应用于变流器的VSG等值数学模型构建方法

本发明涉及新能源发电领域，具体涉及一种应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法。

背景技术：

1、近年来，新能源发电逐渐成为我国主要的发电形式，截至2023年9月底，全国可再生能源装机容量约为13.8亿千瓦，占全国总装机容量的49.6％。与此同时，新型电力系统也逐渐呈现高比例电力电子器件的特征，由于电力电子装置响应速度快、几乎不具备惯性和阻尼，导致电力系统强度日益降低，因此引发了诸如大面积停电以及风场振荡事故等，造成了巨大损失。

2、因此，采用虚拟同步电机(vsg)控制方式的变流器应运而生，其通过模仿同步电机的摇摆方程和励磁方程，为电网提供惯性和阻尼的同时，实现了快速功率支撑。但是与同步电机不同的是，构网型变流器控制时间尺度范围较大，且不同时间尺度的控制环节存在耦合，因此传统的同步电机的等值数学模型无法准确分析构网型变流器的暂态运行特性。

3、因此，为解决以上问题，需要一种应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，能够精确、高效的反映构网型变流器的暂态输出特性，实现了对构网型变流器暂态输出特性的准确刻画。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，能够精确、高效的反映构网型变流器的暂态输出特性，实现了对构网型变流器暂态输出特性的准确刻画。

2、本发明的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，包括：

3、基于构网型变流器有功环和无功环的控制结构，得到有功-功角的二阶微分方程以及无功-电压方程；

4、对有功-功角的二阶微分方程以及无功-电压方程进行化简处理，得到构网型变流器的三阶等值模型；

5、考虑构网型变流器采用的滤波模型以及并网时所对应的电网线路阻抗影响，得到滤波电感电流、并网点电压电流之间的数学关系；

6、计及电压内环与功率外环的耦合作用，建立无电流前馈控制时的电压内环控制方程；

7、基于所述三阶等值模型、所述数学关系以及所述电压内环控制方程，得到构网型变流器9阶数学等值模型。

8、进一步，所述有功-功角的二阶微分方程为：

9、

10、其中，p为构网型变流器的输出功率，p0为构网型变流器额定功率，ω0为电网额定角频率，d为构网型变流器阻尼系数，j为构网型变流器虚拟惯量，为构网型变流器输出功角δ的一阶导数；为构网型变流器输出功角δ的二阶导数。

11、进一步，所述无功-电压方程为：

12、em＝kq(q0-q)+e0；

13、其中，em为构网型变流器输出电压，kq为无功下垂系数，q0为额定无功功率，q为构网型变流器实际输出无功功率，e0为额定电压。

14、进一步，所述三阶等值模型为：

15、

16、其中，δω为构网型变流器输出角频率与额定角频率的偏差；为δω的一阶导数；ug为电网电压；xg为电网感抗；δ为构网型变流器输出功角。

17、进一步，所述滤波电感电流、并网点电压电流之间的数学关系为：

18、

19、其中，cf为滤波电容，ed与eq分别为构网型变流器并网点电压的dq坐标系下的分量，t表示时间；ω为构网型变流器输出角频率，ugd和ugq分别为电网电压在dq坐标系下的分量；lg为电网线路所对应的电感值，id与iq为构网型变流器并网点输出电流在dq坐标系下的分量，ild和ilq为构网型变流器滤波电感上的电流在dq坐标系下的分量。

20、进一步，所述无电流前馈控制时的电压内环控制方程为：

21、

22、其中，id和iq分别是并网点电流d轴和q轴的输出量，t表示时间；kvp和kvi分别为电压环pi控制器的比例系数和积分系数，ω0为电网额定角频率，cf为滤波电容，ed和eq分别为构网型变流器并网点电压在dq坐标系下的分量。

23、进一步，所述构网型变流器9阶数学等值模型为：

24、

25、其中，em为构网型变流器输出电压，kq为无功下垂系数，e0为额定电压，p为构网型变流器的输出功率，p0为构网型变流器额定功率，ω0为电网额定角频率，d为构网型变流器阻尼系数，j为构网型变流器虚拟惯量，id和iq分别是并网点电流d轴和q轴的输出量，kvp和kvi分别为电压环pi控制器的比例系数和积分系数，ω0为电网额定角频率，cf为滤波电容，ed和eq为变流器并网点电压在dq坐标系下的分量，ild和ilq为变流器滤波电感上的电流在dq坐标系下的分量，ug为电网电压，ugd和ugq分别为电网电压在dq坐标系下的分量。

26、进一步，还包括：在电压内环控制中引入电流前馈环节，得到计及电流前馈的构网型变流器9阶等值数学模型。

27、进一步，所述计及电流前馈的构网型变流器9阶等值数学模型为：

28、

29、其中，em为构网型变流器输出电压，kq为无功下垂系数，为构网型变流器输出功角δ的一阶导数；e0为额定电压，q0为额定无功功率，q为构网型变流器实际输出无功功率，p为构网型变流器的输出功率，p0为构网型变流器额定功率，d为构网型变流器阻尼系数，j为构网型变流器虚拟惯量，id和iq分别是并网点电流d轴和q轴的输出量，kvp和kvi分别为电压环pi控制器的比例系数和积分系数，ω0为电网额定角频率，cf为滤波电容，ed和eq为变流器并网点电压在dq坐标系下的分量，ild和ilq为变流器滤波电感上的电流在dq坐标系下的分量，ug为电网电压，ugd和ugq分别为电网电压在dq坐标系下的分量，kf为电流前馈系数。

30、本发明的有益效果是：本发明公开的一种应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，考虑了有功外环、无功外环、电压内环之间不同时间尺度的耦合，同时在拓扑上计及了构网型变流器lc滤波器参数、并网线路参数的影响，综合建立了计及电压内环的vsg等值数学模型，该模型能够准确分析构网型变流器的暂态运行特性，相比传统电磁仿真其运算速度更快，为构网型变流器暂态运行特性研究提供了一个可靠、精确、高效率的数学模型。

技术特征：

1.一种应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：所述有功-功角的二阶微分方程为：

3.根据权利要求1所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：所述无功-电压方程为：

4.根据权利要求1所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：所述三阶等值模型为：

5.根据权利要求1所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：所述滤波电感电流、并网点电压电流之间的数学关系为：

6.根据权利要求1所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：所述无电流前馈控制时的电压内环控制方程为：

7.根据权利要求1所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：所述构网型变流器9阶数学等值模型为：

8.根据权利要求1所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：还包括：在电压内环控制中引入电流前馈环节，得到计及电流前馈的构网型变流器9阶等值数学模型。

9.根据权利要求8所述的应用于变流器的vsg等值数学模型构建方法，其特征在于：所述计及电流前馈的构网型变流器9阶等值数学模型为：

技术总结本发明公开了一种应用于变流器的VSG等值数学模型构建方法，包括：得到有功‑功角的二阶微分方程以及无功‑电压方程；对有功‑功角的二阶微分方程以及无功‑电压方程进行化简处理，得到构网型变流器的三阶等值模型；考虑构网型变流器采用的滤波模型以及并网时所对应的电网线路阻抗影响，得到滤波电感电流、并网点电压电流之间的数学关系；计及电压内环与功率外环的耦合作用，建立无电流前馈控制时的电压内环控制方程；基于所述三阶等值模型、所述数学关系以及所述电压内环控制方程，得到构网型变流器9阶数学等值模型。本发明能够精确、高效的反映构网型变流器的暂态输出特性，实现了对构网型变流器暂态输出特性的准确刻画。技术研发人员：杜雄,马庭豪,张琦,彭宇辉,张杰,任成君受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18