CN111193262B - 一种计及储能容量和soc约束的模糊自适应vsg控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，该控制方法基于储能SOC建立含功率权重分配的VSG控制模型，利用根轨迹分析权重系数的取值范围，将权重系数代入等效惯量公式算出计及储能容量和SOC约束的惯量边界范围。实时检测系统角频率的变化量和变化率输入到模糊控制，将计算所得的惯量边界范围作为模糊控制的输出论域，经过模糊化、模糊推理和解模糊化，输出自适应惯量和自适应阻尼，将输出的自适应惯量、自适应阻尼与给定的惯量初值、阻尼初值叠加后作为VSG的控制参数控制逆变器。采用这种考虑惯量范围的模糊自适应VSG控制方法保证了惯量参数能够在满足储能约束的合理范围内灵活可靠地变化，改善了系统频率和输出功率的动态响应。

Description

一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法

技术领域

本发明涉及虚拟同步发电机控制技术领域，尤其是涉及一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法。

背景技术

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制策略通过模拟同步发电机的转子运动方程可以解决分布式能源并网系统缺少惯性的问题来有效支撑系统频率。传统VSG控制中惯量和阻尼都设置为定值，不具备动态性能。自适应VSG控制能够让控制参数实时变化从而更好地应对功率变化、负荷扰动及频率偏移。频率和输出功率的动态响应是衡量自适应VSG控制的一个关键指标，而控制参数自适应规则的制定以及其灵活度的高低会直接影响频率和输出功率的动态响应。

另外，VSG控制的惯量与储能单元的配置密切相关。目前，大多数VSG控制的设计都假定直流侧为理想电源，因此，这些VSG控制方法都基于直流侧能量供给充分的前提，未考虑到储能容量和储能荷电状态(state of charge,SOC)对惯量设定范围的约束。

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计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：建立基于储能SOC的含功率权重分配VSG控制模型，得到对应的特征方程并确定权重系数的取值范围；

步骤2：基于权重系数的取值范围计算用于作为自适应惯量的输出论域的计及储能容量和SOC约束的等效惯量并确定自适应惯量的范围；

步骤3：将步骤2中确定的自适应惯量范围作为模糊自适应控制环节中自适应惯量的输出论域，将自适应惯量和模糊自适应控制环节另一输出变量自适应阻尼分别叠加给定的惯量初值和阻尼初值后联合控制VSG。

进一步地，所述的步骤1中的VSG控制模型，其对应的控制特征方程为：

式中，E为VSG的输出电压幅值，U为电网线电压的有效值，X为线路阻抗，E_b和Q_b分别为储能电池的电压和容量，μ为权重系数，ω_s为电网的同步角频率，s为拉普拉斯算子，J为转动惯量，k_ω为角频率的调节系数，k_SOC为储能电池的调节系数。

进一步地，所述的角频率的调节系数，其计算公式为：

式中，P_VSG为VSG的额定功率，ω_α为角频率的最大容许偏移量。

进一步地，所述的储能电池的调节系数，其计算公式为：

式中，SOC_α为储能电荷状态的最大容许偏移量。

进一步地，所述的步骤2中的计及储能容量和SOC约束的等效惯量，其计算公式为：

式中，J_B,eq为计及储能容量和SOC约束的等效惯量，C_max为储能电池的最大充放电倍率，U_CN为储能电池的额定电压，SOC为储能电荷状态值，SOC_ref为电池的参考荷电状态值，H为惯性时间常数，C_eq为额定运行条件下储能电池的等效容值。

进一步地，所述的额定运行条件下储能电池的等效容值，其计算公式为：

式中，S_CN、I_CN和T_CN分别为储能电池的额定容量、额定电流和额定充放电时间。

进一步地，所述的惯性时间常数定义为同步发电机在额定转矩下从静止启动到额定转速所需的时间，其计算公式为：

式中，S_n为VSG的额定容量。

进一步地，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输入量和输出量的模糊集均采用5个词汇，即{NB,NS,Z,PS,PB}表示，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的去模糊化方法采用重心法。

进一步地，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输入量采用三角形隶属度函数，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输出量采用由高斯分布和泊松分布组成的隶属度函数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明涉及一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，采用本发明的方法可以使VSG控制的惯量和阻尼参数在合理范围内根据要求实时地进行调整来应对功率变化、负荷扰动以及频率偏移，维持微电网频率和输出功率的稳定，有效改善系统频率和功率的动态响应。

(2)本发明针对采用传统VSG控制方法控制逆变器存在的动态性能差、未考虑储能约束等问题，提出了一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，考虑了储能单元对惯量设定范围的约束，并解决了传统VSG控制方法动态性能差和可靠性低等问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明方法的实际实施仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

本发明的技术方案如下：如图1所示，以逆变器拓扑为主电路，包括含光伏和储能的直流侧电源、直流侧电容、DC/AC变流器、LC滤波电路、负荷以及并网侧。U_dc为直流母线电压，C_dc为直流侧电容，S_1-6为DC/AC变流器开关信号，L、C分别为滤波电感、电容。在负荷扰动下，系统频率和输出功率会发生变化，这时通过模糊自适应VSG控制方法控制逆变器开关信号S_1-6，缓冲系统频率和输出功率的波动，并使其具有良好的动态性能。所设计的模糊自适应VSG控制方法采集系统角频率的变化量Δω和角频率的变化率

作为模糊控制的输入，经过模糊化、模糊推理和解模糊化，生成自适应惯量和自适应阻尼，与给定的惯量初值和阻尼初值叠加后输入到VSG控制中去，并通过PWM斩波生成控制信号控制逆变器开关S_1-6，使系统频率和输出功率能够在受到干扰时缓冲波动、干扰消除时加速恢复。

模糊控制中自适应惯量的输出论域设定需要计算含储能约束下的惯量边界范围，惯量边界范围主要通过以下途径求得：基于储能SOC建立含功率权重分配的VSG控制模型，利用根轨迹法分析权重系数μ的取值范围，从而求得维持SOC所用功率范围。基于能量守恒的观点，将储能单元的电势能与VSG模拟的转子动能进行等效，并在电势能中扣除维持SOC所需能量，从而求得计及储能容量和SOC约束的惯量边界范围。

本发明的具体实施方案如下：

步骤一、基于储能SOC的含功率权重分配VSG控制模型的建立

VSG的输出电压幅值可以表示为：

E＝E₀+k_q(Q_ref-Q)+k_u(U_ref-U¹)

其中，E₀和E分别为VSG输出的空载电压幅值和实际电压幅值，k_q和k_u分别为无功调节系数和电压调节系数，Q_ref和Q分别为VSG输出无功功率的参考值和实际值，U_ref和U¹分别为VSG输出电压幅值的参考值和实际值。

假设不考虑VSG实际输出电压跟随参考电压时的静态误差，则VSG输出的有功功率可以表示为：

其中，U为电网线电压的有效值；Δθ＝∫Δωdt为E和U之间的相位差；X为线路感抗。

根据SOC的约束和VSG的调频特性，将参考功率P_ref解构为两个分量，如下式所示，并引入权重系数μ来改变两个分量的占比。

P_ref＝P_SOC+P_VSG＝k_SOCμ(SOC_ref-SOC)+k_ω(1-μ)(ω_s-ω)

其中，ω_s为电网的同步角频率；P_SOC和P_VSG分别表示调节SOC和VSG调频所需要的功率；权重系数μ满足0＜μ＜1；k_SOC(SOC_ref-SOC)和k_ω(ω_s-ω)分别为SOC调节分量和VSG调频分量；SOC_ref是电池的参考荷电状态，设定为50％。当频率或SOC的偏移量达到最大容许值时，为了避免过电流，P_ref应等于VSG的额定功率，因此，k_SOC和k_ω可以表示为：

其中，P_VSG为VSG的额定功率；ω_α和SOC_α为角频率的最大容许偏移量和储能荷电状态的最大容许偏移量，分别取1％和50％。

为了简化分析，可以先忽略阻尼环节，根据以上三个式子可以得出计及储能SOC约束的VSG控制框图。由于无功功率和储能SOC没有耦合关系，故E可以看成是恒量。根据控制框图可以求出控制的特征方程为：

式中，E为VSG的输出电压幅值，U为电网线电压的有效值，X为线路阻抗，E_b和Q_b分别为储能电池的电压和容量，μ为权重系数，ω_s为电网的同步角频率，s为拉普拉斯算子，J为转动惯量，k_ω为角频率的调节系数，k_SOC为储能电池的调节系数。

对特征方程利用根轨迹法分析出μ的取值范围。

步骤二、惯量边界范围的计算

同步发电机的惯性来源于转子中的机械能，而VSG控制中利用转子运动方程模拟出的惯性实质上归功于储能系统中的电势能。同步发电机的转子动能E_K和储能电池的电势能E_C可由下式计算得到：

储能电池中的电势能除了用来支撑VSG调频，还会有一部分用来维持储能SOC，而真正模拟惯性的是用来支撑VSG调频的能量，因此对上式使用能量守恒定律时需要在电势能中扣除维持SOC所用的能量，整理后可以得到计及SOC约束的储能电池的等效惯量J_B,eq为：

式中，J_B,eq为计及储能容量和SOC约束的等效惯量，C_max为储能电池的最大充放电倍率，U_CN为储能电池的额定电压，SOC为储能电荷状态值，SOC_ref为电池的参考荷电状态值，H为惯性时间常数，C_eq为额定运行条件下储能电池的等效容值。

C_eq为额定运行条件下储能电池的等效容值，可通过下式计算得到：

式中，S_CN、I_CN和T_CN分别为储能电池的额定容量、额定电流和额定充放电时间。

惯性时间常数H定义为：同步发电机在额定转矩下从静止启动到额定转速所需的时间。类似地，VSG中的惯性时间常数H即代表了控制过程中惯性的作用时间，可以通过下式计算得到。

式中，S_n为VSG的额定容量。

将步骤一中计算所得权重系数μ的范围代入计及SOC约束的储能电池的等效惯量J_B,eq计算公式中即可计算得出计及储能容量和SOC约束的等效惯量，即惯量的边界范围，而模糊控制中自适应惯量J_A的输出论域满足J_A≤J_B,eq。

步骤三、模糊控制的设计

将系统角频率的变化量Δω和角频率的变化率

作为模糊控制的输入，将输入变量分别量化为13个等级，即{-6,-5,-4,-3,-2,1,0,1,2,3,4,5,6}；输出变量J_A量化为11个等级，即{-5,-4,-3,-2,1,0,1,2,3,4,5}；输出变量D_A量化为6个等级，即{0,1,2,3,4,5}。模糊自适应环节输入和输出量的模糊集均用5个词汇来表示：{NB,NS,Z,PS,PB}。考虑VSG的调频特性，输入量选择三角形隶属度函数，输出量选择“中间高斯、两端π型”的隶属度函数，去模糊化方法选择重心法，制定模糊规则，自适应惯量J_A的输出论域通过步骤二确定。

如图2所示为采用本发明控制方法的实际仿真效果对比图，由图可知，本发明控制方法使VSG控制的惯量和阻尼参数在合理范围内根据要求实时地进行调整来应对功率变化、负荷扰动以及频率偏移，维持微电网频率和输出功率的稳定，有效改善系统频率和功率的动态响应。

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技术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 (7)

1.一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：建立基于储能SOC的含功率权重分配VSG控制模型，得到对应的特征方程并确定权重系数的取值范围；

步骤2：基于权重系数的取值范围计算用于作为自适应惯量的输出论域的计及储能容量和SOC约束的等效惯量并确定自适应惯量的范围；

步骤3：将步骤2中确定的自适应惯量范围作为模糊自适应控制环节中自适应惯量的输出论域，将自适应惯量和模糊自适应控制环节另一输出变量自适应阻尼分别叠加给定的惯量初值和阻尼初值后联合控制VSG；

步骤1中的VSG控制模型中，根据SOC的约束和VSG的调频特性，将参考功率P_ref解构为两个分量，并引入权重系数μ来改变两个分量的占比，参考功率的表达式为：

P_ref＝P_SOC+P_VSG＝k_SOCμ(SOC_ref-SOC)+k_ω(1-μ)(ω_s-ω)其中，ω_s为电网的同步角频率；P_SOC和P_VSG分别表示调节SOC和VSG调频所需要的功率；权重系数μ满足0＜μ＜1；k_SOC(SOC_ref-SOC)和k_ω(ω_s-ω)分别为SOC调节分量和VSG调频分量；SOC_ref是电池的参考荷电状态，设定为50％；当频率或SOC的偏移量达到最大容许值时，为了避免过电流，P_ref等于VSG的额定功率，因此，k_SOC和k_ω分别SOC调节参数和VSG调频参数，表示为：

其中，P_VSG为VSG的额定功率；ω_α和SOC_α为角频率的最大容许偏移量和储能荷电状态的最大容许偏移量，分别为1％和50％；

步骤1中的VSG控制模型，其对应的控制特征方程为：

式中，E为VSG的输出电压幅值，U为电网线电压的有效值，X为线路阻抗，E_b和Q_b分别为储能电池的电压和容量，μ为权重系数，ω_s为电网的同步角频率，s为拉普拉斯算子，J为转动惯量，k_ω为角频率的调节系数，k_SOC为储能电池的调节系数；

步骤2中的计及储能容量和SOC约束的等效惯量，其计算公式为：

式中，J_B,eq为计及储能容量和SOC约束的等效惯量，C_max为储能电池的最大充放电倍率，U_CN为储能电池的额定电压，SOC为储能电荷状态值，SOC_ref为电池的参考荷电状态值，H为惯性时间常数，C_eq为额定运行条件下储能电池的等效容值，

所述等效惯量基于对同步发电机的转子动能E_K和储能电池的电势能E_C采用能量守恒定律时，扣除电势能中维持SOC所用的能量得到，同步发电机的转子动能和储能电池的电势能的表达式为：

其中，C为储能电池的容值，u为电池电压值，J为系统惯量，ω为系统角频率。

2.根据权利要求1所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的角频率的调节系数，其计算公式为：

式中，P_VSG为VSG的额定功率，ω_α为角频率的最大容许偏移量。

3.根据权利要求1所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的储能电池的调节系数，其计算公式为：

式中，SOC_α为储能电荷状态的最大容许偏移量。

4.根据权利要求1所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的额定运行条件下储能电池的等效容值，其计算公式为：

式中，S_CN、I_CN和T_CN分别为储能电池的额定容量、额定电流和额定充放电时间。

5.根据权利要求1所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的惯性时间常数定义为同步发电机在额定转矩下从静止启动到额定转速所需的时间，其计算公式为：

式中，S_n为VSG的额定容量。

6.根据权利要求1所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输入量和输出量的模糊集均采用5个词汇，即{NB,NS,Z,PS,PB}表示，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的去模糊化方法采用重心法。

7.根据权利要求1所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输入量采用三角形隶属度函数，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输出量采用由高斯分布和泊松分布组成的隶属度函数。

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