CN108736517A - 一种基于vsg的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变型分布式电源控制技术领域，具体涉及一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略，对基于VSG的逆变型分布式电源的控制系统建立有功功率的传递函数，通过分析阻尼系数对系统输出的影响，制定了自适应阻尼控制策略，该策略根据逆变型分布式电源实时输出的有功功率与设定的有功功率参考值之间的偏差，改变阻尼系数以实现对系统响应速率的调节，减小系统受到干扰下产生的波动。本发明能够实现对并网逆变型分布式电源的控制，该控制策略使得逆变型分布式电源输出特性更为优良，能够更好的应对系统出现的干扰，保持稳定的输出，具有更强的动态特性，为配电网中的逆变型分布式电源控制提供有效策略。

Description

一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略

技术领域

本发明涉及逆变型分布式电源控制技术领域，具体涉及一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略。

背景技术

分布式电源(distributed generators,DG)与煤炭、石油等传统能源相比，具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活，系统经济性好等特点，是未来世界能源技术发展的重要方向。由于分布式电源的电源特性与传统电网电源不同，其输出多为直流电或非工频交流电，必须采用并网逆变器上网，使得逆变型分布式电源(inverter interfaceddistributed generators,IIDG)成为可再生能源的主要类型之一。

IIDG运行工况不同控制策略也需要做相应的调整，这种调整主要体现在逆变器的外环控制。下垂控制是常见的分布式电源并网逆变器的外环控制方法。通过有功功率-电压相角，无功功率-电压幅值控制，可以模仿发电机功频静态特性，实现负荷在不同DG间的自主分配。下垂控制仅需检测本地的信息即可实现控制，无需通信线路，具有很高的可靠性和冗余性，且可以在孤岛并网模式间直接切换，避免模式切换的暂态振荡，易于实现微源的即插即用。但是，下垂控制的分布式电源不能给系统贡献惯性，对系统故障较为敏感，稳定性不足。

为了使分布式电源模拟出类似同步发电机所具有的旋转惯性和阻尼特性，有学者提出了虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator Technology,VSG)。该技术借助配备的储能环节，并采用适当的并网逆变器控制算法，在提高系统稳定性上有较好的效果。但是针对VSG的研究目前多数局限于对传统同步发电机的模拟，而实际的控制系统拥有强的灵活性。相对于固定阻尼系数，根据运行工况自适应变化的阻尼系数可以使系统获得更好的动态性能，而目前关注于自适应阻尼系数控制方法的研究仍然较少。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略，具体技术方案如下：

一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略包括以下步骤：

(1)建立基于VSG的逆变型分布式电源的控制系统模型，所述控制模型包括中央控制器、VSG控制模块、电压电流内环控制模块、脉冲宽度调制模块；所述中央控制器、VSG控制模块、电压电流内环控制模块、脉冲宽度调制模块依次连接，所述脉冲宽度调制模块与逆变型分布式电源连接；VSG控制模块与配电网连接；逆变型分布式电源通过输电线路与配电网、负载连接；

所述VSG控制模块包括频率控制单元、电压控制单元；

(2)中央控制器给VSG控制模块输入设定的逆变型分布式电源的有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref；

(3)VSG控制模块实时采集逆变型分布式电源输出的有功功率P、无功功率Q，通过计算得到逆变型分布式电源输出的参考电压E及其相位角δ，将得到的逆变型分布式电源输出的参考电压E及相位角δ输入至电压电流内环控制模块；

(4)电压电流内环控制模块实时采集逆变型分布式电源输出的电压U和电流I，并根据VSG控制模块输入的逆变型分布式电源输出的参考电压E及相位角δ实时调整，进一步将调整指令m发送给脉冲宽度调制模块，对逆变型分布式电源输出的电压U和电流I进行实时调整；所述频率控制单元中采用有功-频率下垂控制策略，具体如下：

设VSG的虚拟惯性时间常数为H，则转子机械方程：

其中，P_m是VSG控制下逆变器端口输入的机械功率；P为逆变型分布式电源输出的有功功率；ω为逆变型分布式电源的角频率；θ为相位角；

频率控制单元中有功-频率下垂控制传递函数如下：

其中，D是有功下垂系数，P_ref和ω_ref是逆变型分布式电源输出的参考有功功率以及频率，ω_grid为配电网公共母线的的角频率；

为了更好模拟VSG的旋转轴，增加阻尼项k(ω_r-ω_grid)，ω_r为VSG控制下逆变型分布式电源输出的角频率，k为阻尼控制系数，则频率控制单元中有功-频率下垂控制传递函数为：

结合逆变型分布式电源与同步发电机之间的等效关系和有功-频率下垂控制传递函数，得到逆变型分布式电源有功功率输出、输入之间的传递函数下所示：

式中：δ_s和E_s是参考功率P_ref和Q_ref下逆变型分布式电源的电压相位与幅值；

该传递函数为一个典型的二阶传递函数，系统特征根为：

进而可得到二阶模型的自然振荡角频率ω_n和阻尼系数ζ：

由阻尼系数ζ表达式看出，阻尼控制系数直接影响系统的时域特性：

当阻尼控制系数k较小时，0＜ζ＜1为欠阻尼系统，此时阶跃响应为振荡衰减过程；

当k逐渐增加至ζ＝1，系统为临界阻尼，阶跃响应为无超调的单调上升过程；

k继续增加，ζ＞1，系统呈现过阻尼，系统阶跃响应为无超调的单调上升过程，但响应速度变慢；

根据阻尼控制系数k对系统的影响规律，采用自适应阻尼系数控制，阻尼控制系数k与逆变型分布式电源输出的有功功率P关系满足下式：

当逆变型分布式电源输出的有功功率P小于设定的有功功率参考值P_ref时，偏差越大，阻尼控制系数k越小，这样能加快系统响应速度，快速达到设定值；而当逆变型分布式电源输出的有功功率P大于设定的有功功率参考值P_ref时，偏差越大，阻尼控制系数k越大，这样能减小系统超调，使得有功功率偏移较低。而当当逆变型分布式电源输出的有功功率P与设定的有功功率参考值P_ref偏差大于一定值时，阻尼控制系数k保持恒定，不再变化。

进一步，所述电压控制单元中采用“无功—电压”控制策略，通过引入比例积分，减小因无功功率调整造成逆变型分布式电源输出的电压波动，则逆变型分布式电源输出的参考电压E为：

E_set为逆变型分布式电源输出电压设定值，k_p、k_i为PI控制器控制参数，D_Q为无功控制下垂参数，Q为逆变型分布式电源输出的无功功率。

进一步，所述步骤(4)中电压电流内环控制模块采用比例积分控制。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略，对基于VSG的逆变型分布式电源的控制系统建立有功功率的传递函数，通过分析阻尼系数对系统输出的影响，制定了自适应阻尼控制策略，该策略根据逆变型分布式电源实时输出的有功功率与设定的有功功率参考值之间的偏差，改变阻尼系数以实现对系统响应速率的调节，减小系统受到干扰下产生的波动。本发明能够实现对并网逆变型分布式电源的控制，该控制策略使得逆变型分布式电源输出特性更为优良，能够更好的应对系统出现的干扰，保持稳定的输出，具有更强的动态特性，为配电网中的逆变型分布式电源控制提供有效策略。

附图说明

图1为本发明的基于VSG的逆变型分布式电源的控制系统结构示意图；

图2为本发明中有功-频率下垂控制示意图；

图3为本发明中无功—电压控制示意图；

图4为本发明中电压电流内环控制模块的示意图；

图5为本发明中阻尼控制系数k与逆变型分布式电源输出的有功功率P的关系曲线示意图；

图6为本发明中自适应阻尼系数控制与固定阻尼系数控制下IIDG有功功率响应曲线；

图7为本发明中自适应阻尼系数控制与固定阻尼系数控制下IIDG无功功率响应曲线；

图8为本发明中自适应阻尼系数控制与固定阻尼系数控制下IIDG频率响应曲线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略包括以下步骤：

(1)如图1所示，建立基于VSG的逆变型分布式电源的控制系统模型，控制模型包括中央控制器、VSG控制模块、电压电流内环控制模块、脉冲宽度调制模块；中央控制器、VSG控制模块、电压电流内环控制模块、脉冲宽度调制模块依次连接，脉冲宽度调制模块与逆变型分布式电源连接；VSG控制模块与配电网连接；逆变型分布式电源通过输电线路与配电网、负载连接；VSG控制模块包括频率控制单元、电压控制单元；

(2)中央控制器给VSG控制模块输入设定的有功功率参考值P_ref和设定的无功功率参考值Q_ref；

(3)VSG控制模块实时采集逆变型分布式电源输出的有功功率P、无功功率Q，通过计算得到逆变型分布式电源输出的参考电压E及相位角δ，将得到的逆变型分布式电源输出的参考电压E及相位角δ输入至电压电流内环控制模块；

(4)电压电流内环控制模块实时采集逆变型分布式电源输出的电压U和电流I，并根据VSG控制模块输入的逆变型分布式电源输出的参考电压E及相位角δ实时调整，对逆变型分布式电源输出的电压U和电流I进行实时调整；

频率控制单元中采用有功-频率下垂控制策略，如图2所示，具体如下：

设VSG的虚拟惯性时间常数为H，则转子机械方程：

其中，P_m是VSG控制下逆变器端口输入的机械功率；P为逆变型分布式电源输出的有功功率；ω为逆变型分布式电源的角频率；θ为相位角；

频率控制单元中有功-频率下垂控制传递函数如下：

其中，D是有功下垂系数，P_ref和ω_ref是逆变型分布式电源输出的参考有功功率以及频率，ω_grid为配电网公共母线的的角频率。

为了更好模拟VSG的旋转轴，增加阻尼项k(ω_r-ω_grid)，ω_r为VSG控制下逆变型分布式电源输出的角频率，k为阻尼控制系数，则频率控制单元中有功-频率下垂控制传递函数为：

电压控制单元中采用无功—电压控制策略，如图3所示，通过引入比例积分，减小因无功功率偏差造成逆变型分布式电源输出的电压波动，则逆变型分布式电源输出的参考电压E为：

E_set为逆变型分布式电源输出电压设定值，k_p、k_i为PI控制器控制参数，D_Q为无功控制下垂参数，Q为逆变型分布式电源输出的无功功率。其中，k_p是PI控制器比例参数，一旦出现了偏差，PI控制器立即产生调节作用，根据参数值大小放大或缩小该偏差。k_p值较大时，可以加快调节，减少偏差；但是k_p值不宜过大，会影响PI控制器的稳定性。k_i是PI控制器的积分参数，用于消除稳态累积偏差。当输入信号与额定值存在偏差时。k_i越大，积分时间常数越小，积分作用越强，对历史偏差值的累加越多；与比例参数相同，k_i值过大时可能使系统稳定性下降。

如图4所示，电压电流内环控制模块采用比例积分控制。根据上层VSG算法给出电压E、相位指令δ，生成三相电压参考相量：

对上式进行dq坐标变换后，可得参考值，具体为：

u_d、u_q为IIDG输出端实际电压对应的dq轴电压值，具体为：

其中u_a、u_b和u_c分别为IIDG输出端的三相电压相量。

I_Cd、I_Cq为逆变型分布式电源输出端电容电流经dq坐标变换后的dq轴电流值，为

其中I_Ca，I_Cb和I_Cc为滤波电容电流。

这里针对电压、电流的控制均采用整体控制特性较好的比例积分控制。比例控制能迅速反应误差，积分控制则可以消除误差。合理的控制系数可以使系统具有良好的动态性能，并且使得稳态误差为零。

结合逆变型分布式电源与同步发电机之间的等效关系和有功-频率下垂控制传递函数，得到逆变型分布式电源有功功率输出、输入之间的传递函数下所示：

式中：δ_s和E_s是参考功率P_ref和Q_ref下逆变型分布式电源的电压相位与电压幅值；

该传递函数为典型的二阶传递函数，VSG有功-频率控制系统特征根为：

进而可得到二阶模型的自然振荡角频率ω_n和阻尼系数ζ：

由阻尼系数ζ表达式看出，阻尼控制系数直接影响有功-频率控制环节的时域特性：

当阻尼控制系数k较小时，0＜ζ＜1为欠阻尼系统，此时阶跃响应为振荡衰减过程；

当k逐渐增加至ζ＝1，系统为临界阻尼，阶跃响应为无超调的单调上升过程；

k继续增加，ζ＞1，系统呈现过阻尼，系统阶跃响应为无超调的单调上升过程，但响应速度变慢；

根据阻尼控制系数k对系统的影响规律，采用自适应阻尼系数控制，阻尼控制系数k与逆变型分布式电源输出的有功功率P关系满足下式，示意图如图5所示，

当逆变型分布式电源输出的有功功率P小于设定的有功功率参考值P_ref时，偏差越大，阻尼控制系数k越小，这样能加快系统响应速度，快速达到设定值；而当逆变型分布式电源输出的有功功率P大于设定的有功功率参考值P_ref时，偏差越大，阻尼控制系数k越大，这样能减小超调，使得有功功率偏移较低。而当当逆变型分布式电源输出的有功功率P与设定的有功功率参考值P_ref偏差大于一定值时，阻尼控制系数k保持恒定，不再变化。

在PSCAD/EMTDC中搭建基于VSG的逆变型分布式电源的控制系统模型如图1所示。L_f和C为滤波电感、滤波电容，Z_L为线路阻抗。仿真中，主电路逆变型分布式电源等效的恒压源1.6kV，滤波电感L_f为1mH，滤波电容C为400μF。交流线路电压等级U_n为380V。自适应阻尼系数控制中k₁＝0.02，k₂＝0.04，α＝0.05，β＝0.015。

为验证本文提出的自适应阻尼系数控制的效果，将自适应阻尼系数控制结构与固定应阻尼系数控制进行对比仿真。如图6-8所示，仿真设定逆变型分布式电源并网运行0s时原动机功率突增，逆变型分布式电源输出的有功功率P从由0增加至0.3MW，逆变型分布式电源输出的无功功率Q从0增加至0.1MVar。5s后负荷突增，负载有功P_D从由0.3MW增加至1.2MW，负载无功Q_D从0.1MVar增加至0.4MVar，IIDG的输出功率指令P_ref，Q_ref不变，分别为0.3MW与0.1MVar。

固定阻尼系数控制下，当阻尼系数较小时，IIDG有功输出响应较快，但波动较大，输出有功几次超调后最终趋于稳定，在参考值附近运行；当阻尼系数较大时，输出有功几次超调后显著减低，但IIDG输出响应较慢，稳定时间较长。

而采用自适应阻尼系数控制后，输出有功小于有功设定值时，阻尼控制系数k较小，系统响应速度较快，而当有功功率大于有功设定值时，阻尼控制系数k较大，系统超调降低。采用自适应阻尼系数控制后，系统输出有功动特性明显增强，又由于有功输出更加稳定准确，无功和频率特性对比于固定阻尼系数也有所增强。

综上，采用自适应阻尼系数控制的IIDG输出特性更为优良，能够更好的应对系统出现的干扰，保持稳定的输出，具有更强的动态特性。

本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立基于VSG的逆变型分布式电源的控制系统模型，所述控制模型包括中央控制器、VSG控制模块、电压电流内环控制模块、脉冲宽度调制模块；所述中央控制器、VSG控制模块、电压电流内环控制模块、脉冲宽度调制模块依次连接，所述脉冲宽度调制模块与逆变型分布式电源连接；VSG控制模块与配电网连接；逆变型分布式电源通过输电线路与配电网、负载连接；

所述VSG控制模块包括频率控制单元、电压控制单元；

(2)中央控制器给VSG控制模块输入设定的逆变型分布式电源的有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref；

(3)VSG控制模块实时采集逆变型分布式电源输出的有功功率P、无功功率Q，通过计算得到逆变型分布式电源输出的参考电压E及其相位角δ，将得到的逆变型分布式电源输出的参考电压E及相位角δ输入至电压电流内环控制模块；

(4)电压电流内环控制模块实时采集逆变型分布式电源输出的电压U和电流I，并根据VSG控制模块输入的逆变型分布式电源输出的参考电压E及相位角δ实时调整，进一步将调整指令m发送给脉冲宽度调制模块，对逆变型分布式电源输出的电压U和电流I进行实时调整；所述频率控制单元中采用有功-频率下垂控制策略，具体如下：

设VSG的虚拟惯性时间常数为H，则转子机械方程：

其中，P_m是VSG控制下逆变器端口输入的机械功率；P为逆变型分布式电源输出的有功功率；ω为逆变型分布式电源的角频率；θ为相位角；

频率控制单元中有功-频率下垂控制传递函数如下：

其中，D是有功下垂系数，P_ref和ω_ref是逆变型分布式电源输出的参考有功功率以及频率，ω_grid为配电网公共母线的的角频率；

为了更好模拟VSG的旋转轴，增加阻尼项k(ω_r-ω_grid)，ω_r为VSG控制下逆变型分布式电源输出的角频率，k为阻尼控制系数，则频率控制单元中有功-频率下垂控制传递函数为：

结合逆变型分布式电源与同步发电机之间的等效关系和有功-频率下垂控制传递函数，得到逆变型分布式电源有功功率输出、输入之间的传递函数下所示：

式中：δ_s和E_s是参考功率P_ref和Q_ref下逆变型分布式电源的电压相位与幅值；

该传递函数为一个典型的二阶传递函数，系统特征根为：

进而可得到二阶模型的自然振荡角频率ω_n和阻尼系数ζ：

由阻尼系数ζ表达式看出，阻尼控制系数直接影响系统的时域特性：

当阻尼控制系数k较小时，0＜ζ＜1为欠阻尼系统，此时阶跃响应为振荡衰减过程；

当k逐渐增加至ζ＝1，系统为临界阻尼，阶跃响应为无超调的单调上升过程；

k继续增加，ζ＞1，系统呈现过阻尼，系统阶跃响应为无超调的单调上升过程，但响应速度变慢；

根据阻尼控制系数k对系统的影响规律，采用自适应阻尼系数控制，阻尼控制系数k与逆变型分布式电源输出的有功功率P关系满足下式：

当逆变型分布式电源输出的有功功率P小于设定的有功功率参考值P_ref时，偏差越大，阻尼控制系数k越小，这样能加快系统响应速度，快速达到设定值；而当逆变型分布式电源输出的有功功率P大于设定的有功功率参考值P_ref时，偏差越大，阻尼控制系数k越大，这样能减小系统超调，使得有功功率偏移较低。而当当逆变型分布式电源输出的有功功率P与设定的有功功率参考值P_ref偏差大于一定值时，阻尼控制系数k保持恒定，不再变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略，其特征在于：所述电压控制单元中采用“无功—电压”控制策略，通过引入比例积分，减小因无功功率调整造成逆变型分布式电源输出的电压波动，则逆变型分布式电源输出的参考电压E为：

E_set为逆变型分布式电源输出电压设定值，k_p、k_i为PI控制器控制参数，D_Q为无功控制下垂参数，Q为逆变型分布式电源输出的无功功率。

3.根据权利要求1所述的一种基于VSG的逆变型分布式电源自适应阻尼控制策略，其特征在于：所述步骤(4)中电压电流内环控制模块采用比例积分控制。