CN113659592A - 一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，涉及微电网分布式发电技术领域，包括在虚拟同步机控制策略的有功控制环路中加入增益为K_i的积分反馈环节，通过启动积分反馈环节来实现频率恢复控制；通过频率恢复触发信号S_r决定何时启动频率恢复控制策略；通过df/dt是否等于0为频率恢复配置不同的积分系数；本发明与传统频率恢复策略相比，通过频率恢复触发信号S_r的设计实现了常规VSG控制与频率恢复控制两种运行模式的精准切换；同时在频率恢复过程中，既能获得较小的下跌深度，防止频率恢复过程中的短时越限，又能获取较快的恢复时间并不出现振荡问题，提高了整个微电网系统运行的稳定性。

Description

一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法

技术领域

本发明涉及微电网分布式发电技术领域，尤其是一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，用于微电网逆变器的频率恢复控制。

背景技术

虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator，VSG)控制策略只具备一次调频能力，不具备频率恢复能力。当负荷的大小与VSG的给定有功P_ref不相等时，在VSG一次调频的作用下，VSG的输出频率将偏离额定频率。若VSG的输出频率超出负荷的安全工作频率区间，将会对负荷的正常工作以及微电网的稳定运行产生影响，因此需引入频率恢复策略，使得VSG的输出频率恢复至额定值。传统VSG频率恢复策略中，积分反馈环节的积分系数为固定值，固定值的积分系数在频率恢复过程中，快速性和稳定性两者之间存在矛盾。同时现有技术对频率恢复触发信号的设计较为模糊。因此，如何快速稳定地实现VSG的频率恢复，是VSG在微电网大规模应用必须攻克的难题，对微电网的安全稳定运行具有很重要的研究价值和意义。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，通过频率恢复触发信号S_r实现了常规VSG控制与频率恢复控制两种运行模式的精准切换；同时在频率恢复过程中，既能获得较小的下跌深度，防止频率恢复过程中的短时越限，又能获取较快的恢复时间并不出现振荡问题，提高了整个微电网系统运行的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：在虚拟同步机控制策略的有功控制环路中加入增益为K_i的积分反馈环节，通过启动积分反馈环节来实现频率恢复控制；

步骤S2：判断虚拟同步机的输出功率P_out与虚拟同步机的参考功率P_ref差值的绝对值|ΔP|与调频功率阈值ΔP₀的大小；如果|ΔP|＜ΔP₀，频率恢复触发信号S_r＝0，不启动频率恢复策略；如果|ΔP|≥ΔP₀，S_r＝1，启动频率恢复策略；

步骤S3：S_r＝0，即不启动频率恢复策略时，积分反馈环节的频率恢复修正系数为K_i＝0；

步骤S4：S_r＝1，即启动频率恢复策略时，将频率恢复过程划分为频率恢复阶段1和频率恢复阶段2；频率恢复阶段1是频率恢复策略启动时刻到df/dt第一次等于0所对应的区间，在该阶段积分反馈环节配置频率恢复修正系数K_i＝K_i1；频率恢复阶段2是从df/dt第一次等于0到完成频率恢复时所对应的区间，在该阶段积分反馈环节配置频率恢复修正系数K_i＝K_i2。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中在虚拟同步机控制策略的有功控制环路中加入增益为K_i的积分反馈环节，则有功-频率的控制环路方程为：

其中，K_ω是虚拟同步机的调频系数；ω₀是额定角频率；ω是虚拟同步机的角频率；J、D是虚拟同步机的转动惯量与阻尼系数；

加入积分反馈环节后有功-频率的传递函数为：

其阻尼比ζ和无阻尼自然振荡角频率ω_n为

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2和步骤S3还包括：

S_r除了作为频率恢复触发信号，还将作为积分反馈环节的复位信号(上升沿/下降沿复位)，以实现多次频率恢复；

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S4中，频率恢复修正系数K_i1与K_i2的选取原则为：

(1)K_i1的选取原则为取典型二阶系统0.1＜ζ＜0.3时所对应的积分系数作为K_i1的取值，即；

(2)K_i2的选取原则为取典型二阶系统ζ＝0.707所对应的积分系数作为K_i2的取值，即：

本发明技术方案的进一步改进在于：

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明通过频率恢复触发信号S_r实现了常规VSG控制与频率恢复控制两种运行模式的精准切换，同时在频率恢复过程中，既能获得较小的下跌深度，防止频率恢复过程中的短时越限，又能获取较快的恢复时间并不出现振荡问题，提高了整个微电网系统运行的稳定性。

本发明对频率恢复触发信号S_r进行了设计，即什么时候需进行频率恢复，什么时候无需进行频率恢复，实现了常规VSG控制与频率恢复控制两种运行模式的精确切换。

本发明将虚拟同步机的频率恢复过程划分为两个阶段，并为两个阶段配置不同的频率恢复修正系数，使得频率恢复过程既能获得较小的下跌深度，防止频率恢复过程中的短时越限，又能获取较快的恢复时间并不出现振荡问题，提高了整个微电网系统运行的安全性与稳定性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为加入本发明的虚拟同步机控制策略的有功环路示意图；

图3为本发明的逆变器整体控制结构示意图；

图4为频率恢复阶段1、2的划分示意图；

图5为本发明策略与常规策略的输出频率的对比图；

图6为本发明策略在频率恢复过程中的积分系数；

图7为本发明策略在频率恢复过程中的触发信号；

图8为本发明策略连续负载突增/突减时的输出有功的对比图；

图9为本发明策略连续负载突增/突减时的输出频率的对比图；

图10为本发明策略连续负载突增/突减时的K_i的对比图；

图11为本发明策略连续负载突增/突减时的S_r信号的对比图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如附图1至图11所示，一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，旨在解决传统策略频率恢复过程中快速性和稳定性两者之间存在矛盾、完善调频触发信号的设计等问题，包括以下步骤：

步骤S1：在虚拟同步机控制策略的有功控制环路中加入增益为K_i的积分反馈环节，通过启动积分反馈环节来实现频率恢复控制。

加入增益为K_i的积分反馈环节后，有功-频率的控制环路方程为：

其中，P_ref是虚拟同步机的参考功率；K_ω是虚拟同步机的调频系数；ω₀是额定角频率；ω是虚拟同步机的角频率；P_out是虚拟同步机的输出功率；J、D是虚拟同步机的转动惯量与阻尼系数；

在本实施例中，虚拟同步机的部分相关参数如下所示，J＝0.2，K_ω＝1000，D＝5，P_ref＝5kW。以该组参数为例完成本实施例的分析；

加入积分反馈环节后有功-频率的传递函数为：

其阻尼比ζ和无阻尼自然振荡角频率ω_n为

步骤S2：判断虚拟同步机的输出功率P_out与虚拟同步机的参考功率P_ref差值的绝对值|ΔP|与调频功率阈值ΔP₀的大小。如果|ΔP|＜ΔP₀，频率恢复触发信号S_r＝0，不启动频率恢复策略；如果|ΔP…≥ΔP₀，S_r＝1，启动频率恢复策略。

ΔP₀的设计如下：

常规VSG稳态后的下垂关系如下：

ω＝ω₀-m_VSG(P-P_ref)＝ω＝ω₀-m_VSGΔP

在本文中，频率期望运行范围设置为(50±0.2)Hz，即ΔP₀需满足如下关系：

代入本实施例中的相关参数，得到调频功率阈值ΔP₀＝3230W；

步骤S3：S_r＝0，即不启动频率恢复策略时，积分反馈环节的频率恢复修正系数为K_i＝0；

所述步骤S2和步骤S3中，S_r除了作为频率恢复触发信号，还将作为积分反馈环节的复位信号(上升沿/下降沿复位)，以实现多次频率恢复；

步骤S4：S_r＝1，即启动频率恢复策略时，将频率恢复过程划分为频率恢复阶段1和频率恢复阶段2。频率恢复阶段1是频率恢复策略启动时刻到df/dt第一次等于0所对应的区间，在该阶段积分反馈环节配置频率恢复修正系数K_i＝K_i1；频率恢复阶段2是从df/dt第一次等于0到完成频率恢复时所对应的区间，在该阶段积分反馈环节配置频率恢复修正系数K_i＝K_i2；

加入本发明的虚拟同步机控制策略的有功环路示意图如图2所示；加入本发明控制策略的逆变器整体控制框图如图3所示。

以0-0.2sVSG带5kW负载，0.2s时刻负载突增5kW至10kW为例，对频率恢复阶段1和频率恢复阶段2的划分进行演示，0.2s负载突增后ΔP＝5kW>ΔP₀＝3230W，S_r＝1，启动频率恢复策略。频率恢复阶段1、2的划分示意图如图4所示。本文定义t_s1与Δd两个变量。t_s1表示的是阶段1的持续时间。Δd表示的是df/dt第一次等于0时与额定频率差值的绝对值。

频率恢复修正系数K_i1与K_i2的选取原则为：

(1)K_i1的选取原则为取典型二阶系统0.1＜ζ＜0.3时所对应的积分系数作为K_i1的取值，即；

在本实施例中K_i1＝3000；

(2)K_i2的选取原则为取典型二阶系统ζ＝0.707所对应的积分系数作为K_i2的取值，即：

在本实施例中K_i2＝167；

以下通过对采用本发明专利的频率恢复策略的虚拟同步机进行负载突增/突减仿真，对本发明进行有效性验证；

第一组仿真为本发明专利的方法与传统频率恢复策略的对比验证，相关仿真参数为，J＝0.2，K_ω＝1000，D＝5，P_ref＝5kW。设置仿真工况为：0-0.2sVSG带5kW负载，0.2s时刻突增5kW至10kW。图5为采取了本发明专利的频率恢复策略与传统频率恢复策略时的仿真对比图。可以看到，本文提出的改进频率恢复控制策略既能在阶段1获取较低的等待响应时间t_w与跌落深度Δd，避免了频率恢复过程中的短时越限，又能在阶段2获取较快的恢复时间并不出现震荡等问题，提高了频率恢复过程中的快速性与稳定性。图6与图7分别为在频率恢复过程中的积分系数以及相应的触发信号，可以看到在0.2s负载突增后ΔP＝5kW>ΔP₀＝3230W，直到0.8s仿真结束，S_r＝1。同时在S_r＝1之后，K_i分别取到了K_i1＝3000，K_i2＝167，与前述分析相对应。

第二组仿真为采取本发明专利的方法进行连续负载突增/突减，仿真参数同上。

a组的仿真工况为：0-0.5s负载大小为5kW，0.5s突增4kW至9kW，1s突减3kW至6kW，1.5s突增3kW至9kW。

b组的仿真工况为：0-0.5s负载大小为5kW，0.5s突减4kW至1kW，1s突增3kW至4kW，1.5s突减3kW至1kW。

图8到图11分别为连续负载突增/突减时的输出有功、输出频率、积分系数K_i、S_r信号，图中左侧为a组，图中右侧为b组，以a组为例进行分析。在0到0.5s内，负载为5kW，ΔP＝0<ΔP₀，即负载功率为额定功率，因此VSG的输出频率为额定频率50Hz，此时频率恢复未启动，开关信号S_r为0，积分系数K_i也为0；在0.5到1s内，负载由5kW突增至9kW，此时ΔP＝4000>ΔP₀，此时频率恢复策略启动，开关信号S_r为1，在频率恢复阶段1和2，积分系数分别取得了相应的取值大小；在1到1.5s内，负载由9kW突减至6kW，此时ΔP＝1000<ΔP₀，此时频率恢复策略未启动，开关信号S_r为0，积分系数K_i也为0，此时输出频率在VSG惯性的作用下缓慢变至49.94Hz；在1.5到2s内，负载由6kW突增至9kW，此时ΔP＝4000>ΔP₀，频率恢复策略启动，开关信号S_r为1，在频率恢复阶段1和2，积分系数分别取得了相应的取值大小；b组负载突减的仿真结果与负载突增基本类似，不再详细分析。

综上，本发明专利对提升整个微网系统的稳定性与安全性具有重要作用。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：在虚拟同步机控制策略的有功控制环路中加入增益为K_i的积分反馈环节，通过启动积分反馈环节来实现频率恢复控制；

步骤S2：判断虚拟同步机的输出功率P_out与虚拟同步机的参考功率P_ref差值的绝对值|ΔP|与调频功率阈值ΔP₀的大小；如果|ΔP|＜ΔP₀，频率恢复触发信号S_r＝0，不启动频率恢复策略；如果|ΔP|≥ΔP₀，S_r＝1，启动频率恢复策略；

步骤S3：S_r＝0，即不启动频率恢复策略时，积分反馈环节的频率恢复修正系数为K_i＝0；

步骤S4：S_r＝1，即启动频率恢复策略时，将频率恢复过程划分为频率恢复阶段1和频率恢复阶段2；频率恢复阶段1是频率恢复策略启动时刻到df/dt第一次等于0所对应的区间，在该阶段积分反馈环节配置频率恢复修正系数K_i＝K_i1；频率恢复阶段2是从df/dt第一次等于0到完成频率恢复时所对应的区间，在该阶段积分反馈环节配置频率恢复修正系数K_i＝K_i2。

2.根据权利要求1所述的一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，其特征在于：所述步骤S1中在虚拟同步机控制策略的有功控制环路中加入增益为K_i的积分反馈环节，则有功-频率的控制环路方程为：

其中，K_ω是虚拟同步机的调频系数；ω₀是额定角频率；ω是虚拟同步机的角频率；J、D是虚拟同步机的转动惯量与阻尼系数；

加入积分反馈环节后有功-频率的传递函数为：

其阻尼比ζ和无阻尼自然振荡角频率ω_n为

3.根据权利要求1所述的一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，其特征在于：所述步骤S2和步骤S3还包括：

S_r除了作为频率恢复触发信号，还将作为积分反馈环节的复位信号(上升沿/下降沿复位)，以实现多次频率恢复。

4.根据权利要求1所述的一种变积分系数的虚拟同步机频率恢复控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，频率恢复修正系数K_i1与K_i2的选取原则为：

(1)K_i1的选取原则为取典型二阶系统0.1＜ζ＜0.3时所对应的积分系数作为K_i1的取值，即；

(2)K_i2的选取原则为取典型二阶系统ζ＝0.707所对应的积分系数作为K_i2的取值，即：

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