测量虚拟同步发电机惯量与阻尼系数的新方法

  华北电力大学分布式储能与微网河北省重点实验室的研究人员颜湘武、王俣珂、贾焦心、王德胜、张波,在2019年第7期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“基于非线性最小二乘曲线拟合的虚拟同步发电机惯量与阻尼系数测量方法”)指出,虚拟同步发电机(VSG)技术是解决经由电力电子变流器并网的新能源发电渗透率逐渐提高下系统惯性与阻尼减小问题的有效手段。

  目前的VSG研究多侧重于技术的优化与改进,少有特性测量方面的研究成果。在实际的VSG应用中也通常是使用惯性时间常数综合表征系统转动惯量J与阻尼系数D,这种表征方式中转动惯量与阻尼系数耦合,无法明确各参数的具体数值。

  为了解决该问题,基于非线性最小二乘曲线拟合法,分析了发电系统在离网、并网不同运行工况与阻尼状态的时域单位阶跃响应函数。定性介绍了一种利用动态响应指标测量J、D的方法。实际测量方法以曲线拟合法为基础,借鉴了一种用于同步发电机转动惯量测量的甩负荷实验,结合并网功率阶跃实验,得到了一种可以自验证的综合测量方法。最后通过多组不同参数与工况的仿真与实验验证了该方法的有效性。

  电力电子变流器是新能源接入电网的重要方式之一,随着新能源发电在电网中占比的不断提高,传统并网逆变器缺乏惯性和阻尼的问题与电网惯性支撑、一次调频需求之间的矛盾也日渐突出。在这样的背景下,虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)技术在近几年受到了学术界与工业界的广泛关注,其被认为是解决这一问题的有效方法。

  《虚拟同步发电机技术导则》是虚拟同步发电机技术领域的统领性标准,规定了VSG技术的界定,明确VSG是通过模拟同步发电机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源具有同步发电机组的一次调频、一次调压、转动惯量与阻尼响应等外特性的技术。使用了VSG技术的并网逆变器可以具有与传统同步发电机类似的运行特点,即可参与电网的运行与调节,与传统同步电源共同维护电网的稳定运行。

  目前,大部分与VSG技术相关的文献着眼于这种解决方案在逆变器上的应用与优化。文献[7]提出了一种VSG控制模式,以解决现有控制策略在电网频率波动时无法协调恒功率控制与惯量、阻尼支撑之间关系的问题。文献[8]对两种不同的VSG控制策略在实际应用中的优缺点进行了总结与对比,并提出了功率深度利用和光储协调优化控制策略。

  文献[9]针对微电网惯性低、易受负荷波动致使频率偏差过大的问题,提出了基于VSG的二次调频方法,对频率实现了无差控制。文献[10]对多能互补微网的特性进行了研究,提出了一种可以实现微网灵活组网的VSG控制策略。文献[11]提出了一种满足微网孤岛/并网切换的VSG控制策略,同时提出了一种基于控制器状态跟随的适应微网并网运行特性的并行切换方法。

  文献[12]提出一种基于虚拟同步发电机运行的逆变器并联控制方法,使不同额定功率逆变器并联运行时,功率分配和空载环流抑制满足需求。文献[13]提出了一种基于同步发电机机电暂态模型的新型微电网逆变电源,其功率控制器和电压频率控制器使得该逆变电源具有功率控制和调频调压双重功能。

  将VSG技术引入逆变器控制策略,使得分布式电源也具有了与同步发电机相似的惯性与阻尼,可以像同步发电机一样在系统频率变化时为系统提供惯性支撑,减缓一次调频响应前系统频率的变化[14]。然而受控制算法中一些非线性部分及PI调节器的影响,逆变器实际输出的转动惯量和阻尼可能与给定值有一定的偏差,这将会影响到分布式电源的实际外特性,进而影响惯性支撑的效果。

  针对目前VSG研究主要集中于技术应用,而忽略了对使用VSG技术后逆变器实际特性进行测量的情况,文献[15]提出了一种基于VSG二阶非线性模型以及在工作点处线性化的方法,对功率响应向量进行最小二乘拟合求解矩阵系数,进而对设备实际输出的惯性和阻尼进行辨识。

  文献[16]提出了一种基于发电机负载电压阶跃实验的转动惯量仿真辨识方法,并对甩负荷实验测量转动惯量的方法进行了介绍。文献[18]研究了双馈型风电场等效虚拟惯性时间常数HeqWF的定量表征方法,得到了风电场等效虚拟惯性时间常数的计算方法。

  中国电科院于2016年牵头制订了光伏和风电VSG技术标准——《单元式光伏虚拟同步发电机技术要求和试验方法》和《风电机组虚拟同步发电机技术要求和试验方法》,并对有功调频、无功调压、虚拟惯性控制、阻尼控制等给出相关规定。

  本文针对采用VSG技术的逆变器,提出了一种基于非线性最小二乘曲线拟合的转动惯量J与阻尼系数D的测量方法,并通过将两种实验方法综合的方式规避了同步功率取值不准确对于参数测量的影响。利用仿真与实验的结果对所提方法进行了验证,证明了测量方法的有效性,为VSG外特性测量提供了一种新的方法。

  本文介绍了虚拟同步发电机控制的基本原理,并基于非线性最小二乘曲线拟合的方法,对并网与离网运行下的VSG进行了建模分析,得到了不同运行工况与阻尼状态下的数学模型和时域响应函数。定性分析了利用动态响应指标求解转动惯量与阻尼系数的方法。提出了结合甩负荷实验与并网加载实验的综合测量方法,并通过多组仿真波形与实验数据验证了所提测量方法的有效性。

  本文所提出的方法对于响应波形因滤波与控制产生的延迟问题,目前需要根据曲线拟合误差最小值所对应的采样点对所需拟合数据的起始位置进行手动修正。如何在不影响波形特点的情况下避免随机波动与噪声对拟合效果的影响以及消除数据延迟,仍有待进一步研究。返回搜狐,查看更多

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