CN111756054A - 基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的vsg控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，通过引入给定功率变化比例K_P，将角频率的偏移量Δω作为惯量是否切换的判断依据，结合K_P的值选择相应的惯量，进而实现惯量的自适应调节；根据阈值判定角频率变化率是否超出设定范围自适应调节虚拟阻抗，通过虚拟阻抗的自适应改变加速VSG系统的频率调节，提高VSG的稳定性。本发明所提出的VSG控制方法具有应对给定输入有功功率、负荷突变时频率的波动速率问题的能力，并兼具解决惯量和频率响应速度的矛盾问题的能力。

Description

基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的虚拟同步发电机控制方法。

背景技术

随着环境问题的日益凸显与化石能源的逐渐枯竭，新能源发电受到越来越多的关注，因此可再生能源的发电单元将会成为电力系统中最重要的电源之一。可再生能源通常采用接口逆变器连接微电网。由于电力电子设备几乎不存在有利于系统稳定的惯性和阻尼能力，使得微电网中的旋转备用和惯量随着可再生能源渗透率的增加而显著降低，进而在负荷扰动后更易出现较大的频率波动。

下垂控制是微电网中最常用的DG控制方法。它通过跟踪电压幅度和频率的参考信号，由逆变器调节下垂控制器的输出电压和频率，并合理分配有功和无功功率。然而，在实施过程中下垂控制缺乏旋转惯性，使其难以提供必要的阻尼和频率支持。为了解决上述问题，虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)可以模拟同步发电机的频率和电压的调节原理，以提高系统的稳定性。VSG结合了同步发电机和逆变器的特点，它非常适合用于微电网，且已被广泛接受。

目前，针对VSG技术，已经在低电压穿越、二次调频、孤岛检测等诸多方面展开了深入的研究，并取得了丰硕的成果。然而在VSG惯性调节方面，大多数研究仅考虑到频率的波动范围大小的问题，但是鲜有涉及频率响应速度的考虑。如何在提高VSG在信号干时的稳定性的情况下，同时顾及频率响应速度，如何充分挖掘VSG系统本身的控制优势，解决VSG频率稳定性和响应速度之间的矛盾问题，是VSG并网控制策略能否可靠高效运行的关键。这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提出了基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，充分挖掘VSG系统本身的控制优势，从惯量和虚拟阻抗两个角度出发，达到调节VSG系统惯性同时兼顾频率响应速度的目的；当给定输入功率、负荷出现干扰时，可以提高VSG的稳定性。

本发明所采用的技术方案如下：

基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，通过引入给定功率变化比例K_P，将角频率的偏移量Δω作为惯量是否切换的判断依据，结合K_P的值选择相应的惯量，进而实现惯量的自适应调节；

根据阈值判定角频率变化率是否超出设定范围自适应调节虚拟阻抗，通过虚拟阻抗的自适应改变加速VSG系统的频率调节，提高VSG的稳定性。

进一步，所述惯量自适应调节的方法为：

设定VSG输出虚拟角频率的阈值C₁，根据角频率的偏移量Δω与阈值C₁之间的关系作为惯量是否切换的判断依据，结合K_P的值选择相应的惯量，得到惯量的自适应公式：

其中，J是自适应调节后的惯量，J₀为VSG正常并网运行时的惯量值；K_J为惯量变化敏感系数；|K_P|为给定功率变化率的绝对值；t为时间变量，ω为VSG输出虚拟角频率；偏移量Δω＝ω-ω_N，ω_N为额定角频率；C₁为VSG输出虚拟角频率的阈值。

进一步，所述惯量变化敏感系数表示为：

采用惯量变化敏感系数K_J缓冲dω/dt的变化趋势，(dω/dt)_max为dω/dt的上限值，J_max是J的稳定上限，

P₀为有功功率的容量值；

进一步，所述虚拟阻抗的自适应调节方法包括三级判断，第一级判断根据角频率变化比例三次方大小，为虚拟阻抗的补偿量设计正值和负值。

第二级判断根据ΔP的正负，决定虚拟阻抗的补偿量的正负值；

第三级判断根据角频率的变化量信号与VSG的并网信号决定是否对虚拟阻抗进行补偿。

进一步，第一级判断中，对可变权重分母取正值，使虚拟阻抗的补偿量可以根据ω变化自动调节正负、大小；通过α调节可变权重对虚拟阻抗的影响，避免虚拟阻抗的补偿量的过补偿。

进一步，第二级判断中，满足K_P≠0、ΔP>0时，即P_e从初始值变化，未追踪到P_set时，补偿负的虚拟阻抗的补偿量，加快VSG输出功率的增加速度；满足K_P＝0、ΔP>0时，即P_e从初始值变化，逐渐减小而偏离P_set时，补偿正的虚拟阻抗的补偿量，减缓VSG输出功率的增加速度；满足K_P≠0、ΔP<0时，即P_e追踪到P_set时，由于惯性，P_e继续增大时，补偿正的虚拟阻抗的补偿量，加快VSG输出功率的减小速度；满足K_P＝0、ΔP<0时,即P_e恢复到P_set时，由于惯性，P_e继续增大时，补偿负的虚拟阻抗的补偿量，减缓VSG输出功率的增加速度，其中，P_set为初始给定有功功率；P’_set为扰动时的给定有功功率，ΔP是P_set与P_e的差值。

进一步，第三级判断是通过设定角频率变化阈值，当角频率变化量超过阈值时，触发角频率变化量信号，允许补偿虚拟阻抗，同时考虑并网信号，防止VSG启动阶段进行频率调节时误触发允许补偿虚拟阻抗信号。

本发明的有益效果：

1、本发明提供了基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，该方法可以应对给定输入有功功率、负荷突变时频率的波动速率问题，并兼具解决惯量和频率响应速度的矛盾问题。

2、给定输入有功功率、负荷突变时，本发明可以控制虚拟阻抗自适应，而不影响系统功率解耦效果。

附图说明

图1为现有技术中VSG系统控制框图；

图2为本发明基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法流程框图；

图3为本发明惯量自适应控制方法框图；

图4为本发明虚拟阻抗自适应控制方法框图；

图5为加入虚拟阻抗的VSG并网系统；

图6为给定功率突增时加入虚拟阻抗的VSG系统电压矢量关系图；

图7为负荷切出时加入虚拟阻抗的VSG系统电压矢量关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示是VSG控制系统，该系统包括瞬时功率计算模块、VSG控制模块、电流环参考电压计算模块、电流环控制模块和脉冲信号产生模块。其中，瞬时功率计算模块包括瞬时功率控制器，用于采用瞬时功率控制算法对并网点采集到的电压、电流进行计算后得到参考有功功率和参考无功功率。VSG控制模块包括VSG算法控制器，用于根据所述参考有功功率和参考无功功率进行控制后，得到参考电压。电流环参考电压计算模块包括虚拟阻抗模块，用于将得到的参考电压与虚拟阻抗上的电压作差后，得到输入电流环的参考电压。电流环控制模块包括电流环，用于根据所述电流环参考电压进行控制，得到脉冲信号产生模块的参考电压。脉冲信号产生模块包括SVPWM控制模块，用于根据所述电流环模块输送的三相电压信号产生控制逆变器的脉冲信号。

本发明为了实现惯量和虚拟阻抗协同自适应提出了如图2所示的基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，通过引入给定功率变化比例K_P，将角频率的偏移量Δω作为惯量是否切换的判断依据，结合K_P的值选择相应的惯量，进而实现惯量的自适应调节；

根据阈值判定角频率变化率是否超出设定范围自适应调节虚拟阻抗，通过虚拟阻抗角的自适应改变加速VSG系统的频率调节，提高VSG的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有应对给定输入有功功率、负荷突变时频率的波动速率的能力，并兼具解决惯量和频率响应速度的矛盾问题的能力。

结合附图2，本发明实现惯量的自适应的方法为：

S1，给定功率变化比例K_P表示为：

其中，P_set为初始给定有功功率；P’_set为扰动时的给定有功功率。

S2，设定VSG输出虚拟角频率的阈值C₁，根据角频率的偏移量Δω与阈值C₁之间的关系作为惯量是否切换的判断依据，结合K_P的值选择相应的惯量，得到惯量的自适应公式：

其中，J是惯量，J₀为VSG正常并网运行时的惯量值；K_J为惯量变化敏感系数；|K_P|为给定功率变化率的绝对值；t为时间变量，ω为VSG输出虚拟角频率；偏移量Δω＝ω-ω_N，ω_N为额定频率；C₁为VSG输出虚拟角频率的阈值；采用阈值C₁判定Δω的值，可以减少由检测等过程中可能具有的细微误差造成的ω值变动，保证了稳态时系统的稳定性。当ω的波动小于C₁时，VSG系统的惯量依然取值J₀；当ω的波动大于C₁时，VSG系统的惯量依据ω的变化量及变化率做出改变，并考虑给定功率的变化比例，获得给定功率扰动越大，惯量越高的效果。

因为在小信号干扰的瞬间，dω/dt的变化很大，所以需要利用系数K_J缓冲dω/dt的变化趋势，给dω/dt设置一个上限值，记为(dω/dt)_max，同时考虑J的稳定上限J_max，可以设计K_J的取值函数：

因为惯量J的本质和能量有关，所以J_max的设定要考虑微网系统的功率容量。以频率变化10％，输出功率达到容量值来计算J_max：

可得K_J的表达式：

其中，P₀为有功功率的容量值。通过分析加入虚拟阻抗的VSG系统电压矢量关系，探索虚拟阻抗对VSG在给定输入功率干扰与负荷干扰情况下的惯性调节作用。

典型的虚拟阻抗控制相当于是以参考电压减去虚拟阻抗上的压降作为微电源的参考值。为了便于分析，将虚拟阻抗上的电压取相反数，可得表达式：

其中，E^*为输入到电流环的给定电压相量；E为VSG算法模块输出的参考电压相量；E_v为虚拟阻抗上的电压相量；i_g是并网电流相量；Z_v是虚拟阻抗相量。

如图5所示，为简化分析，忽略电压、电流双闭环控制，认为控制系统能够实时跟踪到式(6)所给定的参考值，进一步可以得到加入虚拟阻抗的VSG并网系统。其中，L_v、R_v是引入到VSG系统的虚拟电感和虚拟电阻；L_eq、R_eq是VSG与电网之间的等效电感和电阻；u_g表示电网电压相量。可以看出所加入的虚拟阻抗相当于是与VSG输出电压和电网电压之间传输线路的阻抗相串联。

由于ωL_v>>R_v,所以虚拟阻抗角近似为90°，则在空间上E_v与i_g近似垂直。以给定功率突增、负荷切出作为信号干扰为例，由式(6)可以得到给定功率突增、负荷切出时加入虚拟阻抗的VSG系统电压矢量关系。

具体的，如图6所示给定功率突增时加入虚拟阻抗的VSG系统电压矢量关系图。其中E₁、E^* ₁、E_v1分别为给定功率扰动时VSG控制算法模块输出的电压相量、VSG输入电流环的电压相量、虚拟阻抗上的电压相量；E₂、E^* ₂、E_v2分别为VSG恢复稳态时VSG控制算法模块输出的电压相量、输入到电流环的电压相量、虚拟阻抗上的电压相量；E₃、E^* ₃、E_v3分别为E₁向E₂过渡时的过渡电压相量、E^* ₁向E^* ₂过渡时的过渡电压相量、为E_v1向E_v2过渡时的过渡电压相量。从图6中可以看出，在系统出现给定功率干扰时，由于VSG输出的频率ω将出现震荡，VSG输入到电流环的电压，由稳态时的E^*变为暂态电压E^* ₁，虚拟阻抗上的稳态电压E_v同样变为暂态电压E_v1。在系统内部控制规则作用下，暂态电压E^* ₁逐渐过渡到新的稳态电压E^* ₂，这个过渡时间内，VSG输出频率将一直出现偏离额定频率ω_N的现象。VSG算法中有功环算法可以描述为

其中，D_q为有功-频率下垂系数。

具体的，由式(7)可知，当给定功率P_set发生变化时，VSG将改变输出功率P_e追踪P_set，由于P_e稍滞后于P_set，所以ω将出现波动以补偿P_set与P_e的差值ΔP。然而，从图6中可以看出，暂态电压E^* ₁在逐渐过渡到新的稳态电压E^* ₂的过程中，与虚拟阻抗上的电压息息相关。如果在此暂态过程中，适当减小虚拟阻抗的值，改变虚拟阻抗角的大小，使E_v1加速过渡到E_v3，则可以使E^* ₁加速过渡到E^* ₃，则VSG输出的有功功率将加速追踪P_set，所以ω的波动将减小。其中，P_e为：

其中，U_g为电网电压幅值；Z为VSG系统到电网的输出阻抗；δ为功角。

具体的，如图7所示负荷切出时加入虚拟阻抗的VSG系统电压矢量关系图。其中E₄、E^* ₄、E_v4分别为负载切出瞬间与角频率反向波动瞬间之间过程的VSG控制算法模块输出的电压相量、VSG输入电流环的电压相量、虚拟阻抗上的电压相量；E₅、E^* ₅、E_v5分别为负载切出时角频率反向波动瞬间VSG控制算法模块输出的电压相量、VSG输入电流环的电压相量、虚拟阻抗上的电压相量。在系统出现负荷干扰时，VSG的输出功率将会发生变化，导致VSG输出的频率ω将出现震荡，VSG输入到电流环的电压，由稳态时的E^*变为暂态电压E^* ₅，虚拟阻抗上的稳态电压E_v同样变为暂态电压E_v5。在系统内部控制规则作用下，暂态电压E^* ₅逐渐恢复到稳态电压E^*，这个过渡时间内，VSG输出频率将一直出现偏离额定频率ω_N的现象。由式(7)可知，当功率P_e发生变化时，VSG将改变输出频率ω以补偿P_set与P_e的差值ΔP。然而，从图7中可以看出，暂态电压E^* ₅在逐渐恢复到稳态电压E^*的过程中，与虚拟阻抗上的电压息息相关。如果在此暂态过程中，适当增加虚拟阻抗的值，改变虚拟阻抗角的大小，使E_v5加速恢复到E_v4，则可以使E^* ₅加速过渡到E^* ₄，则VSG输出的有功功率将加速恢复到P_set，所以ω的波动将减小。

根据虚拟阻抗在VSG中的作用，在上述惯量的自适应调节的基础上，本发明为了提高VSG的稳定性，基于VSG的一次调频特性，本发明采用如图3所示的虚拟阻抗自适应调节：

由于ωL_v>>R_v，适当改变L_v，可使虚拟阻抗角随之改变而不影响功率解耦效果。将Δω作为变化量，可以写出自适应虚拟电感的函数式：

其中，L_v0表示虚拟电感初始值；ΔL_vH表示虚拟电感变化量的最大值。dω/dt表示VSG角频率的变化率；α为虚拟电感补偿值调节系数；C₂表示角频率变化率阈值。

将有功功率、负荷变化的影响统一到频率上，可以设计α：

其中，k_α是常数。

在选择α时，应该综合考虑各影响因素，得到较优的自适应函数式，从而在保证系统功率解耦效果的情况下，尽可能地减小在暂态过程中输出频率和功率的变化幅值以及调节时间。

本文提出的这种新型的自适应虚拟阻抗调节惯性方法具有以下的特点：

a.当微电网稳定运行，系统中没有大的扰动时，采用传统的虚拟阻抗数值，VSG运行满足功率的要求；

b.当系统中出现较大的给定功率、负荷扰动，系统的频率偏移大于设定数值，为了减少系统的频率变化带来的问题，在虚拟电感变化量的最大值上附加一个可变权重，作用到初始虚拟阻抗上，实现自适应虚拟阻抗；

c.在新的自适应虚拟阻抗调节方法启动一定时间之后，系统趋于稳定，频率开始恢复到稳定数值，此时恢复传统虚拟阻抗方法。

具体的，如图6所示虚拟阻抗自适应控制方法框图。本方法包括三级判断，其中第一级判断部分根据角频率变化比例三次方大小，为虚拟阻抗的补偿量设计正值和负值。对可变权重分母取正值，使虚拟阻抗的补偿量可以根据ω变化自动调节正负、大小。而α的设计可以调节可变权重对虚拟阻抗的影响，避免虚拟阻抗的补偿量的过补偿；第二级判断部分根据ΔP的正负，决定虚拟阻抗的补偿量的正负值。在满足K_P≠0、ΔP>0时，也即P_e从初始值变化，还没有追踪到到P_set时，补偿负的虚拟阻抗的补偿量，加快VSG输出功率的增加速度；在满足K_P＝0、ΔP>0时，也即P_e从初始值变化，逐渐减小而偏离P_set时，补偿正的虚拟阻抗的补偿量，减缓VSG输出功率的增加速度；在满足K_P≠0、ΔP<0时，也即P_e追踪到P_set时，由于惯性，P_e继续增大时，补偿正的虚拟阻抗的补偿量，加快VSG输出功率的减小速度；在满足K_P＝0、ΔP<0时,也即P_e恢复到P_set时，由于惯性，P_e继续增大时，补偿负的虚拟阻抗的补偿量，减缓VSG输出功率的增加速度。第三级判断部分根据角频率的变化量信号与VSG的并网信号决定是否对虚拟阻抗进行补偿。设定角频率变化阈值，当角频率变化量超过阈值时，触发角频率变化量信号，允许补偿虚拟阻抗，同时考虑并网信号，防止VSG启动阶段进行频率调节时误触发允许补偿虚拟阻抗信号。

S3、VSG并网信号与VSG输出角频率超过惯量自适应控制方法所设定的阈值信号相与作为自适应信号Singnal1，自适应信号Singnal1控制惯量自适应控制方法的切换，VSG并网信号与VSG输出角频率超过虚拟阻抗自适应控制方法所设定的阈值信号相与作为自适应信号Singnal2，自适应信号Singnal2控制虚拟阻抗自适应控制方法的切换。

具体的，如图7所示，自适应信号Singnal1控制惯量自适应控制方法的切换，自适应信号Singnal2控制虚拟阻抗自适应控制方法的切换，以应对给定输入有功功率、负荷突变时频率的波动速率问题，并兼具解决惯量和频率响应速度的矛盾问题，进一步提高VSG系统惯性调节能力。值的一提的是，本方法中的C₁、C₂可以独立设计，根据系统设计需要，合理设计C₁、C₂的值可以优化系统的响应性能，提高系统的稳定性。

S4、在系统稳定运行时，惯量与虚拟阻抗均保持额定值，惯量自适应控制方法和虚拟阻抗自适应控制方法均不作用。

S5、当给定输入功率、负荷出现干扰时，判断VSG输出角频率的变化量与变化率，在VSG输出角频率的变化量超过惯量自适应控制方法所设定的阈值时，采用惯量自适应控制方法；在VSG输出角频率的变化率超过虚拟阻抗自适应控制方法所设定的阈值时，采用虚拟阻抗自适应控制方法。

S6、在VSG输出角频率的变化量和变化率小于对应的阈值时，分别切除惯量自适应控制方法和虚拟阻抗自适应控制方法。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，其特征在于，通过引入给定功率变化比例K_P，将角频率的偏移量Δω作为惯量是否切换的判断依据，结合K_P的值选择相应的惯量，进而实现惯量的自适应调节；

根据阈值判定角频率变化率是否超出设定范围自适应调节虚拟阻抗，通过虚拟阻抗角的自适应改变加速VSG系统的频率调节，提高VSG的稳定性。

2.根据权利要求1所述的基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，其特征在于，所述惯量自适应调节的方法为：

设定VSG输出虚拟角频率的阈值C₁，根据角频率的偏移量Δω与阈值C₁之间的关系作为惯量是否切换的判断依据，结合K_P的值选择相应的惯量，得到惯量的自适应公式：

其中，J是自适应调节后的惯量，J₀为VSG正常并网运行时的惯量；K_J为惯量变化敏感系数；|K_P|为给定功率变化比例的绝对值；t为时间变量，ω为VSG输出虚拟角频率；偏移量Δω＝ω-ω_N，ω_N为额定角频率；C₁为VSG输出虚拟角频率的阈值。

3.根据权利要求2所述的基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，其特征在于，所述惯量变化敏感系数表示为：

采用惯量变化敏感系数K_J缓冲dω/dt的变化趋势，(dω/dt)_max为dω/dt的上限值，J_max是J的稳定上限，

P₀为有功功率的容量值。

4.根据权利要求1所述的基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，其特征在于，所述虚拟阻抗的自适应调节方法包括三级判断，分别是：

第一级判断根据角频率变化比例三次方大小，为虚拟阻抗的补偿量设计正值和负值；

第二级判断根据ΔP的正负，决定虚拟阻抗的补偿量的正负值；

第三级判断根据角频率的变化量信号与VSG的并网信号决定是否对虚拟阻抗进行补偿。

5.根据权利要求4所述的基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，其特征在于，第一级判断中，对可变权重分母取正值，使虚拟阻抗的补偿量可以根据ω变化自动调节正负、大小；通过α调节可变权重对虚拟阻抗的影响，避免虚拟阻抗的补偿量的过补偿。

6.根据权利要求4所述的基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，其特征在于，第二级判断中，满足K_P≠0、ΔP>0时，即P_e从初始值变化，未追踪到P_set时，补偿负的虚拟阻抗的补偿量，加快VSG输出功率的增加速度；满足K_P＝0、ΔP>0时，即P_e从初始值变化，逐渐减小而偏离P_set时，补偿正的虚拟阻抗的补偿量，减缓VSG输出功率的增加速度；满足K_P≠0、ΔP<0时，即P_e追踪到P_set时，由于惯性，P_e继续增大时，补偿正的虚拟阻抗的补偿量，加快VSG输出功率的减小速度；满足K_P＝0、ΔP<0时,即P_e恢复到P_set时，由于惯性，P_e继续增大时，补偿负的虚拟阻抗的补偿量，减缓VSG输出功率的增加速度，其中，P_set为初始给定有功功率；P’_set为扰动时的给定有功功率，ΔP是P_set与P_e的差值。

7.根据权利要求4所述的基于惯量和虚拟阻抗协同自适应的VSG控制方法，其特征在于，第三级判断是通过设定角频率变化阈值，当角频率变化量超过阈值时，触发角频率变化量信号，允许补偿虚拟阻抗，同时考虑并网信号，防止VSG启动阶段进行频率调节时误触发允许补偿虚拟阻抗信号。

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