CN113675886B - 一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，首先推导基于虚拟同步机的并网逆变器控制策略的有功环小信号模型，然后根据功角关系曲线确定转动惯量自适应控制规则，接着分析转动惯量自适应控制规则中各主要参数的选取条件，最后根据有功环传递函数的阻尼比确定阻尼系数的选取规则。本发明所提出的控制方法充分利用了虚拟同步机的转动惯量和阻尼系数参数灵活可调的优点，推导出二者与阻尼比的相互关系，通过转动惯量和阻尼系数的协同控制使有功环节保持在欠阻尼状态，本发明的有益效果是：有效改善系统发生负荷变化等扰动的频率和有功功率的暂态过程。
Description
技术领域
本发明涉及新能源逆变器并网控制技术领域，尤其涉及一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法。
背景技术
随着常规化石能源的枯竭以及环境污染的加重，新能源受到了广泛的关注。目前新能源发电系统主要以太阳能、风能等发电形式为主，并广泛采用分布式发电系统结构。
分布式发电通常通过逆变器等功率电力电子器件连接到电力系统或微电网，由于电力电子设备和PWM控制方法的应用，它们与采用常规同步发电机的发电系统相比虽然提供了更快的动态控制，但缺乏对频率的惯性与阻尼。近年来，借鉴了同步发电机原理的虚拟同步机控制技术逐渐兴起。它通过在控制环节引入同步发电机的转子运动方程，使逆变器在保证自身微电网的工作同时，又将同步发电机的转动惯量和阻尼系数引入其中，为大电网的稳定运行提供频率支撑，是一种对电力系统十分友好的逆变器控制方法。
相较于传统同步发电机，虚拟同步机的转动惯量和阻尼系数灵活可调，但是常规的虚拟同步机控制技术并未对这两个参数进行灵活控制，或者只对转动惯量进行参数调节，并未考虑阻尼系数对频率和功率等的影响。本专利提出的转动惯量和阻尼协同自适应控制方法，相较于固定的转动惯量和阻尼系数或者单独控制转动惯量的方法都有更好的频率响应，可以有效抑制频率的波动，快速进入稳定状态。
发明内容
本发明在于解决并网逆变器在初始工作和投切负荷的暂态过程频率和功率波动大，调节时间长的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于阻尼比约束的虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，主要包括以下步骤：
S1：基于虚拟同步机的并网逆变器控制策略，建立有功环小信号模型；
S2：通过分析所述有功环小信号模型得到的功角关系曲线确定转动惯量自适应控制规则；
S3：确定所述转动惯量自适应控制规则中各主要参数的选取条件；
S4：根据有功环传递函数的阻尼比确定阻尼系数的选取规则。
进一步地，所述有功环小信号模型为：
其中，J为虚拟同步机的转动惯量，D为阻尼系数，s为频域变量，Δω(s)为虚拟同步机与额定电角速度的差，ΔPe(s)为虚拟同步机的等效输入功率差值，ΔPe(s)为虚拟同步机的实际输出功率差，ΔPe-measure(s)为经过低通滤波器滤波后的相邻采样点的输出功率差，ωf为低通滤波器的截止频率，Δδ(s)为虚拟同步机等效的端口电压和电网电压的相位差，即功角，E0代表虚拟同步机的端口电压初始有效值，U0代表电网电压初始有效值，X为线路电抗。
进一步地，通过公式得到实际角速度变化率与转动惯量J呈反比关系，其中，Tm和Te分别为虚拟同步机的机械转矩和电磁转矩，J为虚拟同步机的转动惯量，D为阻尼系数，ω为实际的电角速度，ωn为电网额定角速度。
进一步地，所述转动惯量自适应控制规则为：
其中，J为转动惯量，J0为初始转动惯量设定值，Jmin和Jmax分别为转动惯量变化的最大和最小区间，为虚拟同步机的频率变化率，k1和k2分别为反正切函数的比例项和指数项系数，ωc为由角频率决定的控制规则动作阈值，Δω为实际虚拟角频率与额定角频率的差值。
进一步地，所述选取条件包括：无论自适应控制的参数k1、k2和如何变化，都不会超过其最大区间值/>
进一步地，阻尼系数D关于有功环阻尼比和转动惯量J的表达式为：
其中，a0＝U0E0，b0＝ωnωfX，ξ＝0.707，ωn为电网额定角速度，ωf为低通滤波器的截止频率，E0代表虚拟同步机的端口电压初始有效值，U0代表电网电压初始有效值，X为线路电抗。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：有效降低系统有功功率和系统频率的超调量，缩短调节时间，在负荷变动的暂态调节过程中有着更好的动态性能，使逆变器更快的趋于稳定。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法的流程图。
图2是本发明实施例中虚拟同步机的有功环小信号传递函数模型。
图3是本发明实施例中以转动惯量J为参数的闭环零极点分布图。
图4是本发明实施例中以阻尼系数D为参数的闭环零极点分布图。
图5是本发明实施例中虚拟同步机的有功环闭环传递函数的原始函数和近似函数的单位阶跃响应拟合曲线。
图6是本发明实施例中同步发电机的功角曲线。
图7是本发明实施例中与功角曲线相对应的功率、角速度变化量和角速度变化率曲线。
图8是本发明实施例中转动惯量J自适应规则的各参数关系三维曲线图。
图9是本发明实施例中采用J、D均固定，J自适应、D固定和J、D自适应三种控制方式时的频率变化比较图和有功功率变化比较图，其中，(a)为频率变化比较图，(b)为有功功率变化比较图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法的流程图，具体包括如下步骤：
步骤S10，推导基于虚拟同步机的并网逆变器控制策略的有功环小信号模型；
具体推导过程如下：
首先，基于同步发电机二阶模型的有功环控制环节和并网逆变器的有功功率表达式：
δ＝∫(ω-ωg)dt (3)
其中，式(1)为虚拟同步机的转子运动方程表达式，J为虚拟同步机的转动惯量，D为阻尼系数，ω为实际的电角速度，ωn为电网额定角速度，为角速度实时变化量，Pm为虚拟同步机的等效输入功率，Pe-measure为经过低通滤波器滤波后的采样输出功率；式(2)为经过低通滤波器滤波后所采样到的有功功率，Pe为虚拟同步机的实际输出功率，ωf为低通滤波器的截止频率；式(3)中，δ为虚拟同步机等效的端口电压和电网电压的相位差，即功角，而ωg表示电网的实际角速度；式(4)表示线路呈纯感性时，虚拟同步机输出的有功功率，其中E代表虚拟同步机的端口电压有效值，U代表电网电压有效值，X为线路电抗。
然后，将式(1)-(4)的相关状态变量写成稳态量和小扰动量加和的形式，并忽略稳态量和二次扰动量，得到其频域有功环小信号模型为：
由式(5)可以得到如图2所示的虚拟同步机的有功环小信号传递函数模型，虚拟同步机的有功环闭环传递函数为：
以转动惯量J和阻尼系数D为参数分别绘制如图3-4所示的闭环零极点分布图，可以得到，低通滤波器决定的闭环极点始终位于实轴，且距离虚轴很远，因此低通滤波器对于系统稳定性没有影响，且对转动惯量J和阻尼系数D的参数变化不敏感；
由图3可知，转动惯量J对系统的影响体现在，转动惯量J比较小的时候，系统处于过阻尼状态。随着J的增大，系统极点变为共轭复根，进入欠阻尼状态，且极点随着J的增加逐渐靠近虚轴，稳定裕度随着转动惯量的增加而减小。在暂态方面，由于系统阻尼比逐渐减小，因此系统响应的超调量和调节时间都会增大；
由图4可知，阻尼系数D对系统的影响体现在，随着阻尼系数D的增大，共轭闭环极点逐渐远离虚轴，系统越来越稳定。在暂态方面上，随着阻尼系数D的增大，系统阻尼比增大，系统响应的超调量和调节时间变小。
根据对图3-4所示的有功环零极点图的分析和实际参数，可将虚拟同步机的三阶有功环闭环传递函数降阶为：
则其近似的二阶闭环传递函数的阻尼比ξ为：
根据图5可知，虚拟同步机的原始有功环函数和近似降阶传递函数的拟合程度较好，可以进行近似化简。
作为本发明优选实施例，在步骤S10分析的基础上，通过分析图6的同步发电机的功角曲线和和图7的功频震荡过程，确定转动惯量J的自适应控制规则。
步骤S20，根据功角关系曲线确定转动惯量自适应控制规则；
确定过程如下：
实际角速度变化率与转动惯量J的关系为：
由上式可知，实际角速度变化率与转动惯量J呈反比关系。
根据图6的功角曲线，并作出与功角曲线相对应的功率、角速度变化量和角速度变化率曲线的图7可知，并网下，当有功功率指令由P0变为P1后，会经过若干个震荡周期达到稳定，将一个典型的振荡小周期分为4个区间(定义为区间①②③④)。
在区间①内，虚拟同步机的角速度大于电网角速度，即ω＞ωn，并且两角速度的差值Δω逐渐增加最大值，而角速度的变化率会先从零变为某个值之后再逐渐减小直至变为0，且斜率也逐渐减小，为了有效抑制虚拟同步机的角速度的增加，并且防止/>过大，需要采用较大的转动惯量J；
在区间②内，二者的角速度差值Δω逐渐缩小，直至为0，此时ω＝ωn，其角速度的变化率则从0反向增大至最大负值，为了使虚拟同步机的角速度快速降低至电网额定频率，②阶段应该减小转动惯量J从而增加角速度的变化率的绝对值/>区间③、④为上述①、②的反向过程，分析类似。
表1为由角速度的变化率和角速度变化量Δω决定的转动惯量J的大致选取规则。
表1转动惯量J选取规则表
基于此，可得到由Δω和决定的转动惯量J自适应控制规则：
其中，J0为初始转动惯量设定值，Jmin和Jmax分别为转动惯量变化的最大和最小区间，为虚拟同步机的频率变化率，k1和k2分别为反正切函数的比例项和指数项系数，ωc为由角频率决定的控制规则动作阈值。
根据式(10)确定的转动惯量J自适应控制规则，分析其各参数对J输出值的影响程度。
步骤S30，分析转动惯量自适应控制规则中各主要参数的选取条件；
具体步骤包括：
要想实现J的输出曲线灵活可控，关键是要确定反正切函数的内部各系数，因此绘制如图8所示的由参数k1、k2和决定的/>三维曲线图。由图可知，无论自适应控制的参数k1、k2和/>如何变化，/>都不会超过其最大区间值/>在k1和/>参数一致的情况下，曲面随着k2的增大更凸，/>的值将会随k2的增加更快的增大从而快速趋近最大值。因此要保证在k2取得合适值的同时，/>的取值区间内尽可能广的适应k1和/>的取值。
根据前文的降阶后的二阶有功环小信号模型推导出的系统阻尼比表达式求解阻尼系数D的选取规则。
步骤S40，根据有功环传递函数的阻尼比确定阻尼系数的选取规则。
具体步骤包括：
根据式(8)计算可得，阻尼系数D关于有功环阻尼比和转动惯量J的表达式为：
其中，a0＝U0E0，b0＝ωnωfX。阻尼系数D可以在保证系统阻尼比为最佳欠阻尼状态ξ＝0.707的同时，配合转动惯量J的变化做出协同自适应，最大限度的利用转动惯量J和阻尼系数D灵活可调的优点，有效降低系统有功功率和系统频率的超调量，缩短调节时间。
由图7为在保持仿真参数一致的情况下，虚拟同步机分别采用J、D均固定，J自适应、D固定和J、D自适应三种控制方式进行对比分析的频率变化曲线和有功功率变化曲线。可以看到，在频率变化方面，采用基于阻尼比约束的J、D协同自适应的控制方法相较于其他两种来说频率波动范围有着明显的减小；调节时间与J、D均固定的控制方式相比用时更短，与J自适应、D固定的控制方法基本相同；在有功功率变化方面，本发明所提出的控制方式的超调量明显小于J、D均固定的传统方式，调节时间也小于传统控制方法。因此，采用基于阻尼比约束的J、D协同自适应的控制方法相较于其他两种方法在例如负荷变动的暂态调节过程中有着更好的动态性能，使逆变器更快的趋于稳定。
本发明的有益效果是：有效降低系统有功功率和系统频率的超调量，缩短调节时间，在负荷变动的暂态调节过程中有着更好的动态性能，使逆变器更快的趋于稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：基于虚拟同步机的并网逆变器控制策略，建立有功环小信号模型；
所述有功环小信号模型为：
其中，J为虚拟同步机的转动惯量，D为阻尼系数，s为频域变量，Δω(s)为虚拟同步机与额定电角速度的差，ΔPm(s)为虚拟同步机的等效输入功率差值，ΔPe(s)为虚拟同步机的实际输出功率差，ΔPe-measure(s)为经过低通滤波器滤波后的输出功率差，ωf为低通滤波器的截止频率，Δδ(s)为虚拟同步机等效的端口电压和电网电压的相位差，即功角，E0代表虚拟同步机的端口电压初始有效值，U0代表电网电压初始有效值，X为线路电抗；
S2：通过分析所述有功环小信号模型得到的功角关系曲线确定转动惯量自适应控制规则；
所述转动惯量自适应控制规则为：
其中，J为转动惯量，J0为初始转动惯量设定值，Jmin和Jmax分别为转动惯量变化的最大和最小区间，为虚拟同步机的频率变化率，k1和k2分别为反正切函数的比例项和指数项系数，ωc为由角频率决定的控制规则动作阈值，Δω为实际虚拟角频率与额定角频率的差值；
S3：确定所述转动惯量自适应控制规则中各主要参数的选取条件；
所述选取条件包括：无论自适应控制的参数k1、k2和如何变化，/>都不会超过其最大区间值/>
S4：根据有功环传递函数的阻尼比确定阻尼系数的选取规则；
阻尼系数D关于有功环阻尼比和转动惯量J的表达式为：
其中，a0＝U0E0，b0＝ωnωfX，ξ＝0.707，ωn为电网额定角速度，ωf为低通滤波器的截止频率，E0代表虚拟同步机的端口电压初始有效值，U0代表电网电压初始有效值，X为线路电抗。
2.如权利要求1所述的一种虚拟同步机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制方法，其特征在于：通过公式得到实际角速度变化率与转动惯量J呈反比关系，其中，Tm和Te分别为虚拟同步机的机械转矩和电磁转矩，J为虚拟同步机的转动惯量，D为阻尼系数，ω为实际的电角速度，ωn为电网额定角速度。
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Non-Patent Citations (2)
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| 虚拟同步发电机的转子惯量自适应控制方法;程冲等;电力系统自动化;第39卷(第19期);82-89 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113675886A (zh) | 2021-11-19 |
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