CN108418256A - 一种基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，步骤包括：1)采集三相全桥逆变器的输出电流、输出电压以及电网电压，转换为数字量；2)实现无功调压控制输出虚拟同步机励磁，并计算输出电压幅值、电网电压幅值；3)计算系统的有功功率，无功功率以及励磁电动势；4)实现速度反馈控制，计算速度反馈系数初值；5)实现有功调频控制，输出虚拟同步角速度和相位，并计算转速差以及虚拟同步机角加速度；6)设定虚拟转动惯量与速度反馈系数自适应调节规则；7)CLARK变换，得到α‑β静止坐标系下的电压量；8)进行空间矢量调制，得到驱动三相全桥逆变器的六路控制开关脉冲，实现三相交流电流回馈电网。

Description

一种基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法
技术领域
本发明属于可再生新能源发电并网控制技术领域，涉及一种基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法。
背景技术
随着化石能源短缺和二氧化碳排放的限制，可再生新能源发电占总发电量的比例不断提高，可再生新能源发电一般通过电力电子变换器逆变上网，没有传统发电机的转子和大的转动惯量，不利于电网稳定。针对这一问题，虚拟同步发电机技术通过模拟同步发电机外特性使得新能源发电节点具有与传统同步发电机相似的外特性，改善了含有新能源的电网系统稳定性。但是，仍存在暂态稳定性差的问题，现有策略基于虚拟同步发电机功角特性曲线，通过改变虚拟惯量及阻尼下垂系数优化暂态过程。
实际上，虚拟转动惯量依赖于储能设备实现，为了避免产生功率超调以及防止储能设备的频繁充放电，一般希望虚拟同步发电机系统工作在过阻尼状态。而系统阻尼特性由阻尼下垂系数和虚拟转动惯量共同确定。阻尼下垂系数同时承担有功功率-频率下垂控制的角色，其定义为转矩增量与角速度增量之比，它的大小表征了电网频率波动时，对应有功功率的变化量。因此，一方面，暂态过程对阻尼下垂系数的调节将影响系统的频率调节特性，违背了阻尼下垂系数的最初设定原则；另一方面，若阻尼下垂系数满足有功功率-频率下垂特性要求，则很难保证系统工作在过阻尼状态。
因此，通过输出微分反馈解决这对矛盾，满足下垂特性的同时，灵活调节微分反馈系数控制整个系统的阻尼，获得较好的暂态特性，成为一个新的解决思路。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，解决了现有技术条件下，无法兼顾系统有功调频特性和系统阻尼特性使系统有效工作在过阻尼状态，从而导致功率超调对电力电子设备的损害和储能设备的频繁充放电的问题；系统暂态优化问题以及暂态调节过程中电网频率超出设定阈值，而导致系统脱网运行威胁电网稳定性的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，按照以下步骤实施：
步骤1、通过电流传感器及电压传感器，分别采集三相全桥逆变器的输出电流、输出电压以及电网电压，通过转换电路将模拟信号转换为对应的输出电流数字量ia、ib和ic，输出电压数字量uoa、uob和uoc，以及电网电压数字量uga、ugb和ugc；
步骤2、实现无功调压控制输出虚拟同步机励磁Mfif，并计算输出电压幅值uo、电网电压幅值ug，
利用步骤1得到的逆变器输出电压三相信号uoa、uob、uoc和电网电压三相信号uga、ugb、ugc，经过幅值检测环节得到逆变器输出电压幅值uo和电网电压幅值ug，如式(1)、式(2)所示，两者做差后乘以无功下垂系数Dq，得到电压波动对应的无功功率调节量ΔQv，与给定无功功率Qm减去实际无功功率Qe的差相加，得到总无功功率的变化量ΔQ，经过增益环节后进行积分，得到虚拟同步机励磁Mfif，如式(3)所示；
其中，Dq为电压下垂系数，K为积分增益；
步骤3、计算系统的有功功率Pe，无功功率Qe以及励磁电动势e，
利用步骤1得到的逆变器输出电流信号ia、ib、ic，步骤2得到的Mfif，根据式(4)得到系统的有功功率Pe，无功功率Qe以及励磁电动势e：
式(4)中，ω和θ分别是有功调频控制环的输出信号虚拟角速度及相位，励磁电动势e＝[ea eb ec]T；三相定子电流i＝[ia ib ic]T；
此处的T表示向量转置运算；
步骤4、实现速度反馈控制，计算速度反馈系数初值Kt0，
给定机械功率Pm减去步骤3得到的有功功率Pe，得到误差信号ΔP；误差信号ΔP减去虚拟同步机电磁功率Pe经过微分环节Kts的输出，作为有功调频控制环的控制量P′m，如式(5)，其中Kt由式(6)给出；
其中，ζ为系统阻尼比，J为系统虚拟转动惯量，Dp为有功频率调节下垂系数，ω0为系统频率期望值；有功功角传递函数Z为系统阻抗，Ug为电网相电压有效值，E为稳态时的励磁电压，这几个变量数值按照式(7)计算得到：
其中，X为系统阻抗的电感，R为系统阻抗的电阻；L1是逆变器侧的滤波电感，Lline是电网侧线路电感；R1是L1的寄生电阻，Rline是Lline的寄生电阻；α为系统阻抗角，δ为系统功角；
步骤5、实现有功调频控制，输出虚拟同步角速度ω和相位θ，并计算转速差Δω以及虚拟同步机角加速度
采用式(8)得到虚拟同步机角加速度然后，对虚拟同步机角加速度进行积分得到虚拟同步机角速度ω；再对虚拟同步机角速度ω进行积分，得到虚拟同步机的相位θ；
其中，阻尼转矩Td为阻尼下垂系数Dp乘以虚拟同步机角速度ω和电网额定角频率ω0的转速差Δω；由步骤4得到的P′m除以ω0的商，再减去阻尼转矩Td得到转矩变化量ΔT；
步骤6、根据步骤5得到的转速差Δω以及虚拟同步机角加速度设定虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt自适应调节规则；
步骤7、利用步骤3中得到励磁电动势e，按照式(11)进行CLARK变换，得到α-β静止坐标系下的电压量eα和eβ，即：
步骤8、以步骤7得到的电压量eα和eβ为输入，进行空间矢量调制，得到驱动三相全桥逆变器的六路控制开关脉冲，实现三相交流电流回馈电网。
本发明的有益效果是，包括以下方面：
1)首先通过引入输出微分反馈调节整个系统阻尼，为实现不调整阻尼下垂系数改变整个系统阻尼提供了可行的调节手段，保证了虚拟同步机系统工作在过阻尼状态下，避免储能设备重复充放电过程；同时，避免了功率超调对电力电子设备造成的冲击。
2)提出新的虚拟同步机自适应控制原则，根据系统暂态功角特性，提出了一种自适应控制策略，能够抑制动态过程的功率超调，加快调节过程，同时保证不因频率动态过程超过限值而脱网。
附图说明
图1是本发明方法所依赖的系统框图；
图2是本发明方法所采用的速度反馈控制框图(对应步骤4)；
图3是本发明方法与现有其他自适应控制方法的系统输出有功功率响应对比实验曲线；
图4是本发明方法与现有其他自适应控制方法的系统输出频率响应对比实验曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法所依赖的系统结构是，包括三相全桥逆变器，三相全桥逆变器输出端通过LC滤波电路并入电网，并网三相通路上设置有一组电流传感器(图1中CSa、CSb和CSc)和两组电压传感器(图1中VSa、VSb和VSc以及VSga、VSgb和VSgc)；两组电压传感器分别采集逆变器输出三相电压信号和电网三相电压信号，通过A/D模块(模拟数字转换电路)得到对应的数字量，再分别接入逆变器输出电压幅值计算模块和电网电压幅值计算模块，计算逆变器输出电压幅值uo和电网电压幅值ug，并送入无功调压控制模块，计算得到虚拟同步励磁Mfif。无功调压控制模块的输出虚拟同步励磁Mfif，有功调频控制模块的输出虚拟同步机角速度ω和相位θ以及由一组电流传感器采集逆变器输出电流通过A/D模块得到的数字量，接入系统参数计算模块；系统参数计算模块输出的无功功率Qe信号接入无功调压控制模块，构成闭合回路；系统参数计算模块输出的有功功率Pe信号接入有功调频控制模块，构成闭合回路；系统参数计算模块输出的励磁电动势e进行CLARK变换后，进行空间矢量调制(采用SVPWM方式)，输出接入三相全桥逆变器。图1中1/s为积分的复频域表示形式，s是微分的复频域表示形式。
本发明基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，按照以下步骤实施：
步骤1、通过电流传感器及电压传感器，分别采集三相全桥逆变器的输出电流、输出电压以及电网电压，通过转换电路将模拟信号转换为对应的输出电流数字量ia、ib和ic，输出电压数字量uoa、uob和uoc，以及电网电压数字量uga、ugb和ugc；
按照图1实施例，分别通过三个电流传感器(即CSa,CSb,CSc)和两组电压传感器(总共六个，即VSa、VSb、VSc以及VSga、VSgb、VSgc)，分别采集三相全桥逆变器输出电流、输出电压以及电网电压，并且分别通过各自的模拟数字转换电路(即图1中的ADC0，ADC1，ADC2；ADC3，ADC4，ADC5；ADC6，ADC7，ADC8，选用型号为TMS320F28335数字信号控制器)，得到对应这些模拟变量的数字量ia、ib和ic，uoa、uob和uoc，以及uga、ugb和ugc。
步骤2、实现无功调压控制输出虚拟同步机励磁Mfif，并计算输出电压幅值uo、电网电压幅值ug。
利用步骤1得到的逆变器输出电压三相信号uoa、uob、uoc和电网电压三相信号uga、ugb、ugc，经过幅值检测环节得到逆变器输出电压幅值uo和电网电压幅值ug，如式(1)、式(2)所示，两者做差后乘以无功下垂系数Dq，得到电压波动对应的无功功率调节量ΔQv，与给定无功功率Qm减去实际无功功率Qe的差相加，得到总无功功率的变化量ΔQ，经过增益环节后进行积分，得到虚拟同步机励磁Mfif(框图1中的表示积分操作，表示经过增益环节后进行积分)，如式(3)所示；
实施例中，将数字信号处理器AD模块采集的逆变器输出电压和电网电压的数字量分别代入式(1)及式(2)，得到uo和ug；同时，利用式(3)得到Mfif，电压下垂系数Dq和积分增益K取值见下表1。
步骤3、计算系统的有功功率Pe，无功功率Qe以及励磁电动势e。
利用步骤1得到的逆变器输出电流信号ia、ib、ic，步骤2得到的Mfif，根据式(4)得到系统有功功率Pe，无功功率Qe以及励磁电动势e：
式(4)中，ω和θ分别是有功调频控制环的输出信号虚拟角速度及相位，励磁电动势e＝[ea eb ec]T；三相定子电流i＝[ia ib ic]T； 此处的T表示向量转置运算；
如图1实施例中，有功调频控制环(简称有功调频控制)为虚线框所示，其输出信号虚拟角速度ω和相位θ，以及步骤1的逆变器输出电流信号ia，ib和ic，步骤2的Mfif；在数字信号处理器中，利用式(4)得到系统的有功功率Pe，无功功率Qe以及励磁电动势e；
步骤4、实现速度反馈控制，计算速度反馈系数初值Kt0(控制框图如图2所示，其中的传递函数表示有功调频控制环的开环传递函数)。
给定机械功率Pm减去步骤3得到的有功功率Pe，得到误差信号ΔP；误差信号ΔP减去虚拟同步机电磁功率Pe经过微分环节Kts的输出，作为有功调频控制环的控制量P′m，如式(5)所示，其中Kt为速度反馈系数由式(6)给出；
其中，ζ为系统阻尼比，J为系统虚拟转动惯量，Dp为有功频率调节下垂系数，ω0为系统频率期望值；有功功角传递函数Z为系统阻抗，Ug为电网相电压有效值，E为稳态时的励磁电压，这几个变量数值按照式(7)计算得到：
其中，X为系统阻抗的电感，R为系统阻抗的电阻；L1是逆变器侧的滤波电感，Lline是电网侧线路电感；R1是L1的寄生电阻，Rline是Lline的寄生电阻；α为系统阻抗角，δ为系统功角；
可见，在图1所示的数字信号处理器中，根据式(5)得到P′m，有功功角传递函数HPδ(s)值通过式(6)和式(7)确定；
对于上述的图1实施例，L1＝6×10-3H；Lline＝2×10-3H；R1＝0.1Ω；Rline＝0.6Ω；Qm＝6000Var；Pm＝5000W；电网电压Ug＝220V，则得到以下变量的计算值：
Kt的初值Kt0由式(6)确定，本实施例中设置系统阻尼ζ＝1.1，则有：
步骤5、实现有功调频控制，输出虚拟同步角速度ω和相位θ，并计算转速差Δω以及虚拟同步机角加速度
采用式(8)得到虚拟同步机角加速度然后，对虚拟同步机角加速度进行积分得到虚拟同步机角速度ω；再对虚拟同步机角速度ω进行积分，得到虚拟同步机的相位θ；
其中，阻尼转矩Td为阻尼下垂系数Dp乘以虚拟同步机角速度ω和电网额定角频率ω0的转速差Δω；由步骤4得到的P′m除以ω0的商，再减去阻尼转矩Td得到转矩变化量ΔT；
步骤6、根据步骤5得到的转速差Δω以及虚拟同步机角加速度设定虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt自适应调节规则如下：
6.1)如果Δω＜2πΔfmax，则虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt按照以下条件确定：
若条件且成立，则Kt＝0.93Kt0；
若条件且成立，则Kt＝1.3Kt0；
若条件成立，则J＝J0，Kt＝Kt0；
其中，C是为了防止判断条件失败而设置的虚拟角速度变化率阈值；J0表示初始转动惯量，Kt0表示初始速度反馈系数；
调节系数k1、k2按照式(9)计算得到：
其中，Δfmax是满足并网规范的最大频率波动量，Jmax为最大虚拟转动惯量，Jmin为最小虚拟转动惯量；
6.2)如果Δω＞2πΔfmax那么，虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt按照式(10)计算得到：
其中，J0为虚拟转动惯量，Kt0是速度反馈系数的初始值；
根据上述的实施例，虚拟同步机系统初始有功功率为5000W，无功功率为6000var；在时间为0.4s时，有功功率变为15000W，无功功率保持不变，设定Δfmax＝0.5；将采集的Δω和信号，送入数字信号处理器中判断，如果Δω＜2πΔfmax＝2π×0.5，那么，虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt分别确定如下：
若条件且成立，则Kt＝0.93Kt0；
若条件且成立，则Kt＝1.3Kt0；
若条件成立，则J＝J0，Kt＝Kt0；
其中，调节系数计算如式(9)所示：
如果Δω＞2πΔfmax，则虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt根据式(10)计算得到：
步骤7、利用步骤3中得到励磁电动势e，按照式(11)进行CLARK变换，得到α-β静止坐标系下的电压量eα和eβ，即：
步骤8、以步骤7得到的电压量eα和eβ为输入，进行空间矢量调制(利用SVPWM模块，采用SVPWM方式)，得到驱动三相全桥逆变器的六路控制开关脉冲(即驱动逆变器六个开关管的脉冲量)，实现三相交流电流回馈电网。
实施效果对比：
利用自适应控制器的输出量更新参数J和Kt，通过Matlab/Simulink仿真验证本发明方法，同时为了说明本发明方法的有效性，设定了对比试验。对此实验中采用了几种不同的控制方法控制虚拟同步发电机工作：①J和Dp恒定控制(参考文献[1,2]方法)；②J自适应控制(参考文献[3,4]方法)；③Dp自适应控制(参考文献[5]方法)；④J和Dp自适应控制(参考文献[6,7]方法)；⑤本发明方法。
如表1所示，是Matlab/Simulink仿真的主要参数设置。
表1、主要仿真参数
参数 选用数值
虚拟转动惯量初值J0 0.0437
积分增益K 1.9912e+03
阻尼下垂系数Dp 2.533
电压下垂系数Dq 192.8473
如表2所示，是不同控制方法的对比结果。
表2、不同控制方法的对比结果
Simulink仿真结果对比曲线如图3和图4所示。其中，图3为不同控制方法的功率调节过程，横坐标为时间，纵坐标为输入机械功率。图4为不同控制方法的频率调节过程，横坐标为时间，纵坐标为系统频率。
通过对比实验表明，本发明方法能够完全抑制功率超调，提高系统的动态性能，同时，能够限制系统频率的变化阈值。对比其它方法可见，本发明方法限制了频率瞬态调节过程的最大频率变化量(小于0.5)，同时调节过程中功率调节呈现过阻尼状态，避免储能设备频繁重放电，和对设备造成的功率(电压)冲击。
参考文献：
[1]Q.C.Zhong and G.Weiss,"Synchronverters:Inverters That MimicSynchronous Generators,"IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.58,no.4,pp.1259-1267,April 2011.
[2]Q.C.Zhong,"Virtual Synchronous Machines:Aunified interface forgrid integration,"IEEE Power Electronics Magazine,vol.3,no.4,pp.18-27,Dec.2016.
[3]J.Alipoor,Y.Miura,T.Ise.Power System Stabilization Using VirtualSynchronous Generator With Alternating Moment of Inertia.IIEEE Journal ofEmerging and Selected Topics in Power Electronics,3(2):451-458,June 2015
[4]J.Alipoor,Y.Miura,T.Ise.Distributed generation grid integrationusing virtual synchronous generator with adoptive virtual inertia.In:2013IEEEEnergy Conversion Congress and Exposition.Denver,CO:IEEE,2013.pp.4546-4552.
[5]T.Zheng,L.Chen,R.Wang,C.Li and S.Mei.Adaptive damping controlstrategy of virtual synchronous generator for frequency oscillationsuppression.In:Proceedings of the 12th IET International Conference on AC andDC Power Transmission(ACDC 2016),Beijing,China:2016.pp.1-5
[6]D.Li,Q.Zhu,S.Lin and X.Y.Bian.A Self-Adaptive Inertia and DampingCombination Control of VSG to Support Frequency Stability.IEEE Transactionson Energy Conversion,32(1):397-398,Jan 2017
[7]W.Fan,X.Yan and T.Hua.Adaptive parameter control strategy of VSGfor improving system transient stability.2017IEEE 3rd International FutureEnergy Electronics Conference and ECCE Asia(IFEEC 2017-ECCE Asia).Kaohsiung:2017,pp.2053-2058。

Claims (5)

1.一种基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、通过电流传感器及电压传感器，分别采集三相全桥逆变器的输出电流、输出电压以及电网电压，通过转换电路将模拟信号转换为对应的输出电流数字量ia、ib和ic，输出电压数字量uoa、uob和uoc，以及电网电压数字量uga、ugb和ugc；
步骤2、实现无功调压控制输出虚拟同步机励磁Mfif，并计算输出电压幅值uo、电网电压幅值ug，
利用步骤1得到的逆变器输出电压三相信号uoa、uob、uoc和电网电压三相信号uga、ugb、ugc，经过幅值检测环节得到逆变器输出电压幅值uo和电网电压幅值ug，如式(1)、式(2)所示，两者做差后乘以无功下垂系数Dq，得到电压波动对应的无功功率调节量ΔQv，与给定无功功率Qm减去实际无功功率Qe的差相加，得到总无功功率的变化量ΔQ，经过增益环节后进行积分，得到虚拟同步机励磁Mfif，如式(3)所示；
其中，Dq为电压下垂系数，K为积分增益；
步骤3、计算系统的有功功率Pe，无功功率Qe以及励磁电动势e，
利用步骤1得到的逆变器输出电流信号ia、ib、ic，步骤2得到的Mfif，根据式(4)得到系统的有功功率Pe，无功功率Qe以及励磁电动势e：
式(4)中，ω和θ分别是有功调频控制环的输出信号虚拟角速度及相位，励磁电动势e＝[ea eb ec]T；三相定子电流i＝[ia ib ic]T； 此处的T表示向量转置运算；
步骤4、实现速度反馈控制，计算速度反馈系数初值Kt0，
给定机械功率Pm减去步骤3得到的有功功率Pe，得到误差信号ΔP；误差信号ΔP减去虚拟同步机电磁功率Pe经过微分环节Kts的输出，作为有功调频控制环的控制量P′m，如式(5)，其中Kt由式(6)给出；
其中，ζ为系统阻尼比，J为系统虚拟转动惯量，Dp为有功频率调节下垂系数，ω0为系统频率期望值；有功功角传递函数Z为系统阻抗，Ug为电网相电压有效值，E为稳态时的励磁电压，这几个变量数值按照式(7)计算得到：
其中，X为系统阻抗的电感，R为系统阻抗的电阻；L1是逆变器侧的滤波电感，Lline是电网侧线路电感；R1是L1的寄生电阻，Rline是Lline的寄生电阻；α为系统阻抗角，δ为系统功角；
步骤5、实现有功调频控制，输出虚拟同步角速度ω和相位θ，并计算转速差Δω以及虚拟同步机角加速度
采用式(8)得到虚拟同步机角加速度然后，对虚拟同步机角加速度进行积分得到虚拟同步机角速度ω；再对虚拟同步机角速度ω进行积分，得到虚拟同步机的相位θ；
其中，阻尼转矩Td为阻尼下垂系数Dp乘以虚拟同步机角速度ω和电网额定角频率ω0的转速差Δω；由步骤4得到的P′m除以ω0的商，再减去阻尼转矩Td得到转矩变化量ΔT；
步骤6、根据步骤5得到的转速差Δω以及虚拟同步机角加速度设定虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt自适应调节规则；
步骤7、利用步骤3中得到励磁电动势e，按照式(11)进行CLARK变换，得到α-β静止坐标系下的电压量eα和eβ，即：
步骤8、以步骤7得到的电压量eα和eβ为输入，进行空间矢量调制，得到驱动三相全桥逆变器的六路控制开关脉冲，实现三相交流电流回馈电网。
2.根据权利要求1所述的基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤1中，分别通过一组三个电流传感器和两组总共六个电压传感器，分别采集三全桥相逆变器输出电流、输出电压以及电网电压，并且分别通过数字信号控制器的模拟数字转换电路得到对应这些模拟变量的数字量ia、ib和ic，uoa、uob和uoc，以及uga、ugb和ugc。
3.根据权利要求1所述的基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤2中，电压下垂系数Dq和积分增益K的取值见下表1，
表1、主要仿真参数
4.根据权利要求1所述的基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤6中，虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt自适应调节规则设置如下：
6.1)如果Δω＜2πΔfmax，则虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt按照以下条件确定：
若条件且成立，则Kt＝0.93Kt0；
若条件且成立，则Kt＝1.3Kt0；
若条件成立，则J＝J0，Kt＝Kt0；
其中，C是为了防止判断条件失败而设置的虚拟角速度变化率阈值；J0表示初始转动惯量，Kt0表示初始速度反馈系数；
调节系数k1、k2按照式(9)计算得到：
其中，Δfmax是满足并网规范的最大频率波动量，Jmax为最大虚拟转动惯量，Jmin为最小虚拟转动惯量；
6.2)如果Δω＞2πΔfmax那么，虚拟转动惯量J与速度反馈系数Kt按照式(10)计算得到：
其中，J0为虚拟转动惯量，Kt0是速度反馈系数的初始值。
5.根据权利要求1所述的基于输出微分反馈的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤8中，进行空间矢量调制采用SVPWM方式。
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