CN112134500A - 一种基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，在分析经典的二阶同步发电机暂态数学模型的基础上，将传统同步发电机的惯量和阻尼特性引入到虚拟同步发电机逆变器的控制算法中，与传统大型同步发电机固定参数相比，该发明的最大优势为参数可以自由变化，增加了VSG的自由度；以系统的转子频率变化率及变化量作为输入，并根据虚拟惯量、虚拟阻尼分别与系统转子频率变化率及变化量之间的关系设计出虚拟惯量和阻尼的模糊规则，通过模糊控制来达到两个参数协同自适应控制的目的，使系统在受到外界扰动时能够自适应调节从而保证系统的稳定性。

Description

一种基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法

技术领域

本发明涉及新能源电力系统与微电网技术领域，尤其是涉及一种基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法。

背景技术

目前针对微电网并网技术的逆变器控制策略大多数是通过逆变器模拟同步发电机的运行机理，引入同步发电机的机械特性、电气特性等外特性，使逆变器具有类似于同步发电机的转动惯量和阻尼特性，从而达到提高逆变器输出电能质量的目的。现有的微电网中基于虚拟同步发电机参数自适应控制的方法大多数集中在对有功-频率环引入的虚拟惯量、虚拟阻尼参数的设计上，而这些控制方法一般采用的是单一的参数自适应控制策略，尤其是针对基于模糊控制的虚拟惯量、虚拟阻尼自适应控制策略，无法够充分利用虚拟同步发电机技术中参数可自由调节的这一优势，进而无法有效抑制系统的频率变化过快和偏移过大的问题。

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模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，该方法将同步发电机中的转子运动机制引入到VSG的逆变器外环控制中，根据系统转子运动的动态特性及逆变器自身条件的限制，对虚拟同步发电机的逆变器参数建立模糊控制模型，根据一个振荡周期内系统转子频率变化量、变化率与虚拟惯量和虚拟阻尼之间的关系，分别以频率变化率及变化量为输入变量，通过模糊化、模糊控制推理及去模糊化操作，输出对应的虚拟惯量变化量、虚拟阻尼变化量，实现参数自适应变化。

根据系统转子运动的动态特性及逆变器自身条件的限制，对虚拟同步发电机的逆变器参数建立模糊控制模型的具体流程包括：

S1：判断系统是否处于稳定状态，若是，则输出虚拟惯量变化量为虚拟惯量的初始值、虚拟阻尼变化量为虚拟阻尼的初始值，否则，执行下一步；

S2：建立虚拟同步发电机的逆变器参数模糊控制模型，根据VSG功角振荡曲线，分别获取转子角频率的变化率、瞬时角频率与额定角频率的差值与虚拟惯量、虚拟阻尼之间的关系；

具体地：获取模拟扰动下VSG功角曲线和一个振荡周期的频率变化曲线，获取频率变化率和瞬时角频率与额定角频率的差值，根据频率变化率和瞬时角频率与额定角频率的差值建立虚拟惯量、阻尼的模糊自适应参数控制策略：

在模拟扰动下VSG功角曲线中，当某时间区间内，虚拟转子角速度的变化率dω/dt先突增再逐渐减小，而虚拟转子角速度大于电网额定角速度且不断增加，则在该区间内增大转动惯量和阻尼系数抑制dω/dt和瞬时角频率与额定角频率的差值Δω过大，此区间内dω/dt＞0,Δω＞0；当虚拟转子角速度的变化率dω/dt＜0，转子角速度开始从极大值逐渐减小，而转子角速度仍大于电网角速度，则在此时间段内减小转动惯量；当虚拟转子角速度的变化率dω/dt＜0，且dω/dt先突减再逐渐减小，转子角速度向极小值逐渐减小，转子角速度小于电网角速度，则在此时间段内减小转动惯量；当虚拟转子角速度的变化率dω/dt＞0,Δω＞0，且dω/dt逐渐增大，转子角速度小于电网角速度，则在此时间段内增大转动惯量和阻尼系数。

S3：利用获取的上述关系分别建立虚拟惯量、虚拟阻尼的模糊控制规则，根据模糊变化输出虚拟惯量变化量、虚拟阻尼变化量，使虚拟惯量和虚拟阻尼自适应变化；

S4：将步骤S3应用至逆变器控制策略中的有功-频率控制环中，获取实际同步发电机的转动惯量及与阻尼转矩相对应的阻尼系数；

S5：输出实际同步发电机的转动惯量及与阻尼转矩相对应的阻尼系数。

通过模糊化、模糊控制推理及去模糊化操作，输出对应的虚拟惯量变化量、虚拟阻尼变化量的具体步骤包括：

a)采集额定角频率ω₀与逆变器输出的实际角频率ω，获取瞬时角频率与额定角频率的差值Δω及其对时间的导数dω/dt，将Δω和dω/dt经过零阶保持器后的值e’、e’_c作为模糊控制器的输入，并对输入信号e’、e’_c做线性尺度变换得到输入变量E’、E’_C，并在各自论域内进行模糊分割，分别确定E’、E’_C的隶属度函数，使之成为模糊输入量E*、E*_C；

b)建立模糊规则，对模糊输入量E*、E*_C进行模糊推理并得出在相应论域内的模糊输出U*，对模糊输出进行反模糊变换得到模糊输出的精确值U，并对U进行反向线性尺度变换后得到实际输出u；

c)取采样周期为T，重复步骤a)、b)，自适应调节虚拟惯量和虚拟阻尼。

本发明提供的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

一、本发明引入的虚拟惯量和虚拟阻尼可自由改变，增加了虚拟同步发电机的自由度，与此同时，本发明提出的通过模糊控制来实现虚拟惯量、阻尼在系统扰动时协同自适应变化，使系统频率在受到外界扰动时能够自适应调整，使系统频率快速恢复，有效地缩短了系统的暂态特性，保证系统的稳定性。

二、本发明采用模糊控制，可以根据非线性系统的相应误差，对虚拟阻尼、虚拟惯量进行在线实时调整其参数值，从而达到参数可以自适应调节的目的；且采用模糊控制不需要建立复杂的数学模型，只需将控制行为规律用模糊语言固化为模糊控制规则，从而进行控制即可，模糊控制方法灵活且适应性强。

三、本发明通过模拟同步发电机组的机电暂态特性，使采用逆变器的电源具有同步发电机组的惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网外特性的技术，因此，无需对电网大规模进行改造，不仅具有较强的实用性，且节约成本。

附图说明

图1为实施例中基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法的整体控制框图；

图2为实施例逆变器控制策略中无功-电压控制策略图；

图3为实施例逆变器控制策略中有功-频率控制策略图；

图4为实施例中扰动下的虚拟同步发电机功角振荡曲线图；

图5为本发明方法中虚拟同步发电机参数自适应控制流程示意图；

图6为本发明方法中虚拟惯量、阻尼模糊控制过程示意图；

图7为实施例中虚拟惯量模糊控制三维图；

图8为实施例中虚拟惯量模糊控制规则动态图；

图9为实施例中虚拟阻尼模糊控制规则动态图；

图10为实施例中虚拟阻尼模糊控制三维图。

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。

实施例

本发明提供一种基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，该方法在分析经典的二阶同步发电机暂态数学模型的基础上，将传统同步发电机的惯量和阻尼特性引入到虚拟同步发电机逆变器的控制算法中，与传统大型同步发电机固定参数相比，本发明的最大优势为参数可以自由变化，增加了VSG的自由度。以系统的转子频率变化率及变化量作为输入，并根据虚拟惯量、虚拟阻尼分别与系统转子频率变化率及变化量之间的关系设计出虚拟惯量和阻尼的模糊规则，通过模糊控制来达到两个参数协同自适应控制的目的，使系统在受到外界扰动时能够自适应调节从而保证系统的稳定性。

图1为本发明基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法的整体控制框图，根据图1所述，由虚拟原动机提供的虚拟机械功率P_m和VSG输出的实际功率P_e经过VSG本体算法输出电角度θ与虚拟励磁控制器输出的虚拟励磁电动势幅值E_m经过VSG三项给定电压计算得到abc三项参考电压，经过电压、电流控制后输出三相调制波电流，最终经过空间矢量脉宽调制(SVPWM)发生器来控制逆变器开关管的开通，实现对VSG系统的控制。其中，VSG本体算法中的虚拟惯量、虚拟阻尼通过模糊控制规则来控制其值的变化。本发明方法是将同步发电机中的转子方程引入到VSG的逆变器外环控制策略中，进而控制逆变器的输出频率。逆变器控制策略中无功-电压控制策略、有功-频率控制环如图2、图3所示。图2、图3为并网逆变器采用虚拟同步发电机技术所引入的功率控制结构框图，图2为无功-电压控制，图3为有功-频率控制框图，使采用逆变器的电源具有同步发电机组的惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网外特性的技术，但该技术采用的是固定的惯量和阻尼值，无法在系统受到扰动时改变参数进行实时调节，本发明在此基础上对所引入的虚拟惯量、阻尼进行模糊控制，从而达到参数可自适应变化的目的。

假设同步发电机的极对数为1，则同步发电机的机械角速度等于电气角速度，转子运动方程表达式如下：

其中，T_m为同步发电机的机械转矩，T_e为同步发电机的电磁转矩；ω为同步发电机的瞬时角频率，Δω为瞬时角频率与额定角频率的差值。J为同步发电机的转动惯量，单位为kg·m²；D为与阻尼转矩相对应的阻尼系数，单位为N·m·s/rad。将式(1)变形可得如下式：

由式(2)可知，当T_m-T_e-DΔω一定时，J越大，dω/dt就越小，当T_m-T_e-Jdω/dt一定时，D越大，Δω也越小；即角速度变化率与转动惯量成反比，角速度偏差与阻尼成反比。理论上分析当系统受到扰动时，J越大，角频率变化率dω/dt也就越小，对系统频率波动的抑制效果也就越好，但根据对以上系统的动态特性分析以及考虑到现实中逆变器自身条件的限制，J不能设置过大，否则会造成系统的动态特性变差，甚至出现不稳定的现象。

图4所示为模拟扰动下的VSG功角曲线和一个振荡周期的频率变化曲线。在t₀～t₁区间内，VSG从A点运行到B点，角速度的变化率dω/dt先突增再逐渐减小，而虚拟转子角速度大于电网额定角速度且不断增加。因此，在该区间内需要增大转动惯量和阻尼系数来抑制dω/dt和Δω过大。此区间dω/dt＞0,Δω＞0。

在t₁～t₂区间内，VSG从B点运行到C点，虚拟转子角速度的变化率dω/dt＜0，开始进入减速阶段，转子角速度也开始从极大值逐渐减小，但此时，转子角速度仍大于电网角速度，为了使角速度更快的恢复到额定值，该阶段宜采用较小的转动惯量。

在t₂～t₃和t₃～t₄区间内，角频率变化dω/dt与频率变化量Δω的变化情况与以上两个阶段类似，在此不再赘述。

为了进一步分析转动惯量、阻尼系数与频率变化率和频率偏差之间的关系以及更好的在暂态过程中根据频率变化率和频差来设计虚拟惯量、阻尼的模糊自适应参数控制策略来灵活的改变J、D的值。在图4转子角频率的一个振荡周期可分为以下阶段，则虚拟惯性、虚拟阻尼模糊控制规则设计如下：

同步发电机刚开始运行时运行功率在P₁(a点)，一段时间后有功给定功率增加到P₂。该时间是指在系统正常运行时，突然受到外界的扰动作用时系统功率变化，因此是随机的，对该时间没有具体数值要求。

1.在a-b阶段内，dω/dt为PL，Δω为PS/ZE，需要Δω取较大值使功率快速运行到c点，但同时避免系统出现较大超调，故取ΔJ为PS，ΔD为PS/PL。2.在b-c阶段内，dω/dt为PS，Δω为PL，系统频率处于加速阶段，故ΔJ取PL，ΔD为PS抑制Δω，避免大的超调。

3.在c-d阶段内，dω/dt为NS，Δω为PL，故ΔJ取NL，ΔD为NS达到迅速减小频率偏差的目的。

4.在d-e阶段内，dω/dt为NL，Δω为PS/PL，系统频率处于减速阶段，故ΔJ取NS/NL，ΔD为NS/NL。

5.在e-d阶段内，dω/dt为NL，Δω为ZE/NL，系统频率处于加速阶段，故ΔJ取PL/PS，ΔD为PL/PS。

6.在d-c阶段内，dω/dt为NS，Δω为NS/NL，故ΔJ取PL/PS，ΔD为PS。减缓频率的下降。

7.在c-b阶段内，dω/dt为PS，Δω为ZE/NS，故ΔJ取ZE/NS，ΔD为NL/NS。减缓频率的下降。

8.在b-a阶段内dω/dt为PL，Δω为NS/NL，故ΔJ取NS/NL，ΔD为NS/NL。减缓频率的下降。

9.当dω/dt，Δω均为0时，虚拟同步发电机运行在额定工作状态，ΔJ取ZE，ΔD为ZE。

根据以上一个角频率振荡周期的分析，分别设计虚拟惯量J和虚拟阻尼D的模糊控制规则如表1、表3所示。表1、表3中定义dω/dt和Δω的模糊集为{NL NS ZE PS PL}，虚拟惯量/阻尼的模糊集为{NL NS ZE PS PL}。其中，NL NS ZE PS PL分别代表减大(负方向大的偏差)、减小(负方向小的偏差)、零(接近于零的偏差)、增小(正方向小的偏差)、增大(正方向大的偏差)。各控制规则对应的取值范围见表2、表4。

表1虚拟惯量模糊控制设计规则表

表2虚拟惯量模糊控制赋值表

表3虚拟阻尼模糊控制设计规则表

表4虚拟阻尼模糊控制赋值表

图5为对虚拟同步发电机逆变器参数建立模糊控制建模流程图，根据以上对一个振荡周期内系统频率变化量及变化率与虚拟惯量和虚拟阻尼之间的关系，分别以频率变化率及变化量为输入变量，通过模糊化、模糊控制推理及去模糊化等，输出ΔJ、ΔD，从而实现参数自适应变化。模糊控制过程如图6所示。扰动下的虚拟同步发电机虚拟惯量、虚拟阻尼参数自适应变化如下式(3)～(6)所示。

J(T)＝J₀+ΔJ(T) (3)

D(T)＝D₀+ΔD(T) (4)

Δω＝ω-ω₀ (6)

其中，J₀、D₀为初始值，T为采样周期，图6模糊控制框图中k1、k2、k3为量化因子，将各参数标准化。模糊控制器的具体控制方法步骤如下所示：

1、采集额定角频率ω₀与逆变器输出的实际角频率ω，获取误差Δω及误差对时间的导数dω/dt。将Δω和dω/dt经过零阶保持器后的值e’、e’_c作为模糊控制器的输入，并对输入信号e’、e’_c做线性尺度变换得到输入变量E’、E’_C，使得E’、E’_C在基本论域内进行变化，(虚拟惯量相应的基本论域为[-1 1]，虚拟阻尼相应的基本论域为[-6 6])并在各自论域内进行模糊分割，分别确定E’、E’_C的隶属度函数，使之成为模糊输入量E*、E*_C。

2、建立模糊规则如表1、表2所示，对模糊输入量E*、E*_C进行模糊推理并得出在相应论域内的模糊输出U*，对模糊输出进行反模糊变换得到模糊输出的精确值U，并对U进行反向线性尺度变换后得到实际输出u(即输出虚拟惯量变化量ΔJ或虚拟阻尼变化量ΔD)。

3、取采样周期为T，重复步骤1、2，自适应地调节虚拟惯量和虚拟阻尼。

其中，线性尺度变换和反向线性尺度变换为：

其中，k和k′为量化因子，x表示线性尺度输入、X表示线性尺度输出，[x_L，x_H]为线性尺度变换输入信号的连续取值范围。[u_L，u_H]为实际信号的连续取值范围，u为实际输出。

图7、图10为结合模糊控制器输入-输出曲面图，对模糊输入量E*、E*C进行模糊推理并得出在相应论域内的模糊输出。图8、图9为根据设计的模糊控制规则，由Matlab模糊控制规则中的可观察设计规则给出，其中图8为虚拟惯量动态变化图，图9为虚拟阻尼动态变化图。通过改变误差变化量及变化率可得到不同的虚拟惯量、虚拟阻尼值。

本发明通过逆变器控制策略引入了传统同步发电机的转子方程和电气方程，模拟了同步发电机的外特性，在调频过程中增加了系统的惯量和阻尼，使系统具有一定的惯性。在控制策略中，以转子角频率偏差、角频率偏差变化率为输入变量，通过模糊化及模糊推理最后去模糊化输出精准值ΔJ或ΔD，通过虚拟惯量、虚拟阻尼的自适应变化，使系统在受外界干扰时，保证系统的稳定性。

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)

1.一种基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，将同步发电机中的转子运动机制引入到VSG的逆变器外环控制中，根据系统转子运动的动态特性及逆变器自身条件的限制，对虚拟同步发电机的逆变器参数建立模糊控制模型，根据一个振荡周期内系统转子频率变化量、变化率与虚拟惯量和虚拟阻尼之间的关系，分别以频率变化率及变化量为输入变量，通过模糊化、模糊控制推理及去模糊化操作，输出对应的虚拟惯量变化量、虚拟阻尼变化量，实现参数自适应变化。

2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，根据系统转子运动的动态特性及逆变器自身条件的限制，对虚拟同步发电机的逆变器参数建立模糊控制模型的具体流程包括：

1)判断系统是否处于稳定状态，若是，则输出虚拟惯量变化量为虚拟惯量的初始值、虚拟阻尼变化量为虚拟阻尼的初始值，否则，执行下一步；

2)建立虚拟同步发电机的逆变器参数模糊控制模型，根据VSG功角振荡曲线，分别获取转子角频率的变化率、瞬时角频率与额定角频率的差值与虚拟惯量、虚拟阻尼之间的关系；

3)利用获取的上述关系分别建立虚拟惯量、虚拟阻尼的模糊控制规则，根据模糊变化输出虚拟惯量变化量、虚拟阻尼变化量，使虚拟惯量和虚拟阻尼自适应变化；

4)将步骤3)应用至逆变器控制策略中的有功-频率控制环中，获取实际同步发电机的转动惯量及与阻尼转矩相对应的阻尼系数；

5)输出实际同步发电机的转动惯量及与阻尼转矩相对应的阻尼系数。

3.根据权利要求2所述的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，步骤2)中，获取模拟扰动下VSG功角曲线和一个振荡周期的频率变化曲线，获取频率变化率和瞬时角频率与额定角频率的差值，根据频率变化率和瞬时角频率与额定角频率的差值建立虚拟惯量、阻尼的模糊自适应参数控制策略。

4.根据权利要求1所述的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，通过模糊化、模糊控制推理及去模糊化操作，输出对应的虚拟惯量变化量、虚拟阻尼变化量的具体步骤包括：

a)采集额定角频率ω₀与逆变器输出的实际角频率ω，获取瞬时角频率与额定角频率的差值Δω及其对时间的导数dω/dt，将Δω和dω/dt经过零阶保持器后的值e’、e’_c作为模糊控制器的输入，并对输入信号e’、e’_c做线性尺度变换得到输入变量E’、E’_C，并在各自论域内进行模糊分割，分别确定E’、E’_C的隶属度函数，使之成为模糊输入量E*、E*_C；

b)建立模糊规则，对模糊输入量E*、E*_C进行模糊推理并得出在相应论域内的模糊输出U*，对模糊输出进行反模糊变换得到模糊输出的精确值U，并对U进行反向线性尺度变换后得到实际输出u；

c)取采样周期为T，重复步骤a)、b)，自适应调节虚拟惯量和虚拟阻尼。

5.根据权利要求3所述的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，在模拟扰动下VSG功角曲线中，当某时间区间内，虚拟转子角速度的变化率dω/dt先突增再逐渐减小，而虚拟转子角速度大于电网额定角速度且不断增加，则在该区间内增大转动惯量和阻尼系数抑制dω/dt和瞬时角频率与额定角频率的差值Δω过大，此区间内dω/dt＞0,Δω＞0。

6.根据权利要求3所述的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，当虚拟转子角速度的变化率dω/dt＜0，转子角速度开始从极大值逐渐减小，而转子角速度仍大于电网角速度，则在此时间段内减小转动惯量。

7.根据权利要求3所述的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，当虚拟转子角速度的变化率dω/dt＜0，且dω/dt先突减再逐渐减小，转子角速度向极小值逐渐减小，转子角速度小于电网角速度，则在此时间段内减小转动惯量。

8.根据权利要求3所述的基于模糊控制的虚拟同步发电机参数自适应控制方法，其特征在于，当虚拟转子角速度的变化率dω/dt＞0,Δω＞0，且dω/dt逐渐增大，转子角速度小于电网角速度，则在此时间段内增大转动惯量和阻尼系数。

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