CN114447955A - 基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，包括针对由发电机组、VSG控制单元以及有功负荷构成的微电网系统，采用虚拟同步发电机控制，引入频率差值实现对积分系数的实时调节；将二次调频自适应积分系数作为系统频率调节的依据，采用虚拟同步发电机控制技术进行系统有功频率控制；分布式电源支路的有功频率控制环采用虚拟同步发电机控制技术，通过频率偏移量的反馈自适应改变积分调节系数，调节VSG控制有功功率参考值。通过在有功频率控制中加入积分项实现系统频率的无差调节，并引入频率变化量自适应改变积分调节系数，从而获得最优调频特性，提高了构网型虚拟同步机控制技术的实用性。

Description

基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法

技术领域

本申请属于控制技术领域，尤其涉及基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法。

背景技术

随着高比例新能源接入电网，由分布式电源(DG)和电力电子器件组成的微电网得到广泛应用。但新能源发电相对于传统同步发电机(SG)缺少旋转惯量，孤岛运行时风电、光伏等新能源出力的不确定性以及不可预测的有功负荷扰动，会使微电网频率发生大幅度扰动。为了解决这个问题，国内外学者提出了构网型虚拟同步机(VSG)控制技术，通过摆动方程模拟同步发电机的惯性和阻尼特性。构网型控制可以主动的建立频率和电压信号，对系统提供支撑，从而改善分布式微网系统的电压和频率特性，具有广泛的应用场景。

但虚拟同步机控制技术只能实现一次调频，即有差调节，因此在VSG控制中加入有功频率下垂控制方程并引入积分项，实现微电网系统的频率无差调节。但积分系数的取值会影响系统的动态频率响应特性，系数过大会引起超调甚至振荡，系数过小会延长系统频率恢复时间。因此本文考虑有功负荷变化时，通过引入频率偏移量来改变积分系数，从而实现微电网的频率自适应调节，对提高构网型控制技术的实用性具有重要意义。

发明内容

本申请的目的在于针对现有技术之弊端，提供基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，以提高系统的孤岛频率动态响应能力。

本申请提出的基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法包括：

针对由发电机组、VSG控制单元以及有功负荷构成的微电网系统，采用虚拟同步发电机控制，引入频率差值实现对积分系数的实时调节；

将二次调频自适应积分系数作为系统频率调节的依据，采用虚拟同步发电机控制技术进行系统有功频率控制；

分布式电源支路的有功频率控制环采用虚拟同步发电机控制技术，通过频率偏移量的反馈自适应改变积分调节系数，调节VSG控制有功功率参考值。

可选的，所述微网系统包括：

由VSG控制单元、同步发电机和有功负载组成；

VSG控制单元实现孤岛运行时进行基于系统频率的自适应调节，发电机SG用于发出恒定有功功率，有功负荷在不同时刻投入或切除。

可选的，所述方法包括：

VSG控制单元的有功频率控制环节将频率偏移量作为调节有功功率参考值的依据，调整系统在孤岛运行时的有功频率特性；

虚拟同步发电机控制表示为

其中，J为转动惯量，为系统提供惯性支撑；D_p为阻尼系数，模拟同步发电机的阻尼振荡特性，P_m、P_e分别为有功功率给定值和实际输出值，ω表示微网系统实际运行角速度，ω_ref为VSG控制产生角速度参考值，ω₀为额定角速度，为模拟同步发电机的一次调频特性，在虚拟同步机控制中加入有功-频率下垂控制方程，引入积分项表示如下

式中，P₀为有功功率参考初值，m_ω为比例调节系数，k_iω为积分调节系数。

可选的，所述方法包括：

k_iω的增大使系统频率恢复时间缩短，但引起超调甚至振荡，k_iω的降低使系统频率恢复地比较平稳，但延长系统频率恢复时间；通过引入频率偏移量对频率调节进行自适应控制，优化系统频率动态响应特性。

可选的，所述方法包括：

根据频率偏移量的大小将积分调节系数分为三个部分，k_iω的不同取值具体表达式为

式中：k_iω0为积分系数初值，k₁、k₂为频率积分调整系数，x为频率变化率相关函数

可选的，所述方法包括：

当x>0时，k_iω随频率偏移绝对值增大而增大，增加有功出力，减小频率偏差；当x<0时，k_iω随频率偏移绝对值增大而减小，减小有功出力，平缓频率变化；当x＝0时，k_iω＝k_iω0。

有益效果：

通过在有功频率控制中加入积分项实现系统频率的无差调节，并引入频率变化量自适应改变积分调节系数k_iω，从而获得最优调频特性，提高了构网型虚拟同步机控制技术的实用性。

附图说明

图1为本申请所述的含分布式电源、同步发电机和有功负载的拓扑结构图；

图2为本申请所述的控制方法VSG控制单元二次调频控制结构图；

图3为本申请所述的控制方法与定积分系数的二次调频控制方法对比下，微电网孤岛运行模式下系统频率变化图。

图中和文中各符号为：DG为分布式电源，DC为直流电，AC为交流电，VSG为虚拟同步发电机，SG为同步发电机，k_i为采用定积分系数控制时k_iω的取值，J为转动惯量，D_P为阻尼系数，P_m、P_e分别为有功功率给定值和实际输出值，t为时间，ω表示微电网系统实际运行角速度，ω_ref为VSG控制产生角速度参考值，ω₀为额定角速度，θ_ref为生成相位参考值，f为系统频率，P₀为有功功率参考初值，m_ω为比例调节系数，1/s为积分因子，k_iω为积分调节系数，k_iω0为积分系数初值，k₁、k₂为频率积分调整系数，x为频率变化率相关函数。

具体实施方式

本申请中的微网系统结构图如图1所示，主要由VSG控制单元、同步发电机和有功负载组成。VSG控制单元实现孤岛运行时系统频率的自适应调节，发电机SG用于发出恒定有功功率，有功负荷可在不同时刻投入或切除。分布式电源支路的有功频率控制环采用虚拟同步发电机控制技术，通过频率偏移量的反馈自适应改变积分调节系数，从而调节VSG控制有功功率参考值，优化系统的频率响应。

如图2所示，本申请中VSG控制单元的有功频率控制环节将频率偏移量作为调节有功功率参考值的依据，进而调整系统在孤岛运行时的有功频率特性。

虚拟同步发电机控制表示为

其中，J为转动惯量，为系统提供惯性支撑；D_P为阻尼系数，模拟同步发电机的阻尼振荡特性；P_m、P_e分别为有功功率给定值和实际输出值；ω表示微网系统实际运行角速度，ω_ref为VSG控制产生角速度参考值，ω₀为额定角速度。为模拟同步发电机的一次调频特性，在虚拟同步机控制中加入有功-频率下垂控制方程，并引入积分项表示为

式中，P₀为有功功率参考初值，m_ω为比例调节系数，1/s为积分因子，k_iω为积分调节系数。可以看出，引入积分项会实现系统的无差调节，但积分系数k_iω的大小会影响系统的动态频率响应特性。k_iω较大会使系统频率恢复时间缩短，但会引起超调甚至振荡；k_iω较小会使系统频率恢复地比较平稳，但过小会延长系统频率恢复时间。说明固定数值的k_iω并不能使得调频特性最优，为此，可通过引入频率偏移量对频率调节进行自适应控制，优化系统频率动态响应特性。

本申请根据频率偏移量的大小将积分调节系数分为三个部分，k_iω的不同取值具体表达式为

式中：k_iω0为积分系数初值，k₁、k₂为频率积分调整系数，x为频率变化率相关函数

当x>0时，k_iω随频率偏移绝对值增大而增大，增加有功出力，减小频率偏差；当x<0时，k_iω随频率偏移绝对值增大而减小，减小有功出力，平缓频率变化；当x＝0时，k_iω＝k_iω0。

搭建如图1所示的三端微网络仿真平台，该平台包含一台用于发出恒定功率的发电机SG、一台用于调频的虚拟同步机控制单元以及有功负荷。将本申请应用于该三端微网络仿真平台，VSG控制单元采用变积分系数的自适应构网型调频控制策略。微网孤岛运行模式下，初始运行状态VSG带75MW负荷，孤岛系统频率稳定在50Hz；2s时，投入75MW负荷；12s时切除75MW负荷。观察比较在自适应控制和固定积分系数控制下，微网系统频率的变化。

参照图3，采用定积分系数控制时，若k_i取值过小会导致系统频率偏移值过大，且频率恢复时间过长；k_i取值增大时会缩短系统频率恢复时间，但系统频率最大偏移值仍较高。而本文所提自适应调频控制策略在系统有功功率波动时，能有效减小频率最大偏移值，且恢复过程较为平缓。

从图3所示的运行结果可以看出，本申请所提变积分系数的自适应构网型调频控制可以灵活调节积分系数，从而能有效提高系统的频率特性，减小有功负荷变化时的系统频率最大偏移值，使频率恢复过程更加平缓。整体而言，图3所示的运行结果证明了本申请所述变积分系数自适应构网型调频控制方法的有效性，在孤岛模式下具有更好的频率动态响应，提高了构网型控制技术的实用性。

对图1-3的概括性及意图说明：

图1给出的含VSG三端网络为本申请的研究对象，其中SG是传统的发电单元，可为微电网提供有功功率；VSG控制单元为本申请所述控制方法的实施对象；有功负荷是微电网中的负荷单元，用来实现负荷的投入和切除。

图2给出了本申请中变积分系数的自适应构网型调频控制方法结构框图，引入频率偏移量来自适应调节积分系数，提高了系统在负荷突变时的动态频率响应能力。

图3给出了本申请所述的控制方法与定积分系数控制方法对比下，在有功负荷投入和切除时系统的频率变化曲线，主要说明了在系统负荷突变时，通过合理改变有功频率控制积分系数可有效改善系统的频率动态响应，减小频率最大偏移量，平缓频率的恢复过程。

Claims (6)

1.基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，适用于微网系统，其特征在于，所述方法包括：

针对由发电机组、VSG控制单元以及有功负荷构成的微电网系统，采用虚拟同步发电机控制，引入频率差值实现对积分系数的实时调节；

将二次调频自适应积分系数作为系统频率调节的依据，采用虚拟同步发电机控制技术进行系统有功频率控制；

分布式电源支路的有功频率控制环采用虚拟同步发电机控制技术，通过频率偏移量的反馈自适应改变积分调节系数，调节VSG控制有功功率参考值。

2.根据权利要求1所述的基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，其特征在于，所述微网系统包括：

由VSG控制单元、同步发电机和有功负载组成；

VSG控制单元实现孤岛运行时进行基于系统频率的自适应调节，发电机SG用于发出恒定有功功率，有功负荷在不同时刻投入或切除。

3.根据权利要求2所述的基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

VSG控制单元的有功频率控制环节将频率偏移量作为调节有功功率参考值的依据，调整系统在孤岛运行时的有功频率特性；

虚拟同步发电机控制表示为

其中，J为转动惯量，为系统提供惯性支撑；D_p为阻尼系数，模拟同步发电机的阻尼振荡特性，P_m、P_e分别为有功功率给定值和实际输出值，ω表示微网系统实际运行角速度，ω_ref为VSG控制产生角速度参考值，ω₀为额定角速度，为模拟同步发电机的一次调频特性，在虚拟同步机控制中加入有功-频率下垂控制方程，引入积分项表示如下

式中，P₀为有功功率参考初值，m_ω为比例调节系数，k_iω为积分调节系数。

4.根据权利要求1所述的基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

k_iω的增大使系统频率恢复时间缩短，但引起超调甚至振荡，k_iω的降低使系统频率恢复地比较平稳，但延长系统频率恢复时间；通过引入频率偏移量对频率调节进行自适应控制，优化系统频率动态响应特性。

5.根据权利要求1所述的基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据频率偏移量的大小将积分调节系数分为三个部分，k_iω的不同取值具体表达式为

式中：k_iω0为积分系数初值，k₁、k₂为频率积分调整系数，x为频率变化率相关函数

6.根据权利要求5所述的基于变积分系数的自适应构网型调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

当x>0时，k_iω随频率偏移绝对值增大而增大，增加有功出力，减小频率偏差；当x<0时，k_iω随频率偏移绝对值增大而减小，减小有功出力，平缓频率变化；当x＝0时，k_iω＝k_iω0。

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