CN110556873B - 一种基于罚函数的vsg自适应转动惯量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，包括步骤：1)根据转动惯量的动态特性，获取j时刻VSG转子方程和暂态过程的功频变化机理；2)根据j时刻VSG转子方程和暂态过程的功频变化机理获取VSG角频率变化情况，利用罚函数作用于逆变器的VSG转子运动模块，获取j时刻转动惯量J的值，进而对转动惯量进行实时调节控制。与现有技术相比，本发明使虚拟同步发电机系统在超调量、稳定性、响应速度等方面具有一定的优越性，弥补了部分改进算法中转动惯量不能自适应调节以及调节方法不明确的缺陷，可有效降低逆变器并网端功率振荡和优化频率响应。

Description

一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法
技术领域
本发明涉及一种VSG自适应转动惯量控制方法，尤其是涉及一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法。
背景技术
虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术可使并网逆变器模拟同步发电机运行机理。本质是通过控制逆变器模拟同步发电机的工作原理，从而获得类似同步发电机的运行特性。VSG因集成了同步发电机的优点而备受学者青睐，其在现代电力系统中的应用也将日益广泛。虽然针对VSG控制算法的研究已经比较深入且成熟，但其在实际工程应用中仍然存在一定的问题。部分应用中(1)将虚拟同步发电机与虚拟电抗以及电压调节器相结合，但是多种调节器组合未能达到自动控制的目的；(2)设计了一种新型VSG控制策略，运用非线性最小二乘法计算转动惯量和阻尼特性的取值，但其模型过于理想化不满足一般性要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，包括如下步骤：
步骤一、根据转动惯量的动态特性，获取VSG转子方程和暂态过程的功频变化机理。
VSG转子方程为：
Figure BDA0002223350490000011
式中，ω为转子角频率，ω0为电网同步角频率，Tm和Te分别为模拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，Dp为模拟阻尼系数，θ为模拟电角度，Tm和Te分别为模拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩。角频率变化差值Δω＝ω-ω0。
步骤二、根据VSG转子方程和暂态过程的功频变化机理，利用罚函数作用于逆变器的VSG转子运动模块，根据输入变量的动态变化求取转动惯量J的值，进而实现通过输入量的不同对转动惯量的实时自动调节。
选取VSG角频率的变化率dω/dt和角频率变化差值Δω作为输入变量，步骤二的具体内容包括：
2.1、将VSG角频率的变化率dω/dt和角频率变化差值Δω作为输入变量，将转动惯量J作为输出变量，建立基于罚函数的方程，如下式所示：
Figure BDA0002223350490000021
式中，Jr为下一时刻的转动惯量值，Jp为当前转动惯量值，hi为惩罚函数，k为惩罚系数，s为并联并网支路数量。hi的值由j时刻的转动惯量J相较于j-1时刻转动惯量J的大小决定。
优选地，惩罚系数k的取值为1。
2.2、获取总的罚函数惩罚值。具体地：
1)获取j时刻并联并网每一条支路的输入变量，输入变量采用VSG角频率的变化率dω/dt和角频率变化差值Δω。
2)对每条支路根据惩罚原则求得各支路惩罚函数的值，并相加求和。其中，根据惩罚原则，离转动惯量稳定值越远，惩罚值越大。根据VSG暂态过程的动态变化，当dω/dt及Δω都大于零时，转动惯量J的值极大增长，此时惩罚函数的值相应的为极大的负值，若dω/dt及Δω都没有变化，则惩罚函数的值取0。
各支路的惩罚函数的值优选对应的i支路的转动惯量增量的1/i。
2.3、将得到的总的罚函数惩罚值代入罚函数的方程，即与j-1时刻的转动惯量值求和，获取j时刻最终的转动惯量J的值，进而实现通过输入量的变化对转动惯量的实时自动调节。
与现有技术相比，本发明在虚拟同步发电机转动惯量不能自动调节的基础上，提出了一种基于罚函数的VSG控制策略，设计罚函数方程作用于转自运动方程，使得转动惯量J随着实时输入量的变化自动调节，使得虚拟同步发电机系统在超调量、稳定性、响应速度等方面都具有一定的优越性，弥补了部分改进算法中转动惯量不能自适应调节以及调节方法不明确的缺陷，可有效降低逆变器并网端功率振荡和优化频率响应。
附图说明
图1为同步发电机频率振荡过程示意图；
图2为罚函数控制流程图；
图3为本发明方法的控制框图。
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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，包括以下步骤：
步骤1、分析转动惯量的动态特性，研究同步发电机转子方程和暂态过程的功频变化机理。
同步发电机转子方程为：
Figure BDA0002223350490000031
式中，J为模拟转动惯量，ω为转子角频率，ω0为电网同步角频率，Tm和Te分别为模拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，Dp为模拟阻尼系数，θ为模拟电角度。
步骤2、选取VSG角频率的变化率dω/dt和角频率变化差值Δω作为输入变量，根据VSG转子方程和暂态过程的功频变化机理，利用罚函数作用于逆变器的VSG转子运动模块，根据输入变量的动态变化求取转动惯量J的值。
VSG效仿传统同步发电机的电气性质，其动态响应也与之相类似。传统同步发电机的频率振荡过程如图1所示。
振荡环节可分为四个阶段，即(1)t1-t2，(2)t2-t3，(3)t3-t4，(4)t4-t5。在环节(1)中，曲线上升，VSG实时测得的转子角频率ω始终大于电网同步角频率ω0，且角频率的变化率dω/dt先急速增大后增速放缓，由式(1)可知适当增加转动惯量J来抑制dω/dt的增大；在环节(2)中，曲线下降，dω/dt<0，进入增速放缓阶段，但是VSG的转子角频率ω仍然大于电网同步角频率ω0，此过程可采用较小的J来抑制ω的偏移。环节(3)和(4)可类比环节(1)和(2)分析。
综上，转动惯量J直接影响了VSG并网的稳定性。根据实时变化的dω/dt以及Δω选取适当的转动惯量J可以有效调节VSG的频率响应以及控制其并网振荡程度。
表1转动惯量J的变化
Figure BDA0002223350490000041
罚函数是一个基于双变量的非线性函数，指在求解最优化问题(无线性约束优化及非线性约束优化)时，在原有目标函数中加上一个障碍函数，而得到一个增广目标函数，罚函数的功能是对非可行点或企图穿越边界而逃离可行域的点赋予一个极大的值，即将有约束最优化问题转化为求解无约束最优化问题。
基本思路：通过引进一个乘法因子把约束条件连接到目标函数上，从而将有约束的最优化问题转化为无约束条件的问题。合理的罚函数可以在当搜索到不可行点时，是目标函数值变得很大，离约束条件越远惩罚越大。
由上述VSG振荡环节的分析和式(1)中同步发电机转子机械方程可知，dω/dt、Δω(ω-ω0)以及转动惯量J存在紧密的联系，所以可通过函数来建立几个变量之间的联系。
具体地：
首先定义每条支路在j时刻的dω/dt以及Δω为输入变量，转动惯量J为输出变量。
其次，求j时刻惩罚函数的值hi的大小。根据同步发电机暂态过程的动态变化，当dω/dt以及Δω都大于零时，转动惯量J的值会极大增长，此时hi的值则应该相应的为极大的负值，以抑制转动惯量的增长；如当dω/dt以及Δω都小于零时，转动惯量J的值会极大增长，此时hi的值则应该相应的为极大的负值；当dω/dt和Δω其中一个大于零、一个小于零时，转动惯量J的值会极大减小，此时hi的值则应该相应的为极小的正值，以抑制转动惯量的增长，如若dω/dt以及Δω都没有变化，则hi取0。各支路的hi的取值优选对应j支路转动惯量增量的1/j。
然后，将s条支路的惩罚值求和得到总的罚函数惩罚值。
最后，根据罚函数方程，将求和得到的总的罚函数惩罚值与j-1的转动惯量值求和，得到j时刻的转动惯量值，实现通过输入量的不同对转动惯量的实时自动调节。
本发明方法将罚函数方程作用于转自运动方程，使转动惯量J随着实时输入量的变化自动调节，进而使得虚拟同步发电机系统在超调量、稳定性、响应速度等方面都具有一定的优越性，弥补了部分改进算法中转动惯量不能自适应调节以及调节方法不明确的缺陷。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据转动惯量的动态特性，获取j时刻VSG转子方程和暂态过程的功频变化机理；
2)根据j时刻VSG转子方程和暂态过程的功频变化机理获取VSG角频率变化情况，将VSG角频率变化情况利用罚函数作用于逆变器的VSG转子运动模块，对转动惯量进行实时调节控制；
步骤2)具体包括以下步骤：
21)获取j时刻并联并网每一条支路的输入变量；
22)对每条支路根据惩罚原则求取各支路惩罚函数，并相加求和，获取总的罚函数惩罚值；
23)将总的罚函数惩罚值以及j-1时刻的转动惯量值代入罚函数方程，获取j时刻的转动惯量J的值，进而对转动惯量进行实时调节控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，罚函数方程的表达式为：
Figure FDA0004068086430000011
式中，Jr为下一时刻的转动惯量值，Jp为当前转动惯量值，hi为惩罚函数的值，k为惩罚系数，s为并联并网支路数量。
3.根据权利要求1所述的一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，步骤21)中，定义VSG角频率的变化率dω/dt以及角频率变化差值Δω为输入变量。
4.根据权利要求1所述的一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，步骤22)中，根据惩罚原则，离转动惯量稳定值越远，惩罚函数的值越大。
5.根据权利要求4所述的一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，惩罚函数的值由j时刻的转动惯量J相较于j-1时刻VSG角频率的变化率dω/dt和角频率变化差值Δω的大小决定。
6.根据权利要求5所述的一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，根据VSG暂态过程的动态变化，当dω/dt及Δω都大于零时，转动惯量J的值极大增长，此时惩罚函数的值相应的为极大的负值，若dω/dt及Δω都没有变化，则惩罚函数的值取0。
7.根据权利要求6所述的一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，各支路的惩罚值的取值选取其对应i支路的转动惯量增量的1/i。
8.根据权利要求2所述的一种基于罚函数的VSG自适应转动惯量控制方法，其特征在于，惩罚系数k的取值为1。
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