CN107332275A - 一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法 - Google Patents

一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法 Download PDF

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杨赟
陈虹妃
缪惠宇
顾盼盼
张建兴
张之豪
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Abstract

本发明公开了一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，该方法在转动惯量自适应控制基础上，同时考虑阻尼系数的变化，对频率偏差进行抑制；模型以虚拟同步发电机控制为基础，以提升频率稳定性为目标，对原有模型中存在的频率偏差进行了抑制；通过将转动惯量和阻尼系数两个变量协调控制，对不同控制方式下输出有功功率和频率的波形进行比较，分析暂态过程中系统频率和输出功率的变化机理，得出转动惯量和阻尼系数的取值表达式和触发条件。本发明通过建立协调自适应控制策略模型，给出了相应参数变化情况下的稳定性分析，抑制频率的过快变化和过大偏移，保证系统的稳定性。

Description

一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制 方法
技术领域
本发明属于同步发电机与微网技术领域，尤其涉及一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法。
背景技术
随着能源问题和环境污染问题的日益突出，传统化石能源逐渐无法满足人类可持续发展的目标，以可再生能源为主要能量来源的微电网，受到了广泛而持续的关注。微电网中大部分的分布式电源都需要通过逆变器等电力电子器件接入到电网中，电力电子器件的响应迅速的特点使得逆变器具有控制灵活，暂态时间短的特点但不具有惯性和阻尼以及抑制干扰和波动的能力。
为此，国内外学者提出虚拟同步发电机，通过控制方法模拟同步发电子转子特性，使得并网逆变器也具有阻尼和惯性，从而提升逆变器抑制自身输出频率和功率波动能力，同时也提升了对干扰波动的抑制能力，增加了系统的稳定性。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，改善接入微网中的分布式能源的出力波动可能会引起电网频率不稳定以及功率波动的问题，保证系统的稳定性。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，具体包括以下步骤：
(1)虚拟同步发电机的仿真建模；
(2)分析暂态过程中系统频率和输出功率的变化机理，得出转动惯量J和频率变化率、阻尼系数D和频率偏移量之间的相关性；
(3)给出转动惯量和阻尼系数的取值表达式和触发条件。
进一步地，所述步骤(1)中，利用同步发电机小信号模型分析方法，得到虚拟同步发电机输入输出有功功率的传递函数：
其中，Pref为给定有功功率；wo为电网同步角速度；E为虚拟同步发电机电势；U为机端电压；Kω为调差系数；Z为虚拟同步发电机滤波电路的的阻抗。
进一步地，所述步骤(2)中，转动惯量和阻尼系数以最优二阶系统方法整定，转动惯量J和频率变化率，阻尼系数D和频率偏移量的关联为：
其中，Tm、Te和Td分别为同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩。
进一步地，所述步骤(3)中，当虚拟同步发电机转子角速度的变化率较大时，增大转动惯量；当角速度偏离量较大时，增大阻尼系数。
有益效果：本发明中转动惯量和阻尼系数两个变量协调控制在抑制频率变化率的同时也抑制了频率的波动量，保证系统的稳定性；和传统定参数VSG控制和转动惯量自适应控制策略相比，能够进一步改善频率响应特性和输出有功响应特性，缩短系统暂态过程、保证系统稳定性的有效性。
附图说明
图1是虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法的原理图；
图2是虚拟同步发电机仿真实验电路图；
图3是虚拟同步发电机不同控制方式输出有功功率对比图；
图4是虚拟同步发电机不同控制方式转矩对应的频率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明的虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法的原理图，当虚拟同步发电机转子角速度的变化率较大时，增大转动惯量；当角速度偏离量较大时，增大阻尼系数；同时改变转动惯量和阻尼系数，在抑制频率变化率的同时也抑制了频率的波动量，使得频率稳定性能得到提升。
本发明的虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，具体包括以下步骤：
(1)建立虚拟同步发电机的仿真模型；
根据虚拟同步发电机视在功率的计算方法得到其输出的有功功率和无功功率，借鉴传统电力系统中的同步发电机的小信号模型分析方法，建立虚拟同步发电机的仿真模型，近似得到虚拟同步发电机输入输出有功功率的传递函数是一个典型的二阶传递函数：
Pref为给定有功功率，单位为W；wo为电网同步角速度，即为同步发电机的额定角速度，单位为rad/s；E为虚拟同步发电机电势；U为机端电压；Kω为调差系数；Z为虚拟同步发电机滤波电路的的阻抗。
(2)分析暂态过程中系统频率和输出功率的变化机理，得出转动惯量和频率变化率、阻尼系数和频率偏移量之间的相关性；
调差系数Kω通常恒定，若取0＜ξ＜1，误差带为±5％，在有功指令和无功指令给定的情况下，由下式可知二阶系统动态性能主要由转动惯量J和阻尼系数D决定。
Tm、Te和Td分别为同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩，单位为N·m。
(3)给出转动惯量和阻尼系数的取值表达式和触发条件；
假设Tm-Te-Jdω/dt和Tm-Te-Td是恒定的，可得通过调整转动惯量J和阻尼系数D能够抑制角速度变化率和频率偏差。
以传统的转动惯量自适应控制为基础，在负载变化时只改变转动惯量来抑制频率波动率的基础上，提出同时改变阻尼系数D和转动惯量J达到快速稳定频率的目标。
通过虚拟同步发电机的仿真建模，得出转动惯量和频率变化率、阻尼系数和频率偏移量之间的相关性，并给出转动惯量和阻尼系数的取值表达式和触发条件。该方法可使在输入功率突然增大时，频率振荡明显减弱，既能够减小频率波动的变化率又能够减小频率的偏移量，最终使得频率的超调量减小，回复时间减短，频率稳定性能得到提升。
在Matlab/Simulink中搭建单机虚拟同步发电机模型，进行仿真实验，仿真参数如下表1所示。
表1
搭建电路图如图2所示，单机虚拟同步发电机并入电网，仿真时长为1.8s，负载有功功率为12kW，无功功率为2kVar。初始时，虚拟同步发电机的给定输出有功功率为2kW；在0.15s时，有功功率突增为12kW；在0.9s时，又突变为2kW；无功恒定为2kVar。
如图3所示，当输入功率突然增大时，恒定控制参数下，其有功超调量达到35％，调节时间约为0.55s。采用转动惯量自适应控制相对于定控制参数的VSG控制，其有功输出的超调量更小约为30％，调节时间更短约为0.45s；转动惯量和阻尼系数协调自适应控制比转动惯量自适应控制在输出有功波动抑制方面性能更加优秀，超调量进一步减小只有约5％，调节时间进一步缩短约为0.3s。
如图4所示，当输入功率突增时，定控制参数的VSG控制策略下的频率增大的幅度超过0.4Hz，振荡持续时间约为0.25s。采用转动惯量自适应控制策略，平率振荡的幅度减小为0.35Hz，同样需要经历约为0.25s才能达到稳定；若采用转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略频率振荡明显减弱，约为0.2Hz，暂态过程缩减为约0.2s。
相比于转动惯量自适应控制有更好的频率波动抑制性能，既能够减小频率波动的变化率又能够减小频率的偏移量，最终使得频率的超调量减小，回复时间减短，频率稳定性能得到提升。

Claims (5)

1.一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)虚拟同步发电机的仿真建模；
(2)分析暂态过程中系统频率和输出功率的变化机理，得出转动惯量J和频率变化率、阻尼系数D和频率偏移量之间的相关性；
(3)给出转动惯量和阻尼系数的取值表达式和触发条件。
2.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，转动惯量和阻尼系数以最优二阶系统方法整定。
3.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用同步发电机小信号模型分析方法，得到虚拟同步发电机输入输出有功功率的传递函数：
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其中，Pref为给定有功功率；wo为电网同步角速度；E为虚拟同步发电机电势；U为机端电压；Kω为调差系数；Z为虚拟同步发电机滤波电路的的阻抗。
4.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，转动惯量J和频率变化率，阻尼系数D和频率偏移量的关联为：
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其中，Tm、Te和Td分别为同步发电机的机械转矩、电磁转矩和阻尼转矩。
5.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，当虚拟同步发电机转子角速度的变化率较大时，增大转动惯量；当角速度偏离量较大时，增大阻尼系数。
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