CN113315179A - 一种vsg虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法，该方法根据双馈风机虚拟同步控制原理图建立包含风速变量的小信号模型，利用模糊控制器以运行风速和频率偏差作为输入确定虚拟惯性系数稳态值，为避免系统振荡失稳，根据临界振荡风速与运行风速的大小关系确定阻尼系数稳态值；根据频率偏差和频率变化率和控制参数的关系，以及调频过程的需求变化，交错自适应调整控制参数。本发明提供的VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法，有利于双馈风机适应不同的风速，在避免系统振荡失稳前提下，提升了调频效果。

Description

一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法

技术领域

本发明涉及发电系统控制技术领域，特别是涉及一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法。

背景技术

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)控制通过完整模拟传统同步机频率和电压调整特性，引入转动惯量与阻尼特性，提高了系统的频率稳定性，但也继承了其功率振荡的缺陷。VSG控制的虚拟惯性系数和阻尼系数会直接影响风电系统的调频特性，控制参数如何整定成为一个重要问题。传统恒定控制参数的VSG控制双馈风机系统在电网频率的支撑能力和输出功率振荡方面存在问题。当前为了简化计算分析，假定运行风速恒定，而实际运行中风速是不断波动和改变的，大量研究表明风机工作点的运行状态会影响虚拟同步控制系统的动态响应特性，并且在调频过程的不同阶段，为保证系统的动态性能，系统对虚拟同步发电机控制的虚拟惯量和阻尼的需求不同。因此，需要针对运行风速和调频过程需求自适应地调整虚拟惯性系数和阻尼系数。

发明内容

本发明的目的是提供一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法，根据运行风速和调频阶段需求，合理调整双馈风机VSG控制的虚拟惯性系数和阻尼系数，在避免系统振荡失稳，充分保证系统稳定的前提下，提升风机系统的惯性响应和功率支撑能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统，包括：同步发电机G₁、同步发电机G₂、双馈风电机组DFIG₁、并网逆变器、变压器T₁、变压器T₂、变压器T₃、负荷L₁、负荷L₂、负荷L₃、母线B1、母线B2、母线B3、母线B4、阻抗b₁、阻抗b₂和阻抗b₃，同步发电机G₁通过变压器T₁连接至母线B1后经阻抗b₁连接至母线B4，同步发电机G₂通过变压器T₂连接至母线B2后经阻抗b₂连接至母线B4，双馈风电机组DFIG₁依次通过虚拟惯量和阻尼协同自适应VSG控制并网逆变器连接至母线B3，后依次经变压器T₃、阻抗b₃连接至母线B4上，负荷L₁和负荷L₃直接接入母线B4，负荷L₂直接接入母线B1。双馈风电机组DFIG₁利用虚拟惯量和阻尼协同自适应VSG控制并网逆变器的控制参数自适应调整能力来适应不同运行风速和调频阶段的调频需求。

一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制方法，应用于上述系统，包括步骤：

S1)利用锁相环技术实时检测系统的电网频率ω_m；

S2)判断双馈风电机组DFIG₁侧转子换流器的并网点处电网频率偏差Δω是否超出允许的波动范围Δω₀；若是，则执行步骤S3，若否，则执行步骤S1；

S3)实时检测系统的运行风速v_w，动态识别双馈风电机组DFIG₁的运行状态；

S4)基于运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω，利用模糊控制算法确定所处风速虚拟惯性系数稳态值J₀；

S5)建立系统的小信号模型并转化为状态空间矩阵形式，推导出临界振荡风速v_ov，根据临界振荡风速v_ov和系统参数以及虚拟惯性系数稳态值J₀，按照阻尼系数的选择原则确定阻尼系数稳态值D₀；

S6)根据步骤S1)中的电网频率ω_m计算频率变化率dω/dt，利用频率变化率dω/dt和步骤S2)中的频率偏差Δω，确定调频阶段，按照虚拟惯性系数J和阻尼系数D的自适应控制方程设定VSG控制参数；

S7)根据设定的VSG控制参数对VSG进行调频控制，判断系统的电网频率是否恢复；若是，则执行步骤S1，若否，调频控制结束。

可选的，所述步骤S4)基于运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω，利用模糊控制算法确定所处风速虚拟惯性系数稳态值J₀，具体包括：

将运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω作为模糊控制器的输入量，将虚拟惯性系数稳态值J₀作为模糊控制器的输出量，并分别确定输入量、输出量的基本论域和相应的模糊子集，之后设定模糊控制规则；其中，

运行风速v_w的基本论域为[8m/s，14m/s]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；允许的频率偏差Δω的基本论域为[-0.45Hz，0.45Hz]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；虚拟惯性系数稳态值J₀的论域为[0，3]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

模糊控制规则：在运行风速v_w较低且允许的频率偏差Δω为正数时，J₀设置较大；在运行风速v_w较低且允许的频率偏差Δω为负数时，J₀设置较小；在运行风速v_w较高且允许的频率偏差Δω为正数时，J₀设置较小；在运行风速v_w较高且允许的频率偏差Δω为负数时，J₀设置较大。

可选的，所述步骤S5)建立系统的小信号模型并转化为状态空间矩阵形式，推导出临界振荡风速v_ov，根据临界振荡风速v_ov和系统参数以及虚拟惯性系数稳态值J₀，按照阻尼系数的选择原则确定阻尼系数稳态值D₀，具体包括：

将系统的小信号模型转化为状态空间矩阵形式，公式为：

其中，系统矩阵A为：

通过求解系统的小信号模型的特征方程得到临界振荡风速v_ov，公式为：

为保证系统的稳定运行，在已知运行风速v_w情况下，虚拟惯性系数稳态值J₀和阻尼系数稳态值D₀应满足运行风速v_w大于临界振荡风速v_ov：

其中，K_ω为频率下垂控制系数；J和D分别为虚拟惯性系数和阻尼系数；λ_opt为最优叶尖速比；R为风轮半径；H为双馈风机机械系统固有惯性时间常数；k_pv为转速控制器比例系数；k_iv为转速控制器积分系数；E为VSG的输出电压；U为电网电压；θ为阻抗角，Z为系统阻抗；v_w0为稳态运行工作点风速；

基于虚拟惯性系数稳态值J₀，根据上式确定阻尼系数稳态值D₀的取值范围。

可选的，所述步骤S6)根据步骤S1)中的电网频率ω_m计算频率变化率dω/dt，利用频率变化率dω/dt和步骤S2)中的频率偏差Δω，确定调频阶段，按照虚拟惯性系数J和阻尼系数D的自适应控制方程设定VSG控制参数，具体包括：

虚拟惯性系数J和阻尼系数D在调频不同阶段的自适应控制方程如下：

其中，J₀、D₀分别为虚拟惯性系数和阻尼系数的稳态值；k_J1、k_J2分别为频率偏差和频率变化率的转动惯量调节系数，k_D1、k_D2分别为频率偏差Δω、频率变化率dω/dt的阻尼调节系数，T_D、T_J为虚拟角频率变化率的阈值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法，相比于传统控制方法，本发明根据双馈风机虚拟同步控制原理图建立包含风速变量的小信号模型，利用模糊控制器以运行风速和频率偏差作为输入确定虚拟惯性系数稳态值J₀，为避免系统振荡失稳，根据临界振荡风速与运行风速的大小关系确定阻尼系数稳态值D₀；根据频率偏差和频率变化率和控制参数的关系，以及调频过程的需求变化，交错自适应调整控制参数；本发明充分考虑了实际运行中双馈风速运行风速的变化问题，运行风速对双馈风机虚拟同步发电机控制动态性能的影响以及不同调频阶段的惯量和阻尼需求，与传统VSG控制相比可适应不同运行风速，在较高风速时可充分发挥调频能力，调频效果有了很大提升，在较低风速时，可以避免系统发生振荡失稳，保证系统稳定运行；本发明通过自适应调整控制参数，来适应不同的运行风速和调频阶段，避免系统振荡失稳，一定程度改善电网频率和DFIG输出功率的动态响应特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例双馈风机系统仿真拓扑结构图；

图2为本发明实施例VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制方法的流程图；

图3为本发明实施例双馈风机虚拟同步发电机控制原理图；

图4为本发明实施例双馈风机VSG控制功角特性曲线图；

图5为本发明实施例双馈风机虚拟同步发电机控制小信号模型图；

图6为本发明实施例不同风速和虚拟惯性系数下VSG系统特征根轨迹；

图7a为本发明实施例虚拟惯性系数自适应控制框图；

图7b为本发明实施例阻尼系数自适应控制框图；

图8为本发明实施例虚拟惯性系数模糊控制原理图；

图9a为本发明实施例模糊控制风速输入量的隶属度函数图；

图9b为本发明实施例模糊控制频率偏差输入量的隶属度函数图；

图9c为本发明实施例模糊控制虚拟惯性系数稳态值输出量的隶属度函数图；

图10a为本发明实施例11m/s风速下不同控制方法频率变化对比图；

图10b为本发明实施例9m/s风速下不同控制方法频率变化对比图；

图11a为本发明实施例11m/s风速下不同控制方法转子转速变化对比图；

图11b为本发明实施例9m/s风速下不同控制方法转子转速变化对比图；

图12a为本发明实施例11m/s风速下不同控制方法输出功率变化对比图；

图12b为本发明实施例9m/s风速下不同控制方法输出功率变化对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明的目的是提供一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法，根据运行风速和调频阶段需求，合理调整双馈风机VSG控制的虚拟惯性系数和阻尼系数，在避免系统振荡失稳，充分保证系统稳定的前提下，提升风机系统的惯性响应和功率支撑能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统，包括：同步发电机G₁、同步发电机G₂、双馈风电机组DFIG₁、并网逆变器、变压器T₁、变压器T₂、变压器T₃、负荷L₁、负荷L₂、负荷L₃、母线B1、母线B2、母线B3、母线B4、阻抗b₁、阻抗b₂和阻抗b₃，同步发电机G₁通过变压器T₁连接至母线B1后经阻抗b₁连接至母线B4，同步发电机G₂通过变压器T₂连接至母线B2后经阻抗b₂连接至母线B4，双馈风电机组DFIG₁依次通过虚拟惯量和阻尼协同自适应VSG控制并网逆变器连接至母线B3，后依次经变压器T₃、阻抗b₃连接至母线B4上，负荷L₁和负荷L₃直接接入母线B4，负荷L₂直接接入母线B1。双馈风电机组DFIG₁利用虚拟惯量和阻尼协同自适应VSG控制并网逆变器的控制参数自适应调整能力来适应不同运行风速和调频阶段的调频需求，抑制系统振荡失稳，提高系统的调频动态性能。

如图2所示，本发明实施例还提供了VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制方法，应用于上述系统，包括步骤：

S1)利用锁相环技术实时检测系统的电网频率ω_m；

S2)判断双馈风电机组DFIG₁侧转子换流器的并网点处电网频率偏差Δω是否超出允许的波动范围Δω₀；若是，则执行步骤S3，若否，则执行步骤S1；

S3)实时检测系统的运行风速v_w，动态识别双馈风电机组DFIG₁的运行状态；

S4)基于运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω，利用模糊控制算法确定所处风速虚拟惯性系数稳态值J₀；

S5)建立系统的小信号模型并转化为状态空间矩阵形式，推导出临界振荡风速v_ov，根据临界振荡风速v_ov和系统参数以及虚拟惯性系数稳态值J₀，按照阻尼系数的选择原则确定阻尼系数稳态值D₀；

S6)根据步骤S1)中的电网频率ω_m计算频率变化率dω/dt，利用频率变化率dω/dt和步骤S2)中的频率偏差Δω，确定调频阶段，按照虚拟惯性系数J和阻尼系数D的自适应控制方程设定VSG控制参数；

S7)根据设定的VSG控制参数对VSG进行调频控制，判断系统的电网频率是否恢复；若是，则执行步骤S1，若否，调频控制结束。

如图3所示，基于同步发电机组转子运动方程把虚拟惯性控制引入双馈风机控制算法中，可得双馈风机虚拟同步发电机有功-频率控制方程：

通过模拟同步机模拟传统同步发电机一次调频的功-频静态特性曲线得到虚拟调速器方程：

P_ref-P_m＝K_ω(ω_m-ω_ref) (2)

取J＝J*ω_m，其中ω_g为系统角频率，由于锁相环技术的局限性导致存在较大偏差，一般用角频率参考值ω_ref代替，合并化简得到：

式中，P_ref与P_e分别为有功功率参考值和风电机组输出有功功率；K_ω为频率下垂系数；J与D分别为虚拟惯性系数和阻尼系数；ω_m为输出角频率；ω_ref为角频率参考值。

根据同步发电机励磁方程可得，双馈风机虚拟同步发电机无功-电压控制方程：

E＝E₀+K_q(Q_ref-Q_e) (4)

式中，Q_ref为无功功率参考值；Q_e为风电机组输出无功功率；K_q为电压下垂系数；E₀为电压参考值。

如图4所示，结合VSG功角特性曲线对虚拟同步机控制在不同调频阶段的需求进行分析确定。

当外部条件突然改变造成系统频率波动，导致VSG机械功率由P_m1増加至P_m2，系统的初始稳定运行点为a，经过多个连续的振荡最终稳定在b点。其振荡过程的每一个周期可以分为四个阶段来分析：

第一阶段：运行点由a移动到b，VSG机械功率増加至P_m2，此时P_m2>P_e，角加速度dω/dt>0，VSG开始加速，ω_m増大，功角δ也不断増加，VSG输出的有功功率P_e随之增加，到达b点，此时P_m2＝P_e，dω/dt＝0。在此区间，为了抑制ω_m偏离平衡点导致功率正超调，应减小dω/dt，需要的虚拟惯性较大，阻尼系数较小；

第二阶段：运行点由b移动到c，在b点，由于此时ω_m大于额定角频率ω_n，δ继续増加，当运行超过b点后，P_m2<P_e，dω/dt<0，VSG开始减速，ω_m减小，直至ω_m＝ω_n，P_e达到最大。在此区间，为了使P_e尽快达到最大点，应减小Δω，需要的阻尼系数较大，虚拟惯性较小；

第三阶段：运行点由c移动到b，在c点时ω_m＝ω_n，由于P_m2<P_e，所以，ω_m继续减小，ω_m<ω_n，VSG开始反向加速，δ减小，P_e随之减小，直至到达b点，此时P_m2＝P_e。为了抑制ω_m偏离平衡点，出现功率负超调，在此区间应减小dω/dt，需要的虚拟惯性较大，阻尼系数较小；

第四阶段：运行点由b向a移动，在b点，P_m2＝P_e，所以dω/dt＝0，ω_m小于ω_n，继续反向运动，δ继续减小，超过b点后，由于P_m2>P_e，dω/dt>0，而ω_m<ω_n，所以VSG反向减速，直至ω_m＝ω_n，此时VSG输出有功功率P_e达到最小，由于阻尼的作用，P_e达到最小的点在a点之上。为P_e尽快达到最小点，应减小Δω，需要的阻尼系数较大，虚拟惯性较小。

这样，在虚拟惯性和虚拟阻尼的作用下，经过动态往复振荡，最终稳定在b点，此时输出有功功率P_m2＝P_e，输出角频率功角ω_m＝ω_n，不同阶段的虚拟惯性与阻尼需求见表1。

表1不同阶段的虚拟惯性与阻尼需求

如图5所示，以最大功率跟踪区间为例，且假设扰动前风机运行在最佳工作点，系统处于平衡状态：

P_in0＝P_e0＝k_optω_r0 ³ (5)

式中，P_in0为稳态输入机械功率，P_e0为稳态输出电磁功率，k_opt为最大功率跟踪系数。

不考虑风机自身转速及桨距角运行状态改变对输入机械功率的影响，且假定扰动期间风速不变，即ΔP_in＝0。根据小信号模型可知有功功率参考值的变化量为：

式中，ΔP_ref、ΔP_e分别为参考功率和输出功率变化量，H表示双馈风机机械系统固有惯性时间常数，k_pv、k_iv分别为转速控制器比例和积分系数，ω_r0为扰动前稳定运行工作点的转子转速。

其中风速与转速的对应关系为：

式中，λ_opt为最优叶尖速比，v_w0为稳定运行工作点风速，R为风轮半径。

虚拟同步发电机控制的电磁功率为：

将VSG输出功率转化为小信号模型为：

根据式(3)虚拟同步发电机控制方程得到其小信号模型：

ΔP_ref-ΔP_e＝JΔω_m+(D+K_ω)Δω_m (10)

将式(6)、(7)、(9)代入式(10)整理得到：

由于Δω_m＝sΔθ，上式可以整理为关于Δθ的高阶微分方程：

s⁴Δθ+a₁s³Δθ+a₂s²Δθ+a₃sΔθ+a₄Δθ＝0 (12)

其中，

将小信号模型整理为状态空间表达式的形式：

其中系统矩阵A为：

如图6所示，根据系统特征根轨迹可知采用VSG控制的双馈风机系统的稳定性受初始运行点的风速影响，该系统特征值以共轭对方式出现，即：

λ＝σ+jω (14)

特征值实部为负值表示衰减振荡，实部为正值表示发散振荡。由系统特征根轨迹可以发现，由于随着风速变化特征值λ_3,4的实部恒为负值，该对特征值对应的是衰减振荡模式；而特征值λ_1,2的实部随着风速增大而由正值变为负值，振荡模式改变，由发散振荡变为衰减振荡，对系统稳定性影响起主要作用。

通过求解小信号模型的特征方程得到：

当v_w＝v_ov时系统一组共轭特征根为：

该组共轭特征值对应的振荡的频率为：

定义阻尼比为：

阻尼比刻画了振荡的衰减特性，阻尼比为0表示在该风速下系统处于临界稳定状态。v_ov可以看作虚拟同步发电机控制的临界风速，控制参数固定，当v_w≤v_ov时，系统的一组共轭特征值位于s的右半平面，双馈风机系统输出功率振荡，会有失稳风险；随着风速的升高，系统特征值逐渐向s的左半平面移动，当v_w>v_ov，采用虚拟同步发电机控制系统的特征值全部位于s的左半平面，振荡衰减，系统可以保持稳定。

由图6可知在8m/s-14m/s风速范围内，随着虚拟惯性系数J设定值增大，VSG控制双馈风机系统的特征根的分布向右移动，系统的不稳定度增强，系统的临界振荡风速增大，系统稳定运行对风速的要求更高。当其他参数固定时，每个风速对应一个虚拟惯性系数J_max，当设定值大于J_max时系统失稳。随着运行风速的增大，虚拟惯性系数J_max增大。由图6系统特征根轨迹可以发现，采用虚拟同步发电机控制的双馈风机系统的稳定性受初始运行点的风速影响。在风速较低时，系统特征值位于s的右半平面，系统不稳定，随着风速的升高，系统特征值逐渐向s的左半平面移动，系统逐渐稳定。

如图7a至图7b所示，增大虚拟惯性系数可减小频率变化率，使频率的超调量减小，但也会相应增加系统恢复稳态的时间；阻尼系数的增加，可减小频率偏差，使系统更快地到达极值点，即使频率变化率增大。依照表1不同调频阶段对控制参数的需求，以及控制参数J、D和频率变化率、频率偏差值之间的关系，可以得到如下控制方程：

其中，J₀和D₀分别为虚拟惯性系数和阻尼系数的稳态值，即系统稳定运行时的取值；k_J1、k_J2分别为频率偏差和频率变化率的转动惯量调节系数，k_D1、k_D2分别为阻尼调节系数，T_D、T_J为虚拟角频率变化率的阈值。

根据式(19)、(20)来交错调整虚拟惯性系数和阻尼系数。在区间1、3内，为了减轻功率超调，需要通过增加虚拟惯性系数J来减小频率变化率dω/dt，而阻尼系数D不变，设定为稳态值D₀；在区间2、4内，为使功率P_e尽快达到最大点或最小点，需要增大阻尼系数D来减小角频率偏差Δω，此时要求虚拟惯性系数较小，所以在此区间虚拟惯性系数J不变，设定为稳态值J₀。这样可以实现虚拟惯性系数和阻尼系数的交错自适应控制。

调节系数k_J1、k_J2、k_D1、k_D2，阈值T_D、T_J的取值会直接影响系统的调频效果和频率恢复时间以及稳定运行，需要根据实际的运行状态和调频能力选取。虚拟惯性系数稳态值J₀和阻尼系数稳态值D₀采用模糊控制算法根据运行风速来动态设定。

如图8至图9c所示，所述步骤S4)基于运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω，利用模糊控制算法确定所处风速虚拟惯性系数稳态值J₀，具体包括：

将运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω作为模糊控制器的输入量，将虚拟惯性系数稳态值J₀作为模糊控制器的输出量，并分别确定输入量、输出量的基本论域和相应的模糊子集，之后设定模糊控制规则；其中，

运行风速v_w的基本论域为[8m/s，14m/s]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；允许的频率偏差Δω的基本论域为[-0.45Hz，0.45Hz]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；虚拟惯性系数稳态值J₀的论域为[0，3]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

模糊控制规则：在运行风速v_w较低时，转速可降低空间小，升高空间大，因此在频率偏差Δω为正时，J₀设置较大，频率偏差Δω为负时，J₀设置较小；在运行风速v_w较高时，转速具有较大的降低空间，而由于转速最大值的限制，转速升高空间小，对于正频率偏差Δω，J₀设置较小，负频率偏差Δω，J₀设置较大。根据以上规则，列出考虑运行风速的虚拟惯性系数模糊控制规则表，见表2。

表2考虑运行风速的虚拟惯性系数模糊控制规则表

所述步骤S5)建立系统的小信号模型并转化为状态空间矩阵形式，推导出临界振荡风速v_ov，根据临界振荡风速v_ov和系统参数以及虚拟惯性系数稳态值J₀，按照阻尼系数的选择原则确定阻尼系数稳态值D₀，具体包括：

将系统的小信号模型转化为状态空间矩阵形式，公式为：

其中，系统矩阵A为：

通过求解系统的小信号模型的特征方程得到临界振荡风速v_ov，公式为：

为保证系统的稳定运行，在已知运行风速v_w情况下，虚拟惯性系数稳态值J₀和阻尼系数稳态值D₀应满足运行风速v_w大于临界振荡风速v_ov：

其中，K_ω为频率下垂控制系数；J和D分别为虚拟惯性系数和阻尼系数；λ_opt为最优叶尖速比；R为风轮半径；H为双馈风机机械系统固有惯性时间常数；k_pv为转速控制器比例系数；k_iv为转速控制器积分系数；E为VSG的输出电压；U为电网电压；θ为阻抗角，Z为系统阻抗；v_w0为稳态运行工作点风速；

在根据模糊控制得到某风速下虚拟惯性系数稳态值J₀后，根据上式确定阻尼系数稳态值D₀的取值范围。风电场运行的实际风速来实时调整VSG控制的控制参数J和D的稳态设定值，实现基于运行风速的自适应调频控制，保证系统的稳定运行，充分发挥系统的调频和功率支撑能力。

所述步骤S6)根据步骤S1)中的电网频率ω_m计算频率变化率dω/dt，利用频率变化率dω/dt和步骤S2)中的频率偏差Δω，确定调频阶段，按照虚拟惯性系数J和阻尼系数D的自适应控制方程设定VSG控制参数，具体包括：

虚拟惯性系数J和阻尼系数D在调频不同阶段的自适应控制方程如下：

其中，J₀、D₀分别为虚拟惯性系数和阻尼系数的稳态值；k_J1、k_J2分别为频率偏差和频率变化率的转动惯量调节系数，k_D1、k_D2分别为频率偏差Δω、频率变化率dω/dt的阻尼调节系数，T_D、T_J为虚拟角频率变化率的阈值。

本发明实施例基于DIGSILENT/Power Factory仿真平台搭建风电场并网仿真系统，该仿真系统包括2个容量分别为150MW和400MW的同步发电机(G₁、G₂)、一个100台×2MW的双馈风电机组DFIG₁以及容量分别为100MW、120MW和90MW的负荷L₁、L₂、L₃，双馈风电机组DFIG₁通过母线3并入电网。

通过设置以下两种风速下的仿真方案，验证本发明和传统固定参数的虚拟同步发电机控制对不同运行风速的适应性，即不同风速下不同调频控制方法的双馈风机系统调频能力和系统稳定性，说明本发明根据运行风速和调频阶段，合理调整双馈风机虚拟同步发电机控制的虚拟惯性系数和阻尼系数，实现在避免系统振荡失稳，充分保证系统稳定的前提下，提升风机系统的惯性响应和功率支撑能力。

将仿真风速设定为11m/s、9m/s，仿真系统在90s负荷L₁突增10％，分别采用无附加控制、传统固定参数VSG控制、本发明控制参数自适应VSG控制。

如图10a所示，风速为11m/s时，系统突增负荷，无附加控制系统频率最大跌落量为1.11Hz，跌落至最低点的时间为1.45s，频率超调量最大；采用传统固定参数VSG控制相比无附加控制，频率最大跌落量减少了34.2％，频率跌至最低点时间增加了2.18s；采用本发明的控制参数自适应VSG控制，频率最大跌落量为0.62Hz，跌落至最低点的时间为4.54s，与传统VSG控制相比，频率最低点提升了15.1％，频率跌至最低点的时间增加了0.68s，且频率超调量更小，恢复稳定所需时间缩短；在该风速下控制参数自适应的VSG控制具有更好的调频效果。如图10b所示，风速为9m/s时，采用传统固定参数VSG控制，系统频率最大跌落量为6.46Hz，频率发生振荡，系统失稳；而采用发明控制参数自适应VSG控制方法的风机系统与无附加控制频率变化类似，系统几乎不参与调频，在该风速下采用本发明的控制参数自适应控制有效避免了风机失稳。

如图11a所示，风速为11m/s时，无附加控制系统在突增负荷后风机转速变化微小，采用本发明自适应VSG控制下转速最大变化量相比固定参数VSG控制增加了33.82％，增大了实际释放的动能，具有更好的调频效果。如图11b所示，9m/s风速下，当风电机组采用传统VSG控制时，由于虚拟惯性系数过大导致风机过度释放动能，其转速大幅下降，导致风机的低速保护，风机退出运行；而采用自适应VSG控制时，虚拟惯性系数和阻尼系数根据运行风速和调频阶段自适应调整，其风轮转速几乎不变；该风速下，自适应VSG控制根据运行风速调整控制参数，从而避免了风机出现振荡失稳问题。

如图12a所示，在11m/s风速下，在整个功率支撑过程中，双馈风机系统采用自适应VSG控制的输出功率均高于传统VSG控制，其中输出功率最大值提升了2MW，提供功率支撑的时间增加了3.5s。如图12b所示，在9m/s风速下，当风机采用常规的VSG控制时，风机输出功率增加，但由于动能释放量超过自身调节能力，在6s后发生振荡性失稳，最终输出功率降为0；而采用自适应VSG控制时，由于根据运行风速调整了控制参数，输出功率变化并不明显。

采用本发明考虑运行风速和调频过程需求的控制参数自适应VSG控制方法与传统VSG控制相比可适应不同运行风速，在较高风速时可充分发挥调频能力，调频效果有了很大提升，在较低风速时，可以避免系统发生振荡失稳，保证系统稳定运行。

本发明提供了VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法，相比于传统控制方法，本发明根据双馈风机虚拟同步控制原理图建立包含风速变量的小信号模型，利用模糊控制器以运行风速和频率偏差作为输入确定虚拟惯性系数稳态值J₀，为避免系统振荡失稳，根据临界振荡风速与运行风速的大小关系确定阻尼系数稳态值D₀；根据频率偏差和频率变化率和控制参数的关系，以及调频过程的需求变化，交错自适应调整控制参数；本发明充分考虑了实际运行中双馈风速运行风速的变化问题，运行风速对双馈风机虚拟同步发电机控制动态性能的影响以及不同调频阶段的惯量和阻尼需求，与传统VSG控制相比可适应不同运行风速，在较高风速时可充分发挥调频能力，调频效果有了很大提升，在较低风速时，可以避免系统发生振荡失稳，保证系统稳定运行；本发明通过自适应调整控制参数，来适应不同的运行风速和调频阶段，避免系统振荡失稳，一定程度改善电网频率和DFIG输出功率的动态响应特性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统，其特征在于，包括：同步发电机G₁、同步发电机G₂、双馈风电机组DFIG₁、并网逆变器、变压器T₁、变压器T₂、变压器T₃、负荷L₁、负荷L₂、负荷L₃、母线B1、母线B2、母线B3、母线B4、阻抗b₁、阻抗b₂和阻抗b₃，同步发电机G₁通过变压器T₁连接至母线B1后经阻抗b₁连接至母线B4，同步发电机G₂通过变压器T₂连接至母线B2后经阻抗b₂连接至母线B4，双馈风电机组DFIG₁依次通过虚拟惯量和阻尼协同自适应VSG控制并网逆变器连接至母线B3，后依次经变压器T₃、阻抗b₃连接至母线B4上，负荷L₁和负荷L₃直接接入母线B4，负荷L₂直接接入母线B1。双馈风电机组DFIG₁利用虚拟惯量和阻尼协同自适应VSG控制并网逆变器的控制参数自适应调整能力来适应不同运行风速和调频阶段的调频需求。

2.一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制方法，应用于权利要求1所述系统，其特征在于，包括步骤：

S1)利用锁相环技术实时检测系统的电网频率ω_m；

S2)判断双馈风电机组DFIG₁侧转子换流器的并网点处电网频率偏差Δω是否超出允许的波动范围Δω₀；若是，则执行步骤S3，若否，则执行步骤S1；

S3)实时检测系统的运行风速v_w，动态识别双馈风电机组DFIG₁的运行状态；

S4)基于运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω，利用模糊控制算法确定所处风速虚拟惯性系数稳态值J₀；

S5)建立系统的小信号模型并转化为状态空间矩阵形式，推导出临界振荡风速v_ov，根据临界振荡风速v_ov和系统参数以及虚拟惯性系数稳态值J₀，按照阻尼系数的选择原则确定阻尼系数稳态值D₀；

S6)根据步骤S1)中的电网频率ω_m计算频率变化率dω/dt，利用频率变化率dω/dt和步骤S2)中的频率偏差Δω，确定调频阶段，按照虚拟惯性系数J和阻尼系数D的自适应控制方程设定VSG控制参数；

S7)根据设定的VSG控制参数对VSG进行调频控制，判断系统的电网频率是否恢复；若是，则执行步骤S1，若否，调频控制结束。

3.根据权利要求2所述的VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制方法，其特征在于，所述步骤S4)基于运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω，利用模糊控制算法确定所处风速虚拟惯性系数稳态值J₀，具体包括：

将运行风速v_w和步骤S2)中允许的频率偏差Δω作为模糊控制器的输入量，将虚拟惯性系数稳态值J₀作为模糊控制器的输出量，并分别确定输入量、输出量的基本论域和相应的模糊子集，之后设定模糊控制规则；其中，

运行风速v_w的基本论域为[8m/s，14m/s]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；允许的频率偏差Δω的基本论域为[-0.45Hz，0.45Hz]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；虚拟惯性系数稳态值J₀的论域为[0，3]，相应的模糊子集为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

模糊控制规则：在运行风速v_w较低且允许的频率偏差Δω为正数时，J₀设置较大；在运行风速v_w较低且允许的频率偏差Δω为负数时，J₀设置较小；在运行风速v_w较高且允许的频率偏差Δω为正数时，J₀设置较小；在运行风速v_w较高且允许的频率偏差Δω为负数时，J₀设置较大。

4.根据权利要求2所述的VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制方法，其特征在于，所述步骤S5)建立系统的小信号模型并转化为状态空间矩阵形式，推导出临界振荡风速v_ov，根据临界振荡风速v_ov和系统参数以及虚拟惯性系数稳态值J₀，按照阻尼系数的选择原则确定阻尼系数稳态值D₀，具体包括：

将系统的小信号模型转化为状态空间矩阵形式，公式为：

其中，系统矩阵A为：

通过求解系统的小信号模型的特征方程得到临界振荡风速v_ov，公式为：

为保证系统的稳定运行，在已知运行风速v_w情况下，虚拟惯性系数稳态值J₀和阻尼系数稳态值D₀应满足运行风速v_w大于临界振荡风速v_ov：

其中，K_ω为频率下垂控制系数；J和D分别为虚拟惯性系数和阻尼系数；λ_opt为最优叶尖速比；R为风轮半径；H为双馈风机机械系统固有惯性时间常数；k_pv为转速控制器比例系数；k_iv为转速控制器积分系数；E为VSG的输出电压；U为电网电压；θ为阻抗角，Z为系统阻抗；v_w0为稳态运行工作点风速；

基于虚拟惯性系数稳态值J₀，根据上式确定阻尼系数稳态值D₀的取值范围。

5.根据权利要求2所述的VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制方法，其特征在于，所述步骤S6)根据步骤S1)中的电网频率ω_m计算频率变化率dω/dt，利用频率变化率dω/dt和步骤S2)中的频率偏差Δω，确定调频阶段，按照虚拟惯性系数J和阻尼系数D的自适应控制方程设定VSG控制参数，具体包括：

虚拟惯性系数J和阻尼系数D在调频不同阶段的自适应控制方程如下：

其中，J₀、D₀分别为虚拟惯性系数和阻尼系数的稳态值；k_J1、k_J2分别为频率偏差和频率变化率的转动惯量调节系数，k_D1、k_D2分别为频率偏差Δω、频率变化率dω/dt的阻尼调节系数，T_D、T_J为虚拟角频率变化率的阈值。

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