一种虚拟同步机阻尼的配置方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于分布式发电控制领域，尤其涉及一种虚拟同步机阻尼的配置方法及装 置。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于世界能源问题的日益突出和环境压力的不断增大，诸如光伏发电、风 力发电等分布式发电形式得到了快速发展。分布式发电的输出大多都为直流，因此需要通 过并网逆变器接入配电网，分布式发电的发展使得逆变器在电力系统的渗透率越来越高， 导致传统电力系统结构发生了巨大的变化。分布式电源接入配电网会带来电力系统低惯 性、低阻尼的问题。为了解决该问题，有学者提出了虚拟同步机(Virtual Synchronous Machine，VSM)的概念。近些年对VSM的研究表明，VSM可有效增加电力系统的惯性和阻尼，抑 制电力系统的震荡，增强电力系统的稳定性。
[0003] 系统的惯性和阻尼需要通过储能系统提供，因而VSM的阻尼配置与储能容量的匹 配问题亟待解决。目前国内外学者针对虚拟同步机惯量和阻尼的选取方法进行了研究，取 得了诸如优化配置虚拟同步发电机的储能单元、通过对频率的监测实现虚拟惯量值跟随频 率实时变化、通过实时监测负载侧频率的方法控制储能单元的充放电，并以此提供实时的 虚拟惯量和阻尼等研究成果。但现有的研究成果均未提出明确有效的匹配虚拟同步机储能 容量的阻尼配置方法，人们在配置虚拟同步机阻尼的时候无据可依，且效率较低，不利于人 们快速准确地解决分布式电源接入配电网的低惯性、低阻尼问题。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术中的缺陷和不足，本发明在深入研究阻尼配置与储能容量之间 关系的基础上，提出一种虚拟同步机阻尼的配置方法及装置，用该方法及装置配置出的阻 尼与储能容量相匹配，方便人们利用储能系统为电力系统提供阻尼。
[0005] 本发明提供一种虚拟同步机阻尼的配置方法，其主要步骤包括：
[0006] 建立虚拟同步机的转子运动方程；
[0007] 获取虚拟同步机的输出有功功率表达式；
[0008] 计算得到功角变化量对应的输出有功功率变化量表达式；
[0009] 根据所述输出有功功率变化量表达式及所述虚拟同步机转子运动方程，获取输出 有功功率与负载侧频率的小信号模型；
[0010]负载侧频率发生阶跃时，根据所述输出有功功率与负载侧频率的小信号模型，获 取虚拟同步机输出有功功率的响应情况表达式；
[0011] 对所述虚拟同步机输出有功功率的响应情况表达式进行拉普拉斯反变换，分别获 得对应所述虚拟同步机所处的三种工作状态的输出有功功率的响应情况时域表达式；
[0012] 分别对输出有功功率的响应情况时域表达式求最值处理，得到与所述工作状态相 应的输出有功功率最大值的表达式。
[0013 ]进一步地，所述建立虚拟同步机的转子运动方程，包括：
[0014] 采用与同步发电机的转子运动方程中的参数对应的方式，建立虚拟同步机的转子 运动方程。
[0015] 进一步地，所述虚拟同步机的转子运动方程为：
[0016]
[0017]其中Pm为机械功率;Pe为电磁功率;J为虚拟惯量;D为虚拟阻尼因子；ω为虚拟转子 角频率;δ为虚拟同步机VSM的功角；cobus为负载侧频率；ω〇为额定转子角频率;本发明中 VSM的极对数为1。
[0018] 进一步地，所述虚拟同步机的输出有功功率表达式为：
[0019] P = EUcos (a-5)/Z-U2cosa/Z
[0020] 其中，E为虚拟同步机VSM的电势;U为所述VSM的机端电压;P为有功功率;Q为无功 功率;Z为滤波电路的阻抗;a为滤波电路的阻抗角;δ为所述VSM的功角。
[0021] 进一步地，所述计算得到功角变化量对应的输出有功功率变化量表达式，包括：
[0022] 将功角变化量代入所述虚拟同步机的输出有功功率表达式，得到功角变化后的输 出有功功率表达式；
[0023] 对功角变化后的输出有功功率表达式与原输出有功功率变化量表达式取差值处 理，得到输出有功功率变化量表达式为：
[0024]
[0025]其中，E为虚拟同步机VSM的电势;U为所述VSM的机端电压;Z为滤波电路的阻抗;a 为滤波电路的阻抗角;S为所述VSM的功角。
[0026] 进一步地，所述根据输出有功功率变化量表达式及所述虚拟同步机转子运动方 程，获取输出有功功率与负载侧频率的小信号模型，包括：
[0027] 基于所述虚拟同步机转子运动方程，计算得到负载侧频率变化量对应的电磁功率 变化量表达式，和功角变化量的复数域表达式；
[0028] 对所述电磁功率变化量表达式进行拉普拉斯变换，得到电磁功率变化量的复数域 表达式；
[0029] 计算得到功角变化量较小时对应的化简后的输出有功功率变化量表达式；
[0030] 对化简后的输出有功功率变化量表达式，进行拉普拉斯变换，得到输出有功功率 变化量的复数域表达式；
[0031] 利用同步功率系数化简输出有功功率变化量的复数域表达式，得到化简后的输出 有功功率变化量复数域表达式；
[0032] 由功角变化量的复数域表达式和化简后的输出有功功率变化量复数域表达式，计 算得到输出有功功率变化量与负载侧频率变化量的复数域关系式；
[0033] 由输出有功功率变化量与负载侧频率变化量的复数域关系式和电磁功率变化量 的复数域表达式计算得到输出有功功率与负载侧频率的小信号模型。
[0034] 进一步地，所述负载侧频率发生阶跃时，根据所述输出有功功率与负载侧频率的 小信号模型，获取虚拟同步机输出有功功率的响应情况表达式，包括：
[0035] 当负载侧频率发生△ ω bus的阶跃时，对负载侧频率进行拉普拉斯变换；
[0036] 将变换后的负载侧频率代入输出有功功率与负载侧频率的小信号模型，获取虚拟 同步机输出有功功率的响应情况表达式为：
[0037]
[0038] 其中，D'=D?〇，D为虚拟阻尼因子。
[0039] 进一步地，所述的与所述工作状态相应的输出有功功率最大值的表达式，包括：
[0040] 当虑拟同步机朴干欠阳尼Ti作状杰时，输出有功功率最大值的表达式为：
[0041]
[0042]
[0043] 当虚拟同步机处于过阻尼工作状态时，输出有功功率最大值的表达式为：
[0044]
[0045] 其中
，D为虚拟阻尼因子。
[0046] 当虚拟同步机处于临界阻尼工作状态时，输出有功功率最大值的表达式为：
[0047]
[0048] 其中，D'=Dco 〇，D为虚拟阻尼因子。
[0049] 本发明提供一种虚拟同步机阻尼的配置装置，其特征在于，包括：
[0050] 方程建立单元，用于建立虚拟同步机的转子运动方程；
[0051] 获取单元，用于获取虚拟同步机的输出有功功率表达式；
[0052] 第一计算单元，用于计算得到功角变化量对应的输出有功功率变化量表达式；
[0053] 第二计算单元，用于根据所述输出有功功率变化量表达式及所述虚拟同步机转子 运动方程，计算获取输出有功功率与负载侧频率的小信号模型；
[0054]第三计算单元，用于负载侧频率发生阶跃时，根据所述输出有功功率与负载侧频 率的小信号模型，计算获取虚拟同步机输出有功功率的响应情况表达式；
[0055]第四计算单元，用于对所述虚拟同步机输出有功功率的响应情况表达式进行拉普 拉斯反变换，分别计算获得对应所述虚拟同步机所处的三种工作状态的输出有功功率的响 应情况时域表达式；
[0056]第五计算单元，用于分别对输出有功功率的响应情况时域表达式求最值处理，计 算得到与所述工作状态相应的输出有功功率最大值的表达式。
[0057]进一步地，所述方程建立单元，具体用于:采用与同步发电机的转子运动方程中的 参数对应的方式，建立虚拟同步机的转子运动方程。
[0058] 进一步地，所述虚拟同步机的转子运动方程为：
[0059]
[0060] 其中Pm为机械功率;Pe3为电磁功率;J为虚拟惯量;D为虚拟阻尼因子；ω为虚拟转子 角频率;δ为虚拟同步机VSM的功角；co bus为负