CN112580225A - 一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法 - Google Patents

一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112580225A
CN112580225A CN202110019378.6A CN202110019378A CN112580225A CN 112580225 A CN112580225 A CN 112580225A CN 202110019378 A CN202110019378 A CN 202110019378A CN 112580225 A CN112580225 A CN 112580225A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
synchronous
synchronous inverter
active power
identification
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110019378.6A
Other languages
English (en)
Inventor
王锴逸
李辉
刘威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiangtan University
Original Assignee
Xiangtan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiangtan University filed Critical Xiangtan University
Priority to CN202110019378.6A priority Critical patent/CN112580225A/zh
Publication of CN112580225A publication Critical patent/CN112580225A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/15—Correlation function computation including computation of convolution operations
    • G06F17/156—Correlation function computation including computation of convolution operations using a domain transform, e.g. Fourier transform, polynomial transform, number theoretic transform
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法，属于电力电子变换器技术领域。为实现对同步逆变器阻尼系数和转动惯量的在线辨识，最大限度的减小有功环参数辨识误差同时优化辨识步骤。本发明考虑了同步逆变器功角特性的非线性，通过引入并测量平均同步功率系数，建立了功角特性线性化模型，得出了该模型与辨识误差的关系，从而得出阶跃响应试验中有功功率需求变化的可行域。通过测得同步逆变器输出有功功率变化的数据，并利用最小二乘法对所得数据进行处理，最终得到误差要求范围内的阻尼系数和转动惯量辨识结果。经仿真结果验证，本发明提出的在线辨识方法均合理、有效。

Description

一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法。
背景技术
近年来，有学者提出并网逆变器的控制环节可以引入同步发电机的下垂特性、暂态特性和阻尼特性，在该策略下，并网逆变器又被称为同步逆变器，它模拟同步发电机的外特性，拥有了可以根据需要设置的转动惯量和阻尼系数，从而能够较强地抑制电网频率的突变，为调节争取响应时间。因此，同步逆变器有望成为大规模新能源发电接入电力系统稳定可控运行的重要技术。
但是由于制造商的保密原则，操作人员通常不能访问设备的详细数据。就同步逆变器来说，若不能正确辨识转动惯量和阻尼系数，则难以定量量化VSG对电网的支撑作用。同时，由于采样、滤波器、内环控制器等影响，同步逆变器实际的转动惯量和阻尼系数与控制器设计时的参数设置可能并不一致，从而进一步影响稳定性评估和动态性能评估。因此，如何根据同步逆变器的实际运行数据，定量识别出其转动惯量和阻尼系数的大小显得非常关键，具有重要的现实意义和应用价值。
由于同步逆变器与传统同步发电机类似，功角特性均为非线性。所以用线性化模型辨识转动惯量和阻尼系数会造成一定误差，而辨识误差与阶跃响应试验中有功功率需求的变化，当前有功功率值，同步功率系数有关。同时由于功角特性非线性，功角特性曲线不易获得，这使得同步功率系数值不易获取，加大了精确辨识的难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题为现有转动惯量和阻尼系数在线辨识方法存在较大误差以及辨识过程中同步功率系数值不易获取，建立了一种能够满足所需辨识精度的同步逆变器转动惯量和阻尼系数在线辨识方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种同步逆变器转动惯量和阻尼系数在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将同步逆变器有功功率需求设置为斜波函数形式输入，范围的最大值可设置为额定功率(包含)以下，最小值可设置为0（包含）以上。然后分别用电压传感器和电流传感器测量同步逆变器实时输出电压e abc 和电流i abc ，并通过表达式计算得到同步逆变器输出瞬时有功功率P e ，其表达式为：
Figure 238585DEST_PATH_IMAGE001
。
步骤2：构建观测器去估计或通过电压信息计算瞬时功角
Figure 462893DEST_PATH_IMAGE002
，然后根据同步逆变器输出的瞬时有功功率和瞬时功角计算平均同步功率系数mSPC，其表达式为：
Figure 586706DEST_PATH_IMAGE003
。
步骤3：设置同步逆变器阶跃响应试验的变化范围，根据步骤2得出的平均同步功率系数数据查询阶跃响应试验中有功功率需求初始值对应的平均同步功率系数mSPC l 值，以及阶跃响应同步逆变器功角变化值
Figure 871057DEST_PATH_IMAGE004
。
步骤4：定义线性化模型引起的最大误差errormax为：
Figure 283584DEST_PATH_IMAGE005
。
步骤5：为了保证线性化模型辨识的精度，线性化模型引起的最大误差
Figure 311583DEST_PATH_IMAGE006
需要被限制在一定范围内，其表达式为：
Figure 555482DEST_PATH_IMAGE007
式中n为线性化模型的误差度，满足100>n>0。
步骤6：根据步骤4和步骤5，为了满足线性化模型辨识的精度，阶跃响应有功功率需求允许变化值的范围为：
Figure 745155DEST_PATH_IMAGE008
。
步骤7：判断同步逆变器阶跃响应试验的变化范围是否满足步骤6得出的范围，若不符合，则重新设置阶跃响应试验的变化范围再进行判断。
步骤8：将并网同步逆变器输出有功功率与有功功率需求间的传递函数映射至离散域，其表达式为：
Figure 644978DEST_PATH_IMAGE009
式中D为阻尼系数，J为转动惯量，ω N 为额定角频率，
Figure 211089DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 575074DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 935648DEST_PATH_IMAGE012
为采样时间。
步骤9：根据步骤8，同步逆变器当前时刻T的输出功率
Figure 322767DEST_PATH_IMAGE013
可以由功率需求
Figure 256350DEST_PATH_IMAGE014
与历史的输出功率的线性和表示，其矩阵形式为：
Figure 146946DEST_PATH_IMAGE015
式中
Figure 944001DEST_PATH_IMAGE016
。
步骤10：将步骤9的矩阵形式简化为
Figure 552836DEST_PATH_IMAGE017
其中矩阵H包含需要辨识的信息，设对应的估计矩阵为
Figure 788646DEST_PATH_IMAGE018
，则其表达式为：
Figure 799327DEST_PATH_IMAGE019
。
步骤11：建立误差矩阵e，
Figure 767283DEST_PATH_IMAGE020
，通常经过数次迭代，将e的二次方
Figure 863415DEST_PATH_IMAGE021
作为最小二乘法迭代的指标，从而确定估计矩阵
Figure 575019DEST_PATH_IMAGE018
。
步骤12：提取步骤11辨识得到的估计矩阵
Figure 502524DEST_PATH_IMAGE022
的元素
Figure 641381DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 224809DEST_PATH_IMAGE024
， 由于估计值
Figure 536842DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 85897DEST_PATH_IMAGE024
包含转动惯量辨识值
Figure 395656DEST_PATH_IMAGE025
和阻尼系数辨识值
Figure 466380DEST_PATH_IMAGE026
的信息，所以由
Figure 519787DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 421884DEST_PATH_IMAGE024
可以直接计算
Figure 902543DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 194984DEST_PATH_IMAGE026
，其表达式为：
Figure 52082DEST_PATH_IMAGE027
。
附图说明
图1为同步逆变器并网结构示意图；
图2为同步逆变器阻尼系数和转动惯量遍历流程图；
图3为输出有功功率由3kW至20kW之间变化时的同步功率系数曲线；
图4为输出有功功率由3kW至20kW之间变化时的功角曲线；
图5为线性化模型误差示意图；
图6为并网同步逆变器阶跃响应试验下实际和拟合曲线。
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，对本发明进行进一步详细说明。
下面以一台额定功率为20kW同步逆变器为例具体说明该在线辨识方法的完整实施方式。
该同步逆变器并网结构如图1所示，从左至右依次为提供功率输入的直流电源UDC、由六个IGBT(S1、S2、S3、S4、S5、S6)构成的全桥逆变电路、由滤波电容C、同步逆变器内阻抗ZVSG、电网阻抗Zline组成的滤波电路、交流电网。
为检验本发明所提出阻尼系数和转动惯量在线辨识方法的合理性，本案例在MATLAB/Simulink平台上搭建了同步逆变器并网模型，并进行了仿真实验。
该系统预设的主要参数如下：
IGBT的开关频率为10kHZ，直流侧电压为700V，电网相电压有效值为220V，频率f=50Hz，滤波电容C为2e-5F，同步逆变器内阻抗ZVSG的感抗值为0.628Ω，电阻值为0.6Ω，电网阻抗Zline的感抗值为1.885Ω，阻抗值为0.3Ω。
下面按照本发明所提出的在线辨识方法辨识阻尼系数D和转动惯量J，具体流程如图2所示：
步骤1：将同步逆变器有功功率需求设置为斜波函数形式输入，有功功率的遍历区间设置为3kW-20kW，分别用电压传感器和电流传感器测量斜波函数形式输入下同步逆变器输出电压e abc 和电流i abc ，并通过表达式计算得到输出有功功率P e ，通过电压信息计算瞬时功角
Figure 808685DEST_PATH_IMAGE002
，然后根据输出有功功率和瞬时功角计算平均同步功率系数mSPC并绘制成波形图如附图3所示，功角的波形图如附图4所示。
步骤2:若同步逆变器阶跃响应试验有功功率需求设置为3kW-5kW，在附图4中查询变化前功角对应的值为0.04824rad，变化后对应的值为0.08122rad，所以
Figure 460247DEST_PATH_IMAGE004
约为0.03298rad，则平均同步功率系数为：
Figure 505563DEST_PATH_IMAGE028
。
步骤3：设置同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识的误差在10%以内，即n=10，则线性化模型引起的最大误差error max 为：
Figure 900772DEST_PATH_IMAGE029
。
线性化模型误差示意图如附图5所示，值得一提的是，图5中功角特性曲线考虑了同步逆变器内阻抗，所以同步逆变器的功角特性曲线与标准图相比会有所偏移。
步骤4：阶跃响应试验中有功功率需求允许变化值的范围为：
Figure 511882DEST_PATH_IMAGE030
。
步骤5：结合步骤4给出的范围，判断得出步骤2中有功功率需求的变化范围满足要求，所以对该试验中有功数据进行阻尼系数和转动惯量的辨识，理论上能使得误差在10%以内。
步骤6:采用后向差分法将输出有功功率和功率需求的传递函数转换至离散域并作为拟合函数，接着采用最小二乘法进行拟合，当算法迭代至第七次时，拟合完成。拟合曲线与实际曲线的对比如附图6所示。所得转动惯量J的辨识值为1.94，拟合标准差为2.97e-4，拟合精度为92.2%；阻尼系数D的辨识值为20.21，拟合标准差为2.1e-3，拟合精度为98.9%，辨识误差均在10%以内，符合要求。
综上所述，本发明所提出的一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法合理有效。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法，其特征在于，包括同步逆变器有功功率遍历法得到平均同步功率系数；建立平均同步功率系数，阶跃响应有功功率需求允许变化值和最大辨识误差的数学模型；利用最小二乘法和有功环离散模型辨识阶跃响应试验中同步逆变器输出功率的变化数据。
2.根据权利要求1所述的同步逆变器有功功率遍历法得到平均同步功率系数，其特征在于，有功功率遍历法是将同步逆变器有功功率需求设置为斜波函数形式输入，同时遍历的最大值可设置为额定功率（包含）以下，最小值可设置为0（包含）以上在遍历过程中，瞬时有功功率由电流和电压传感器采样实时数据，并计算得到，瞬时功角通过构建观测器或传感器测量，最终由瞬时有功功率和功角得到平均同步功率系数。
3.根据权利要求1所述的建立平均同步功率系数，阶跃响应有功功率需求允许变化值，和最大辨识误差的数学模型，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用平均同步功率系数定义功角特性非线性的最大误差
Figure 8432DEST_PATH_IMAGE001
，其表达式为：
Figure 337782DEST_PATH_IMAGE002
式中
Figure 536683DEST_PATH_IMAGE003
为阶跃响应同步逆变器有功功率需求变化值，
Figure 939982DEST_PATH_IMAGE004
为阶跃响应同步逆变器功角变化值；
步骤2：为了保证线性化模型的有效性，使用平均同步功率系数引起的误差可用同步逆变器有功功率需求的变化值
Figure 198925DEST_PATH_IMAGE003
衡量，其表达式为：
Figure 15571DEST_PATH_IMAGE005
式中n为线性化模型的误差度，满足100>n>0；
步骤3：根据步骤1和步骤2，阶跃响应试验中，同步逆变器的有功功率需求允许变化值的范围为：
Figure 814900DEST_PATH_IMAGE006
。
4.根据权利要求1所述的利用最小二乘法和有功环离散模型辨识阶跃响应试验中同步逆变器输出功率的变化数据，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：同步逆变器输出有功功率和有功功率需求的传递函数映射至离散域的表达式为：
Figure 338285DEST_PATH_IMAGE007
式中D为阻尼系数，J为转动惯量，ω N 为额定角频率，
Figure 768130DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 744176DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 848660DEST_PATH_IMAGE010
为采样时间；
步骤2：由步骤1的表达式以及差分方程的定义可知，同步逆变器当前的输出功率
Figure 492131DEST_PATH_IMAGE011
可以由功率需求
Figure 827298DEST_PATH_IMAGE012
与历史的输出功率的线性和表示，其矩阵形式为：
Figure 556219DEST_PATH_IMAGE013
式中
Figure 697351DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤3：将步骤2的矩阵形式简化为
Figure 195328DEST_PATH_IMAGE015
其中矩阵H包含需要辨识的信息，设对应的估计矩阵为
Figure 701396DEST_PATH_IMAGE016
，则其表达式为：
Figure 917614DEST_PATH_IMAGE017
步骤4：建立误差矩阵e，该误差矩阵用来表示实际矩阵P与估计矩阵
Figure 862436DEST_PATH_IMAGE018
的误差，即
Figure 214920DEST_PATH_IMAGE019
，通常经过数次迭代，将e的二次方
Figure 157468DEST_PATH_IMAGE020
作为最小二乘法迭代的指标，从而确定估计矩阵
Figure 595403DEST_PATH_IMAGE016
;
步骤5：由步骤4辨识得到估计矩阵的元素
Figure 78336DEST_PATH_IMAGE016
，从而得到估计值
Figure 550906DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 398776DEST_PATH_IMAGE022
，而估计值
Figure 324007DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 112097DEST_PATH_IMAGE024
、与转动惯量的辨识值
Figure 439173DEST_PATH_IMAGE021
和阻尼系数的辨识值
Figure 723524DEST_PATH_IMAGE022
的关系为：
Figure 136051DEST_PATH_IMAGE025
。
CN202110019378.6A 2021-01-07 2021-01-07 一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法 Pending CN112580225A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110019378.6A CN112580225A (zh) 2021-01-07 2021-01-07 一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110019378.6A CN112580225A (zh) 2021-01-07 2021-01-07 一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112580225A true CN112580225A (zh) 2021-03-30

Family

ID=75145656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110019378.6A Pending CN112580225A (zh) 2021-01-07 2021-01-07 一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112580225A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113111298A (zh) * 2021-04-01 2021-07-13 北京兴达智联科技有限公司 一种升降压变换器电路参数在线辨识的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190024634A1 (en) * 2011-05-31 2019-01-24 Vestas Wind Systems A/S Systems and methods for generating an inertial response to a change in the voltage of an electrical grid
CN110165709A (zh) * 2019-07-01 2019-08-23 湖南大学 考虑采样延时的虚拟同步机并网逆变系统稳定性提升方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190024634A1 (en) * 2011-05-31 2019-01-24 Vestas Wind Systems A/S Systems and methods for generating an inertial response to a change in the voltage of an electrical grid
CN110165709A (zh) * 2019-07-01 2019-08-23 湖南大学 考虑采样延时的虚拟同步机并网逆变系统稳定性提升方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SEPEHR SAADATMAND: "Heuristic Dynamic Programming for Adaptive Virtual Synchronous Generators", 《ARXIV》 *
XING ZHANG: "An Optimal Coordination Control Strategy of Micro-Grid Inverter and Energy Storage Based on Variable Virtual Inertia and Damping of VSG", 《CHINESE JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING》 *
肖岚等: "基于有功和无功环流控制的DC-AC逆变器并联系统分析与实现", 《电工技术学报》 *
邱健等: "基于电网动态特性的发电机主导参数辨识方法", 《中国电机工程学报》 *
陈磊等: "两区域互联系统联络线功率波动理论分析", 《电网技术》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113111298A (zh) * 2021-04-01 2021-07-13 北京兴达智联科技有限公司 一种升降压变换器电路参数在线辨识的方法
CN113111298B (zh) * 2021-04-01 2023-12-15 北京兴达智联科技有限公司 一种升降压变换器电路参数在线辨识的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Online voltage stability assessment for load areas based on the holomorphic embedding method
CN108667048B (zh) 新能源并网系统振荡稳定性的频域判稳方法及装置
CN107577870B (zh) 基于同步相量量测的配电网电压功率灵敏度鲁棒估计方法
CN110165709B (zh) 考虑采样延时的虚拟同步机并网逆变系统稳定性提升方法
TWI479159B (zh) 電壓穩定度即時估測方法
CN103840695B (zh) 一种光伏并网逆变器控制参数的辨识方法
KR101520248B1 (ko) 백스테핑 적응 제어 방법을 이용한 권선형 유도발전기 제어 방법 및 장치
CN108448585A (zh) 一种基于数据驱动的电网潮流方程线性化求解方法
CN111884218B (zh) 一种双馈入vsc输电系统稳定性评估方法及系统
CN113328447B (zh) 确定直驱风机系统振荡关键影响环节和参数的方法及系统
CN110676874A (zh) 计及频率耦合效应的直驱式风机次同步振荡电气量分析方法
CN104182644A (zh) 一种融合分布式电源特性的配电网状态估计方法
CN112580225A (zh) 一种同步逆变器阻尼系数和转动惯量在线辨识方法
CN106684866A (zh) 一种静态开环综合增益的计算方法及装置
CN108964061A (zh) 一种考虑负荷频率电压静特性的含风电交直流电力系统概率动态连续潮流新方法
CN105068035A (zh) 一种电压互感器误差水平动态检测方法及系统
CN107832959B (zh) 一种考虑负荷特性和电源约束的电压稳定评估方法
CN106874615B (zh) 风电机组负荷调节效应系数测试方法及装置
CN102545216B (zh) 用于电力系统暂态稳定仿真的发电机节点电压预测方法
CN111830348A (zh) 一种低频振荡下的动态同步相量测量方法和装置
CN113315122B (zh) 一种计及逆变电源控制系统非线性特征的故障暂态电流解析方法
CN114997505A (zh) 一种经变流器并网电源的稳定性分析方法及系统
CN103246206B (zh) 基于pmu的负荷特性电网负荷在线建模方法
CN110412353B (zh) 一种基于功率损耗的光伏电站三相变压器阻抗计算方法
CN115392110A (zh) 基于ppo算法的数据模型混合驱动风电场建模方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210330