CN112086962A - 一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，包括以下步骤：步骤S1：根据系统阻尼比要求设计虚拟惯量最小值J _min；步骤S2：根据预测的频率最大偏差量设计虚拟惯量最大值J _max；步骤S3：基于虚拟惯量的最小值和最大值，提出自适应虚拟惯量控制方法。频率偏差和频率变化率乘积同号时，J取最大值；频率偏差和频率变化率乘积异号时，J取最小值。本发明基于虚拟同步发电机控制结构，基于预测的频率最大偏差量，在满足逆变器输出功率不超过额定容量的前提下，利用逆变器参数能够实时调节的优势，增大虚拟惯量的整定区间，从而改善受扰动后系统频率和输出功率的恢复效果。

Description

一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法。

背景技术

随着全球能源危机和环境问题的日益加剧，基于可再生能源的分布式发电系统覆盖率不断提高。但是与同步发电机相比，作为分布式能源与电网连接的枢纽，并网逆变器缺乏惯性和阻尼特性。因此，虚拟同步发电机(VSG)控制策略被提出，通过在逆变器控制算法中加入转子的运动方程，增大系统的惯性，提高了系统对频率和电压的支撑能力。但是常规的VSG无法应对各种复杂的工况，需要对其结构或参数设定加以改进。虚拟惯量系数是VSG有功环中重要的参数，适当增大虚拟惯量可以抑制有功功率和频率的振荡，但是虚拟惯量的大小被逆变器容量和频率额定变化量所限制，逆变器无法充分发挥惯量作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，根据预测的频率最大偏差量，在逆变器输出功率不超过额定容量的前提下，利用逆变器参数方便调节的优势，在不同的时间阶段虚拟惯量设置为最大值或最小值，从而改善频率和输出功率的响应特性。

本发明采用以下方案实现：一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据系统阻尼比要求设计虚拟惯量最小值J_min；

步骤S2：根据预测的频率最大偏差量设计虚拟惯量最大值J_max；

步骤S3：基于虚拟惯量的最小值和最大值，进行自适应虚拟惯量控制；频率偏差和频率变化率乘积同号时，J取最大值；频率偏差和频率变化率乘积异号时，J取最小值。

进一步地，所述步骤S1的具体内容为：

二阶系统阻尼比ζ范围为0.4～0.8，根据阻尼比ζ范围要求，得VSG的虚拟惯量最小值J_min：

式中：D_p为虚拟阻尼；k_i为积分增益；K_pf＝3EU/X，E为分布式电源相电压的有效值，U为公共耦合点的相电压，X为等效输出电抗；ω₀为额定虚拟转子角速度；ζ_max是阻尼比最大值。

进一步地，所述步骤S2的具体内容为：

当VSG系统出现功率不平衡时，根据预测的频率最大偏差量，系统实际所需储能的功率容量P_E表示为：

式中：Δf_p是预测的频率最大偏差量；T_ζmax是阻尼比最大值所对应的系统响应调节时间；由上式得虚拟惯量最大值J_max：

进一步地，所述步骤S3的具体内容为：

VSG有功控制环路的表达式如下所示：

式中：P_ref和P_e为VSG给定有功功率和输出功率；ω为虚拟转子角速度。由上式可知频率的变化率与虚拟惯量成反比；在频率偏差和频率变化率乘积同号时，采用J的最大值J_max，从而限制频率变化率的增加；在频率偏差和频率变化率乘积异号时，采用J的最小值J_min，从而使频率变化率增大，频率能更快恢复稳态；

根据上述分析，当频率偏差量和频率变化率同号,即Δω(dω/dt)>0时，J的表达式如下：

J＝J_maxΔω(dω/dt)＞0

式中：Δω为虚拟转子角速度偏差量；

当频率偏差量和频率变化率异号，即Δω(dω/dt)<0时，J的表达式如下：

J＝J_minΔω(dω/dt)<0。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于频率预测值，在保证系统正常运行的同时，使得逆变器的虚拟惯量拥有更大的整定范围，并在此基础上，利用逆变器参数实时可变的特点，提出了自适应虚拟惯量控制方法。所提自适应参数控制方法与固定参数方法相比，在受到相同扰动下，逆变器的频率和输出功率的超调量和调节时间都相应减少，动态性能得到改善。

附图说明

图1为本发明实施例的虚拟同步发电机的有功环控制框图。

图2为本发明实施例的为不同控制方法下虚拟同步机输出频率的效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据系统阻尼比要求设计虚拟惯量最小值J_min；

步骤S2：根据预测的频率最大偏差量设计虚拟惯量最大值J_max；

步骤S3：基于虚拟惯量的最小值和最大值，进行自适应虚拟惯量控制；频率偏差和频率变化率乘积同号时，J取最大值；频率偏差和频率变化率乘积异号时，J取最小值。

在本实施例中，所述步骤S1的具体内容为：

二阶系统阻尼比ζ范围为0.4～0.8，根据阻尼比ζ范围要求，可得VSG的虚拟惯量最小值J_min：

式中：D_p为虚拟阻尼；k_i为积分增益；K_pf＝3EU/X，E为分布式电源相电压的有效值，U为公共耦合点的相电压，X为等效输出电抗；ω₀为额定虚拟转子角速度；ζ_max是阻尼比最大值。

在本实施例中，所述步骤S2的具体内容为：

当VSG系统出现功率不平衡时，根据预测的频率最大偏差量，系统实际所需储能的功率容量P_E可表示为：

式中：Δf_p是预测的频率最大偏差量。T_ζmax是阻尼比最大值所对应的系统响应调节时间。由上式可得虚拟惯量最大值J_max：

在本实施例中，所述步骤S3的具体内容为：

VSG有功控制环路的表达式如下所示：

式中：P_ref和P_e为VSG给定有功功率和输出功率；ω为虚拟转子角速度。由上式可知频率的变化率与虚拟惯量成反比。在频率偏差和频率变化率乘积同号时，采用J的最大值J_max，从而限制频率变化率的增加；在频率偏差和频率变化率乘积异号时，采用J的最小值J_min，从而使频率变化率增大，频率能更快恢复稳态。

根据上述分析，当频率偏差量和频率变化率同号,即Δω(dω/dt)>0时，J的表达式如下：

J＝J_maxΔω(dω/dt)＞0

式中：Δω为虚拟转子角速度偏差量；

当频率偏差量和频率变化率异号，即Δω(dω/dt)<0时，J的表达式如下：

J＝J_minΔω(dω/dt)<0。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本实施例基于频率预测值，在保证系统正常运行的同时，使得逆变器的虚拟惯量拥有更大的整定范围，并在此基础上，利用逆变器参数实时可变的特点，提出了自适应虚拟惯量控制方法。所提自适应参数控制方法与固定参数方法相比，在受到相同扰动下，逆变器的频率和输出功率的超调量和调节时间都相应减少，动态性能得到改善。

较佳的，采用以下范例来说明具体实施方法。

1)基于虚拟同步发电机的有功环控制方程，如图1所示和系统的参数设置如表1所示，可得J_min＝0.002kg·m²。

表1

2)在孤岛模式下，初始时刻VSG接入有功负载2kW，0.6s时负载突增至10kW，频率的最低值为49.86Hz。对于自适应虚拟惯量控制方法，取Δf_p＝0.14Hz，可得J_max＝0.5kg·m²。

各种控制策略的效果如图2所示。当采用固定惯量控制策略时，频率的超调量和调节时间较大，分别0.36％和0.5s。当采用自适应虚拟惯量控制策略时，其超调量为0.22％，调节时间明显减少至0.15s。本实施例能使VSG的频率和输出有功在受扰动后更快恢复稳定，提高系统运行的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：根据系统阻尼比要求设计虚拟惯量最小值J_min；

步骤S2：根据预测的频率最大偏差量设计虚拟惯量最大值J_max；

步骤S3：基于虚拟惯量的最小值和最大值，进行自适应虚拟惯量控制；频率偏差和频率变化率乘积同号时，J取最大值；频率偏差和频率变化率乘积异号时，J取最小值。

2.根据权利要求1所述的一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于：所述步骤S1的具体内容为：

二阶系统阻尼比ζ范围为0.4～0.8，根据阻尼比ζ范围要求，得VSG的虚拟惯量最小值J_min：

式中：D_p为虚拟阻尼；k_i为积分增益；K_pf＝3EU/X，E为分布式电源相电压的有效值，U为公共耦合点的相电压，X为等效输出电抗；ω₀为额定虚拟转子角速度；ζ_max是阻尼比最大值。

3.根据权利要求1所述的一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于：所述步骤S2的具体内容为：

当VSG系统出现功率不平衡时，根据预测的频率最大偏差量，系统实际所需储能的功率容量P_E表示为：

式中：Δf_p是预测的频率最大偏差量；T_ζmax是阻尼比最大值所对应的系统响应调节时间；由上式得虚拟惯量最大值J_max：

4.根据权利要求1所述的一种基于频率预测的自适应虚拟惯量控制方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：

VSG有功控制环路的表达式如下所示：

式中：P_ref和P_e为VSG给定有功功率和输出功率；ω为虚拟转子角速度；由上式知频率的变化率与虚拟惯量成反比；在频率偏差和频率变化率乘积同号时，采用J的最大值J_max，从而限制频率变化率的增加；在频率偏差和频率变化率乘积异号时，采用J的最小值J_min，从而使频率变化率增大，频率能更快恢复稳态；

根据上述分析，当频率偏差量和频率变化率同号,即Δω(dω/dt)>0时，J的表达式如下：

J＝J_max Δω(dω/dt)＞0

式中：Δω为虚拟转子角速度偏差量；

当频率偏差量和频率变化率异号，即Δω(dω/dt)<0时，J的表达式如下：

J＝J_min Δω(dω/dt)<0。

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