CN112186767A - 含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，通过构建含有虚拟同步发电机的海岛微电网系统模型，得到系统的微分‑代数方程组；利用时域仿真法分析虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网系统频率稳定的影响，获取相应控制参数的变化区间；创建衡量系统扰动后能量不平衡大小的最优二次型目标函数，并利用优化控制理论结合约束条件和目标函数对虚拟同步发电机模型的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行优化设计，实现海岛微电网系统频率稳定性的优化控制。其能够显著提升海岛微电网系统频率稳定性。

Description

含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法。

背景技术

风电机组、光伏发电系统是海岛微电网的主要电力生产设备，海岛微电网是典型的新能源高渗透微型电力系统。由于可再生能源发电具有随机性、间歇性等特点，其通过电力电子变换器装置接入电网，不具备旋转设备、不具备一次调频能力，使得微电网普遍存在系统惯性小、频率稳定性差等问题，系统的频率稳定控制难度显著高于一般的大型电网。

虚拟同步发电机技术可以很好的减弱新能源并网给海岛微电网系统带来的影响，原因在于虚拟同步发电机(Virtualsynchronousgenerator，虚拟同步发电机)能够模拟传统微电网中柴油发电机的特性，具有虚拟惯性和下垂控制环节，可以参与系统的频率和电压的调节，对电网的稳定性具有积极的作用。但是当系统有多台虚拟同步机时，系统的动态特征更复杂，对虚拟同步发电机的认识不能仅停留在于同步机相似的特性，因此有必要分析虚拟同步发电机主要控制参数对系统频率稳定的影响，以及寻找到不同虚拟同步发电机之间最优的控制参数配置，保证系统的稳定性运行。

现有的微电网规划设计仅仅对虚拟同步机单一参数有考虑，没有对下垂控制参数的考虑，且缺乏对两种参数的协调优化，不利于提升微电网的频率稳定性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，用于解决高比例新能源并网后微电网系统的频率稳定问题，减少发电侧扰动对系统频率稳定的影响。本发明以海岛微电网发生扰动后系统的能量不平衡最小为目标，建立含约束条件的动态优化模型，通过遗传优化算法求解优化模型，得到不同虚拟同步发电机之间虚拟惯量和虚拟下垂控制参数的最优配置，以此获取频率稳定优化控制方法。

其具体采用以下技术方案：

一种含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：通过构建含有虚拟同步发电机的海岛微电网系统模型，得到系统的微分-代数方程组；利用时域仿真法分析虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网系统频率稳定的影响，获取相应控制参数的变化区间，即获取控制参数优化所需的约束条件；创建衡量系统扰动后能量不平衡大小的最优二次型目标函数，并利用优化控制理论结合约束条件和目标函数对虚拟同步发电机模型的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行优化设计，实现海岛微电网系统频率稳定性的优化控制，提升海岛微电网系统频率稳定性，从而为微电网的规划设计以及频率稳定性分析提供理论支撑。

优选地，具体包括以下步骤：

步骤S1：构建含有虚拟同步发电机的海岛微电网系统模型，包括柴油发电机、风电机组、光伏发电系统以及电池储能系统；获取系统的微分-代数方程组；

步骤S2：通过分析虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网频率稳定性的影响，以及通过时域仿真分析，获取虚拟惯量和虚拟下垂控制系数的变化区间；

步骤S3：构建微电网频率控制的动态优化模型；

步骤S4：采用Dymola/Modelica中的遗传算法优化求解器对动态优化模型进行优化求解，并将所需的参数结果输出；

步骤S5：优化设计虚拟同步发电机的控制参数，实现海岛微电网频率稳定性的优化控制。

优选地，在步骤S1中，各设备的微分-代数方程组如下:

柴油发电机的转子运动方程组如下：

其中，

为柴油发电机DG的功角的导数，ω_DG为柴油发电机和标准转速的角速度差，

为角速度差的导数，ω_e为柴油发电机的电气角速度，P_mDG为柴油发电机的机械功率，T_e为柴油发电机的电磁转矩，D为柴油发电机的阻尼系数，H为柴油发电机的惯性时间常数；

柴油发电机的PSS控制环节方程组如下：

其中，x₁,x₂,x₃为PSS环节引入的状态变量，

为PSS环节引入的状态变量的导数，p₄,p₅为PSS环节引入的代数变量，T_n1,T_d1,T_n2,T_d2为常数，Vstab为电力系统稳定器的输出电压；

柴油发电机的调速环节方程组如下：

其中，x_g为调速环节引入的中间状态变量，

为调速环节引入的中间状态变量的导数，throttle为调速环节引入的代数变量，P_ref为柴油发电机参考功率，g_a,g_b,g_c为常数；

柴油发电机的励磁环节方程组如下：

其中，V_d1,V_q1分别为d,q轴电压，V_t1为端电压，V_ref为参考电压，V_t2，V_f，E_fd为状态变量，

为状态变量的导数，E_fd为励磁电压，V_x为中间代数变量，V_A0为常数；

虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程组如下：

其中

表示虚拟同步发电机功角的导数，ω_VSG表示虚拟同步发电机的角速度，

表示虚拟同步发电机的角速度的导数，P_set表示额定功率，P_mVSG表示虚拟同步发电机的机械功率，ω_b表示基准转速，J,D_p分别代表虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数；

虚拟同步发电机还包括电压环、电流环的双环控制环节，以及无功-电压控制等环节。电压外环的主要作用是确定电流内环的参考值。虚拟同步发电机的电压外环的控制方程组如下：

式中：Vd、Vq分别为虚拟同步发电机输出电压的d轴和q分量；Vd_ref、Vq_ref分别为由有功控制与电压控制得到的参考电压的d轴和q分量；Id、Iq为虚拟同步发电机输出电流的d轴和q分量；

为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_v、ki_v分别表示电压外环控制的比例环节和积分环节的系数；n和k_ffi表示比例系数；C为电容值；

电流内环的主要作用是实现电流的快速跟踪控制，输出调制电压信号，虚拟同步发电机的电压内环的控制方程组如下：

式中：

分别为虚拟同步发电机控制输出参考电压的d轴和q分量；Id_s、Iq_s分别为经过滤波之后电流的d轴和q分量；

分别为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_i、ki_i表示电压内环控制的比例环节和积分环节的系数；n和k_ffv为比例系数；L为电感值；

虚拟同步发电机的无功-电压控制是模仿同步发电机的励磁调节功能，以实现无功功率和电压幅值的下垂特性。虚拟同步发电机的无功-电压控制环节方程如下：

式中：s表示微分算子；V_m为虚拟同步发电机电压参考值；kp_vac、ki_vac分别表示无功-电压控制环节的比例环节和积分环节的系数；M_fif为无功控制的输出信号；

所述海岛微电网系统的全微分代数方程如下：

其中，f,g分别代表模型的微分函数和代数函数，f由公式(1)-(8)构成，g为微电网的三相潮流方程；x为方程组的状态变量，包含海岛微电网系统内的发电机的转子运动部分、励磁器、调速器、PSS等，如θ_DG,θ_VSG,ω_DG,ω_VSG,E_fd；z为方程组的代数变量，包括节点电压的实部和虚部。

优选地，在步骤S2中，将虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程组经过等效变换后如下：

优选地，步骤S3构建微电网频率控制动态优化模型过程如下：

设微电网系统有m台柴油发电机，n台虚拟同步发电机，构建动态优化模型：

其中，G为目标函数，ω_DG,i,ω_VSG,j分别表示海岛微电网中第i台柴油发电机的电气角速度、第j台虚拟同步发电机的角速度；J_j,D_pj分别代表第j台虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数，J_min，J_max分别代表每台虚拟同步发电机虚拟惯量的下限和上限，D_pmin，D_pmax分别代表每台虚拟同步发电机下垂控制系数的下限和上限。

优选地，在公式(11)当中：

其中：θ_dg,i,ω_dg,i分别表示第i台柴油发电机的功角和角频率，I_2d,i,I_2q,i为第i台柴油发电机d-q变换过程中的状态变量，V_t2,i,V_f,i,E_fd,i,V_A,i为第i台柴油发电机励磁器中的状态变量，φ为柴油发电机磁链方程状态变量，x_1,i,x_2,i,x_3,i,x_4,i为第i台柴油发电机调速器和PSS环节中引入的状态变量；θ_vsg,j,ω_vsg,j表示第j台虚拟同步发电机的虚拟功角和虚拟角频率，M_f1,j为第j台虚拟同步发电机电压控制环节中的状态变量；下标k表示微电网第k个节点，下标λ表示A、B、C三相，U_{kλ_real},U_{kλ_imag}分别表示第k个节点的第λ相的电压实部和虚部。

优选地，步骤S5具体包括：对优化模型进行优化求解，使得在约束条件下，目标函数G的值最小，将获得的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行输出，并控制系统中每台虚拟同步机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数变更为对应的最优参数。

本发明及其优选方案能够显著提升海岛微电网系统频率稳定性，从而为微电网的规划设计以及频率稳定性分析提供理论支撑。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例提升海岛微电网系统频率稳定性的优化控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的三机九节点系统接线图；

图3为本发明实施例不同虚拟惯量下的频率变化曲线示意图；

图4为本发明实施例不同虚拟惯量下的频率稳定指标(频率变化最低点和最大频率变化率)的变化趋势示意图；

图5为本发明实施例不同虚拟下垂控制系数下的频率变化曲线示意图；

图6为本发明实施例不同虚拟下垂控制系数下的频率稳定指标(频率变化最低点和最大频率变化率)的变化趋势示意图；

图7为本发明实施例提供的提升海岛微电网频率稳定性的优化控制频率响应示意图；

图8为本发明实施例优化控制设计前后海岛微电网频率稳定性的变化曲线示意图；

图9为本发明实施例优化控制设计前后海岛微电网电压稳定性的变化曲线示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

如图2所示，本实施例采用三机九节点海岛微电网系统，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种提升海岛微电网系统频率稳定性的优化控制方法流程示意图，如图1所示，其执行主体为对虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行优化控制设计，该方法具体包括:

步骤1：构建本实施例海岛微电网系统模型，模型具体包括：一台柴油发电机、两台虚拟同步发电机、三个用户负荷、三台变压器、网架线路以及负荷扰动等构成。

具体来说，图2为本发明实施例提供的三机九节点系统接线图，首先，构建含有虚拟同步发电机VSG的海岛微电网系统模型，为简化说明，不做全部说明。其中海岛微电网柴油发电机的转子运动方程组如下：

其中，

为柴油发电机DG的功角的导数，ω_DG为柴油发电机和标准转速的角速度差，

为角速度差的导数，ω_e为柴油发电机的电气角速度，P_mDG为柴油发电机的机械功率，T_e为柴油发电机的电磁转矩，D为柴油发电机的阻尼系数，H为柴油发电机的惯性时间常数。

柴油发电机的PSS控制环节方程组如下：

其中，x₁,x₂,x₃为PSS环节引入的状态变量，

为PSS环节引入的状态变量的导数，p₄,p₅为引入的代数变量，T_n1,T_d1,T_n2,T_d2为常数，Vstab为电力系统稳定器的输出电压。

柴油发电机的调速环节方程组如下：

其中，x_g为调速环节引入的中间状态变量，

为调速环节引入的中间状态变量的导数，throttle为引入的代数变量，P_ref为柴油发电机参考功率，g_a,g_b,g_c为常数。

励磁环节方程组如下：

其中，V_d1,V_q1分别为d,q轴电压，V_t1为端电压，V_ref为参考电压，V_t2，V_f，E_fd为状态变量，

为状态变量的导数，E_fd为励磁电压，V_x为中间代数变量，V_A0为常数。

虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程组如下：

其中，

为1号虚拟同步发电机的功角导数，ω_VSG1为虚拟同步发电机的角速度，

为虚拟同步发电机的角速度的导数，P_set为额定功率，P_mVSG1为1号虚拟同步发电机的机械功率，ω_b为基准转速，J₁为1号虚拟同步发电机的虚拟惯量，D_p1为1号虚拟同步发电机的虚拟下垂控制系数。

虚拟同步发电机还包括电压环、电流环的双环控制环节，以及无功-电压控制等环节。电压外环的主要作用是确定电流内环的参考值，电压外环的控制方程如下：

式中：Vd、Vq分别为VSG输出电压的d轴和q分量；Vd_ref、Vq_ref分别为由有功控制与电压控制得到的参考电压的d轴和q分量；Id、Iq为VSG输出电流的d轴和q分量；

为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_v、ki_v分别表示比例环节和积分环节的系数；n和k_ffi表示比例系数；C为电容值。

电流内环的主要作用是实现电流的快速跟踪控制，输出调制电压信号，电流内环的控制方程如下：

式中：

分别为VSG控制输出参考电压的d轴和q分量；Id_s、Iq_s分别为经过滤波之后电流的d轴和q分量；

分别为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_i、ki_i表示比例环节和积分环节的系数；n和k_ffv为比例系数；L为电感值。

虚拟同步发电机的无功-电压控制是模仿同步发电机的励磁调节功能，以实现无功功率和电压幅值的下垂特性。无功-电压控制环节方程如下：

式中：s表示微分算子；Vd是VSG输出电压的d轴分量；V_m为VSG电压参考值；kp_vac、ki_vac分别表示比例环节和积分环节的系数；M_fif为无功控制的输出信号。

2号虚拟同步发电机建模方式与1号虚拟同步发电机一致。

步骤2：根据步骤1所建立的三机九节点海岛微电网模型，获取系统模型的微分-代数方程组；发电机所有的含状态变量方程组构成了整体的微分方程组，三相潮流方程构成了整体的代数方程组，记为：

其中，x为方程组的状态变量，包含海岛微电网系统内的发电机的转子运动部分、励磁器、调速器、PSS等，如θ_DG,θ_VSG,ω_DG,ω_VSG,E_fd等，z为方程组的代数变量，包括节点电压的实部和虚部，f,g分别代表模型的微分函数和代数函数,f由公式(1)-(8)成，g为微电网的三相潮流方程。

步骤3：分析虚拟同步发电机的的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网频率稳定性的影响，通过时域仿真对所搭建的模型进行频率稳定性分析，获取虚拟惯量和虚拟下垂控制系数的变化区间范围：

具体来说，图3为不同虚拟惯量下的频率变化曲线，图4为不同虚拟惯量下的频率稳定指标(频率变化最低点和最大频率变化率)的变化趋势。

虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程经过等效变换后如下：

其中，J为虚拟同步发电机的虚拟惯量，P_set为额定功率，P_mVSG为虚拟同步发电机的机械功率，D_p为虚拟同步发电机的虚拟下垂控制系数，ω_b为基准转速，ω_VSG为虚拟同步发电机的角速度，

为虚拟同步发电机的角速度的导数。

增大虚拟同步发电机的虚拟惯量J，则有助于减小其频率变化率

但是应当找到一个合适的变化区间，不可过大或者过小。

虚拟同步发电机的虚拟惯量初始值为J，当虚拟惯量的值在[0,20250]区间内变化时，同样大的负荷扰动不会影响海岛微电网系统的频率稳定性，但是在区间内，较大的虚拟惯量更有利于系统的频率稳定性，即此时频率变化曲线的频率最低点和最大频率变化率指标表现更好；当虚拟惯量大于20250kg·m²后，系统频率的振荡便会加剧，即负荷扰动发生后系统频率稳定性将变差。

进一步地，图5为不同虚拟下垂控制系数下的频率变化曲线，图6为不同虚拟下垂控制系数下的频率稳定指标(频率变化最低点和最大频率变化率)的变化趋势。增大虚拟同步发电机的虚拟下垂控制系数，有助于抑制频率振荡情况，也需要找到一个合适的虚拟下垂控制系数辩护范围来保证频率的稳定性。

具体来说，当虚拟同步发电机的虚拟下垂控制系数大于16264且小于25264时，负荷扰动将不会影响海岛微电网系统的频率稳定性，但是在区间内较大的虚拟下垂控制系数更有利于海岛微电网系统的频率稳定性，即此时海岛微电网系统的频率变化曲线的频率最低点和最大频率变化率指标性能更好。当虚拟同步发电机的虚拟下垂控制系数大于25264时或小于16264时，将对频率稳定产生不利的影响。

步骤4：获取虚拟惯量和虚拟下垂控制系数的变化区间，即上下限，确定约束条件；基于步骤3所得到的虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网系统频率稳定的影响以及数据结果确定动态优化模型所需要的约束条件，具体如下：

其中，J为初始虚拟惯量，且J＝405.2847kg·m²。

步骤5：建立目标函数，选择衡量系统扰动发生后能量不平衡的的大小作为目标函数，其形式为二次型性能目标函数；

具体来说，图7为本发明实施例提供的提升海岛微电网频率稳定性的优化控制方法频率响应示意图，阴影部分表示为扰动发生后系统的能量不平衡大小，因此选择目标函数即以此为参考设计二次型性能指标如下：

其中，H为目标函数，其反映了系统能量不平衡的大小；ω_b表示基准转速，ω_DG,ω_VSG1,ω_VSG2分别表示海岛微电网中柴油发电机的电气角速度、1号虚拟同步发电机的角速度，2号虚拟同步发电机的角速度；

步骤6：创建系统的动态优化模型，基于步骤2,3,4,5，建立系统的动态优化模型：

其中，G为目标函数，其反映了系统能量不平衡的大小；f,g分别代表模型的微分函数和代数函数；ω_b表示基准转速，ω_DG,ω_VSG1,ω_VSG2分别表示海岛微电网中柴油发电机的电气角速度、1号虚拟同步发电机的角速度，2号虚拟同步发电机的角速度；x为模型的状态变量，包括柴油发电机的转子运动部分、励磁器、调速器、PSS等环节中的所有状态变量，z为模型的代数变量，包括节点电压的实部和虚部；J₁,D_p1分别代表1号虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数，J₂,D_p2分别代表2号虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数，J_min，J_max分别代表虚拟同步发电机虚拟惯量的下限和上限，D_pmin，D_pmax分别代表虚拟同步发电机下垂控制系数的下限和上限；

步骤7：利用Dymola/Modelica中的遗传算法优化求解器对虚拟同步发电机的控制参数进行优化设计以及进行结果输出，并分析优化设计为海岛微电网系统频率稳定性带来的变化。

本发明实施例提供的提升海岛微电网系统频率稳定性的方法，通过将上述的优化模型输入优化求解器，调用遗传优化算法进行求解约束条件下不同虚拟同步发电机之间最佳的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数的配置，优化设计结果如表1所示。

表1参数优化控制结果

其中，J₁,J₂分别代表两台虚拟同步发电机的虚拟惯量大小，D_p1,D_p2分别代表两台虚拟同步发电机的虚拟下垂控制系数的大小，obj代表选取的微电网系统的二次型性能指标目标函数。

从表1中可知，所搭建的海岛微电网模型中的两台虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数相比较于初始值，都有不同程度的增大，且都在约束区间范围内，这与步骤3中所得到的关于虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网系统稳定性的影响结果一致。即在一定约束区间内，较大的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数更有利于系统的频率稳定性。

基于上述实施例，进一步地，将步骤7中输出的不同虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数通过控制写入到模型当中去，保持优化前后的负荷扰动不变，得到优化控制后的海岛微电网模型，此时的海岛微电网系统相比于未进行参数优化控制设计的海岛微电网系统，具有更好的频率稳定性以及抗干扰能力。

具体来说，图8为优化控制设计前后海岛微电网频率稳定性的变化曲线图，通过对虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数优化控制设计后，显著提升了海岛微电网的频率稳定性，鉴于电压和频率的强耦合性，对于虚拟同步发电机的参数进行优化设计，同样可以提升海岛微电网系统的电压稳定性，海岛微电网系统优化控制设计前后电压变化曲线如图9所示。

本发明实施例通过搭建含有虚拟同步发电机的海岛微电网模型，得到海岛微电网系统的全微分-代数方程组，并利用时域仿真法分析虚拟同步发电机的主要控制参数(虚拟惯量和虚拟下垂控制系数)对海岛微电网系统频率稳定性的影响规律和机理，获取虚拟惯量和虚拟下垂控制系数的变化区间，作为动态优化模型所需的约束条件加入到模型中，进一步地，将二次型性能目标函数到优化控制设计的优化模型中，并采用Dymola/Modelica中的遗传算法优化求解器对所搭建的优化模型进行优化求解，得到优化后的不同虚拟同步发电机之间的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数配置结果，并根据优化所得到的结果对相应的虚拟同步发电机进行参数控制，从而提高微电网系统的频率稳定性，提高微电网系统的抗干扰能力。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：通过构建含有虚拟同步发电机的海岛微电网系统模型，得到系统的微分-代数方程组；利用时域仿真法分析虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网系统频率稳定的影响，获取相应控制参数的变化区间；创建衡量系统扰动后能量不平衡大小的最优二次型目标函数，并利用优化控制理论结合约束条件和目标函数对虚拟同步发电机模型的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行优化设计，实现海岛微电网系统频率稳定性的优化控制。

2.根据权利要求1所述的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：构建含有虚拟同步发电机的海岛微电网系统模型，包括柴油发电机、风电机组、光伏发电系统以及电池储能系统；获取系统的微分-代数方程组；

步骤S2：通过分析虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网频率稳定性的影响，以及通过时域仿真分析，获取虚拟惯量和虚拟下垂控制系数的变化区间；

步骤S3：构建微电网频率控制的动态优化模型；

步骤S4：采用Dymola/Modelica中的遗传算法优化求解器对动态优化模型进行优化求解，并将所需的参数结果输出；

步骤S5：优化设计虚拟同步发电机的控制参数，实现海岛微电网频率稳定性的优化控制。

3.根据权利要求2所述的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于，在步骤S1中，各设备的微分-代数方程组如下:

柴油发电机的转子运动方程组如下：

其中，

为柴油发电机DG的功角的导数，ω_DG为柴油发电机和标准转速的角速度差，

为角速度差的导数，ω_e为柴油发电机的电气角速度，P_mDG为柴油发电机的机械功率，T_e为柴油发电机的电磁转矩，D为柴油发电机的阻尼系数，H为柴油发电机的惯性时间常数；

柴油发电机的PSS控制环节方程组如下：

其中，x₁,x₂,x₃为PSS环节引入的状态变量，

为PSS环节引入的状态变量的导数，p₄,p₅为PSS环节引入的代数变量，T_n1,T_d1,T_n2,T_d2为常数，Vstab为电力系统稳定器的输出电压；

柴油发电机的调速环节方程组如下：

其中，x_g为调速环节引入的中间状态变量，

为调速环节引入的中间状态变量的导数，throttle为调速环节引入的代数变量，P_ref为柴油发电机参考功率，g_a,g_b,g_c为常数；

柴油发电机的励磁环节方程组如下：

其中，V_d1,V_q1分别为d,q轴电压，V_t1为端电压，V_ref为参考电压，V_t2，V_f，E_fd为状态变量，

为状态变量的导数，E_fd为励磁电压，V_x为中间代数变量，V_A0为常数；

虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程组如下：

其中

表示虚拟同步发电机功角的导数，ω_VSG表示虚拟同步发电机的角速度，

表示虚拟同步发电机的角速度的导数，P_set表示额定功率，P_mVSG表示虚拟同步发电机的机械功率，ω_b表示基准转速，J,D_p分别代表虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数；

虚拟同步发电机的电压外环的控制方程组如下：

式中：Vd、Vq分别为虚拟同步发电机输出电压的d轴和q分量；Vd_ref、Vq_ref分别为由有功控制与电压控制得到的参考电压的d轴和q分量；Id、Iq为虚拟同步发电机输出电流的d轴和q分量；

为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_v、ki_v分别表示电压外环控制的比例环节和积分环节的系数；n和k_ffi表示比例系数；C为电容值；

虚拟同步发电机的电压内环的控制方程组如下：

式中：

分别为虚拟同步发电机控制输出参考电压的d轴和q分量；Id_s、Iq_s分别为经过滤波之后电流的d轴和q分量；

分别为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_i、ki_i表示电压内环控制的比例环节和积分环节的系数；n和k_ffv为比例系数；L为电感值；

虚拟同步发电机的无功-电压控制环节方程如下：

式中：s表示微分算子；V_m为虚拟同步发电机电压参考值；kp_vac、ki_vac分别表示无功-电压控制环节的比例环节和积分环节的系数；M_fif为无功控制的输出信号；

所述海岛微电网系统的全微分代数方程如下：

其中，f,g分别代表模型的微分函数和代数函数，f由公式(1)-(8)构成，g为微电网的三相潮流方程；x为方程组的状态变量，z为方程组的代数变量，包括节点电压的实部和虚部。

4.根据权利要求2所述的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：

在步骤S2中，将虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程组经过等效变换后如下：

5.根据权利要求2所述的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：

步骤S3构建微电网频率控制动态优化模型过程如下：

设微电网系统有m台柴油发电机，n台虚拟同步发电机，构建动态优化模型：

其中，G为目标函数，ω_DG,i,ω_VSG,j分别表示海岛微电网中第i台柴油发电机的电气角速度、第j台虚拟同步发电机的角速度；J_j,D_pj分别代表第j台虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数，J_min，J_max分别代表每台虚拟同步发电机虚拟惯量的下限和上限，D_pmin，D_pmax分别代表每台虚拟同步发电机下垂控制系数的下限和上限。

6.根据权利要求5所述的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：在公式(11)当中：

其中：θ_dg,i,ω_dg,i分别表示第i台柴油发电机的功角和角频率，I_2d,i,I_2q,i为第i台柴油发电机d-q变换过程中的状态变量，V_t2,i,V_f,i,E_fd,i,V_A,i为第i台柴油发电机励磁器中的状态变量，φ为柴油发电机磁链方程状态变量，x_1,i,x_2,i,x_3,i,x_4,i为第i台柴油发电机调速器和PSS环节中引入的状态变量；θ_vsg,j,ω_vsg,j表示第j台虚拟同步发电机的虚拟功角和虚拟角频率，M_f1,j为第j台虚拟同步发电机电压控制环节中的状态变量；下标k表示微电网第k个节点，下标λ表示A、B、C三相，U_{kλ_real},U_{kλ_imag}分别表示第k个节点的第λ相的电压实部和虚部。

7.根据权利要求6所述的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：步骤S5具体包括：对优化模型进行优化求解，使得在约束条件下，目标函数G的值最小，将获得的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行输出，并控制系统中每台虚拟同步机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数变更为对应的最优参数。

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