CN112491070A - 一种储能自适应阻尼vsg控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能自适应阻尼VSG控制方法，包括：建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程和无功‑电压调节方程；得到储能逆变装置虚拟调速器表达式；得到有功‑频率变化量函数；得到VSG稳态频率调节下垂方程；分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况；建立自适应虚拟阻尼；将到的适应虚拟阻尼引入储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。本发明在储能逆变装置中采用VSG控制，实现储能实现“友好”并网。并对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟阻尼，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

Description

一种储能自适应阻尼VSG控制方法

技术领域

本发明涉及一种储能自适应阻尼VSG控制方法，该方法在储能逆变装置中采用虚拟同步机(VSG)控制，并对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟阻尼，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

背景技术

电网容量不断增加，区域电网结构变的复杂，由光伏、风电等高渗透率分布式电源点组成的微网，由于其低惯性、低阻尼特性，势必会对大电网的频率稳定性造成影响。储能单元作为可以灵活充放电的电源，能够实现在电网中动态吸收、释放能量，且因为其响应快速、控制灵活，在维持电网电压稳定有无可替代的优势。

在储能逆变装置控制系统中，为了实现“友好”并网，目前VSG控制方法，VSG控制通过模仿同步发电机特性能够为系统提供惯性和阻尼支撑，使得储能逆变装置具备参与电网调频和调压的能力。

发明内容

本发明的目的在于一种储能自适应阻尼VSG控制方法，该方法在储能逆变装置中采用VSG控制，实现储能实现“友好”并网。并对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟阻尼，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种储能自适应阻尼VSG控制方法，包括以下步骤：

1)建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程和无功-电压调节方程；

2)根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式；

3)联立步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，得到有功-频率变化量函数；

4)根据步骤3)有功-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程；

5)根据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况；

6)根据步骤5)储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，建立自适应虚拟阻尼；

7)将步骤6)得到的适应虚拟阻尼引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程：

其中：J为虚拟转动惯量；T_m、T_e、T_d分别为储能逆变装置VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ω_g为网侧实际角频率；P_ref为有功功率参考值；P_e有功功率实际输出值；由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了储能逆变装置有功-频率控制模块和无功-电压调节方程，储能逆变装置VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：

其中：U₀为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；K_u为无功积分调节系数；Q_e为无功功率实际输出值；Q_ref为无功功率参考值。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式：P_e＝P_ref+K_ω(ω-ω_g)；其中：K_ω为有功调节系数。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：联立步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，并定义Δω＝ω-ω_g、ΔP＝P_ref-P_e，得到有功-频率变化量函数：

其中：s为微分算子。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)有功-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程：

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，当发生功率波动时，VSG频率会在扰动瞬间出现振荡；当储能逆变装置输出功率增加时，即a、b阶段，a阶段频率变化率dω/dt从0突增，短时间内回落，在t₂时刻ω达到最大值，此时dω/dt＝0，整个a阶段保持dω/dt＞0；b阶段ω持续减少，此时dω/dt＜0与阶段a类似，|dω/dt|同样先增大后减少，即ω减小过程中经历了先加速后减速到ω₀的过程；当储能逆变装置输出功率持续减少时，即c、d阶段，其中c阶段频率变化率dω/dt＜0，在t₄时刻ω达到最小值；d阶段频率变化率dω/dt＞0，最后频率稳定在额定角频率ω₀。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，在a阶段，为了使储能逆变装置VSG控制系统能够快速响应频率增加，在此阶段减少虚拟阻尼D的自适应控制策略，进一步的为了抑制频率超调，在ω达到最大值时刻，对ω进行限值，即在t₂时刻，虚拟阻尼D达到正向最大调节量；在频率减少的b阶段，为了使储能逆变装置VSG控制系统快速响应ω减少，在接近额定角频率减少超调，自适应减少虚拟阻尼D，进一步的为了抑制频率减少至失稳区，在ω达到最小值，即t₄时刻，虚拟阻尼D达到反向最大调节量，建立自适应虚拟阻尼：

其中：D₀为额定虚拟阻尼系数；k_D为虚拟阻尼自适应系数；k_Dmax为虚拟阻尼最大调节倍数；Δω＝ω-ω₀为频率偏差；M为频率偏差阈值；当|Δω|∈[0M)，D自适应减少，快速响应ω增大/减少；当|Δω|≥M，D快速增加限值ω，防止其进入失稳区。

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)得到的适应虚拟阻尼引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明提出一种在储能逆变装置中采用VSG控制，实现储能实现“友好”并网。

2.本发明对VSG控制进行改进，引入自适应虚拟阻尼，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

附图说明

图1为储能逆变装置电路拓扑及VSG控制流程图；

图2为储能逆变装置VSG控制框图；

图3为储能逆变装置VSG有功与频率变化曲线。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，储能逆变装置VSG控制转子机械方程为：

式(1)中：J为虚拟转动惯量；T_m、T_e、T_d分别为储能逆变装置VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ω_g为网侧实际角频率；P_ref为有功功率参考值；P_e有功功率实际输出值。在储能逆变装置VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得储能逆变装置在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得储能逆变装置具有抑制电网功率振荡的能力。由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了储能逆变装置有功-频率控制模块，储能逆变装置VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：

式(2)中：U₀为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；K_u为无功积分调节系数；Q_e为无功功率实际输出值；Q_ref为无功功率参考值。

如图2所示，储能逆变装置VSG频率控制可以实现储能单元的有功输出随网侧频率自适应调节变化，其本质上是有功-频率下垂控制，本发明将虚拟调速器引入，储能逆变装置VSG频率控制环节内，虚拟调速器表达式为：

P_e＝P_ref+K_ω(ω-ω_g) (3)

式(3)中：K_ω为有功调节系数。联立式(1)、(3)，并定义Δω＝ω-ω_g、ΔP＝P_ref-P_e可得：

式(4)中，s为微分算子。根据式(4)可以得到VSG稳态频率调节下垂方程为：

如图3所示，发生负荷突变扰动，VSG频率会在扰动瞬间出现振荡。当储能逆变装置输出功率增加时(a、b阶段)，a阶段频率变化率dω/dt从0突增，很短时间内回落，在t₂时刻ω达到最大值，此时dω/dt＝0，整个a阶段保持dω/dt＞0；b阶段ω持续减少，此时dω/dt＜0与阶段a类似，|dω/dt|同样先增大后减少，即ω减小过程中经历了先加速后减速到ω₀的过程。当储能逆变装置输出功率持续减少(c、d阶段)时，其中c阶段频率变化率dω/dt＜0，在t₄时刻ω达到最小值；d阶段频率变化率dω/dt＞0，最后频率稳定在额定角频率ω₀。

在a阶段，为了使储能逆变装置VSG控制系统可以快速响应频率增加，提出一种在此阶段减少虚拟阻尼D的自适应控制策略，进一步的为了抑制频率超调，需要在ω达到最大值时刻，对ω进行限值，即在t₂时刻，虚拟阻尼D达到正向最大调节量。在频率减少阶段(b阶段)，为了使储能逆变装置VSG控制系统快速响应ω减少，在接近额定角频率减少超调，需要自适应减少虚拟阻尼D，进一步的为了抑制频率减少至失稳区，在ω达到最小值，即t₄时刻，虚拟阻尼D达到反向最大调节量。自适应虚拟阻尼系数D可表示为：

式(6)中：D₀为额定虚拟阻尼系数；k_D为虚拟阻尼自适应系数；k_Dmax为虚拟阻尼最大调节倍数；Δω＝ω-ω₀为频率偏差；M为频率偏差阈值。当|Δω|∈[0 M)，D自适应减少，快速响应ω增大/减少；当|Δω|≥M，D快速增加限值ω，防止其进入失稳区。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程和无功-电压调节方程；

2)根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式；

3)联立步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，得到有功-频率变化量函数；

4)根据步骤3)有功-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程；

5)根据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况；

6)根据步骤5)储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，建立自适应虚拟阻尼；

7)将步骤6)得到的适应虚拟阻尼引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

2.根据权利要求1所述的一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立储能逆变装置VSG控制转子机械方程：

其中：J为虚拟转动惯量；T_m、T_e、T_d分别为储能逆变装置VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；D为阻尼系数；ω_g为网侧实际角频率；P_ref为有功功率参考值；P_e有功功率实际输出值；由转子机械方程和虚拟调速器共同构成了储能逆变装置有功-频率控制模块和无功-电压调节方程，储能逆变装置VSG控制同样具有励磁调节惯性，无功-电压调节表达式为：

其中：U₀为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压偏差；K_u为无功积分调节系数；Q_e为无功功率实际输出值；Q_ref为无功功率参考值。

3.根据权利要求2所述的一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据有功-频率下垂控制建立虚拟调速器，及步骤1)储能逆变装置VSG控制转子机械方程，得到储能逆变装置虚拟调速器表达式：P_e＝P_ref+K_ω(ω-ω_g)；其中：K_ω为有功调节系数。

4.根据权利要求3所述的一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：联立步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程和步骤2)储能逆变装置虚拟调速器，并定义Δω＝ω-ω_g、ΔP＝P_ref-P_e，得到有功-频率变化量函数：

其中：s为微分算子。

5.根据权利要求4所述的一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤3)有功-频率变化量函数得到VSG稳态频率调节下垂方程：

6.根据权利要求5所述的一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)VSG稳态频率调节下垂方程分析储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，当发生功率波动时，VSG频率会在扰动瞬间出现振荡；当储能逆变装置输出功率增加时，即a、b阶段，a阶段频率变化率dω/dt从0突增，短时间内回落，在t₂时刻ω达到最大值，此时dω/dt＝0，整个a阶段保持dω/dt＞0；b阶段ω持续减少，此时dω/dt＜0与阶段a类似，|dω/dt|同样先增大后减少，即ω减小过程中经历了先加速后减速到ω₀的过程；当储能逆变装置输出功率持续减少时，即c、d阶段，其中c阶段频率变化率dω/dt＜0，在t₄时刻ω达到最小值；d阶段频率变化率dω/dt＞0，最后频率稳定在额定角频率ω₀。

7.根据权利要求6所述的一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)储能逆变装置VSG控制频率调节过程中的发生功率震荡时频率变化情况，在a阶段，为了使储能逆变装置VSG控制系统能够快速响应频率增加，在此阶段减少虚拟阻尼D的自适应控制策略，进一步的为了抑制频率超调，在ω达到最大值时刻，对ω进行限值，即在t₂时刻，虚拟阻尼D达到正向最大调节量；在频率减少的b阶段，为了使储能逆变装置VSG控制系统快速响应ω减少，在接近额定角频率减少超调，自适应减少虚拟阻尼D，进一步的为了抑制频率减少至失稳区，在ω达到最小值，即t₄时刻，虚拟阻尼D达到反向最大调节量，建立自适应虚拟阻尼：

其中：D₀为额定虚拟阻尼系数；k_D为虚拟阻尼自适应系数；k_Dmax为虚拟阻尼最大调节倍数；Δω＝ω-ω₀为频率偏差；M为频率偏差阈值；当|Δω|∈[0 M)，D自适应减少，快速响应ω增大/减少；当|Δω|≥M，D快速增加限值ω，防止其进入失稳区。

8.根据权利要求7所述的一种储能自适应阻尼VSG控制方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)得到的适应虚拟阻尼引入步骤1)储能逆变装置VSG转子机械方程中，实现储能逆变装置功率调节过程中功率振荡抑制。

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