CN114597975A - 并联系统的功率分配方法及控制设备 - Google Patents

并联系统的功率分配方法及控制设备 Download PDF

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CN114597975A CN202111679226.5A CN202111679226A CN114597975A CN 114597975 A CN114597975 A CN 114597975A CN 202111679226 A CN202111679226 A CN 202111679226A CN 114597975 A CN114597975 A CN 114597975A
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voltage
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杨鹏伟
何黎
李燕琼
王涛
王研
张志军
蔺煜炜
刘郦雅
康伟伟
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BEIJING BRON S&T Ltd
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Abstract

本发明提供了一种并联系统的功率分配方法及控制设备，该方法包括获取目标功率模块的实际输出功率；将实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到目标功率模块对应的控制参量，并基于控制参量实现对目标功率模块的控制；其中，预设的控制环路中的最优控制参数包括电压补偿系数、频率补偿系数、电压惯性补偿系数；最优控制参数是以提高各功率模块的均分精度为目标，采用预设的优化算法优化得到的。通过预设的控制环路中的最优控制参数，对有功功率‑频率、无功功率‑电压、电压惯性进行补偿调节，达到有功功率和无功功率均分。

Description

并联系统的功率分配方法及控制设备
技术领域
本申请属于虚拟同步发电机控制技术领域，尤其涉及一种并联系统的功率分配方法及控制设备。
背景技术
目前，实现多功率模块并联的常用控制策略为VSG(Virtual SynchronousGenerator，虚拟同步发电机)控制，无需通信联系，通过本身的控制算法便可实现功率模块并联控制，故VSG控制在多功率模块并联的场合中获得了广泛应用。
传统的控制方法主要通过自适应虚拟阻抗的实时变动以补偿功角变化所带来的影响，以此来解除有功功率对无功功率的影响，但其对有功功率和无功功率的功率均分精度低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种并联系统的功率分配方法及控制设备，旨在解决目标功率模块功率分配过程的稳定性差的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种并联系统的功率分配方法，所述并联系统包括至少两个并联连接的功率模块，所述并联系统的功率分配方法，包括：
获取目标功率模块的实际输出功率；
将所述实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到所述目标功率模块对应的控制参量，并基于所述控制参量实现对所述目标功率模块的控制；
其中，所述预设的控制环路中的最优控制参数包括电压补偿系数、频率补偿系数、电压惯性补偿系数；所述最优控制参数是以提高各功率模块的均分精度为目标，采用预设的优化算法优化得到的。
在一种可能的实现方式中，所述预设的控制环路对应的功率控制方程包括：有功功率-频率控制方程、无功功率-电压控制方程、电压惯性控制方程；所述目标功率模块的实际输出功率包括有功功率实际值和无功功率实际值；所述控制参量包括功角控制参量、有功电压控制参量、无功电压控制参量；
所述将所述实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到所述目标功率模块对应的控制参量，包括：
根据所述有功功率实际值、所述电压补偿系数和所述有功功率-频率控制方程，确定所述目标功率模块的功角控制参量；
根据所述无功功率实际值、所述频率补偿系数和所述无功功率-电压控制方程，确定所述目标功率模块的电压目标值；
根据所述功角控制值、所述电压目标值、所述电压惯性控制方程、所述电压惯性补偿系数，确定所述目标功率模块的有功电压控制参量、无功电压控制参量。
在一种可能的实现方式中，根据所述有功功率实际值、所述电压补偿系数和所述有功功率-频率控制方程，确定所述目标功率模块的功角控制参量，包括：
根据所述目标功率模块的有功功率实际值、所述电压补偿系数和所述有功功率-频率控制方程，确定角速度目标值；
根据所述角速度目标值和预先获取的所述目标功率模块的复频率确定所述功角控制参量；
所述有功功率-频率控制方程为：
Figure BDA0003453472020000021
其中，ω1为所述角速度目标值，Kω为有功下垂系数，J为转动惯量，D为阻尼系数，s为所述复频率，Δω为角速度变化量，ω0为额定角速度，ΔP为有功功率变化值，由所述有功功率实际值确定，λ1为所述电压补偿系数，U0为电压额定值，Ue为电压扰动值。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
根据所述目标功率模块的自适应控制方程对所述目标功率模块的转动惯量和阻尼系数进行自适应调整；
所述自适应控制方程为：
Figure BDA0003453472020000031
Figure BDA0003453472020000032
其中，J0、D0分别为所述目标功率模块稳定运行时的转动惯量和阻尼系数，dmJ和dmD分别为转动惯量的调节系数和阻尼系数的调节系数，TD为转动惯量对应的虚拟转子角速度变化率的变化阈值，TJ为转动惯量对应的虚拟转子角速度变化率的变化阈值。
在一种可能的实现方式中，所述无功功率-电压控制方程为：
ω1＝Kv(Qref-Q)+U0-λ2(ω0-ω)
其中，Um为所述电压目标值，Kv为无功下垂系数，Qref为无功功率设定值，Q为所述无功功率实际值，U0为电压额定值，λ2为频率补偿系数，ω为实际角速度，ω0为额定角速度。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述无功功率实际值、所述频率补偿系数和所述无功功率-电压控制方程，确定所述目标功率模块的电压目标值，包括：
根据所述无功功率实际值、所述频率补偿系数、所述无功功率-电压控制方程、测量得到的电流实际值和预先确定的动态虚拟复阻抗，确定所述电压目标值；
所述动态虚拟复阻抗由下式确定：
Figure BDA0003453472020000033
其中，Zvi(s)为所述动态虚拟复阻抗，Rvi为虚拟电阻，Lvi为初始给定的虚拟电感，Kl为阻抗调节系数，Qref为无功功率设定值，Q为所述无功功率实际值，s为复频率。
在一种可能的实现方式中，根据所述功角控制值、所述电压目标值、所述电压惯性控制方程、所述电压惯性补偿系数，确定所述目标功率模块的有功电压控制参量、无功电压控制参量，包括：
根据所述功角控制值、所述电压目标值，确定所述目标功率模块的电动势；
根据所述目标功率模块的电动势和所述电压惯性控制方程，确定所述目标功率模块的输出电压；
根据所述输出电压和测量得到的电流实际值，确定所述目标功率模块的有功电压控制参量和所述无功电压控制参量；
所述电压惯性控制方程为：
Figure BDA0003453472020000041
其中，ef为所述目标功率模块输出电压，λ3为所述电压惯性补偿系数，s为复频率，E* f为所述目标功率模块的电动势。
在一种可能的实现方式中，所述预设的优化算法为改进的粒子群算法；所述改进的粒子群算法在优化过程中根据非线性变化方程动态调整；
所述非线性变化方程为：
Figure BDA0003453472020000042
其中，w为惯性速度权重，tmax为最大迭代次数；r3为[0,1]区间的随机数，km为常系数；
所述获取目标功率模块的实际输出功率，包括：
获取所述目标功率模块的q轴电压、q轴电流、d轴电压、d轴电流；
根据所述目标功率模块的q轴电压、q轴电流、陷波器功率计算方程，确定所述有功功率实际值；
根据所述目标功率模块的d轴电压、d轴电流、陷波器功率计算方程，确定所述无功功率实际值；
所述陷波器功率计算方程为：
Figure BDA0003453472020000051
Figure BDA0003453472020000052
其中，P为所述有功功率实际值，Q为所述无功功率实际值，QT为第T次谐振控制器品质因数，ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率，τ为一阶低通滤波器的时间常数，Ucq为q轴电压，Ucd为d轴电压，Icq为q轴电流，Icd为d轴电流。
本发明实施例的第二方面提供了一种控制设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上第一方面所述并联系统的功率分配方法的步骤。
本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面所述并联系统的功率分配方法的步骤。
本发明实施例提供的并联系统的功率分配方法及控制设备，获取目标功率模块的实际输出功率；将实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到目标功率模块对应的控制参量，并基于控制参量实现对目标功率模块的控制；其中，预设的控制环路中的最优控制参数包括电压补偿系数、频率补偿系数、电压惯性补偿系数；最优控制参数是以提高各功率模块的均分精度为目标，采用预设的优化算法优化得到的。通过预设的控制环路中的最优控制参数，对有功功率-频率、无功功率-电压、电压惯性进行补偿调节，达到有功功率和无功功率均分。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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是本发明实施例提供的并联系统的功率分配方法的应用环境图；
图2是本发明实施例提供的并联系统的功率分配方法的实现流程图；
图3是本发明实施例提供的并联系统的等效电路图；
图4是本发明另一实施例提供的并联系统的功率分配方法的实现流程图；
图5是本发明实施例提供的有功功率-频率控制方程对应的控制环路示意图；
图6是本发明实施例提供的自适应控制策略下功角变化过程图；
图7是本发明实施例提供的无功功率-电压控制方程对应的控制环路示意图；
图8是本发明实施例提供的线路阻抗不一致时并联功率模块的曲线图；
图9是本发明实施例提供的线路阻抗匹配后并联功率模块的曲线图；
图10是本发明实施例提供的经陷波器滤波后两个并联的功率模块输出的有功功率曲线图；
图11是本发明实施例提供的改进PSO算法参数优化的控制框图；
图12是本发明实施示例提供的控制原理图；
图13是本发明实施示例提供的加入控制策略后电网的电压示意图；
图14是本发明实施示例提供的加入控制策略后电网的电流示意图；
图15是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2惯性模拟下有功功率响应示意图；
图16是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2惯性阻尼模拟下有功功率响应示意图；
图17是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2惯性阻尼模拟下无功功率响应示意图；
图18是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2有功功率变化曲线示意图；
图19是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2无功功率变化曲线示意图；
图20是本发明实施例提供的控制设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
目前，实现多功率模块(例如：逆变器)并联的常用控制策略为VSG控制，即无需通信联系，通过本身的控制算法便可实现逆变器并联控制。因此，VSG控制在多逆变器并联的场合中获得了广泛应用。
低压微网线路其线路电阻与线路电感相比无法忽略，无法直接通过相位差来控制有功功率的输出，有功功率此时会受到电压幅值变化的影响。传统下垂控制无法直接应用在低压微网中，有功功率与无功功率之间的耦合对系统的稳定及逆变器之间有功无功的分配精度等产生很大影响。虽然可以通过输出端增加隔离变压器获得增大线路阻感比，但成本较高，硬件维护困难，因此改进逆变器控制策略更为经济，解决多虚拟同步机并联因输出阻抗和线路阻抗不匹配产生的功率分配精度不精确和线路环流的影响，提高系统鲁棒性。
现有技术中，主要通过自适应虚拟阻抗的实时变动以补偿功角变化所带来的影响，以此来解除有功功率对无功功率的影响，没有考虑对电压变化对有功功率、频率变化对无功功率以及电压惯性的对系统影响，对有功功率无功功率的功率均分精度、抑制无功环流没有起到相应的作用，影响系统的运行。
本发明通过预设的控制环路中的最优控制参数，对有功功率-频率、无功功率-电压、电压惯性进行补偿调节，并加入转动惯量和阻尼系数自适应控制方法，抑制频率超调，缩短系统的调节时间，来提改善VSG动态响应特性，利用动态虚拟复阻抗提高功率均分精度、抑制无功环流，结合陷波器滤除低次谐波，实现并联VSG功率分配，抑制线路环流，达到有功功率和无功功率均分。
图1是本发明实施例提供的并联系统的功率分配方法的应用环境图。本发明实施例提供的并联系统的功率分配方法可以但不限于应用于该应用环境。如图1所示，该系统中包括：控制设备11、功率模块12、负载13。
控制设备11分别与各功率模块12连接，其可设置在功率模块12外部，也可内置于功率模块12，例如设置在内部自带的DSP芯片中，此处不做限定。控制设备11中设置有每个功率模块12对应的控制环路。各功率模块12之间互相并联，用于向负载13供电。控制设备12用于在接收到投入指令时，根据每个功率模块12对应的控制环路对各功率模块12进行控制，以实现并联VSG功率分配。
功率模块12可以是INV(inverter,逆变器)模块、整流模块等，在此不做限定，用于对外部输入的电流进行转换后向负载13供电。
图2是本发明实施例提供的并联系统的功率分配方法的实现流程图。如图2所示，在该实施例中，并联系统的功率分配方法，应用于上述实施例所示并联系统中的控制设备11，并联系统包括至少两个并联连接的功率模块，该方法，包括：
S201，获取目标功率模块的实际输出功率。
S202，将实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到目标功率模块对应的控制参量，并基于控制参量实现对目标功率模块的控制。
其中，预设的控制环路中的最优控制参数包括电压补偿系数、频率补偿系数、电压惯性补偿系数；最优控制参数是以提高各功率模块的均分精度为目标，采用预设的优化算法优化得到的。
本实施例中，实际输出功率包括实际的有功功率和实际的无功功率，是通过传感器采集得到或者是根据传感器采集的数据计算得到的，在此不作限定。为了减少输出阻抗不匹配对VSG并联功率均分的影响，分别在有功控制和无功控制环节上各增加一个耦合补偿环节。电压补偿系数、频率补偿系数、电压惯性补偿系数则分别为这些耦合补偿环节的参数，通过预先优化得到的参数，能够使控制环路达到最理想的输出状态，即功率均分。
图3是本发明实施例提供的并联系统的等效电路图。如图3所示，并机系统中包括两个逆变器VSG1和VSG2，并联在负载ZL两端。图3仅为并机系统的示例，但并不作为限定。下述一些实施示例将对图3所示的系统进行说明，并不作为限定。
本实施例中，并联系统的功率分配方法及控制设备，通过获取目标功率模块的实际输出功率；将实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到目标功率模块对应的控制参量，并基于控制参量实现对目标功率模块的控制；其中，预设的控制环路中的最优控制参数包括电压补偿系数、频率补偿系数、电压惯性补偿系数；最优控制参数是以提高各功率模块的均分精度为目标，采用预设的优化算法优化得到的。通过预设的控制环路中的最优控制参数，对有功功率-频率、无功功率-电压、电压惯性进行补偿调节，达到有功功率和无功功率均分。
图4是本发明另一实施例提供的并联系统的功率分配方法的实现流程图。如图4所示，在一些实施例中，预设的控制环路对应的功率控制方程包括：有功功率-频率控制方程、无功功率-电压控制方程、电压惯性控制方程。目标功率模块的实际输出功率包括有功功率实际值和无功功率实际值。控制参量包括功角控制参量、有功电压控制参量、无功电压控制参量。
S202可以包括：
S401，根据有功功率实际值、电压补偿系数和有功功率-频率控制方程，确定目标功率模块的功角控制参量。
S402，根据无功功率实际值、频率补偿系数和无功功率-电压控制方程，确定目标功率模块的电压目标值。
S403，根据功角控制值、电压目标值、电压惯性控制方程、电压惯性补偿系数，确定目标功率模块的有功电压控制参量、无功电压控制参量。
本实施例中，将有功电压控制参量、无功电压控制参量、功角控制参量分别作为d轴、q轴、0轴的量输入到dq0/abc转换器中，再将转换器输出的信号输入到PWM中，实现对功率模块的控制。
图5是本发明实施例提供的有功功率-频率控制方程对应的控制环路示意图。如图5所示，在一些实施例中，S401可以包括：
根据目标功率模块的有功功率实际值、电压补偿系数和有功功率-频率控制方程，确定角速度目标值；
根据角速度目标值和预先获取的目标功率模块的复频率确定功角控制参量；
有功功率-频率控制方程为：
Figure BDA0003453472020000101
其中，ω1为角速度目标值，Kω为有功下垂系数，J为转动惯量，D为阻尼系数，s为复频率，Δω为角速度变化量，ω0为额定角速度，ΔP为有功功率变化值，由有功功率实际值确定，λ1为电压补偿系数，U0为电压额定值，Ue为电压扰动值。
本实施例中，
在一些实施例中，该方法还包括：
根据目标功率模块的自适应控制方程对目标功率模块的转动惯量和阻尼系数进行自适应调整；
自适应控制方程为：
Figure BDA0003453472020000111
Figure BDA0003453472020000112
其中，J0、D0分别为目标功率模块稳定运行时的转动惯量和阻尼系数，dmJ和dmD分别为转动惯量的调节系数和阻尼系数的调节系数，TD为转动惯量对应的虚拟转子角速度变化率的变化阈值，TJ为转动惯量对应的虚拟转子角速度变化率的变化阈值。
图6是本发明实施例提供的自适应控制策略下功角变化过程图。如图6所示，在一些实施例中，
图7是本发明实施例提供的无功功率-电压控制方程对应的控制环路示意图。如图7所示，在一些实施例中，无功功率-电压控制方程为：
ω1＝Kv(Qref-Q)+U0-λ2(ω0-ω)
其中，Um为电压目标值，Kv为无功下垂系数，Qref为无功功率设定值，Q为无功功率实际值，U0为电压额定值，λ2为频率补偿系数，ω为实际角速度，ω0为额定角速度。
在一些实施例中，S402可以包括：
根据无功功率实际值、频率补偿系数、无功功率-电压控制方程、测量得到的电流实际值和预先确定的动态虚拟复阻抗，确定电压目标值；
动态虚拟复阻抗由下式确定：
Figure BDA0003453472020000113
其中，Zvi(s)为动态虚拟复阻抗，Rvi为虚拟电阻，Lvi为初始给定的虚拟电感，Kl为阻抗调节系数，Qref为无功功率设定值，Q为无功功率实际值，s为复频率。
图8是本发明实施例提供的线路阻抗不一致时并联功率模块的曲线图。图9是本发明实施例提供的线路阻抗匹配后并联功率模块的曲线图。如图8和图9所示，在一些实施例中，S403，可以包括：
根据功角控制值、电压目标值，确定目标功率模块的电动势；
根据目标功率模块的电动势和电压惯性控制方程，确定目标功率模块的输出电压；
根据输出电压和测量得到的电流实际值，确定目标功率模块的有功电压控制参量和无功电压控制参量；
电压惯性控制方程为：
Figure BDA0003453472020000121
其中，ef为目标功率模块输出电压，λ3为电压惯性补偿系数，s为复频率，E* f为目标功率模块的电动势。
在一些实施例中，S201，可以包括：
获取目标功率模块的q轴电压、q轴电流、d轴电压、d轴电流；
根据目标功率模块的q轴电压、q轴电流、陷波器功率计算方程，确定有功功率实际值；
根据目标功率模块的d轴电压、d轴电流、陷波器功率计算方程，确定无功功率实际值；
陷波器功率计算方程为：
Figure BDA0003453472020000122
Figure BDA0003453472020000123
其中，P为有功功率实际值，Q为无功功率实际值，QT为第T次谐振控制器品质因数，ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率，τ为一阶低通滤波器的时间常数，Ucq为q轴电压，Ucd为d轴电压，Icq为q轴电流，Icd为d轴电流。
图10是本发明实施例提供的经陷波器滤波后两个并联的功率模块输出的有功功率曲线图。图11是本发明实施例提供的改进PSO算法参数优化的控制框图。如图10和11所示，在一些实施例中，预设的优化算法为改进的粒子群算法。改进的粒子群算法在优化过程中根据非线性变化方程动态调整。
非线性变化方程为：
Figure BDA0003453472020000131
其中，w为惯性速度权重，tmax为最大迭代次数；r3为[0,1]区间的随机数，km为常系数。
下面提供一个实施示例对本发明的并联系统的功率分配方法进行说明，但并不作为限定。图12是本发明实施示例提供的控制原理图。如图12所示，在该实施示例中，并联系统的功率分配方法具体可以包括：
第一步，为了减少输出阻抗不匹配对VSG并联功率均分的影响，分别在有功控制和无功控制环节上各增加一个耦合补偿环节，采用改进PSO算法寻找最优控制参数，对U-P、f-Q、电压惯性调节，通过合理的参数设计，减少有功和无功控制环节中的相互影响，以达到在功率均分的目的，首先建立P-f控制和Q-U控制框图，其表达式为：
Figure BDA0003453472020000132
Um＝Kv(Qref-Q)+U0
其中ω为实际角速度，Kω为有功下垂系数，J为转动惯量，D为阻尼系数，Δω为角速度变化量，ω0为额定角速度，ΔP为有功功率变化值，λ1为电压对有功频率环节的补偿系数，U0为电压额定值，Ue为电压扰动值，Um为电压实际值，Kv为无功下垂系数，Qref为无功设定值，Q为无功功率实际值，U0为电压额定值，λ2为频率对无功电压环节的补偿系数，λ3为一阶电压惯性环节系数。
第二步，建立U-P为了消除电压变化对有功控制的影响，在VSG的有功-频率控制环节中加入电压补偿环节、建立f-Q为了消除频率变化对无功功率的影响，在VSG的无功-电压环节中加入角频率补偿环节、VSG有功控制策略中有一阶惯性环节来效抑制功率突变给系统频率带来的影响，故在在原有的电压控制中增加电压惯性环节，使虚拟同步发电机同时具有频率惯性及电压惯性。补偿系数分别为λ1、λ2、λ3控制方程为：
Figure BDA0003453472020000141
Um＝Kv(Qrf-Q)+U0-λ2(ω0-ω)
Figure BDA0003453472020000142
其中ω1为所述角速度目标值，Kω为有功下垂系数，J为转动惯量，D为阻尼系数，Δω为角速度变化量，ω0为额定角速度，ΔP为有功功率变化值，λ1为电压对有功频率环节的补偿系数，U0为电压额定值，Ue为电压扰动值，Um为所述电压目标值，Kv为无功下垂系数，Qref为无功设定值，Q为无功功率实际值，U0为电压额定值，λ2为频率对无功电压环节的补偿系数，λ3为一阶电压惯性环节系数。
第三步，运用改进PSO算法迭代参数采用不同的优化方式进行迭代，并通过信息共享，使得它具有更强的全局和局部优化能力，粒子初始化时是搜索空间里的一组随机解，然后每个粒子独立在搜索空间内寻找最优解，并记录下当前个体的最优解，并与其他粒子进行信息共享获得当前的全局最优个体位置。所有粒子都根据当前个体最优解和当前全局最优个体来调整自己的位置和速度每个粒子速度及位置更新方程表达式为：
Figure BDA0003453472020000143
xij(t+1)＝xij(t)+vij(t+1)
其中vij(t)为粒子的更新速度，c1c2均为算法的加速度因子，r1、r2均为[0,1]区间的随机数，
Figure BDA0003453472020000144
为优化迭代到当前迭代次数时的最优个体，
Figure BDA0003453472020000145
为优化迭代到当前迭代次数时的全局最优个体。
改进粒子群优化算法中多个群体的信息共享能够提高粒子的多样性，不同的速度更新方式能有效的避免优化陷入局部最优值，同时也提高了优化趋势的多样性。首先，主粒子群为该改进粒子群优化算法中的原始群体，其速度更新方式与标准粒子群的速度更新方式相同。为适应该改进粒子群优化算法的非线性优化过程，惯性权重修改为非线性变化方程，其公式为：
Figure BDA0003453472020000151
Figure BDA0003453472020000152
其中w为惯性速度权重，tmax和r3分别为最大迭代次数和[0,1]区间的随机数，km为常系数。
在迭代过程中，全局辅助粒子群由主粒子群中较差的粒子(适应值较大的粒子)组成。它和主粒子群同步更新，并在迭代一段时间后，可以向主粒子群提供全局辅助粒子群的最优信息多个粒子群和改进速度更新方式的结合，可以避免在非线性问题求解中陷入局部最优，同时可以提高了优化算法的优化精度、优化可靠性和收敛速度。
第四步，在系统受到扰动时其在暂态变化过程中处于不同的调节范围之内时，应当选取相应的满足规定的转动惯量参数值。这样做的优势就是使得应用自适应控制策略的虚拟同步机其暂态过程的稳定性要优于传统的VSG策略，其优势体现在其不但可以减小系统恢复稳态运行所需要的时间，而且能够减弱系统频率的超调量。根据第三步得到的控制参数建立改进自适应控制策略下功角变化过程，将转动惯量J和转子角速度变化率的关系以及阻尼系数D与转子角速度偏差值之间的关系，可以得到的自适应控制方程如下：
Figure BDA0003453472020000153
Figure BDA0003453472020000161
其中J为转动惯量，J0、D0分别为VSG稳定运行时的转动惯量值和阻尼系数，dmJ和dmD分别为转动惯量和阻尼系数的调节系数,TD、TJ为自适应算法中虚拟转子角速度变化率的变化阈值。
通过自适应控制J、D参数，减弱频率超调量，使用两个参数协同配合调节来缩短系统的调节时间，来提高运行稳定性，同时考虑转动惯量和阻尼系数的自适应控制策略调节过程很大程度上的减少了系统处于暂态的时间以及频率的震荡数值，转动惯量数值的增加会使得频率的超调量以及初始变化率减小，但频率从暂态恢复到稳态所需要的时间会增加；阻尼系数数值的变大会使得频率的超调量也处于减少的状态，但使系统在更短的时间内达到了频率的最大值，即时的频率的初始变化率变大。
第五步，当多台VSG并联时，VSG输出的无功功率自适应调整使得等效输出阻抗得以调整，最终使得VSG等效阻抗相等。引入无功功率构造可变虚拟阻抗，采用动态调整方法重新构造VSG的输出阻抗，从而进一步减少输电线路阻抗的影响，与传统虚拟同步控制相比，既提高功率均分也使得电压跌落减小，抑制环流，动态虚拟复阻抗的表达式为：
Figure BDA0003453472020000162
其中-Rvi为虚拟负电阻，Lvi为初始给定的虚拟电感，Kl为阻抗调节系数，Qref为无功功率指令值，Q为所述无功功率实际值，s为复频率。
引入含有阻性及感性分量的虚拟复阻抗，通过虚拟负的阻性分量减小传输阻抗中的阻性成分，虚拟正的感性分量增大传输阻抗中的感性成分，使得功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流。初始时设置Rvi、Lvi、kl、Qref参数一致，当多台VSG并联时，等效输出阻抗随着VSG的输出无功功率变化而自动调整，使得VSG的等效阻抗接近一致。与传统虚拟同步控制相比，在提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流。
第六步，为使得系统在无功负载压降不至于过大,应该适当较小输出阻抗的大小,等效输出阻抗的减小使得虚拟惯量的取值范围随之降低,此时低通滤波器将无法完全滤除功率中的低次谐波,此时利用陷波器在滤除低次谐波，实现并联VSG功率分配，抑制线路环流，建立陷波器功率计算方程：
Figure BDA0003453472020000171
Figure BDA0003453472020000172
其中其中QT为第T次谐振控制器品质因数，ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率，τ为一阶低通滤波器的时间常数，Ucq为q轴电压，Ucd为d轴电压，Icq为q轴电流，Icd为d轴电流。
第七步，计算输出的SVPWM调制器经过有源阻尼连接至逆变装置。使得并联VSG功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流，提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流。最终提高功率均分精度的同时降低电压跌落，减小环流，一种基于改进PSO算法的自适应转动惯量及阻尼调节的并联虚拟同步机功率分配方法。
其中，图12中的一些符号的解释如下：
Ef为励磁电动势，ef为输出电压，Pm为机械功率，ωm为机械角速度。
在本实施示例中，采用MATLAB/Simulink仿真平台搭建并联虚拟同步机仿真模型，通过本发明的方法进行仿真，得到很好的仿真效果。第一步，建立P-f控制和Q-U控制框图，利用改进PSO算法寻找最优控制参数λ1、λ2、λ3，建立每个粒子速度及位置更新速度方程、惯性权重的速度更新方程、主粒子群、次粒子群、局部次粒子群优化方式，对有功频率环以及无功电压环进行补偿控制；第二步，建立改进自适应控制策略下功角变化过程；将转动惯量J和转子角速度变化率的关系以及阻尼系数D与转子角速度偏差值之间的关系，可以得到的自适应控制方程，来自适应改变J、D的数值；第三步，用动态虚拟复阻抗，引入含有阻性及感性分量的虚拟复阻抗，通过虚拟负的阻性分量减小传输阻抗中的阻性成分，虚拟正的感性分量增大传输阻抗中的感性成分，使得功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流，降低电压跌落，提高功率均分精度、抑制无功环流，提高电能质量；第四步，为了降低系统在无功负载下的压降，及时减小输出阻抗的大小，等效输出阻抗的减小使得虚拟惯量的取值范围随之降低，低通滤波器将无法完全滤除功率中的低次谐波，结合陷波器滤除低次谐波，在不增加系统滤波延时的情况下，实现并联VSG功率分配，抑制线路环流，减少线路压降，提高电能质量。第五步将输出的SVPWM调制器经有源阻尼装置连接至逆变装置。使得并联VSG功率完全解耦并减小由于传输阻抗差异造成的电流环流，提高功率均分精度的同时降低电压跌落，提高了系统的响应速度和稳定性，实现了运行条件变化时频率和功率的动态调节。调节后容量比为2:1的两台并联虚拟同步机系统按2:1的比例分配负载有功功率和负载无功功率，并且在负载波动情况下很好的进行惯性阻尼模拟。
如图10所示，是VSG1/VSG2有功功率在输入分别为3Kvar和1.5kvar时，进行本发明进行功率解耦控制后经陷波器滤除低次谐波后有功功率和无功功率实现2：1均分。
图13是本发明实施示例提供的加入控制策略后电网的电压示意图。图14是本发明实施示例提供的加入控制策略后电网的电流示意图。如图13和图14所示，为输出电压电流波形图，0.5s突增负载后，经过0.1s后恢复原有功率，模拟了并联VSG在突加负载时的惯性变化。图15是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2惯性模拟下有功功率响应示意图。
图16是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2惯性阻尼模拟下有功功率响应示意图。图17是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2惯性阻尼模拟下无功功率响应示意图。图18是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2有功功率变化曲线示意图。图19是本发明实施示例提供的加入控制策略0.5s后突加负载时VSG1/VSG2无功功率变化曲线示意图。如图15-19所示，加入控制策略后0.5s时突加负载时VSG1/VSG2惯性模拟下有功功率以2:1均分。
本实施示例中所使用的仿真参数具体如下：
表1 仿真模型参数
Figure BDA0003453472020000191
本发明是通过建立U-P、f-Q、以及在无功电压环增加了一阶惯性环节模型，利用改进惯性速度权重为非线性变化方程的PSO算法求出此模型补偿系数λ1,λ2,λ3、进而通过转动惯量J和转子角速度变化率的关系以及阻尼系数D与转子角速度偏差值之间的关系建立自适应控制方程，并且为了改善因为电压跌落，电能质量下降增加了动态虚拟复阻抗控制，使得并联时功率差明显降低，环流减小；同时电压跌落也降低，改善了电能质量，但由于减小输出阻抗后，虚拟惯量的取值范围随之降低,此时VSG中有功频率控制环节、以及新加入的无功电压控制环节的一阶惯性环节并不能完全滤除功率中的低次谐波，所以结合多重陷波器方法滤除低次谐波，加快动态响应时间。
多重陷波器只有在系统中等效输出阻抗的减小使得虚拟惯量取值范围缩小，加入上述补偿后的控制方法中，通过有功频率控制环和无功电压控制环的一阶惯性滤波不能很好的滤除低次谐波情况下使用多重陷波器的方法才发挥其滤除功率中低次谐波作用。
经补偿后，笑出了电压变化对有功控制的影响，频率变化对无功功率的影响，同时使得电压具有惯性，效果优于直接优化虚拟惯量J和虚拟阻尼系数D
并且，本发明利用改进PSO算法本身和对比使用PSO算法不同，其次利用该算法解决的是本发明建立的三个补偿系数，而不是直接作用于J、D参数；对改进补偿方法后在通过转动惯量J和转子角速度变化率的关系以及阻尼系数D与转子角速度偏差值之间的关系建立自适应J、D参数控制方程，并针对传统增加虚拟阻抗后电压跌落问题，利用动态可调虚拟复阻抗来改善电能质量下降的问题，并通过多重陷波器滤除加入补一阶惯性偿后仍不能滤除的低次谐波，最终实现良好的并联虚拟同步机功率分配。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图20是本发明实施例提供的控制设备的结构示意图。如图20所示，该实施例的控制设备20包括：处理器2000、存储器2010以及存储在存储器2010中并可在处理器2000上运行的计算机程序2020。处理器2000执行计算机程序2020时实现上述各个并联系统的功率分配方法实施例中的步骤，例如图2所示的步骤201至202。或者，处理器2000执行计算机程序2020时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
示例性的，计算机程序2020可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器2010中，并由处理器2000执行，以完成本发明。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序2020在控制设备20中的执行过程。
控制设备20可以是DSP芯片、单片机等。本领域技术人员可以理解，图20仅仅是控制设备20的示例，并不构成对控制设备20的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。
所称处理器2000可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器2010可以是控制设备20的内部存储单元，例如控制设备20的硬盘或内存。存储器2010也可以是控制设备20的外部存储设备，例如控制设备20上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(FlashCard)等。进一步地，存储器2010还可以既包括控制设备20的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器2010用于存储计算机程序以及终端所需的其他程序和数据。存储器2010还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述并联系统的功率分配方法实施例中的步骤。
计算机可读存储介质存储有计算机程序2020，计算机程序2020包括程序指令，程序指令被处理器2000执行时实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序2020来指令相关的硬件来完成，计算机程序2020可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序2020在被处理器2000执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序2020包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
计算机可读存储介质可以是前述任一实施例的终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存。计算机可读存储介质也可以是终端的外部存储设备，例如终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，计算机可读存储介质还可以既包括终端的内部存储单元也包括外部存储设备。计算机可读存储介质用于存储计算机程序及终端所需的其他程序和数据。计算机可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并联系统的功率分配方法，其特征在于，所述并联系统包括至少两个并联连接的功率模块，所述并联系统的功率分配方法，包括：
获取目标功率模块的实际输出功率；
将所述实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到所述目标功率模块对应的控制参量，并基于所述控制参量实现对所述目标功率模块的控制；
其中，所述预设的控制环路中的最优控制参数包括电压补偿系数、频率补偿系数、电压惯性补偿系数；所述最优控制参数是以提高各功率模块的均分精度为目标，采用预设的优化算法优化得到的。
2.根据权利要求1所述的并联系统的功率分配方法，其特征在于，所述预设的控制环路对应的功率控制方程包括：有功功率-频率控制方程、无功功率-电压控制方程、电压惯性控制方程；所述目标功率模块的实际输出功率包括有功功率实际值和无功功率实际值；所述控制参量包括功角控制参量、有功电压控制参量、无功电压控制参量；
所述将所述实际输出功率输入至预设的控制环路中，得到所述目标功率模块对应的控制参量，包括：
根据所述有功功率实际值、所述电压补偿系数和所述有功功率-频率控制方程，确定所述目标功率模块的功角控制参量；
根据所述无功功率实际值、所述频率补偿系数和所述无功功率-电压控制方程，确定所述目标功率模块的电压目标值；
根据所述功角控制值、所述电压目标值、所述电压惯性控制方程、所述电压惯性补偿系数，确定所述目标功率模块的有功电压控制参量、无功电压控制参量。
3.根据权利要求2所述的并联系统的功率分配方法，其特征在于，根据所述有功功率实际值、所述电压补偿系数和所述有功功率-频率控制方程，确定所述目标功率模块的功角控制参量，包括：
根据所述目标功率模块的有功功率实际值、所述电压补偿系数和所述有功功率-频率控制方程，确定角速度目标值；
根据所述角速度目标值和预先获取的所述目标功率模块的复频率确定所述功角控制参量；
所述有功功率-频率控制方程为：
Figure FDA0003453472010000021
其中，ω1为所述角速度目标值，Kω为有功下垂系数，J为转动惯量，D为阻尼系数，s为所述复频率，Δω为角速度变化量，ω0为额定角速度，ΔP为有功功率变化值，由所述有功功率实际值确定，λ1为所述电压补偿系数，U0为电压额定值，Ue为电压扰动值。
4.根据权利要求3所述的并联系统的功率分配方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述目标功率模块的自适应控制方程对所述目标功率模块的转动惯量和阻尼系数进行自适应调整；
所述自适应控制方程为：
Figure FDA0003453472010000022
Figure FDA0003453472010000023
其中，J0、D0分别为所述目标功率模块稳定运行时的转动惯量和阻尼系数，dmJ和dmD分别为转动惯量的调节系数和阻尼系数的调节系数，TD为转动惯量对应的虚拟转子角速度变化率的变化阈值，TJ为转动惯量对应的虚拟转子角速度变化率的变化阈值。
5.根据权利要求2所述的并联系统的功率分配方法，其特征在于，所述无功功率-电压控制方程为：
ω1＝Kv(Qref-Q)+U0-λ2(ω0-ω)
其中，Um为所述电压目标值，Kv为无功下垂系数，Qref为无功功率设定值，Q为所述无功功率实际值，U0为电压额定值，λ2为频率补偿系数，ω为实际角速度，ω0为额定角速度。
6.根据权利要求5所述的并联系统的功率分配方法，其特征在于，所述根据所述无功功率实际值、所述频率补偿系数和所述无功功率-电压控制方程，确定所述目标功率模块的电压目标值，包括：
根据所述无功功率实际值、所述频率补偿系数、所述无功功率-电压控制方程、测量得到的电流实际值和预先确定的动态虚拟复阻抗，确定所述电压目标值；
所述动态虚拟复阻抗由下式确定：
Figure FDA0003453472010000031
其中，Zvi(s)为所述动态虚拟复阻抗，Rvi为虚拟电阻，Lvi为初始给定的虚拟电感，Kl为阻抗调节系数，Qref为无功功率设定值，Q为所述无功功率实际值，s为复频率。
7.根据权利要求2所述的并联系统的功率分配方法，其特征在于，根据所述功角控制值、所述电压目标值、所述电压惯性控制方程、所述电压惯性补偿系数，确定所述目标功率模块的有功电压控制参量、无功电压控制参量，包括：
根据所述功角控制值、所述电压目标值，确定所述目标功率模块的电动势；
根据所述目标功率模块的电动势和所述电压惯性控制方程，确定所述目标功率模块的输出电压；
根据所述输出电压和测量得到的电流实际值，确定所述目标功率模块的有功电压控制参量和所述无功电压控制参量；
所述电压惯性控制方程为：
Figure FDA0003453472010000032
其中，ef为所述目标功率模块输出电压，λ3为所述电压惯性补偿系数，s为复频率，E* f为所述目标功率模块的电动势。
8.根据权利要求1-7任一项所述的并联系统的功率分配方法，其特征在于，所述预设的优化算法为改进的粒子群算法；所述改进的粒子群算法在优化过程中根据非线性变化方程动态调整；
所述非线性变化方程为：
Figure FDA0003453472010000041
其中，w为惯性速度权重，tmax为最大迭代次数；r3为[0,1]区间的随机数，km为常系数；
所述获取目标功率模块的实际输出功率，包括：
获取所述目标功率模块的q轴电压、q轴电流、d轴电压、d轴电流；
根据所述目标功率模块的q轴电压、q轴电流、陷波器功率计算方程，确定所述有功功率实际值；
根据所述目标功率模块的d轴电压、d轴电流、陷波器功率计算方程，确定所述无功功率实际值；
所述陷波器功率计算方程为：
Figure FDA0003453472010000042
Figure FDA0003453472010000043
其中，P为所述有功功率实际值，Q为所述无功功率实际值，QT为第T次谐振控制器品质因数，ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率，τ为一阶低通滤波器的时间常数，Ucq为q轴电压，Ucd为d轴电压，Icq为q轴电流，Icd为d轴电流。
9.一种控制设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上的权利要求1至8中任一项所述并联系统的功率分配方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上的权利要求1至8中任一项所述并联系统的功率分配方法的步骤。
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