CN113162122A - 一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法和系统，属于电气工程技术领域。方法核心部分包括频率一次控制和频率二次控制，频率一次控制采用虚拟同步机控制策略，模拟同步发电机转子运动方程；频率二次控制为基于一致性算法二次频率控制，该一致性算法将相邻的分布式功率源的有功输出作为输入量，实现频率的一致性控制。本发明针对并联的使用虚拟同步机控制的分布式功率源，不仅实现了功率的精准分配，还增强了功率源之间的耦合，这种耦合源于一致性算法引起的DGs间的交互，仅作用于系统的互阻尼，对各个功率源的自阻尼没有较大影响，不会出现自阻尼过大导致的不稳定问题，能够平抑有功输出振荡，解决了并联虚拟同步机的功率振荡问题。

Description

一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法和系统

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法和系统。

背景技术

近年来，风力发电、太阳能发电等新型发电技术的大规模应用，逐步撼动同步发电机在发电侧的主体地位，一方面减少了传统的旋转备用，另一方面电力电子变流器作为这些新型发电单元接入电网的接口，电力电子装置的动态特性是全控的、模块化的、快速的，与欠驱动的、严格控制的、相对缓慢的传统电网之间存在差异，其快速响应的特性以及新型发电单元的随机性、间歇性给电网带来较大波动，显著降低了系统的惯性，影响系统的安全稳定运行。因此，为适应交流电力系统新能源成分的高渗透率带来的稳定性问题，一种方法是使变流器接口表现同步发电机的暂态特性，即虚拟同步机控制，使储能装置为电网贡献惯性，从而增强电网的抗扰性。随着新能源成分在电网中渗透率的不断提高，电力电子变流器作为电力系统与分布式功率源(Distributed Generator,DG)进行能量交换的接口，弥补了变流器与电网之间的动态特性差异，在新能源发电装置中得到了广泛应用。

虚拟同步机控制策略改善了系统的暂态过程，但是也引入了同步机的振荡特性。当多个采用虚拟同步机控制的DGs并联运行时，系统易出现功率振荡。这种功率振荡源于并联功率源之间互阻尼的缺乏，现有控制方法以基于附加阻尼控制为代表，这类控制方法直接增加系统的互阻尼，但同时也影响每个功率源的自阻尼，易导致系统的不稳定。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法和系统，其目的在于抑制并联DGs的功率振荡，实现合理的功率分配。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，该方法应用于多个相互并联的功率源系统，包括：

S1.对于第i个DG执行以下步骤，实现频率一致性控制：

01.将第i个DG当前控制时刻的参考功率P_ref,i除以有功系数R_p,i得到第 i个DG当前控制时刻的信息量P_n,i；

02.将第i个DG当前控制时刻的信息量P_n,i分别与相邻两个功率源当前控制时刻的信息量P_n,(i+1)、P_n,(i－1)作差，将作差结果分别乘以权重系数a_p后相加，相加结果减去第i个DG当前控制时刻的功率差P_i，将差值作为积分环节和比例环节的输入信号，得到第i个DG下一控制时刻的参考功率P’_ref,i；

03.将下一控制时刻的参考功率P’_ref,i与第i个DG当前控制时刻的有功输出P_o,i作差得到下一控制时刻的功率差P’_i；

S2.将下一控制时刻的功率差P’_i输入虚拟同步机控制方程，将输出结果与功率源当前控制时刻的输出频率ω_i相加，将得到的参考频率ω_ref,i作为积分器输入信号，得到参考相位θ_ref,i；i＝1,2,3……I，I表示功率源总个数；

S3.将d轴电势参考值与q轴电势参考值进行基于参考相位θ_ref,i的dq 逆变换得到三相交流电压调制信号，将其送入SVPWM信号发生器得到下一控制时刻控制DG中变流器各开关管开断的PWM控制信号；

重复执行步骤S1-S3直至系统达到稳态。

进一步地，虚拟同步机控制方程为：

J_i表示虚拟同步机控制的虚拟转动惯量，D_i表示虚拟同步机控制的虚拟阻尼系数。

进一步地，d轴电势参考值为：

e_dref,i＝k_pid,i(i_dref,i-i_d,i)+k_iid,i∫(i_dref,i-i_d,i)dt；

其中，k_pid,i为d轴电流比例系数，k_iid,i为d轴电流积分系数，i_d,i为d轴电流，i_qref,i为d轴电流参考值。

进一步地，d轴电流参考值为：

其中，R_q,i为无功系数，u_ref,i为电压参考值，u_d,i为d轴输出电压，k_pud,i为d轴电压比例系数，k_iud,i为d轴电压积分系数，Q_o,i为无功输出功率。

进一步地，q轴电势参考值为：

e_qref,i＝k_piq,i(i_qref,i-i_q,i)+k_iiq,i∫(i_qref,i-i_q,i)dt；

其中，k_piq,i为q轴电流比例系数，k_iiq,i为q轴电流积分系数，i_qref,i为q 轴电流参考值，i_q,i为q轴电流。

进一步地，q轴电流参考值为：

i_qref,i＝k_puq,i(u_qref,i-u_q,i)+k_iuq,i∫(u_qref,i-u_q,i)dt；

其中，k_puq,i为q轴电压比例系数，k_iuq,i为q轴电压积分系数，u_q,i为q 轴电压，u_qref,i为q轴电压参考值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

本发明针对并联结构的使用虚拟同步机控制的分布式功率源，不仅实现了功率的精准分配，还在此基础上增强了功率源之间的耦合，这种耦合源于一致性算法引起的DGs间的交互，仅作用于系统的互阻尼，对各个功率源的自阻尼没有较大影响，不会出现自阻尼过大导致的不稳定问题，达到了平抑功率振荡的效果，解决了并联虚拟同步机的功率振荡问题。

附图说明

图1是4个并联的分布式功率源系统结构图(4-DGs系统)；

图2是实施例中频率一次控制示意图；

图3是实施例中频率二次控制示意图；

图4是实施例中无功电压控制示意图；

图5是实施例中不使用本发明控制方法时，DG1附近的负载Z₁发生改变，4个DGs的频率曲线和有功输出曲线；

图6是实施例中使用本发明控制方法时，DG1附近的负载Z₁发生改变， 4个DGs的频率曲线和有功输出曲线。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明在一次控制的基础上增加了频率的二次控制，可以恢复虚拟同步机控制下垂特性引入的频率偏差，实现并联DGs之间的精确的功率分配，以减小暂态过程中的振荡。引入频率二次控制的虚拟同步机控制控制方程被改写为(1)。

其中，P_o,i为DG的输出功率，P_i为二次控制产生的控制量，其动态特性为(2)。

其中，a_p为一致性算法的权重系数，同时也称为DGs之间的交互系数， R_P,i为实现有功功率按比例分配的分配系数，i、j都代表DGs的编号。

下面利用稳态分析，证明所设计的控制器能够在稳态时恢复频率到一致的值，同时实现有功功率的按比例分配。

稳态时有

根据(1)和(2)能够得到式(3)和(4)，将式(4)写成矩阵形式，得到(5)。

P_i-P_o,i-D_i(ω_i-ω₀)＝0 (3)

其中R_P＝diag{R_P,i}，P＝[P₁,P₂,…,P_n]^T，P_o＝[P_o,1,P_o,2,…,P_o,n]^T。

根据Laplace矩阵的性质有L_G1＝1^TL_G＝0。因此，通过对式(5)左乘向量1^T可得(6)，结合(3)和(6)得到(7)。

由于稳态时系统具有统一的频率，因此，由式(7)可证，稳态时系统频率ω_i可恢复到额定值ω₀。将此结果代入到式(3)和式(5)可进一步得(8)，该式表明，

为Laplace矩阵对应零特征值的特征向量，根据Laplace矩阵的性质可知，向量

的各元素相同，即：

因此，经过以上过程，可使信息量逐渐收敛，最终趋于一致，同时又由于P_i＝P_o,i，稳态时各DG的输出功率满足(9)式，实现了功率的按比例分配。

如图1所示，示例系统由4个DGs组成，每个功率源均有本地负荷，每个功率源都有连接到公共耦合点的本地电阻R_i、本地电感L_i、本地电容 C_i(i＝1,2,3,4)，相邻功率源之间通过连接电阻R_ij(i,j＝1,2,3,4)和连接电感 L_ij(i,j＝1,2,3,4)进行连接。

对于上述系统而言，采用本实施例提供的基于一致性算法的虚拟同步机控制方法的控制目标是使并联DGs系统在发生扰动时能够平抑DGs的有功振荡，以较为平稳的波形进行过渡，恢复到稳态。以下结合该系统来具体阐述实施例提供的基于一致性算法的虚拟同步机控制方法具体实施过程。

图2是实施例中的频率一次控制示意图，即虚拟同步机控制，模拟同步机转子运动过程，输入DG的输出功率与参考功率的功率差P_i和输出频率ω_i，通过控制框图，输出频率参考值ω_ref,i和相位参考值θ_ref,i。

图3是实施例中的频率二次控制示意图，基于一致性算法构建控制框图，输入当前DG的信息量以及相邻两个功率源的信息量，输出参考功率以及当前DG更新后的信息量，输出参考功率与输出功率作差得到功率差，作为输入量参与频率一次控制，信息量继续参与本地负荷的频率二次控制和相邻负荷的频率二次控制，通过持续的交互迭代，最终实现频率的无差调节，实现了有功输出在4个DGs之间的按比例划分，并且明显减小了暂态过程中的振荡。

图4是实施例中无功电压控制示意图，包括d轴双环控制模块和q轴双环控制模块。d轴控制模块外环为无功下垂控制，将d轴输出电压与无功功率的下垂表达式作差，经过PI控制器，得到d轴电流参考值i_dref,i，再与 d轴输出电流i_d,i作差，再次经过PI控制器，得到d轴电势参考值e_dref,i；q 轴控制模块外环为定q轴电压PI控制，内环为q轴电流控制环，将q轴输出电压与电压设定值作差，作差结果经过PI控制器得到q轴电流参考值i_qref,i，再与q轴输出电流i_q,i作差，作差结果经过PI控制器得到q轴电势参考值 e_qref,i；d轴电势参考值与q轴电势参考值经过基于频率一次控制的输出相位参考值的dq逆变换得到三相交流电势调制信号，将三相调制信号送入 SVPWM信号发生器，得到变流器各开关管开断的PWM控制信号。

本实施例中，各控制器参数的取值如下：

J_i：虚拟同步机控制的虚拟转动惯量，单位时间内，频率改变1Hz，DG 有功输出变化2.5kW，按照下式进行参数设置。

D_i：虚拟同步机控制的虚拟阻尼系数，频率改变0.1Hz，DG有功输出变化50kW，按照下式进行参数设置。

R_p,i：有功调整系数，频率改变0.1Hz，DG有功输出变化100kW，进行参数设置。

R_q,i：无功调整系数，电压改变1V，DG无功输出变化50kvar，进行参数设置。

a_p：一致性算法的交互系数，反映了交互信息量的收敛速度，与离散时间情况下的采样间隔有关，本实施例中取a_p＝10。

对于无功-电压控制，其PI控制的参数按照如下取值：d轴控制模块 k_pud,i＝20，k_iud,i＝200，k_pid,i＝10，k_iid,i＝333.3；q轴控制模块k_puq,i＝20，k_iuq,i＝200， k_piq,i＝10，k_iiq,i＝333.3；

实施例提供的适用于4-DG系统的基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，具体包括如下步骤：

(1)采集功率源输出电压u_a,i、u_b,i、u_c,i(i＝1,2,3……)，输出电流i_a,i、 i_b,i、i_c,i(i＝1,2,3……)；

(2)根据输出电压、输出电流计算有功输出功率P_o,i、无功输出功率 Q_o,i；

(3)将参考功率P_ref,i与有功输出P_o,i作差得到功率差P_i；

(4)将参考功率P_ref,i除以有功系数R_p,i得到一致性算法的信息量P_n,i，

有功系数体现了一致性算法控制结果，当信息量趋于一致后，各DG 的有功输出将按照R_p,i达到按比例分配的稳态值，本实施例中将各DG的 R_p,i取为相同值，可使各DG在稳态下具有相同输出；

(5)当前DG的信息量P_n,i分别与相邻两个功率源的信息量P_n,(i+1)、P_n,(i－1)作差，作差结果乘以权重系数a_p后相加，再减去功率差P_i，经过积分环节和比例环节，得到参考功率P_ref,i；

(6)功率差P_i输入到虚拟同步机控制方程中，采集功率源输出频率ω_i(i＝1,2,3……)，根据功率源输出频率ω_i，计算得到参考频率ω_ref,i；

(7)参考频率ω_ref,i经过积分器得到相位数据θ_ref,i；

(8)采用派克变换公式，根据功率源输出频率ω_i将三相形式的输出电压u_a,i、u_b,i、u_c,i(i＝1,2,3……)分解为u_d,i、u_q,i，输出电流i_a,i、i_b,i、i_c,i(i＝1,2, 3……)分解为i_d,i、i_q,i；

(9)采用dq解耦的控制结构，d轴控制采用无功电压控制，q轴采用定q轴电压控制；

(10)采用PI控制器，d轴无功电压控制，输入电压参考值u_ref,i、d轴输出电压u_d,i、无功输出Q_o,i除以无功系数R_q,i，三者的作差结果输入PI控制器，输出d轴电流参考值i_dref,i；

(11)采用PI控制器，q轴定电压控制，将q轴电压参考值u_qref,i与q 轴电压u_q,i作差，作差结果输入PI控制器，输出q轴电流参考值i_qref,i；

(12)采用PI控制器，将d轴电流参考值i_dref,i与d轴电流i_d,i作差，作差结果输入PI控制器，输出得到d轴电势参考值e_dref,i；

(13)采用PI控制器，将q轴电流参考值i_qref,i与q轴电流i_q,i作差，作差结果输入PI控制器，输出得到q轴电势参考值e_qref,i；

(14)将e_dref,i与e_qref,i进行基于θ_ref,i的dq逆变换得到三相交流电压调制信号e_a,i、e_b,i、e_c,i(i＝a,b,c)，将三相调制信号送入SVPWM信号发生器，得到控制DG中变流器各开关管开断的PWM控制信号；

经过以上的控制的过程，实施例系统不仅实现了功率的精准分配，还在此基础上增强功率源之间的耦合，这种耦合源于一致性算法引起的DGs 间的交互，仅作用于系统的互阻尼，对各个功率源的自阻尼没有较大影响，不会出现自阻尼过大导致的不稳定问题，达到了平抑功率振荡的效果，解决了并联虚拟同步机的功率振荡问题。

在PSCAD/EMTDC软件中验证系统在出现扰动时各DG有功输出的变化曲线，图5、图6对比了并联DGs在使用和不使用本发明所提出控制方法的仿真结果。参考图5，当DG1附近的负载Z₁发生改变时，4个DGs的有功输出曲线均发生变化，当系统中的各DG未使用基于一致性算法的二次频率控制时，暂态过程中各DG的频率和有功功率均出现振荡，并且由于振荡发生在DG1附近，其他DGs的有功输出变化随距离增大而减小，并且最终导致各DG有功输出的稳态值处于不同水平；参考图6，当系统中的各DG使用基于一致性算法的二次频率控制时，暂态过程中的振荡将明显减小，同时由于一致性算法的作用，各DG的有功输出将在稳态趋于同一值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，其特征在于，该方法应用于多个相互并联的功率源系统，包括：

S1.对于第i个DG执行以下步骤，实现频率一致性控制：

01.将第i个DG当前控制时刻的参考功率P_ref,i除以有功系数R_p,i得到第i个DG当前控制时刻的信息量P_n,i；

02.将第i个DG当前控制时刻的信息量P_n,i分别与相邻两个功率源当前控制时刻的信息量P_n,(i+1)、P_n,(i－1)作差，将作差结果分别乘以权重系数a_p后相加，相加结果减去第i个DG当前控制时刻的功率差P_i，将差值作为积分环节和比例环节的输入信号，得到第i个DG下一控制时刻的参考功率P’_ref,i；

03.将下一控制时刻的参考功率P’_ref,i与第i个DG当前控制时刻的有功输出P_o,i作差得到下一控制时刻的功率差P’_i；

S2.将下一控制时刻的功率差P’_i输入虚拟同步机控制方程，将输出结果与功率源当前控制时刻的输出频率ω_i相加，将得到的参考频率ω_ref,i作为积分器输入信号，得到参考相位θ_ref,i；i＝1,2,3……I，I表示功率源总个数；

S3.将d轴电势参考值与q轴电势参考值进行基于参考相位θ_ref,i的dq逆变换得到三相交流电压调制信号，将其送入SVPWM信号发生器得到下一控制时刻控制DG中变流器各开关管开断的PWM控制信号；

重复执行步骤S1-S3直至系统达到稳态。

2.根据权利要求1所述的一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，其特征在于，虚拟同步机控制方程为：

J_i表示虚拟同步机控制的虚拟转动惯量，D_i表示虚拟同步机控制的虚拟阻尼系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，其特征在于，d轴电势参考值为：

e_dref,i＝k_pid,i(i_dref,i-i_d,i)+k_iid,i∫(i_dref,i-i_d,i)dt；

其中，k_pid,i为d轴电流比例系数，k_iid,i为d轴电流积分系数，i_d,i为d轴电流，i_qref,i为d轴电流参考值。

4.根据权利要求3所述的一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，其特征在于，d轴电流参考值为：

其中，R_q,i为无功系数，u_ref,i为电压参考值，u_d,i为d轴输出电压，k_pud,i为d轴电压比例系数，k_iud,i为d轴电压积分系数，Q_o,i为无功输出功率。

5.根据权利要求1所述的一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，其特征在于，q轴电势参考值为：

e_qref,i＝k_piq,i(i_qref,i-i_q,i)+k_iiq,i∫(i_qref,i-i_q,i)dt；

其中，k_piq,i为q轴电流比例系数，k_iiq,i为q轴电流积分系数，i_qref,i为q轴电流参考值，i_q,i为q轴电流。

6.根据权利要求5所述的一种基于一致性算法的虚拟同步机控制方法，其特征在于，q轴电流参考值为：

i_qref,i＝k_puq,i(u_qref,i-u_q,i)+k_iuq,i∫(u_qref,i-u_q,i)dt；

其中，k_puq,i为q轴电压比例系数，k_iuq,i为q轴电压积分系数，u_q,i为q轴电压，u_qref,i为q轴电压参考值。

7.一种基于一致性算法的虚拟同步机控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至6任一项所述的基于一致性算法的虚拟同步机控制方法。

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