电机，第x台换流器VSG控制表达式为：其中，d和t分别为微分算子和时间，C
virx
、k
droopx
和k
Dx
分别为第x台换流器VSG的虚拟惯性系数、下垂系数和电压阻尼系数，x＝1,2,3,
…
,n，u
*dcx
为第x台换流器VSG的输出电压，u
Nx
为第x台换流器VSG的输出电压参考值即直流母线额定电压，i
dcx
为第x台换流器VSG的输出电流；稳态时，上式左边微分项等于零，得到：假设各台换流器VSG均来自同一生产厂家，即各台换流器VSG的电路参数和控制参数均相同，则下式成立：得到：由于多台换流器VSG为并联关系，故等效成等值单台VSG模型时存在下式成立：
式中，k
droop
和k
D
分别为等值单台VSG模型的下垂系数和电压阻尼系数，u
*dc
为等值单台VSG模型的VSG输出电压，u
dc
和u
N
分别为等值单台VSG模型的换流器输出电压和电压参考值，i
dc
为等值单台VSG模型的输出电流；由于存在u
N
＝u
Nx
，u
*dc
＝u
*dcx
成立，故得到：等值单台VSG模型的控制表达式为：式中，C
vir
为等值单台VSG模型的虚拟惯性系数；联立上述公式，得到：进而得到：多个VSG控制回路等效为一个等值VSG控制回路；各换流器VSG与等值单台VSG模型间的电路参数关系表达式为：
式中，R
f
、L
f
和C
f
分别为等效滤波电阻、等效滤波电感和等效滤波电容，R
fx
、L
fx
和C
fx
分别为第x台换流器VSG的滤波电阻、滤波电感和滤波电容；C
cpl
为恒功率负荷的电容；各换流器与等值单台VSG模型间的电流控制参数关系表达式为：式中，k
pi
和k
ii
分别为等值单台VSG模型的电流比例系数和电流积分系数；y为第y台换流器VSG，p
y
为功率分配系数，L
fy
为第y台换流器VSG的滤波电感，k
piy
、k
iiy
分别为第y台换流器VSG的电流比例系数和电流积分系数；各换流器与等值单台VSG模型间的电压控制参数关系表达式为：式中，k
pv
和k
iv
分别为等值单台VSG模型的电压比例系数和电压积分系数，k
pvy
、k
ivy
分别为第y台换流器VSG的电压比例系数和电压积分系数；得到等值单台VSG模型的电压参考值至直流母线电压的闭环传递函数G
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱刘柱，王绪利，凌孺，张辉，吴晓鸣，程啸，徐加银，徐冉，沈玉明，刘红新，李蕊，周远科，樊友平，沙广林，李坤，李鸿鹏，郭汶璋，程璞，胡旭东，邓其军，曾光，周荣桓，盛万兴，
申请(专利权)人：国网安徽众兴电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：