CN110556873B - 一种基于罚函数的vsg自适应转动惯量控制方法 - Google Patents
一种基于罚函数的vsg自适应转动惯量控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110556873B CN110556873B CN201910942712.8A CN201910942712A CN110556873B CN 110556873 B CN110556873 B CN 110556873B CN 201910942712 A CN201910942712 A CN 201910942712A CN 110556873 B CN110556873 B CN 110556873B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- moment
- inertia
- vsg
- value
- penalty function
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 31
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 abstract description 22
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 7
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 6
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 2
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/24—Arrangements for preventing or reducing oscillations of power in networks
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/40—Synchronising a generator for connection to a network or to another generator
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
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
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：
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：
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：
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
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：
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910942712.8A CN110556873B (zh) | 2019-09-30 | 2019-09-30 | 一种基于罚函数的vsg自适应转动惯量控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910942712.8A CN110556873B (zh) | 2019-09-30 | 2019-09-30 | 一种基于罚函数的vsg自适应转动惯量控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110556873A CN110556873A (zh) | 2019-12-10 |
| CN110556873B true CN110556873B (zh) | 2023-04-28 |
Family
ID=68742073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910942712.8A Active CN110556873B (zh) | 2019-09-30 | 2019-09-30 | 一种基于罚函数的vsg自适应转动惯量控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110556873B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115276093B (zh) * | 2022-08-12 | 2024-05-14 | 电子科技大学 | 基于ddpg算法的虚拟同步发电机参数自适应控制方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014111920A1 (en) * | 2013-01-17 | 2014-07-24 | Sure Erasure Ltd. | System and method for monitoring of an electro-mechanical device |
| CN105978046A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-09-28 | 国网浙江省电力公司嘉兴供电公司 | 一种含vsc-hvdc交直流系统精确化离散最优潮流计算方法 |
| CN105978027A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-09-28 | 青海大学 | 一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法及系统 |
| CN107332275A (zh) * | 2017-08-15 | 2017-11-07 | 东南大学 | 一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法 |
| CN107516892A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-12-26 | 重庆邮电大学 | 基于处理有功优化约束条件提高电能质量的方法 |
| CN107565604A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-01-09 | 合肥工业大学 | 多机并联虚拟同步发电机功率分配和参数自适应控制方法 |
| CN107846029A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-03-27 | 上海电力学院 | 一种虚拟同步发电机的自适应惯量阻尼综合控制方法 |
| CN108493997A (zh) * | 2018-04-13 | 2018-09-04 | 哈尔滨理工大学 | 基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法 |
| CN109149605A (zh) * | 2018-10-12 | 2019-01-04 | 燕山大学 | 一种基于vsg的微电网暂态自适应参数控制策略 |
| CN109659956A (zh) * | 2019-01-03 | 2019-04-19 | 山东科技大学 | 多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法 |
| CN109687515A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-26 | 广东工业大学 | 一种风电场的发电量控制方法及相关装置 |
-
2019
- 2019-09-30 CN CN201910942712.8A patent/CN110556873B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014111920A1 (en) * | 2013-01-17 | 2014-07-24 | Sure Erasure Ltd. | System and method for monitoring of an electro-mechanical device |
| CN105978046A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-09-28 | 国网浙江省电力公司嘉兴供电公司 | 一种含vsc-hvdc交直流系统精确化离散最优潮流计算方法 |
| CN105978027A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-09-28 | 青海大学 | 一种虚拟同步发电机暂态过程的频率控制方法及系统 |
| CN107516892A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-12-26 | 重庆邮电大学 | 基于处理有功优化约束条件提高电能质量的方法 |
| CN107332275A (zh) * | 2017-08-15 | 2017-11-07 | 东南大学 | 一种虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法 |
| CN107846029A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-03-27 | 上海电力学院 | 一种虚拟同步发电机的自适应惯量阻尼综合控制方法 |
| CN107565604A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-01-09 | 合肥工业大学 | 多机并联虚拟同步发电机功率分配和参数自适应控制方法 |
| CN108493997A (zh) * | 2018-04-13 | 2018-09-04 | 哈尔滨理工大学 | 基于虚拟同步发电机的转动惯量优化控制方法 |
| CN109149605A (zh) * | 2018-10-12 | 2019-01-04 | 燕山大学 | 一种基于vsg的微电网暂态自适应参数控制策略 |
| CN109687515A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-26 | 广东工业大学 | 一种风电场的发电量控制方法及相关装置 |
| CN109659956A (zh) * | 2019-01-03 | 2019-04-19 | 山东科技大学 | 多机并联运行的虚拟同步发电机惯性阻尼混合控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Research on Optimization and Adjustment of Gas Turbine Combustion Based on XGBoost and NSGA-II;Yuanbo Dong，等;《2021 The 6th International Conference on Power and Renewable Energy》;20210920;第1512-1518页 * |
| 基于模糊理论的VSG自适应转动惯量控制策略;吕彬，等;《水电能源科学》;20200531;第38卷(第5期);第147-150页 * |
| 基于自适应惯量阻尼综合控制算法的虚拟同步发电机控制策略;李东东，等;《电力自动化设备》;20171130;第37卷(第11期);第72-77页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110556873A (zh) | 2019-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109256801B (zh) | 虚拟同步发电机虚拟惯量和虚拟阻尼系数自适应控制方法 | |
| CN106910142B (zh) | 一种含风电有功-频率耦合作用的电力系统频率特性计算方法 | |
| CN109586269B (zh) | 考虑参数自寻优的直流微电网虚拟惯性控制方法及系统 | |
| CN109149605A (zh) | 一种基于vsg的微电网暂态自适应参数控制策略 | |
| CN109962495B (zh) | 一种超低频振荡扰动源定位及抑制方法 | |
| Yazdi et al. | Analytical modeling and inertia estimation of VSG-controlled Type 4 WTGs: Power system frequency response investigation | |
| WO2018145498A1 (zh) | 基于强化学习算法的双馈感应风力发电机自校正控制方法 | |
| CN108964127B (zh) | 一种双馈风力发电系统故障穿越的控制方法 | |
| CN113883008B (zh) | 一种可抑制多扰动因素的风机模糊自适应变桨距控制方法 | |
| CN105337290B (zh) | 一种适用于电力系统低频振荡辅助决策的无功调整方法 | |
| CN109782583A (zh) | 一种风电场pi控制器参数整定方法和装置 | |
| CN103838965B (zh) | 基于广义特征值的时滞稳定上限计算系统及其计算方法 | |
| CN114447955A (zh) | 基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法 | |
| CN110556873B (zh) | 一种基于罚函数的vsg自适应转动惯量控制方法 | |
| CN109755968B (zh) | 一种双馈风电机组的神经网络保性能虚拟同步控制方法 | |
| Wanigasekara et al. | Design of dynamic fuzzy Q-learning controller for networked wind energy conversion systems | |
| CN115764989A (zh) | 一种基于构网型换流器的虚拟同步发电机系统 | |
| CN109787274A (zh) | 一种虚拟同步控制方法及转子侧变频器控制器 | |
| CN116845886B (zh) | 一种基于模型预测的多端口自主光伏系统构网型控制方法 | |
| CN111969624A (zh) | 含虚拟同步发电机的风电并网系统的阻尼控制方法及系统 | |
| CN116488211A (zh) | 一种用于单相光伏储能的vsg改进参数自适应方法 | |
| Laafou et al. | Proposed robust ADRC control of a DFIG used in wind power production | |
| CN114221394B (zh) | 一种基于储能系统的自适应虚拟同步机控制方法 | |
| Tamaarat | Active and reactive power control for DFIG using PI, fuzzy logic and self-tuning PI fuzzy controllers | |
| CN115693704A (zh) | 一种基于虚拟惯量控制的变惯性响应时间计算方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |