技术领域
[0001] 本
发明涉及风电并网技术领域，特别是涉及一种基于VSG(虚拟同步发
电机)的风电并网半实物仿真系统。
背景技术
[0002] 近年来随着
能源、环境问题日益凸显，
风能、
太阳能等新型能源发电得到了飞速发展，并以分布式或微
电网等形式接入传统电
力系统。但由于规模大、结构复杂或研究关注点不同等问题，使得在实验室进行系统级新能源并网研究变得更加困难。
[0003] 目前，有关风电机组并网问题，特别是与现存电网之间的交互影响的研究，一些是通过数字仿真进行研究，数字仿真虽然可以解决研究对象规模、结构和复杂性的问题，但大多是对模型进行了简化，这使得仿真结果与实际工况存在较大差异；另一些是采用动模实验进行研究，通过使用实际设备避免了模型简化，但随着实际对象规模与结构复杂性的不断提高，动模实验也很难再现实际系统的模样。而且在实验研究过程中，对电网侧的模拟多将其等效为无穷大电网，无法反映风电机组出力及转速与电网
频率之间的耦合关系。就算有时采用基于
原动机拖动小功率
同步发电机来模拟实现，该方法虽然能更真实地反映实际电网中同步
发电机组的电磁耦合特性，但在模拟实际电网的惯性特性及频率响应特性时存在较大的局限。因为该方法除了需要提供
电动机和同步发电机组之外，还需要提供配套的调速器和励磁器来参与控制，系统控制较为复杂。而且小功率电动机及同步发电机组的惯性时间常数通常不足0.5s，而实际电网中同步发电机组的惯性时间常数通常可达2～9s，要模拟电网中大功率同步的惯性特性，就需要额外添加
飞轮来提高机组的惯性。但机组容量不同，相同惯性时间常数对应的
转动惯量也不尽相同，因此采用飞轮来模拟传统同发电机组的惯性特性，也不具备灵活性。
发明内容
[0004] 为了克服上述
现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于VSG的风电并网半实物仿真系统，不仅能实现对系统惯性特性、频率响应特性及调压特性的有效模拟，而且可以灵活调整风电并网实验系统中风电并网功率的比例，从而为研究不同风
电渗透率下风电机组的频率响应特性提供便利。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] 一种基于VSG的风电并网半实物仿真系统，包括实际风电并网系统和基于VSG的电网仿真系统，实际风电并网系统包括原动机1，原动机1的控制输入和风机主控系统6的第一输出连接，原动机1的输出端直接与PMSG(永磁同步发电机)2的输入端(
转子)连接，PMSG 2的输出端与机侧变流器3的输入端连接，机侧变流器3的输出端与网侧变流器4的输入端连接，机侧变流器3、网侧变流器4、PMSG 2通过变流器控制系统5实现控制，变流器控制系统5和风机主控系统6的第二输出/输入双向连接，网侧变流器4的输出端与
变压器7的输入端连接，变压器7的输出端与并网点B1’的第一输入端双向连接，并网点B1’的第一输出端与负载8连接，并网点B1’的第二输入端与并网点
模拟器9的第一输出/输入端双向连接，并网点模拟器9的第二输出端与受控源10的输入端S连接，受控源10的+输出端与并网点B1的第一输入端连接，受控源10的-输出端接地，并网点B1的输出端与并网点模拟器9的输入端连接，并网点B1的第二输入端与线路阻抗11的输出端连接，线路阻抗11的输入端与
母线B0连接，母线B0与LCL
滤波器13的输出端双向连接，LCL滤波器13的输入端与逆变器15的输出端连接，
电压电流信号采集单元12对母线B0的电压电流信号进行采集后，电压电流信号采集单元12的输出端与
控制器14的输入端连接，控制器14的输出端与逆变器15的第二输入端连接，逆变器15的第一输入端与直流电源16的输出端连接；
[0007] 原动机1、PMSG2、机侧变流器3、网侧变流器4、变流器控制系统5、风机主控系统6、变压器7、负载8、并网点模拟器9连接构成实际风电并网系统；受控源10、线路阻抗11、电压电流信号采集单元12、LCL滤波器13、控制器14、逆变器15、直流电源16连接构成基于VSG的电网仿真系统。
[0008] 所述的变流器控制系统5根据风机主控系统6的指令，一方面控制PMSG 2转矩，实现风能的最大功率
跟踪，另一方面稳定直流电压，控制并网电流
质量及
无功功率。
[0009] 所述的风机主控系统6由
监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统组成，对原动机1进行监控、
自动调节以及实现最大风能的捕捉。
[0010] 所述的并网点模拟器9一方面将电网仿真系统输出的并网点电压信号转换为模拟量输出，并由并网点电压模拟器放大，作为实际
风力发电并网系统的并网电压；另一方面将风力发电系统输出的并网电流信号通过模拟量输入传送回基于VSG的电网仿真系统中，作为数字系统中风电并网点的注入电流，从而实现实际风电系统和数字电力系统并网点界面上的电压、电流的控制和反馈。
[0011] 所述的受控源10作为并网点风力发电注入电流，等效为风电并网系统的作用，受实际风力发电并网电流控制。
[0012] 所述的电压电流信号采集单元12是对并网端口的电压电流信号进行采集和转换。
[0013] 所述的LCL滤波器13为了滤除并网电流中含有的大量谐波，改善
电能质量。
[0014] 所述的控制器14采用同步电机的转子运动方程和
定子电气方程，通过控制
算法从机理上模拟同步发电机的电磁关系与机械运动，使逆变器从外特性上对电网表现出与传统同步发电机相似的调频调压特性。
[0015] 所述的逆变器15通过模拟同步发电机的外特性，使其能够参与系统的调压及调频工作，从而反映风电机组出力及转速与电网频率之间的耦合关系，适用于风电机组频率响应控制研究。
[0016] 所述的直流电源16可以根据实验研究的并网风电机组容量，选用
蓄电池组或者从大电网经整流获得。
[0017] 本发明的优点在于：实现了实际风电系统嵌入到基于VSG的电力仿真系统中，不仅能实现对系统惯性特性、频率响应特性及调压特性的有效模拟，而且可以灵活调整风电并网实验系统中风电并网功率的比例，从而为研究不同风电渗透率下风电机组的频率响应特性提供便利，有效的简化了风电并网实验，具有较强的灵活性和可行性。
附图说明
[0019] 图2为机侧变流器控制框图。
[0020] 图3为网侧变流器控制框图。
[0021] 图4为VSG(虚拟同步发电机)控制框图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0023] 参照图1，一种基于VSG的风电并网半实物仿真系统，包括实际风电并网系统和基于VSG的电网仿真系统，实际风电并网系统包括原动机1，原动机1的控制输入和风机主控系统6的第一输出连接，原动机1的输出端直接与PMSG2的输入端(转子)连接，PMSG 2的输出端与机侧变流器3的输入端连接，机侧变流器3的输出端与网侧变流器4的输入端连接，机侧变流器3、网侧变流器4、PMSG 2通过变流器控制系统5实现控制，变流器控制系统5和风机主控系统6的第二输出/输入双向连接，网侧变流器4的输出端与变压器7的输入端连接，变压器7的输出端与并网点B1’的第一输入端双向连接，并网点B1’的第一输出端与负载8连接，并网点B1’的第二输入端与并网点模拟器9的第一输出/输入端双向连接，并网点模拟器9的第二输出端与受控源10的输入端S连接，受控源10的+输出端与并网点B1的第一输入端连接，受控源10的-输出端接地，并网点B1的输出端与并网点模拟器9的输入端连接，并网点B1的第二输入端与线路阻抗11的输出端连接，线路阻抗11的输入端与母线B0连接，母线B0与LCL滤波器13的输出端双向连接，LCL滤波器13的输入端与逆变器15的输出端连接，电压电流信号采集单元12对母线B0的电压电流信号进行采集后，电压电流信号采集单元12的输出端与控制器14的输入端连接，控制器14的输出端与逆变器15的第二输入端连接，逆变器15的第一输入端与直流电源16的输出端连接；
[0024] 原动机1、PMSG2、机侧变流器3、网侧变流器4、变流器控制系统5、风机主控系统6、变压器7、负载8、并网点模拟器9连接构成实际风电并网系统；受控源10、线路阻抗11、电压电流信号采集单元12、LCL滤波器13、控制器14、逆变器15、直流电源16连接构成基于VSG的电网仿真系统。
[0025] 所述的原动机1用来将风能转
化成风力发电机的机械能。
[0026] 所述的PMSG2是永磁同步发电机，将机械能转化成电能。
[0027] 所述的机侧变流器3是将同步发电机定子侧感应的交流电转换成直流电，如图2所示，变流器控制采用矢量控制方法，采用双闭环控制结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。
[0028] 定子绕组电压方程为
[0029] 转子绕组电压方程为
[0030] 定子磁链方程为
[0031] 转子磁链方程为
[0032] d、q
坐标系中的定子输出功率方程为：
[0033]
[0034] 忽略电机定子绕组
电阻，将定子磁链定向在同步坐标系轴上以后，可知ψd＝ψ1；ψsq＝0；usd＝0；usq＝-us
[0035] 将其代入(1)和(3)则有
[0036]
[0037] 将(7)式代入(4)式得
[0038] 式中，α1＝Lm/Ls,
[0039] 将(8)式代入(2)式得
[0040] 式中，u′rd，u′rq是实现转子电压、电流解耦项，Δurd和Δurq为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项，Lm、Ls、Rs、Lr、Rr分别为互感以及定、转子的漏感和电阻。
[0041] 其中，
[0042]
[0043] 首先由检测到的定、转子电压电流，经过坐标变换，计算出定子磁链ψ，定子有功功率P和无功功率Q；定子有功功率指令P*可以根据实际风力机功率转矩特性确定，无功功率指令Q*可由电网确定。将有功功率指令P*、无功功率指令Q*与定子有功功率P、无功功率Q进行比较，差值经PI功率调节器可以得到定子电流无功分量和有功分量指令 和 根据(7)和(10)式可以得到转子电流无功分量和有功分量指令 和 与转子实际电流值ird和irq比较后经PI调节，得到转子电压控制指令解耦项u′rd和u′rq，再加上转子电压补偿量Δurd和Δurq后，可以得到转子电压控制指令 和 再经过坐标变换(由dq坐标转换为αβ坐标)即可得到与有功、无功功率设定值P*、Q*对应的转子侧
三相电压控制指令 和 再经SPWM波调制得到
开关管的驱动信号，完成对发电机侧变电流器的控制。
[0044] 所述的网侧变流器4是将直流电转化成交流电，如图3所示，网侧变流器采用矢量控制方法，在同步旋转dq坐标系下网侧变流器的数学模型为
[0045] 式中：ugd，ugq分别是电网电压的d轴、q轴分量；igd，igq分别是输入电流的d轴、q轴分量；Vgd，Vgq分别是变流器中三相全桥交流侧
输出电压的d轴、q轴分量；Sd，Sq分别是开关函数的d轴、q轴分量；ω1为电网电压的
角速度。
[0046] 令ug＝ugd+jugq为电网电压矢量，如果将坐标系的d轴定向于电网电压矢量，则有uq＝0，其中ug为相电压峰值，于是式(12)变为
[0047] 由式(13)可得网侧变流器的控制框图。
[0048] 所述的变流器控制系统5根据风机主控系统6的指令，一方面控制PMSG 2转矩，实现风能的最大功率跟踪，另一方面稳定直流电压，控制并网电流质量及无功功率。
[0049] 所述的风机主控系统6由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统组成，对原动机1进行监控、自动调节以及实现最大风能的捕捉。
[0050] 所述的变压器7是将风机经全功率变流器产生的低压交流电转换成可以并网的高压交流电。
[0051] 所述的负载8为实际的物理负载。
[0052] 所述的并网点模拟器9是实现实际风电系统嵌入到基于VSG的电力仿真系统中的关键，一方面将电网仿真系统输出的并网点电压信号转换为模拟量输出，并由并网点电压模拟器放大，作为实际风力发电并网系统的并网电压；另一方面将风力发电系统输出的并网电流信号通过模拟量输入传送回基于VSG的电网仿真系统中，作为数字系统中风电并网点的注入电流，从而实现实际风电系统和数字电力系统并网点界面上的电压、电流的控制和反馈。
[0053] 所述的受控源10作为并网点风力发电注入电流，等效为风电并网系统的作用，受实际风力发电并网电流控制。
[0054] 所述的线路阻抗11为虚拟的线路阻抗。
[0055] 所述的电压电流信号采集单元12是对并网端口的电压电流信号进行采集和转换。
[0056] 所述的LCL滤波器13为了滤除并网电流中含有的大量谐波，改善电能质量。
[0057] 所述的控制器14采用同步电机的转子运动方程和定子电气方程，通过控制算法从机理上模拟同步发电机的电磁关系与机械运动，使逆变器从外特性上对电网表现出与传统同步发电机相似的调频调压特性，如图4所示，上半部分为有功功率的控制，其模拟同步发电机一次调频及惯性环节，包含有功-频率下垂控制和虚拟转动惯性控制。不计摩擦阻力及
扭矩，转子扭矩平衡方程如下式所示：
[0058]
[0059] 式中，J为VSG转动惯量，ω、ωs为机械角速度和额定角速度；Tm、Te为机械转矩和电磁转矩，D为阻尼系数。
[0060] 由虚拟同步发电机中
虚拟机械功率来自P-ω下垂控制，其表达式为Pm＝Pref+(ωs-ω)/kp (15)
[0061] 式中，kp为下垂系数。
[0062] 将式(14)乘以额定角速度ωs，可得转子功率平衡方程：
[0063]
[0064] 对式(16)积分后与额定角频率ωs
叠加，得到VSG的频率，将该频率进行积分得到VSG的
相位。
[0065] 图4的下半部分为无功功率的控制，其模拟同步发电机的一次调压及电磁关系，包含无功-电压下垂控制和励磁调节控制。模拟常规同步发电机组无功功率控制方法，计算获得并网逆变器相电压幅度值：设定电压幅度参考值vref，检测并网点电压幅度vamp，再根据无功下垂系数Dq及初始无功Q0计算无功参考值Qref；
[0066] Qref＝(Vref-Vamp)Dq+Q0 (17)
[0067] 根据
三相电流及电压计算输出的无功Q，将式(17)得到的无功参考值Qref减去输出的无功Q得到无功误差ΔQ，将无功误差ΔQ进行积分后再乘以积分系数KQ得到相电压幅度E。利用电压幅值指令以及所得到的相位指令产生电压参考值，从而获得数字仿真部分的并网点电压信号。
[0068] 所述的逆变器15通过模拟同步发电机的外特性，使其能够参与系统的调压及调频工作，从而反映风电机组出力及转速与电网频率之间的耦合关系，适用于风电机组频率响应控制研究。
[0069] 所述的直流电源16可以根据实验研究的并网风电机组容量，选用蓄
电池组或者从大电网经整流获得。
[0070] 本发明的工作原理为：基于VSG的风电并网半实物仿真系统中，
风力发电机组、并网变流器、并网点模拟器以及交流负载等为实际的物理设备，风电所并入的电网部分采用基于VSG的数字仿真系统，通过数字电力系统控制并网点模拟器模拟接入电网。
[0071] 数字仿真部分实时地将电网仿真输出的并网点电压信号转换为模拟量输出，并由并网点电压模拟器放大，作为实际风力发电并网系统的并网电压；同时，将风力发电系统输出的并网电流信号通过模拟量输入传送回电网仿真系统中，作为数字系统中风电并网点的注入电流，从而实现实际风电系统和数字电力系统并网点界面上的电压、电流的控制和反馈。因此，实际风电系统嵌入到电力仿真系统中，数字仿真系统和实际风电设备形成一个完整的半实物仿真系统，能够灵活调节同步发电机组的惯性时间常数、机组容量及调频特性，从而灵活调整风电并网实验系统中风电并网功率的比例，为研究风力发电系统接入电网后整个电力系统的动态特性，以及两者之间的相互影响提供了便利。
