CN109038674A - 非线性最小二乘曲线拟合的vsg惯量与阻尼系数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非线性最小二乘曲线拟合的VSG惯量与阻尼系数测量方法，所述方法分析出了系统在离网、并网不同运行工况与阻尼状态的时域单位阶跃响应函数，定性分析了利用动态响应指标求解惯量与阻尼系数的方法，借鉴了一种用于同步发电机惯量测量的甩负荷试验，结合并网功率阶跃实验，得到了一种可以自验证的综合测量方法。并通过将两种实验方法综合的方式规避了同步功率取值不准确对于参数测量的影响，为VSG外特性测量提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力系统与微电网技术领域，具体涉及一种非线性最小二乘曲线拟合的VSG惯量与阻尼系数测量方法。
背景技术
与石油、煤炭等传统化石能源相比，以风能、光伏为代表的新能源具有可再生、清洁的特点，也因此得到越来越多的认可和青睐。而分布式发电因其配置灵活、投资较小，符合可再生能源绿色环保的发展理念，成为新能源开发的重要发展形式。但是大量的、不同类型的分布式电源接入系统，很容易使电网受到造成较大的冲击，并对电网的潮流分布、电能质量甚至稳定运行带来很大影响。
针对这一问题，学者们提出了微网的概念。微网既可以独立运行，也可以通过电力电子逆变器与大电网并网运行。然而，由于逆变器的响应速度极快、不具备阻尼特性和惯性特性，在遇到扰动的情况下，往往很难和具有大惯性的电网实现同步调节，容易发生过载或失稳的情况，从而大大影响了系统的稳定运行。
针对这一问题，有学者借鉴了同步发电机在维持有功功率、无功功率、电压、频率的特性，仿照同步发电机的运行机理提出了“虚拟同步发电机”(VSG)的概念。即在下垂控制的基础上，引入同步发电机的电磁方程和机械方程，在逆变器的控制环节中加入了虚拟惯量，来模拟同步发电机。
VSG技术引入逆变器控制策略，使得分布式电源也具有了与同步机相似的惯性与阻尼，可以像同步机一样在系统频率变化时为系统提供惯性支撑，减缓一次调频响应前系统频率的变化。然而由于受控制算法中一些非线性部分及PI调节器的影响，逆变器实际输出的转动惯量与阻尼可能与给定值有一定的偏差，这将会影响到分布式电源的实际外特性，进而影响惯性支撑的效果。针对于目前的研究主要集中于VSG技术应用，而忽略了测量使用VSG技术后逆变器实际特性的现状。
发明内容
本发明在传统最小二乘曲线拟合法理论基础上，提出一种非线性最小二乘曲线拟合的VSG惯量与阻尼系数测量方法，具体技术方案如下：
一种非线性最小二乘曲线拟合的VSG惯量与阻尼系数测量方法，其特征在于，所述测量方法基于非线性最小二乘曲线拟合法，分析出了系统在离网、并网不同运行工况与阻尼状态的时域单位阶跃响应函数；借鉴了一种用于同步发电机惯量测量的甩负荷试验，结合并网功率阶跃实验，得到了一种可以自验证的综合测量方法。
所述非线性最小二乘曲线拟合法是一种以各数据点误差的平方和最小为准则，估计非线性函数中未知参数的一种方法。
借鉴了一种用于同步发电机惯量测量的甩负荷试验，在逆变器离网带一定负载运行条件下，断开出口断路器使逆变器空载，对输出电压的角频率进行测量与记录；测量得到的逆变器输出频率或角频率变化曲线，结合离网运行工况的曲线拟合法即可得到待测参数。
附图说明
图1为VSG控制的并网逆变器电路结构图。
图2为并网运行下的有功控制结构。
图3为离网运行下的VSG机械部分。
图4为测量流程图
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。
虚拟同步机的摇摆方程为：
其中J是惯量；D是阻尼参数；ω是转子角速度；ωg是电网角频率；Pm是机械功率；Pe是电磁功率。
图1为VSG控制的并网逆变器电路结构图。对于VSG控制中的有功回路，在并网工况下忽略内环控制延时，可以得到简化的模型结构如图2所示
图中简化的同步功率Kp＝EU/Z，等效阻抗Z为VSG虚拟阻抗、线路阻抗以及杂散阻抗之和。
非线性最小二乘法是一种以各数据点误差的平方和最小为准则，估计非线性函数中未知参数的一种方法。设需要求解的非线性函数模型为
h＝f(t，x)
式中，h为系统的输出值，t为系统的输入值，x为待求解的参数变量。
通过将一组实验数据(t1，h1)，(t2，h2)，…，(tn，hn)代入已知的函数模型，利用误差平方和最小的准则，便可以求得函数中的参数变量。
通过图2可以得到并网运行时有功控制回路所对应的开环传递函数与闭环传递函数分别如下：
可以发现在并网运行时，VSG控制的有功回路闭环传递函数是典型的二阶系统。典型二阶系统的传递函数标准形式：
式中，ξ为阻尼比，ωn为自然震荡角频率。
可以对比得到VSG控制中的关键参数转动惯量J与阻尼系数D与阻尼比ξ以及自然震荡角频率ωn之间的关系
在欠阻尼(0＜ξ＜1)状态下，典型二阶系统的单位阶跃响应为
通过反拉氏变换与化简可以得到欠阻尼二阶系统的时域单位阶跃响应
式中，时间t≥0；阻尼角β＝arccosξ。
在临界阻尼(ξ＝1)的状态下，典型二阶系统的单位阶跃响应为
反拉使变换与化简后可以得到时域响应为
在过阻尼(ξ＞1)的状态下，典型二阶系统的单位阶跃响应为
式中
反拉使变换与化简后可以得到时域响应为
通过将实验或仿真得到的功率波形数据结合待求解非线性模型，按照误差平方和最小为准则进行拟合，便可以得到二阶系统的特征参数ξ与ωn，进而求解得到实验或仿真中实际输出的转动惯量J与阻尼系数D。
在离网带负载工况下，VSG的机械部分结构框图如图3所示
可以看出功率变化量ΔP与角频率变化量Δω之间的传递函数为
上式的稳态响应为
离网工况下VSG控制的功率变化量ΔP与角频率变化量Δω之间的传递函数为典型一阶系统。对比典型一阶系统的标准形式，Gωo(s)可以表示为
式中，T为典型一阶系统的时间常数。
结合上式可得
J＝DT
对于离网运行的VSG，转动惯量J与阻尼系数D共同决定了角频率的过度时间。
典型一阶系统的单位阶跃响应为
化简与拉氏反变换后可以得到
h(t)＝1-e-t/T
将频率或角频率波形数据结合公式h(t)＝1-e-t/T进行拟合便可以得到一阶系统的时间常数T，通过系统的稳态响应求得阻尼系数D后，利用公式J＝DT即可得到转动惯量J。具体测量流程如图4。
本发明设计了甩负荷与并网加载的综合测量方法，既可以通过甩负荷实验测得一个准确的阻尼系数D，结合公式求解出转动惯量J，避免等效阻抗Z取值的影响。又可以使两个测量方法得结果互相验证，确保待测量的求解准确。
Claims (3)
1.一种非线性最小二乘曲线拟合的VSG惯量与阻尼系数测量方法，其特征在于，所述测量方法基于非线性最小二乘曲线拟合法，分析出了系统在离网、并网不同运行工况与阻尼状态的时域单位阶跃响应函数；借鉴了一种用于同步发电机惯量测量的甩负荷试验，结合并网功率阶跃实验，得到了一种可以自验证的综合测量方法。
2.根据权利要求1所述一种非线性最小二乘曲线拟合的VSG惯量与阻尼系数测量方法，其特征在于，所述非线性最小二乘曲线拟合法是一种以各数据点误差的平方和最小为准则，估计非线性函数中未知参数的一种方法。
3.根据权利要求1所述一种非线性最小二乘曲线拟合的VSG惯量与阻尼系数测量方法，其特征在于，所述借鉴了一种用于同步发电机惯量测量的甩负荷试验，是指在逆变器离网带一定负载运行条件下，断开出口断路器使逆变器空载，对输出电压的角频率进行测量与记录；测量得到的逆变器输出频率或角频率变化曲线，结合离网运行工况的曲线拟合法即可得到待测参数。
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