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如何建立VSG双机并联系统的小信号模型？

如何建立VSG双机并联系统的小信号模型？
转动惯量及阻尼系数对输出有功特性的影响是什么？

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关欣冰

2021-10-22 14:45:27
西安理工大学自动化与信息工程学院的研究人员任碧莹、邱姣姣等，在2019年第1期《电工技术学报》上撰文，针对虚拟同步发电机(VSG)双机并联系统在采用固定的转动惯量及阻尼系数时无法兼顾有功功率振荡和频率波动的问题，该文提出一种参数自调节优化控制策略。
  首先，建立VSG双机并联系统的小信号模型，分析转动惯量及阻尼系数对输出有功特性的影响；其次，在满足系统动稳态性能的转动惯量及阻尼系数限定取值范围内，根据转子角速度变化率及其偏差量引入了改变转动惯量及阻尼系数的参数自调节优化控制；最后，通过仿真结果验证了所提控制策略的有效性。该策略在保证系统稳定运行的同时，既可抑制VSG并入交流母线过程中的有功振荡，亦可提高频率的支撑能力。
  辅助逆变器是动车组等车辆的重要组成部分，为了实现大功率、高可靠性、易扩展的冗余列车辅助电源供电系统，目前先进动车组辅助逆变器多采用无互联线并联技术。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)技术源于微电网控制，其主要思想是将同步发电机运行特性引入到逆变器控制中，使得逆变器不仅具有稳态的功率下垂特性，无联络信号线，且模拟了同步发电机的转子惯性，可动态弥补功率差额，减少频率波动程度。因此，本文将VSG技术应用于辅助逆变器控制。
  转动惯量和阻尼系数作为VSG系统的核心参数，它们的引入从真正意义上模拟了同步发电机的机理，故而研究该核心参数对系统输出特性的影响尤为重要。文献[2,3]通过建立VSG的小信号模型分析了不同惯量和阻尼对VSG输出有功动态性能的影响，输出有功在动态过程中出现了与传统同步发电机一致的振荡特性，而VSG属于电力电子设备，其承受暂态频率和功率波动的能力远不及同步发电机。暂态过程中的冲击和振荡若超过设备阈值，可能会导致设备运行异常，甚至造成系统失稳。因此，学者们相继提出了各种参数自适应的方法来抑制功率振荡。
  文献[5]提出了一种基于Bang-Bang控制的转动惯量J可调的VSG控制策略，可实现J对频率的动态实时跟踪，但并未给出J上下限的具体取值原则。文献[6]对VSG并网时的暂态能量函数进行分析，提出了一种动态调节J的方法，可加速暂态能量的减少，提高系统的暂态性能，但忽略了阻尼系数D对有功振荡的影响。
  文献[7]根据同步发电机功角特性提出一种自适应阻尼控制，可抑制暂态过程中的频率振荡，并保证其幅值稳定在安全范围内，且可减少输出有功的过冲，降低有功振荡，但同样忽略了J对有功振荡的影响。文献[8]根据转子角速度变化率及其偏差量提出了一种转动惯量J及阻尼系数D自适应控制策略，可减小并网及离网模式下有功和频率超调，但未给出自适应控制算法中两个表达式的选取原则，也未给出表达式中相关系数的选取依据。
  文献[9]利用线性二次型最优控制理论，提出了基于可变惯性和阻尼的VSG优化控制策略，可实时对VSG关键参数进行灵活配置，保证VSG动态有功振荡和频率波动最小，以达到能量和误差综合最优，但该方法对CPU的计算精度要求很高。
  以上文献均是基于单台VSG并入大电网时的参数优化处理，对于离网下VSG多机并联系统，文献[10,11]通过建立VSG多机并联运行时小信号模型，分析了J、D对有功振荡的影响，并通过加入预同步单元减小了有功振荡；文献[12]提出了基于虚拟磁链定向控制的预同步方法，可及时跟踪公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)的电压和频率，避免了并入微网时在PCC点的电流冲击，保证设备安全可靠运行；文献[13]参照柴油发电机调速控制模型提出了一种改进的VSG控制策略，可减少逆变器与柴油发电机之间无缝切换的动态影响，提高整个系统的稳定性，但对于VSG双机并联系统,该控制策略过于复杂。
  上述文献与文献[14,15]相同，J、D均为固定值，若与并网类似能够实时调节J、D的值，该问题将得到解决。基于该思想，文献[16]提出了改进转动惯量自适应控制，可根据频率偏移量动态调节J，当VSG投入微网时提供较小的J以避免动态有功振荡，但D为固定值。文献[17]利用粒子群优化算法对VSG单元参数进行调整，保证系统在发生变化或扰动之后保持平稳过渡，同时将电压角偏差稳定在限定区域内，但需要VSG单元之间通信，较适用于优化大型微电网。
  针对上述控制方法的局限性，本文首先建立了VSG双机并联运行的小信号模型，分析J、D对VSG输出有功特性的影响；其次在J、D限定的取值范围内，提出了一种参数自调节优化控制策略，可根据转子角速度变化率及其偏差量实时改变J、D，以实现抑制有功振荡的同时，增大频率的惯性、加快系统的动态响应；最后通过搭建PSIM仿真模型验证了所提控制策略的正确性和可行性。
     
  
  
  图1 VSG双机并联系统控制框图
  
  结论

  本文针对VSG双机并联系统，建立了小信号模型，并分析了转动惯量及阻尼系数变化时对输出有功特性的影响规律。同时，在转动惯量J与阻尼系数D限定的取值范围内，提出了一种参数自调节优化控制方法，可实现根据转子角速度变化率dω/dt和角速度偏差Δω来实时改变J、D，保证系统稳定运行的同时，既可抑制VSG并入交流母线过程中的有功振荡，亦可提高频率的支撑能力、加快系统的动态响应。
  最后，利用PSIM仿真软件对比了采用和未采用参数自调节优化控制策略时，并联运行和负载突变工况下系统输出有功和频率响应特性，验证了所设计的参数自调节优化控制策略更有利于VSG并联系统的运行。
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