CN110365051A - 一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法。所述方法包括如下步骤：建立三阶非线性状态空间模型；根据所述三阶非线性状态空间模型获得控制器。本发明对理想同步电机转子方程及转矩部分建模，并设计自适应指令滤波反演控制器，能够实现系统并网过程较平稳切换，减小功率波动，便于实际工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及分布式发电微网技术领域，具体地说是采用自适应指令滤波反演控制器，在虚拟同步电机控制中增加非线性的补偿信号，提高系统稳定性的方法。
背景技术
分布式能源通过并网逆变器大规模接入电网，而基于电力电子逆变器的分布式电源往往由于惯性缺失，当系统受到扰动时，其输出响应速度过快，各性能参数发生突变，影响电网稳定运行。虚拟同步电机(virtual synchronous generator，VSG)控制方法通过引入转子摇摆方程，构造虚拟惯量及一次调频指令来模拟传统同步发电机的外特性，为电网提供电压和频率支撑。然而，虚拟同步电机方法是一种线性控制方法，当系统受到突发性大功率扰动时，无法保证系统的稳定性。尤其是并网过程中，当虚拟同步电机的输出电压与电网电压不同步时，会有较大的冲击电流产生。
针对以上问题，可在传统的虚拟同步电机控制中加入非线性的补偿信号，增强系统的稳定性。反步法是一种递归的控制方法，在处理高阶非线性系统时，可以对系统进行简化，将原系统分解得到低阶子系统，然后依次选择中间虚拟控制变量和李雅普诺夫函数。基于李雅普诺夫稳定性原理，最终完成整个系统控制律的设计。在控制器的设计过程中，采用指令滤波器来获得中间虚拟控制量的导数，有效避免计算量膨胀问题。
反步控制器设计需要对系统精确的建模，实际应用中存在的建模误差及外界干扰对控制器的控制效果会有很大影响，一般使用神经网络、模糊控制等自适应方法对系统不确定部分进行估计。
发明内容
针对现有问题，本发明提出一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，以解决现有技术中存在的系统建模误差大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，所述方法包括如下步骤：
建立三阶非线性状态空间模型；
根据所述三阶非线性状态空间模型获得控制器。
进一步的，所述三阶非线性状态空间模型包括：
a1＝-D/J，a2＝-1/J，
式中，Δδ为功角与平衡点的偏差，Δω为转速与平衡点的偏差，ΔTe为电磁转矩与平衡点的偏差，Δδ、Δω、ΔTe选取为系统的三个状态变量；J和D表示为转子的转动惯量和阻尼系数，a1为与转动惯量和阻尼系数有关的模型参数，a2为与转动惯量有关的模型参数；ψf为磁链；ka为低通滤波器增益，τa为低通滤波器截止频率相关的变量，c设为常数1；i为虚拟同步电机的输出电流，u为控制器，Tref为机械转矩。
进一步的，所述控制器包括：
e1＝Δδ-Δδref，
e2＝Δω-Δωc，
e3＝ΔTe-ΔTe c，
k3>0，
式中，Δδ为功角与平衡点的偏差，Δω为转速与平衡点的偏差，ΔTe为电磁转矩与平衡点的偏差，i为虚拟同步电机的输出电流，ψf为磁链，为系统参数a2的自适应估计值，Δδref为功角与平衡点的偏差Δδ的参考值，Δωc为将转速的虚拟控制量送入指令滤波器后重新获得的虚拟控制量，ΔTe c为将转矩的虚拟控制量送入指令滤波器后重新获得的虚拟控制量，e1定义为功角的误差，e2定义为转速的误差，e3定义为电磁转矩的误差，k3为控制器设计过程电磁转矩误差e3的调节常数。
进一步的，所述三阶非线性状态空间模型通过引入指令滤波器、投影算子计算获得控制器。
进一步的，所述三阶非线性状态空间模型的转速和电磁转矩的虚拟控制量通过所述指令滤波器获得虚拟控制量的导数。
进一步的，所述投影算子的引入方法包括：
式中，Proj(,)为投影算子，为模型参数a1的自适应估计为，为模型参数a2的自适应估计值，γ1为自适应估计值的调节常数，γ2为自适应估计值的调节常数，为补偿指令滤波器的滤波误差后重新定义的转速误差。
进一步的，所述三阶非线性状态空间模型根据虚拟同步电机的转子摇摆方程及转矩模型建立。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1)本发明在传统的虚拟同步电机系统中加入了一个非线性的补偿信号，实现系统在孤岛、并网及其切换过程的稳定，尤其当系统输出电压与电网电压存在不同步时，能够有效抑制功率的波动及冲击电流的产生；2)采用带限幅的指令滤波器，解决传统反步控制中的计算膨胀问题，简化了推导过程及控制律和控制器的设计；3)针对实际建模误差、外界干扰，引入投影算子，使参数的估计值始终在预设的范围内，确保系统收敛。
附图说明
图1为理想三相同步电机结构示意图；
图2为虚拟同步电机转子数学模型示意图；
图3为控制器拓扑结构示意图；
图4为的带限幅的指令滤波器示意图；
图5为投影自适应指令滤波反推控制器结构示意图；
图6为采用自适应指令滤波反演控制下的频率变化波形；
图7为采用自适应指令滤波反演控制下的有功变化波形；
图8为采用一般的反步控制下的有功变化波形；
图9为采用自适应指令滤波反演控制下的电压变化波形；
图10为采用自适应指令滤波反演控制下的电流变化波形；
图11为采用一般的虚拟同步电机控制下的电流变化波形。
具体实施方式
为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
一、实施例所对应的拓扑结构
如图3所示，本发明的实施例采用的控制器拓扑结构。将由自适应指令滤波控制器生成的非线性信号加入到虚拟同步电机控制中，而系统输出电压的频率和相位仍由转子方程得到，合成反电动势后进行PWM变换。
二、本发明方法的实现
如图5所示，使用反步法设计控制器，依次选取中间虚拟控制量和李雅普诺夫函数，保证系统收敛，最终完成整个系统控制律的设计。采用指令滤波器能够避免对虚拟控制量的反复求导，使用投影参数算法实现对建模参数的在线估计，避免建模误差和外界干扰的影响。
(1)具体的实现步骤
S1.图1所示为理想三相同步电机结构，设转子磁场旋转角度为θ，Rs、L、Rf、Lf分别表示定子及转子的电阻与电感，流过定子绕a相、b相和c相的电流分别用ia、ib、ic表示。定子绕组中产生的三相反电动势：
式中ψf为磁链，表示为三相的反电动势，表示为三相的反电动势相位角。
在逆变控制中引入转子摇摆方程，如图2所示。频率动态特性表示为：
式中，J表示为转子的转动惯量，D表示为转子的阻尼系数，Te为电磁转矩，Tref为机械转矩，ω为机械转速，ωset为机械转速的额定值。
系统输出的电磁转矩Te表示为：
Te＝Pe/ω (3)
式中，Pe为有功功率，δ为电压与电流间的相角。
S2.控制器拓扑结构如图3所示。图中Vref为参考电压幅值，Vm为实际电压幅值；ka为低通滤波器增益，τa为低通滤波器截止频率相关的变量，c设为常数1。对虚拟同步电机转子摇摆方程及转矩部分进行推导，状态变量选取为功角、转速及电磁转矩与平衡点的偏差，分别用Δδ、Δω、ΔTe表示，得到虚拟同步电机三阶的状态空间模型。
a1＝-D/J，a2＝-1/J，
式中，Δδ为功角与平衡点的偏差，Δω为转速与平衡点的偏差，ΔTe为电磁转矩与平衡点的偏差，Δδ、Δω、ΔTe选取为系统的三个状态变量；J和D表示为转子的转动惯量和阻尼系数，a1为与转动惯量和阻尼系数有关的模型参数，a2为与转动惯量有关的模型参数；ψf为磁链；ka为低通滤波器增益，τa为低通滤波器截止频率相关的变量，c设为常数1；i为虚拟同步电机的输出电流，u为控制器，Tref为机械转矩。
S3.采用反步法设计控制器，将转速和电磁转矩的虚拟控制量Δωd、ΔTe d通过带限幅的指令滤波器，如图4所示，其导数可以由积分直接获得为ζi、ωni为指令滤波器的阻尼与带宽。
S4.针对系统建模误差及虚拟惯量和阻尼参数变化扰动，在反步控制器设计过程中采用投影参数法，对模型参数进行在线调整，确保估计值的有界性及系统快速收敛。
式中，Proj(,)为投影算子；为模型参数a1的自适应估计为，为模型参数a2的自适应估计值，γ1为自适应估计值的调节常数，γ2为自适应估计值的调节常数；e2定义为转速的误差，为补偿指令滤波器的滤波误差后重新定义的转速误差。
S5.图5所示为系统的控制器结构框图，由李雅普诺夫稳定性原理推导可以得到控制器：
e1＝Δδ-Δδref，
e2＝Δω-Δωc，
e3＝ΔTe-ΔTe c，
k3>0，
式中，Δδ为功角与平衡点的偏差，Δω为转速与平衡点的偏差，ΔTe为电磁转矩与平衡点的偏差，i为虚拟同步电机的输出电流，ψf为磁链，为系统参数a2的自适应估计值，Δδref为功角与平衡点的偏差Δδ的参考值，Δωc为将转速的虚拟控制量送入指令滤波器后重新获得的虚拟控制量，ΔTe c为将转矩的虚拟控制量送入指令滤波器后重新获得的虚拟控制量，e1定义为功角的误差，e2定义为转速的误差，e3定义为电磁转矩的误差，k3为控制器设计过程电磁转矩误差e3的调节常数。
(2)仿真参数
交流侧线电压幅值510V，额定有功功率10kW，额定频率50Hz；低通滤波器参数τa＝0.01、c＝1、ka＝0.0005；PI控制器比例系数kp＝50、积分系数ki＝200；转动惯量J＝0.4/kg·m2，阻尼系数D＝20.26。系统开始带13kW负载在孤岛模式运行，0.3s直接切换为并网运行，0.6s再次与电网断开。
三、实施例的结果分析
仿真分析系统在孤岛、并网及其切换过程中的频率、功率、电压、电流波形变化，将本发明提出的方法与未采用非线性控制器，即一般的虚拟同步电机控制并网过程的电流进行对比，验证所提方法能够有效抑制并网过程的冲击电流，增强系统稳定性。将本发明提出的方法与一般反步控制方法下的功率波形对比，验证本发明引入指令滤波器和投影参数算法后，提高了建模精度，有功震荡减小。
由图6、图7可知，系统首先在孤岛模式下运行。在这种情况下，系统为本地负载提供13kW的有功功率，频率降低约0.074Hz。由于电网中没有故障情况，在t＝0.3s时将系统并入电网。由于需要重新建立功角关系，有功功率发生一定的波动，其稳定时间小于0.1s。采用本发明提出的方法，最大振荡范围为8.75～10.13kW。由图8可知，使用传统反步方法有功功率最大振荡范围为8.37～10.22kW。结果表明在加入命令滤波器和投影自适应算法后，系统的有功振荡明显减小。稳定后，由电网提供约3kW的有功功率，系统频率与电网趋于一致。在t＝0.6s时，由于电网故障，系统与电网断开。系统输出功率迅速增加，频率降低。由图9、图10可知，采用本发明提出的方法，切换过程电压波形基本保持不变，仅电流波形接入电网后出现轻微波动，但没有冲击电流产生。由图11可知，当未采用补偿的非线性信号时，虚拟同步电机系统直接接入电网，电流波形极不稳定，随着输出电压与电网电压不一致性的增加，冲击电流会进一步增大，这是正常运行中必须避免的。可见本发明由于在虚拟同步电机电机系统中增加了非线性的补偿信号，有效抑制了冲击电流的产生，增强了系统稳定性。
本发明提出了一种新的虚拟同步电机控制方法，可以解决系统惯性不足及支持电网频率问题。通过在传统的虚拟同步电机系统中增加非线性的补偿信号，能够实现系统在孤岛、并网及其切换过程的稳定。尤其在系统并网过程中，一般虚拟同步电机系统输出电压与电网电压不同步，会产生很大的冲击电流，容易造成系统失稳，以及电力电子器件的损坏。
本发明通过引入投影算子能够针对建模误差及参数变化扰动，对建模参数进行在线调整，且能够保证估计参数的有界性，确保系统收敛。通过设计一种自适应指令滤波反演控制器，能够实现系统在孤岛、并网及其切换过程的稳定，尤其当系统输出电压与电网电压存在不同步时，能够有效抑制功率的波动及冲击电流的产生。
上述实施例验证了本发明所提方法的有效性，同时上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
建立三阶非线性状态空间模型；
根据所述三阶非线性状态空间模型获得控制器。
2.根据权利要求1所述的一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，其特征在于：所述三阶非线性状态空间模型包括：
a1＝-D/J，a2＝-1/J，
式中，Δδ为功角与平衡点的偏差，Δω为转速与平衡点的偏差，ΔTe为电磁转矩与平衡点的偏差，J和D表示为转子的转动惯量和阻尼系数，a1为与转动惯量和阻尼系数有关的模型参数，a2为与转动惯量有关的模型参数，ψf为磁链；ka为低通滤波器增益，τa为低通滤波器截止频率相关的变量，c设为常数1；i为虚拟同步电机的输出电流，u为控制器，Tref为机械转矩。
3.根据权利要求1所述的一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，其特征在于：所述控制器包括：
e1＝Δδ-Δδref，
e2＝Δω-Δωc，
e3＝ΔTe-ΔTe c，
k3>0，
式中，Δδ为功角与平衡点的偏差，Δω为转速与平衡点的偏差，ΔTe为电磁转矩与平衡点的偏差，i为虚拟同步电机的输出电流，ψf为磁链，为系统参数a2的自适应估计值，Δδref为功角与平衡点的偏差Δδ的参考值，Δωc为将转速的虚拟控制量送入指令滤波器后重新获得的虚拟控制量，ΔTe c为将转矩的虚拟控制量送入指令滤波器后重新获得的虚拟控制量，e1定义为功角的误差，e2定义为转速的误差，e3定义为电磁转矩的误差，k3为控制器设计过程电磁转矩误差e3的调节常数。
4.根据权利要求1所述的一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，其特征在于：所述三阶非线性状态空间模型通过引入指令滤波器、投影算子计算获得控制器。
5.根据权利要求4所述的一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，其特征在于：所述三阶非线性状态空间模型的转速和电磁转矩的虚拟控制量通过所述指令滤波器获得虚拟控制量的导数。
6.根据权利要求4所述的一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，其特征在于：所述投影算子的引入方法包括：
式中，Proj(,)为投影算子，为模型参数a1的自适应估计值，为模型参数a2的自适应估计值，γ1为自适应估计值的调节常数，γ2为自适应估计值的调节常数，为补偿指令滤波器的滤波误差后重新定义的转速误差。
7.根据权利要求1所述的一种自适应指令滤波反演的虚拟同步电机控制方法，其特征在于：所述三阶非线性状态空间模型根据虚拟同步电机的转子摇摆方程及转矩模型建立。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191022 |