CN107968589B - 一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，其所述方法包括下列步骤：采集虚拟同步发电机系统的相关参数；根据相关参数，判断虚拟同步发电机系统是否发生低频振荡，若否则返回继续采集，若是则根据采集的相关参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中的虚拟阻尼值；根据虚拟阻尼值，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。与现有技术相比，本发明具有能够有效抑制系统的低频振荡的优点。

Description

一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器控制领域，尤其是涉及一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法。

背景技术

随着化石能源问题的日益加剧，以新能源为主体的分布式发电(DistributedGeneration，DG)开始引起人们的重视。光伏、风电为主的分布式能源在接入电网时以电力电子逆变器为接口，与传统的同步发电机相比，具有暂态响应快速的特点。但由于电力电子器件缺少惯性，并且往往存在着过载能力差、输出阻抗小等特性，导致系统在发生扰动或故障时各电能参数响应过快，不利于系统的稳定性。传统电力系统多由大型同步发电机来提供电力。由于同步发电机的转子具有机械转动惯量，因此当电网中发生负荷突变或发电机跳闸时，能够利用转子的动能与电网进行能量交换，来维持电网稳定性。如果能够使并网逆变器模拟同步发电机的外特性，具有同步发电机的“惯性量”，则可以大幅提高系统稳定性。基于上述考虑，国内外学者提出了虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator，VSG)的概念，它成功借鉴了同步发电机中的机械与电磁方程，从外特性上等效了同步发电机的模型，增加了逆变器的惯性支撑。

虚拟同步发电机具有与传统同步发电机一样的同步机理是因为惯性量和阻尼特性的引入。然而对于含VSG的单机无穷大系统来说，当系统参数一定时，虽然VSG通过引入同步机的转子运动方程使其含有一定的惯量和阻尼，但由于其引入的惯量和阻尼相对于整个系统来说比较小，系统中的其他部分可能会发生负阻尼作用从而抵消系统中原有的正阻尼，使系统总的阻尼很小甚至为负，导致系统产生低频振荡，对系统的稳定性产生影响。因此如何提出一种虚拟同步发电机系统的控制方法，可以实现低频振荡的抑制，成为现如今一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，所述方法包括下列步骤：

1)采集虚拟同步发电机系统的相关参数；

2)根据步骤1)采集的相关参数，判断虚拟同步发电机系统是否发生低频振荡，若是则进入步骤3)，若否则返回步骤1)；

3)根据步骤1)采集的相关参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中的虚拟阻尼值；

4)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

优选地，所述虚拟同步发电机系统的相关参数包括：虚拟转子的角频率偏差、虚拟转子的角频率变化率、阻尼功率和功率偏差。

优选地，所述步骤2)包括：

21)根据步骤1)采集的相关参数，计算低频振荡判定值ε；

22)判断低频振荡判定值是否为负值，若是则表明虚拟同步发电机系统发生低频振荡，进入步骤3)，若否则返回步骤1)。

优选地，所述低频振荡判定值ε具体为：

ε＝P_D×Δω

其中，P_D为阻尼功率，Δω为虚拟转子的角频率偏差。

优选地，所述步骤3)具体为：根据虚拟同步发电机系统中虚拟转子的角频率偏差值所在区间范围，调整虚拟阻尼值，所述虚拟阻尼值具体为：

其中，D为虚拟阻尼值，D₀为虚拟阻尼的稳态值，k为虚拟阻尼自适应系数，D_in为基于功率偏差和虚拟转子的角频率变化率得到的输入信号，Δω为虚拟转子的角频率偏差值，M为虚拟转子角速度变化率的阈值。

优选地，所述输入信号具体为：功率偏差与虚拟转子角频率变化率的乘积移相90°的值和功率偏差与虚拟转子角频率变化率的乘积值之和。

优选地，所述步骤4)包括：

s41)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，根据虚拟同步发电机系统转子运动方程求解得到更新后的系统电角度；

s42)根据步骤41)得到的更新后的系统电角度，结合虚拟同步发电机系统中PI控制器输出的虚拟励磁电动势幅值，通过虚拟阻抗得到输出的三相调制波电流；

s43)根据步骤42)得到的输出的三相调制波电流，通过脉宽调制发生器产生控制脉冲，控制虚拟同步发电机系统中开关管的开断，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

优选地，所述虚拟同步发电机系统转子运动方程具体为：

其中，P_m、P_e和P_D分别为虚拟同步发电机机械功率、电磁功率和阻尼功率；ω为虚拟同步发电机电角速度；ω₀为额定电角速度；Δω为虚拟转子的角频率偏差值；J和D分别为同步发电机转动惯量和阻尼系数；θ为系统电角度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的方法，通过在虚拟同步发电机系统发生低频振荡时，根据虚拟同步发电机系统当前的相关参数，对虚拟同步发电机系统中的虚拟阻尼值进行自适应调节，通过这种自适应调节，可以使得系统在发生低频振荡的情况下，自动增加需要的正阻尼来对振荡进行抑制，保证系统的稳定性。

(2)在对于虚拟阻尼值进行调整时，通过引入低频振荡判定值来对系统是否发生进行判断，然而这种判断有时会受到干扰，比如在虚拟转子的角频率偏差接近0时会产生微弱的波动，此时会导致低频振荡判定值因政府判断紊乱而失效，此时的判定是不准确的，因此引入虚拟转子角速度变化率的阈值，只有在虚拟转子的角频率偏差值大于此阈值时，才会自适应的增加系统所需的正阻尼，来抑制低频振荡。

(3)功率偏差与虚拟转子角频率变化率的乘积并不受系统本身的虚拟阻尼值的正负影响，而且该乘积会随功角的变化而变化，因此可以用来在系统发生低频振荡时来自适应的提供正阻尼抑制低频振荡，然而由于该乘积成正弦变化，为了提供更加稳定的正阻尼，因此将该乘积移相90°后再与该乘积本身相加，来改变其正弦变化的特性，增加提供的正阻尼的稳定性，从而实现更加稳定的低频振荡的抑制。

附图说明

图1为虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法的方法流程图；

图2为虚拟同步发电机的控制方法的方法框图；

图3为功角振荡轨迹图，其中，(3a)为虚拟阻尼为正时的轨迹图，(3b)为虚拟阻尼为负时的轨迹图；

图4为含有虚拟同步发电机的微网系统结构图；

图5为发生低频振荡后系统相关参数的曲线图，其中，(5a)为频率变化曲线图，(5b)为有功变化曲线图，(5c)为阻尼变化曲线图；

图6为通过低频振荡判据加入自适应阻尼控制时系统相关参数曲线图，其中，(6a)为频率变化曲线图，(6b)为有功变化曲线图，(6c)为阻尼变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator，VSG)成功借鉴了同步发电机中的机械与电磁方程，从外特性上等效了同步发电机的模型，增加了逆变器的惯性支撑，由于VSG通过用逆变器做载体来实现对同步电机的模拟，因此VSG具有并网逆变器的拓扑结构，根据其拓扑结构，可知虚拟同步发电机的转子运动方程为：

式中：P_m、P_e、P_D分别为同步发电机机械功率、电磁功率和阻尼功率；ω为同步发电机电角速度；ω₀为额定电角速度；Δω为同步电角速度与额定电角速度之差；J、D分别为同步发电机转动惯量和阻尼系数；θ为电角度。

上述方程中的机械转矩、电磁转矩、转动惯量以及电角速度等参数与真实同步发电机相应参数的物理意义是相同的，可以根据实际情况，合理选择功率相匹配的实际同步发电机参数作为控制虚拟同步发电机方法的相关参数。

由于转子机械方程中存在惯量J和阻尼D，使得并网逆变器在功率和频率动态过程中具有惯性，同时，也使得逆变器型并网发电装置存在阻尼电网功率振荡的能力。可见这两个变量对电网运行性能的改善具有重要意义。

VSG整体控制框图如图2所示，在VSG整体控制方法中，输入机械功率与输入电磁功率P_m、P_e分别由虚拟原动机控制器和VSG实际输出有功功率提供。虚拟原动机控制器通过引入下垂特性，可模拟同步发电机的一次调频作用。VSG控制算法输出的电角度θ与经过PI控制器输出的虚拟励磁电动势幅值V通过虚拟阻抗并输出三相调制波电流，经PWM发生器产生脉冲以控制开关管的开断，最终实现对VSG系统的控制。

由于励磁系统存在惯性，随着励磁调节器放大倍数的增加，与转子机械振荡相对应的特征根的实部数值将由负值逐渐上升，最终实部将由负变正，从而产生增幅振荡。产生低频振荡的原因是由于励磁系统放大倍数的增加产生了负阻尼作用，抵消了系统固有的正阻尼，使得系统的总阻尼很小甚至为负。

对于含VSG的单机无穷大系统来说，当系统参数一定时，虽然VSG通过引入同步机的转子运动方程使其含有一定的惯量和阻尼，但由于其引入的惯量和阻尼相对于整个系统来说比较小，系统中的其他部分可能会发生负阻尼作用从而抵消系统中原有的正阻尼，使系统总的阻尼很小甚至为负，导致系统产生低频振荡，对系统的稳定性产生影响。

在正常运行条件下，阻尼D是正值，系统特征根实部均为负数，根据Routh稳定判据，系统运行在稳定状态。但是当特征根实部等于或大于零，即系统的负阻尼作用抵消了系统固有的正阻尼时，系统可能为零阻尼或者负阻尼，此时，系统运行在不稳定状态，对应的振荡模式为等幅或者增幅振荡。当发生低频振荡时，由于阻尼较低，只要在相关机组上增加阻尼，则能显著增加系统阻尼。因此，增加逆变器阻尼系数可以在一定程度上解决低频振荡问题，但是随着低频振荡的发生，不同时刻所需要的抑制低频振荡的正阻尼不一定相同，所以，机械地增加阻尼系数并不能完全解决低频振荡发生后不同时刻所需阻尼不同的问题。

当D大于0，Δω大于0时，转子转速高于同步转速，阻尼功率P_D为正，发电机多送出电磁功率，阻止转速升高；反之，Δω小于0时，转子转速低于同步转速，阻尼功率P_D为负，阻止转速进一步降低。当D小于0时，则与上述情况相反，从而会导致系统振荡失稳。系统的功角振荡轨迹如图3所示。

如图3所示，图(3a)和(3b)分别是阻尼D>0时和D<0时的功角振荡轨迹。当D>0时，系统发生扰动后，运行点偏移到b点，机械功率P_m大于电磁功率P_e，转子加速，Δω为正值，阻尼功率P_D也是正值，运行点的轨迹将沿着弧线ab从a点向b点移动，转子转速逐渐增大，dΔω/dt>0。越过b点后，机械功率P_m小于电磁功率P_e，转子减速。由于转子转速仍高于同步转速，阻尼功率P_D和Δω仍为正值，运行点的轨迹将沿着弧线bc从b点向c点移动，转子转速开始逐渐减小，dΔω/dt<0。同理，当运行点从c点开始沿着cd向d点移动时，Δω为和阻尼功率P_D均为负值，转子转速持续减小，dΔω/dt<0。d点向a’点移动时，Δω和阻尼功率P_D仍为负值，转子转速开始增大，dΔω/dt<0。由于存在阻尼作用，所以功角的变化量逐渐减少，即形成了衰减振荡。

当D<0时，功角振荡轨迹的分析跟D>0时一致，不同之处在于，当从a点向c点移动时，Δω>0，阻尼功率P_D<0；当从c点向a’点移动时，Δω<0，阻尼功率P_D>0。由于不存在阻尼作用，所以功角的变化量逐渐增加，最后形成了发散振荡。

为便于观察与分析，D>0时和D<0时系统中各变量的变化趋势如表1所示：

表1 振荡时各变量变化情况

从表中可以看出，当系统正常运行，即D>0时，P_D*Δω>0；当发生低频振荡，即D<0时，P_D*Δω<0。因此可以把P_D*Δω是否大于零作为系统是否发生低频振荡的判据。

因此，可以定义判定值ε

ε＝P_D*Δω

则有，当ε>0时，系统正常运行，当ε<0时，系统发生低频振荡。

根据表1的分析可知，由于阻尼D的大小不同，系统的运行状态也不一样，由此可以判断系统是否发生低频振荡。另外从表1中还可以发现，无论D>0时还是D<0时，Δp*(dΔω/dt)一直为正。因此为了增加阻尼功率，

为系统提供正阻尼，可以把Δp*(dΔω/dt)作为输入信号，在发生低频振荡时提供正阻尼来抑制低频振荡。并且在不同时刻，Δp与dΔω/dt均会随功角的变化而变化，因此可以自适应的提供不同的正阻尼来抑制不同时刻的振荡。但是由于Δp与dΔω/dt均是正弦变化，其乘积仍是以正弦变化，为了能够提供更加稳定的正阻尼，将Δp与dΔω/dt的乘积移相90°再与Δp与dΔω/dt的乘积相加，从而得到更加稳定的正阻尼。

综上，阻尼的自适应调整可用下式来表示：

式中：D₀为虚拟阻尼稳态值；k为虚拟阻尼自适应系数；D_in为Δp与dΔω/dt的乘积移相90°再与Δp与dΔω/dt的乘积相加后得到的输入信号；M为自适应阻尼控制算法中虚拟转子角速度变化率的阈值。其中，自适应系数k的取值应根据系统性能调节的需要来自适应确定，其取值应满足k∈[0，1]。由于算法以ε是否大于零为判定条件，设定阈值M以滤除Δω接近零时产生的微小波动，避免ε判定值因正负判断紊乱而失效，从而保证系统的稳定运行。由上式可以看出，当系统发生低频振荡导致判据小于零且Δω大于阈值时，系统会自适应的增加所需的正阻尼来抑制低频振荡。

根据上述原理，本实施例中提出了一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，包括下列步骤：

1)采集虚拟同步发电机系统的相关参数，包括：虚拟转子的角频率偏差、虚拟转子的角频率变化率、阻尼功率和功率偏差；

2)根据步骤1)采集的相关参数，判断虚拟同步发电机系统是否发生低频振荡，若是则进入步骤3)，若否则返回步骤1)，具体包括：

21)根据步骤1)采集的相关参数，计算低频振荡判定值ε，具体为：

ε＝P_D×Δω

其中，P_D为阻尼功率，Δω为虚拟转子的角频率偏差；

22)判断低频振荡判定值是否为负值，若是则表明虚拟同步发电机系统发生低频振荡，进入步骤3)，若否则返回步骤1)；

3)根据步骤1)采集的相关参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中的虚拟阻尼值，具体为：根据虚拟同步发电机系统中虚拟转子的角频率偏差值所在区间范围，调整虚拟阻尼值，所述虚拟阻尼值具体为：

其中，D为虚拟阻尼值，D₀为虚拟阻尼的稳态值，k为虚拟阻尼自适应系数，D_in为基于功率偏差和虚拟转子的角频率变化率得到的输入信号，即功率偏差与虚拟转子角频率变化率的乘积移相90°的值和功率偏差与虚拟转子角频率变化率的乘积值之和，Δω为虚拟转子的角频率偏差值，M为虚拟转子角速度变化率的阈值；

4)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节，包括：

41)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，根据虚拟同步发电机系统转子运动方程求解得到更新后的系统电角度；

42)根据步骤41)得到的更新后的系统电角度，结合虚拟同步发电机系统中PI控制器输出的虚拟励磁电动势幅值，通过虚拟阻抗得到输出的三相调制波电流；

43)根据步骤42)得到的输出的三相调制波电流，通过脉宽调制发生器产生控制脉冲，控制虚拟同步发电机系统中开关管的开断，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

本实施例中，通过仿真对上述控制方法进行验证：以Matlab/Simulink为平台里搭建了一个含VSG的微网系统仿真系统，仿真所采用的微网系统结构图如图4所示。图中，VSG和DG系统分别运行在并网模式下，仿真参数设置如表2所示。

表2 仿真参数设置

算例设置如下所示：初始运行时，VSG的有功功率输出为2.2kW，DG的有功功率输出为11kW，3.98s时在公共连接点PCC处发生三相短路接地故障，持续时间为0.02s。在上述仿真条件不变的情况下，分别对以下两种情况时系统的频率变化、有功功率变化与阻尼变化进行详细的对比分析：

A、未采用控制策略；

B、通过低频振荡判据ε值，判别系统发生低频振荡后即时采取自适应阻尼控制；

两种情况的仿真结果分别如图5、图6所示。

由图5可知，系统在3.98s时发生低频振荡，低频振荡频率约为2Hz，其振荡模式为局部振荡，频率和有功功率的振荡幅值会随着振荡的发生而不断变大。在此过程中，由于没有加入任何控制策略，系统阻尼保持不变。

由图6可知，系统在3.98s时发生三相短路后，通过检测ε值判别系统发生低频振荡，加入的自适应阻尼控制能够快速的对频率和有功功率的低频振荡进行抑制，且在抑制过程中阻尼D由系统所需阻尼不同而进行自适应变化。随着低频振荡被逐渐抑制，Δp与dΔω/dt也渐趋于零，阻尼D最终恢复到初始值。

综上分析，可以看出所提控制策略能够在系统发生低频振荡时有效地对振荡进行抑制。此外，对于不同时刻的低频振荡，所提控制方法亦能根据振荡幅度的不同而提供不同的正阻尼，体现了本方法的灵活性。

Claims (6)

1.一种虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

1)采集虚拟同步发电机系统的相关参数；

2)根据步骤1)采集的相关参数，判断虚拟同步发电机系统是否发生低频振荡，若是则进入步骤3)，若否则返回步骤1)；

3)根据步骤1)采集的相关参数，自适应调整虚拟同步发电机系统中的虚拟阻尼值；

4)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节；

所述步骤3)具体为：根据虚拟同步发电机系统中虚拟转子的角频率偏差值所在区间范围，调整虚拟阻尼值，所述虚拟阻尼值具体为：

其中，D为虚拟阻尼值，D₀为虚拟阻尼的稳态值，k为虚拟阻尼自适应系数，D_in为基于功率偏差和虚拟转子的角频率变化率得到的输入信号，Δω为虚拟转子的角频率偏差值，M为虚拟转子角速度变化率的阈值；所述输入信号具体为：功率偏差与虚拟转子角频率变化率的乘积移相90°的值和功率偏差与虚拟转子角频率变化率的乘积值之和。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机系统的相关参数包括：虚拟转子的角频率偏差、虚拟转子的角频率变化率、阻尼功率和功率偏差。

3.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

21)根据步骤1)采集的相关参数，计算低频振荡判定值ε；

22)判断低频振荡判定值是否为负值，若是则表明虚拟同步发电机系统发生低频振荡，进入步骤3)，若否则返回步骤1)。

4.根据权利要求3所述的虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，其特征在于，所述低频振荡判定值ε具体为：

ε＝P_D×Δω

其中，P_D为阻尼功率，Δω为虚拟转子的角频率偏差。

5.根据权利要求1所述的虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

41)根据步骤3)得到的虚拟阻尼值，根据虚拟同步发电机系统转子运动方程求解得到更新后的系统电角度；

42)根据步骤41)得到的更新后的系统电角度，结合虚拟同步发电机系统中PI控制器输出的虚拟励磁电动势幅值，通过虚拟阻抗得到输出的三相调制波电流；

43)根据步骤42)得到的输出的三相调制波电流，通过脉宽调制发生器产生控制脉冲，控制虚拟同步发电机系统中开关管的开断，实现对虚拟同步发电机系统的频率调节。

6.根据权利要求5所述的虚拟同步发电机的自适应阻尼控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机系统转子运动方程具体为：

其中，P_m、P_e和P_D分别为虚拟同步发电机机械功率、电磁功率和阻尼功率；ω为虚拟同步发电机电角速度；ω₀为额定电角速度；Δω为虚拟转子的角频率偏差值；J和D分别为同步发电机转动惯量和阻尼系数；θ为系统电角度。