CN115102188A - Vsg惯量和阻尼自适应控制方法、系统及计算机可读介质 - Google Patents

Vsg惯量和阻尼自适应控制方法、系统及计算机可读介质 Download PDF

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CN115102188A CN202210741065.6A CN202210741065A CN115102188A CN 115102188 A CN115102188 A CN 115102188A CN 202210741065 A CN202210741065 A CN 202210741065A CN 115102188 A CN115102188 A CN 115102188A
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周雪婷
杨万里
何西
李祖林
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Abstract

VSG惯量和阻尼自适应控制方法、系统及计算机可读介质，涉及电力技术领域。其中，前述VSG惯量和阻尼自适应控制方法，包括以下步骤：S1、计算VSG的角频率变化率与频率偏差；S2、将步骤S1中得到的角频率变化率与频率偏差结合自适应控制方程计算惯量系数和阻尼系数；S3、根据步骤S2中得到的惯量系数和阻尼系数设定VSG控制参数，对VSG进行调控。上述VSG惯量和阻尼自适应控制方法不仅考虑了频率偏差和频率变化率的阈值，可以避免参数过调节，而且需整定参数少，运算简单，并且通过验证可知，该控制方法对VSG的稳定性和动态性能具有提升作用。

Description

VSG惯量和阻尼自适应控制方法、系统及计算机可读介质
技术领域
本发明涉及电力技术领域，特别涉及一种VSG惯量和阻尼自适应控制方法、系统及计算机可读介质。
背景技术
目前，传统虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)控制大多仍像传统同步发电机(synchronous generator,SG)控制一样采用固定的惯量和阻尼，难以根据实际运行场景进行灵活的参数调节，极大限制了VSG控制的灵活性，当受到类似SG的外部扰动后，导致VSG的输出功率和频率暂态过程较长、动态性能较差且易发生振荡失稳，由于电力电子装备暂态承受能力远低于SG，VSG还可能因大幅剧烈振荡而损坏。
为改善VSG的输出功率和频率动态性能，现有技术中已提出了多种VSG参数自适应控制方法，但是或多或少都存在着忽略阻尼的影响，未考虑频率偏差阈值，易导致惯量过调节而发生抖动，增加了每个周期内参数的调节次数和多参数调节的复杂性等各种问题。
中国专利CN202110784238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，其主要通过将频率偏差Δω、频率变化率dω/dt结合至虚拟惯性系数J和阻尼系数D的自适应控制方程中进行运算，再根据得到的惯性系数J和阻尼系数D设定VSG控制参数，对VSG进行调控。虽然该方案较好地改善了上述问题，但是该方案中需要整定kJ1、kJ2两个惯量调节系数和kD1、kD2两个阻尼调节系数，需整定参数较多，运算较复杂。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种VSG惯量和阻尼自适应控制方法，需整定参数少，运算简单，并且可提升VSG稳定性和动态性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
VSG惯量和阻尼自适应控制方法，包括以下步骤：
S1、计算VSG的角频率变化率与频率偏差；
S2、将步骤S1中得到的角频率变化率与频率偏差结合下式计算惯量系数和阻尼系数：
Figure BDA0003715343050000021
Figure BDA0003715343050000022
其中，J、D分别为惯量系数和阻尼系数，J0、D0分别为固定参数下VSG的惯量系数和阻尼系数，kj、kd分别为惯量调节系数和阻尼调节系数，dω/dt为角频率变化率，Δω为频率偏差，M、N分别为dω/dt阈值和Δω阈值；
S3、根据步骤S2中得到的惯量系数J和阻尼系数D设定VSG控制参数，对VSG进行调控。
进一步地，步骤S2中的惯量系数J满足以下条件：
Figure BDA0003715343050000031
其中，Jmax为惯量系数J的最大值，H为VSG的时间常数，Sn为VSG的额定容量，ω0为VSG的额定角速度。
进一步地，步骤S2中的阻尼系数D满足以下条件：
Figure BDA0003715343050000032
其中，Dmax为阻尼系数D的最大值，H为VSG的时间常数，Sn为VSG的额定容量，ω0为VSG的额定角速度。
进一步地，步骤S2中的惯量系数J、阻尼系数D与角频率变化率dω/dt、频率偏差Δω之间还具备如下关系：
Figure BDA0003715343050000033
其中，Tm、Te分别为VSG的机械转矩和电磁转矩，ω、ω0分别为VSG的角速度和额定角速度；在第一个方程中，若Tm-Te-D(ω-ω0)恒定，则J与dω/dt呈反比关系；在第二个方程中，若Tm-Te-Jdωdt恒定，则D与Δω呈反比关系。
进一步地，在步骤S1之前还具有以下步骤：
a、建立VSG的摇摆方程和无功电压方程；
b、将VSG的摇摆方程和无功电压方程在稳态工作点附近线性化，建立VSG小信号模型，得到VSG输入输出功率之间的小信号传递函数和VSG输入功率与输出频率之间的小信号传递函数；
c、根据步骤b得到的两个小信号传递函数并结合根轨迹法和阶跃响应分析惯量和阻尼变化与VSG之间的关系，进而得到步骤S2中用于计算惯量系数和阻尼系数的方程式。
进一步地，步骤a建立的VSG的摇摆方程和无功电压方程分别为：
Figure BDA0003715343050000041
E＝U0+kq(Qref-Qe)；
其中，J、D分别为VSG的惯量系数和阻尼系数；δ、ω、ω0分别为VSG的功角、角速度和额定角速度；Tm、Te分别为VSG的机械转矩和电磁转矩；Pm、Pe分别为VSG的机械功率和电磁功率；Qref、Qe分别为无功功率指令值和实际值；E、U0分别为VSG输出电压参考值和额定有效值；kq为无功调压系数。
进一步地，步骤b中得到的VSG输入输出功率之间的小信号传递函数为：
Figure BDA0003715343050000042
其中，ΔPm、ΔPe分别为VSG的机械功率和电磁功率的扰动量，Δδ、Δω分别为VSG的功角和角速度的扰动量，Ug为电网电压额定值，Xg为线路电抗。
进一步地，步骤b中得到的VSG输入功率与输出频率之间的小信号传递函数为：
Figure BDA0003715343050000043
其中，ΔPm、ΔPe分别为VSG的机械功率和电磁功率的扰动量，Δδ、Δω分别为VSG的功角和角速度的扰动量，Ug为电网电压额定值，Xg为线路电抗。
本发明的目的之二是提供一种计算机可读介质，其存储有VSG惯量和阻尼自适应控制程序，所述VSG惯量和阻尼自适应控制程序运行时用以执行上述VSG惯量和阻尼自适应控制方法中的步骤。
本发明的目的之三是提供一种VSG惯量和阻尼自适应控制系统，其包括存储单元和运算单元，所述存储单元存储有VSG惯量和阻尼自适应控制程序，所述VSG惯量和阻尼自适应控制程序通过运算单元运行以执行上述VSG惯量和阻尼自适应控制方法中的步骤。
本发明提供的VSG惯量和阻尼自适应控制方法不仅考虑了频率偏差和频率变化率的阈值，可以避免参数过调节，而且需整定参数少，运算简单，并且通过验证可知，该控制方法对VSG的稳定性和动态性能具有提升作用。值得一提的是，本发明的VSG惯量和阻尼自适应控制方法中只需要整定一个惯量调节系数kj和一个阻尼调节系数kd即可，相较于中国专利CN202110784238公开的一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法而言，需整定参数更少，运算更加简单，由此降低了整定工作难度，缩短了整定所需时间，提升了工作效率，并且经过验证，本发明在减少整定参数后并未造成VSG的稳定性和动态性能变差，反而更好，因此，本发明所提的VSG惯量和阻尼自适应控制方法具有着预料不到的技术效果。
附图说明
图1为实施例中系统主电路与VSG控制结构示意图；
图2为实施例中VSG的小信号模型示意图；
图3为实施例中VSG小信号稳定性分析示意图，其中，(a)为惯量J变化时VSG的根轨迹示意图，(b)为阻尼D变化时VSG的根轨迹示意图；
图4为实施例中惯量J和阻尼D变化下VSG输出有功功率阶跃响应示意图，其中，(a)为阻尼D不变，惯量J增大时VSG输出有功功率阶跃响应示意图，(b)为惯量J不变，阻尼D增大时VSG输出有功功率阶跃响应示意图；
图5为实施例中惯量J和阻尼D变化下VSG输出频率阶跃响应示意图，其中，(a)为阻尼D不变，惯量J增大时VSG输出频率阶跃响应示意图，(b)为惯量J不变，阻尼D增大时VSG输出频率阶跃响应示意图；
图6为实施例中同步发电机的功角曲线与频率振荡曲线图，其中，(a)为同步发电机的功角曲线图，(b)为同步发电机的转子角频率振荡曲线图；
图7为实施例中参考功率扰动下VSG输出功率波形图一；
图8为实施例中参考功率扰动下VSG频率波形图一；
图9为实施例中负载投切扰动下VSG输出功率波形图；
图10为实施例中负载投切扰动下VSG频率波形图；
图11为实施例中参考功率扰动下VSG输出功率和输出频率波形图二，其中，(a)为参考功率扰动下VSG输出功率波形图二，(b)为参考功率扰动下VSG输出频率波形图二。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例提供了一种提升VSG稳定性和动态性能的惯量和阻尼自适应控制方法，通过建立VSG的小信号模型，应用根轨迹法和阶跃响应分析惯量和阻尼变化对VSG稳定性和动态性能的影响规律，进而给出考虑频率偏差和频率变化率阈值的自适应控制方法，同时，通过李雅普洛夫函数法证明了所提方法的稳定性及提升VSG动态性能的内在机理，通过几种VSG控制方法的仿真比较，验证所提控制方法对VSG的稳定性和动态性能提升作用以及较其他方法的优越性。
下面进行详细介绍。
一、虚拟同步发电机建模与小信号稳定性分析。
图1所示为系统主电路和VSG控制结构。其中，Lf、Rf、Cf和Lg分别为滤波电感、滤波电阻、滤波电容和线路电感，i和u为逆变器输出电流与电压，Udc为逆变器直流侧电压，ug为电网电压。
类比传统同步发电机摇摆方程，VSG的摇摆方程和无功电压方程分别如下：
Figure BDA0003715343050000071
E＝U0+kq(Qref-Qe) (2)
其中，J、D分别为VSG的惯量和阻尼；δ、ω、ω0分别为VSG的功角、角速度和额定角速度；Tm、Te分别为VSG的机械转矩和电磁转矩；Pm、Pe分别为VSG的机械功率和电磁功率；Qref、Qe分别为无功功率指令值和实际值；E、U0分别为VSG输出电压参考值和额定有效值；kq为无功调压系数。
由于VSG控制中电压电流内环的控制带宽通常远大于功率外环的控制带宽，为简化分析，仅建立基于VSG功率外环的小信号模型来对其稳定性和动态性能进行分析，根据将式(1)和(2)在稳态工作点附近线性化可得VSG小信号模型，见图2。
由图2可得，VSG输入输出功率之间的小信号传递函数为：
Figure BDA0003715343050000081
VSG输入功率与输出频率之间的小信号传递函数为：
Figure BDA0003715343050000082
其中，ΔPm、ΔPe分别为VSG的机械功率和电磁功率的扰动量，Δδ、Δω分别为VSG的功角和角速度的扰动量，Ug为电网电压额定值，Xg为线路电抗。
由式(3)可知，VSG的有功传递函数是一个典型二阶系统，其自然振荡频率ωn和阻尼比ζ分别为：
Figure BDA0003715343050000083
VSG的特征根为：
Figure BDA0003715343050000091
由式(5)可以看出，系统参数一定时，ωn、ζ均与J呈反比关系，J越大，ωn和ζ越小，越能抑制功率突变，但超调也越大；ζ与D呈正比关系，D越大，ζ越大，超调越小。
对比式(3)和式(4)可知，二者有相同闭环极点，但后者多了一个闭环零点，而零点的存在会减小系统阻尼，增加超调，减小峰值时间，使响应速度加快。因此，为直观分析J和D对VSG输出功率和输出频率稳定性的影响，这里仅根据式(3)绘制两参数变化时其根轨迹变化规律如图3所示。
图3(a)所示为惯量J的变化对VSG并网稳定性的影响。图中箭头方向代表J增大时系统闭环极点随之变化的趋势，随着J的增大，一对共轭极点S1、S2逐渐向虚轴靠近，阻尼比减小，系统超调量增大，当J增大到一定程度时，S1、S2将向零点逼近，易发生振荡失稳，严重威胁VSG的并网稳定性。
图3(b)所示为阻尼D的变化对VSG并网稳定性的影响。随着D的增大，两个极点S1、S2的虚部逐渐减小并向靠近实轴的方向移动，阻尼比增大，系统超调量减小。从特征根变化来看，系统从一对共轭复根逐渐变为大小不相等的实根，表明随着D的增大系统从欠阻尼逐渐变成过阻尼，但动态响应减慢。
综上分析，研究惯性和阻尼自适应变化的VSG控制方法对改善VSG的动态性能，提升VSG的并网稳定性的影响非常必要且极为有益。
二、惯量和阻尼对VSG动态性能影响分析。
为分析惯量和阻尼对VSG动态性能的影响规律，分别研究了J、D变化时VSG输出功率和输出频率的阶跃响应。
2.1惯量和阻尼对VSG输出功率动态性能影响。
根据式(3)所示VSG输入输出功率传递函数，绘制了J和D变化下VSG输出有功功率阶跃响应如图4所示。图4(a)所示为D不变而J变化时VSG的阶跃响应，可以看出随着J的增大，VSG输出有功功率的超调增加，峰值时间增加，响应速度减慢，调节时间变长，振荡过程加剧，易导致振荡失稳，这与图3(a)和式(5)的分析一致。因此，为保证VSG输出功率具有较好的动态性能，J的取值不宜过大。
图4(b)所示为J不变而D变化时VSG的阶跃响应，可以看出随着D的增大，VSG输出有功功率的超调减小，峰值时间增加，响应速度减慢，调节时间减小，振荡过程减弱，有利于抑制振荡，这与图3(b)和式(5)的分析一致。因此，为保证VSG输出功率具有较好的动态性能，D的取值应综合权衡。
2.2惯量和阻尼对VSG输出频率动态性能影响。
根据式(4)所示VSG输入功率输出频率传递函数，绘制了J和D变化下VSG输出频率阶跃响应如图5所示。图5(a)所示为D不变而J变化时VSG的阶跃响应，可以看出随着J的增大，VSG输出频率的超调虽然减小，但峰值时间增加，响应速度减慢，调节时间变长，振荡过程加剧，易发生振荡失稳。因此，为保证VSG输出频率具有较好的动态性能，J的取值应综合权衡。
图5(b)所示为J不变而D变化时VSG的阶跃响应，可以看出随着D的增大，VSG输出频率的超调减小，峰值时间也减小，响应速度增加，调节时间减小，振荡过程减弱，有利于抑制振荡。因此，为保证VSG输出功率具有较好的动态性能，D的取值不宜过小。
通过上述分析可以发现，惯量和阻尼对VSG输出功率和输出频率的动态性能影响规律不尽相同，较大的J能抑制输出频率超调却增大了输出功率超调加剧了振荡，较大的D能加快输出频率响应却减慢了输出功率响应，在参数整定时需要综合权衡。
三、惯性和阻尼参数自适应VSG控制。
根据VSG的摇摆方程分别得到惯量J与dω/dt之间关系，阻尼D与Δω之间关系如下：
Figure BDA0003715343050000111
由式(7)第一个方程可知，当Tm-Te-D(ω-ω0)一定时，J与dω/dt呈反比，即J主要影响系统的角频率变化率；由式(7)第二个方程可知，当Tm-Te-J dω/dt一定时，D与Δω呈反比，即D主要影响系统的频率偏差。因此，在参数自适应调节过程中，本实施例采用该原则自适应调节J和D。
为详细分析所提自适应VSG控制方法，结合同步发电机功角特性分析如下。
图6所示为同步发电机的功角曲线和频率振荡曲线。如图6(a)所示，当给定有功功率从Pref0增加到Pref时，系统会从旧稳定运行点a切换至新稳定运行点b，切换过程中功角变化是衰减振荡的，VSG的振荡过程与同步发电机类似。图6(b)给出了给定有功功率从Pref0增加到Pref时转子角频率的振荡曲线。为便于分析，将一个典型的振荡周期分为四个运行区间：①t1-t2，②t2-t3，③t3-t4，④t4-t5。
在区间①和③中，VSG均运行在加速模式，Δω与dω/dt同号，如表1所示，为减缓频率加速过程，降低频率和功率超调，因此在这两个区间需要增大J以减小dω/dt，但降低了频率响应速度，而增大D虽然能减小Δω，提升频率响应速度，但会增加dω/dt而抵消增大J的积极作用。因此，保持D不变。
在区间②和④中，VSG均运行在减速模式，Δω与dω/dt异号，如表1所示，为加快减速过程，使系统尽快恢复稳定，因此在这两个区间需要减小J以增加dω/dt，但增加了频率超调，使Δω过大，而增大D能减小Δω，降低频率超调，提升频率响应速度，增加dω/dt进而增强减小J的积极作用。因此，需要增大D。
表1 不同区间下惯量J和阻尼D的调节
Figure BDA0003715343050000121
综上所述，为增强VSG的调控灵活性，改善VSG的动态性能，应根据不同运行模式自适应调节J和D而不能像传统VSG始终保持固定参数。
本实施例所提参数自适应VSG控制方法如下：
Figure BDA0003715343050000131
Figure BDA0003715343050000132
其中，J0、D0分别为固定参数下VSG的惯量和阻尼，kj、kd分别为惯量调节系数和阻尼调节系数，应根据系统频率调节需要综合考虑稳定性和动态性能进行整定，M、N分别为dω/dt阈值和Δω阈值，以避免J和D频繁调节而导致系统振荡。
虽然本实施例所提方法中J、D可自适应调节，但仍需考虑其在物理意义上的约束关系，类比SG，Jmax需要考虑VSG的容量约束，Dmax需要考虑频率偏差约束。
Figure BDA0003715343050000133
其中，H是VSG的时间常数，这里取1s，Sn是VSG的额定容量。
需要说明的是，本发明侧重于探讨J、D自适应调节控制方法本身对VSG稳定性和动态性能的影响，具体的参数设计方法并非本发明的重点，这里不再赘述。
四、所提自适应VSG控制方法的稳定性分析。
为评估本实施例所提自适应VSG控制方法的稳定性，根据李雅普洛夫直接法，定义具有一组非线性微分方程的系统如下：
Figure BDA0003715343050000141
其中，x是状态变量的向量，x0是系统状态空间中的平衡点，即f(x0)＝0，如果存在一个具有连续一阶导数的标量函数V(x)，V(0)＝0，并且对于状态空间中的一切非零点x满足下面三个条件可认为是大范围渐近稳定的：
1)、V(x)是正定的，即V(x)＞0。
2)、
Figure BDA0003715343050000142
是半负定的，即
Figure BDA0003715343050000143
3)、当时间t→∞时，系统轨迹接近系统平衡点。
定义状态变量[x1 x2]T＝[δ-δ0 ω-ω0]T，构建李雅普洛夫函数如下：
Figure BDA0003715343050000144
显然，V(0,0)＝0,(x2)2/2≥0，当0≤x1≤π-2δ0时，sin(x1+δ0)≥sinδ0，此时V(x1,x2)≥0；当-π-2δ0≤x1≤0时，sin(x1+δ0)≤siδn0，此时V(x1,x2)≥0；因此,可以证明当δ满足-π-δ0≤δ≤π-δ0条件时，V(x1,x2)是正定的。为进一步证明是否满足第二个条件，分别对四个运行区间展开推导论证。
1)、当VSG处在运行区间①时，
Figure BDA0003715343050000145
式(1)变为：
Figure BDA0003715343050000146
写成如下形式为：
Figure BDA0003715343050000151
其中，
Figure BDA0003715343050000152
Figure BDA0003715343050000153
由于x2＞0，显然
Figure BDA0003715343050000154
是半负定的，除非系统超出了稳定区间-π-δ0≤δ≤π-δ0。
2)当VSG处在运行区间②时，
Figure BDA0003715343050000155
式(1)变为：
Figure BDA0003715343050000156
写成如下形式为：
Figure BDA0003715343050000157
Figure BDA0003715343050000158
由于x2＞0，显然
Figure BDA0003715343050000159
是半负定的。
3)当VSG处在运行区间③时，
Figure BDA00037153430500001510
式(1)变为：
Figure BDA00037153430500001511
写成如下形式为：
Figure BDA00037153430500001512
Figure BDA00037153430500001513
由于x2＜0，显然
Figure BDA0003715343050000161
是半负定的。
4)当VSG处在运行区间④时，
Figure BDA0003715343050000162
式(1)变为：
Figure BDA0003715343050000163
写成如下形式为：
Figure BDA0003715343050000164
Figure BDA0003715343050000165
由于x2＜0，显然
Figure BDA0003715343050000166
是半负定的。
综上分析可知，本实施例所提自适应VSG控制方法在稳定区间-π-δ0≤δ≤π-δ0内是稳定的。
进一步分析可以发现：本实施例所提方法相比固定参数VSG控制，
Figure BDA0003715343050000167
在加速运行模式下增加了kj(dx2/dt)2x2项，在减速运行模式下增加了
Figure BDA0003715343050000168
项。根据同步发电机摇摆过程的能量转换关系可知，加速运行模式是动能转化为势能，而减速运行模式是势能转化为动能，由于阻尼的存在系统总能量是衰减的，从整个扰动再平衡过程来看，这个暂态过程就是动能和势能的相互转化过程，直到达到新的平衡转化过程结束，
Figure BDA0003715343050000169
增加表明所提方法加速并缩短了这种暂态过程，即提升了振荡的抑制能力，改善了动态性能，这就是本实施例所提控制方法能够提升VSG稳定性和动态性能的内在机理。
五、仿真分析。
为验证本实施例所提自适应VSG控制方法的优越性和有效性，基于图1所示系统在Matlab/Simulink平台搭建了仿真模型，分别在参考有功功率扰动与负荷投切扰动两种工况下仿真比较本实施例所提VSG控制方法、固定参数VSG控制和现有的惯量自适应VSG控制三种方法对VSG稳定性和动态性能的影响，为充分证明本实施例所提方法的优越性，三种方法均采用完全相同的初始参数J0和D0。仿真参数见表2。其中，现有的惯量自适应VSG控制方法为一种可忽略阻尼系数影响且未考虑频率偏差阈值的自适应调节惯量的VSG控制方法，引自文献“Alipoor J,Miura Y,Ise T.Power System Stabilization Using VirtualSynchronous Generator with Alternating Moment of Inertia[J].IEEE Journal ofEmerging and Selected Topics in Power Electronics.2015,3(2):451-458.”。
表2 仿真参数
Figure BDA0003715343050000171
5.1参考功率扰动下VSG稳定性和动态性能仿真。
设VSG初始参考功率Pm为20kW，在0.4s时参考功率根据上层调度指令阶跃至40kW，0.8s时恢复。由图7和表3可知，在参考功率发生扰动时，本实施例所提VSG控制方法下输出功率的超调量分别比固定参数VSG和惯量自适应VSG控制方法降低了15.86％和2.96％，表明本实施例所提方法功率振荡抑制能力更强，极大提升了输出功率的稳定性。此外，本实施例所提VSG控制方法与惯量自适应VSG控制方法在3.5％误差带的调节时间几乎相等，但惯量自适应VSG控制方法峰值时间更小，响应速度更快，而且还可以发现两种改进VSG控制虽然调节时间都比固定参数VSG控制方法短，但峰值时间却更长，响应速度更慢，这表明参数自适应VSG控制方法虽然能够在一定程度上提升VSG的稳定性和动态性能，但也牺牲了一定的响应速度。需要特别说明的是由于本实施例所提VSG控制方法的超调量很小以致未达峰值便进入3.5％的误差带，故其调节时间小于峰值时间。
由图8和表4可知，在参考功率发生扰动时，本实施例所提VSG控制方法下输出频率的超调量分别比固定参数VSG和惯量自适应VSG控制方法降低了2.64％和1.42％，频率偏差最小，频率始终保持本实施例设定的允许频率偏差范围内，而且提升了频率最低点，表明本实施例所提方法频率偏差抑制能力更强，极大提升了输出频率的稳定性。此外，本实施例所提VSG控制方法相比其他两种方法，峰值时间最小，响应速度最快，而且明显快于惯量自适应VSG控制方法；然而，惯量自适应VSG控制方法的峰值时间却比固定参数VSG控制方法增加0.1s，响应速度大大减慢，这与其会牺牲输出功率响应速度的分析结论一致；但本实施例所提VSG控制方法的峰值时间却比固定参数VSG控制方法略小，即加快了响应速度，这与其会牺牲输出功率响应速度的分析结论相反，原因在于D对输出功率与输出频率的响应速度影响不一致，这与前述理论分析完全一致。
表3 输出功率动态性能比较
Figure BDA0003715343050000191
表4 频率动态性能比较
Figure BDA0003715343050000192
5.2负载投切扰动下VSG稳定性和动态性能仿真。
假设系统在0.4s投入10kW负荷，0.8s时切除。由图9可知，在负载发生扰动时，本实施例所提VSG控制方法相比其他方法，VSG输出功率波动更小，对功率振荡抑制能力更强，增强了抗干扰能力，提升了输出功率的稳定性。由图10可知，本实施例所提VSG控制方法相比其他方法，VSG频率偏差更小，扰动后恢复至额定频率的速度更快，对频率偏差的抑制能力更强，增强了抗干扰能力，极大提升了频率稳定性。
综上分析，在参考功率和负载投切两种扰动下本实施例所提VSG控制方法都能够有效提升VSG输出功率和输出频率的稳定性和动态性能，较固定参数VSG控制和惯量自适应VSG控制两种方法更具有优越性，仿真结果与前述理论分析完全一致，充分证明了本实施例所提自适应VSG控制方法的有效性和优越性。
此外，为进一步论证本实施例所提方法的优越性，将本实施例所提方法与背景技术中所提中国专利CN202110784238《一种VSG虚拟惯量和阻尼协同自适应控制系统及方法》(简称“现有技术A”)在参考功率扰动下进行仿真比较，以参考功率扰动来模拟现有技术A中风机风速变化时风机输出功率变化场景，通过相同场景模拟来比较对频率和功率的响应支撑能力。需要说明的是，为最大限度减小其他因素对两种方法性能的干扰以充分验证本实施例所提方法的优越性，仿真所用初始惯性J0和阻尼参数D0相同，dω/dt阈值相同。
从图11可知，在参考功率扰动下，本实施例所提方法较现有技术A所提方法具有明显的优越性，如图11(a)所示输出功率波形，本实施例所提方法下输出功率超调较小，对功率振荡的抑制能力明显优于现有技术A所提方法，虽然后者峰值时间较小；如图11(b)所示输出频率波形，本实施例所提方法频率偏差较小，对频率振荡的抑制能力明显优于现有技术A所提方法。
综上所述，本实施例所提方法相比现有技术A所提方法，需整定参数少，运行量小，对风机风速变化时产生的功率和频率振荡抑制能力更强，有效提升了频率的惯性响应和功率支撑能力，充分验证了本实施例所提方法的优越性。
需要指出的是，本实施例所提自适应VSG控制方法虽然针对单个VSG，但可推广应用于多VSG运行场景，后续也可以在离网运行、多VSG并联运行以及其在柔性多状态开关中进行应用。
另外，本实施例还提供了一种计算机可读介质，其存储有VSG惯量和阻尼自适应控制程序，VSG惯量和阻尼自适应控制程序运行时用以执行本实施例所提自适应VSG控制方法中的步骤。
不仅如此，本实施例还提供了一种VSG惯量和阻尼自适应控制系统，其包括存储单元和运算单元，存储单元存储有VSG惯量和阻尼自适应控制程序，VSG惯量和阻尼自适应控制程序通过运算单元运行以执行本实施例所提自适应VSG控制方法中的步骤。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它要素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的要素也可构成本发明的内容。

Claims (10)

1.VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算VSG的角频率变化率与频率偏差；
S2、将步骤S1中得到的角频率变化率与频率偏差结合下式计算惯量系数和阻尼系数：
Figure FDA0003715343040000011
Figure FDA0003715343040000012
其中，J、D分别为惯量系数和阻尼系数，J0、D0分别为固定参数下VSG的惯量系数和阻尼系数，kj、kd分别为惯量调节系数和阻尼调节系数，dω/dt为角频率变化率，Δω为频率偏差，M、N分别为dω/dt阈值和Δω阈值；
S3、根据步骤S2中得到的惯量系数J和阻尼系数D设定VSG控制参数，对VSG进行调控。
2.根据权利要求1所述的VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于：步骤S2中的惯量系数J满足以下条件：
Figure FDA0003715343040000013
其中，Jmax为惯量系数J的最大值，H为VSG的时间常数，Sn为VSG的额定容量，ω0为VSG的额定角速度。
3.根据权利要求1所述的VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于：步骤S2中的阻尼系数D满足以下条件：
Figure FDA0003715343040000021
其中，Dmax为阻尼系数D的最大值，H为VSG的时间常数，Sn为VSG的额定容量，ω0为VSG的额定角速度。
4.根据权利要求1所述的VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于：步骤S2中的惯量系数J、阻尼系数D与角频率变化率dω/dt、频率偏差Δω之间还具备如下关系：
Figure FDA0003715343040000022
其中，Tm、Te分别为VSG的机械转矩和电磁转矩，ω、ω0分别为VSG的角速度和额定角速度。
5.根据权利要求1所述的VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，在步骤S1之前还具有以下步骤：
a、建立VSG的摇摆方程和无功电压方程；
b、将VSG的摇摆方程和无功电压方程在稳态工作点附近线性化，建立VSG小信号模型，得到VSG输入输出功率之间的小信号传递函数和VSG输入功率与输出频率之间的小信号传递函数；
c、根据步骤b得到的两个小信号传递函数并结合根轨迹法和阶跃响应分析惯量和阻尼变化与VSG之间的关系，进而得到步骤S2中用于计算惯量系数和阻尼系数的方程式。
6.根据权利要求5所述的VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤a建立的VSG的摇摆方程和无功电压方程分别为：
Figure FDA0003715343040000031
E＝U0+kq(Qref-Qe)；
其中，J、D分别为VSG的惯量系数和阻尼系数；δ、ω、ω0分别为VSG的功角、角速度和额定角速度；Tm、Te分别为VSG的机械转矩和电磁转矩；Pm、Pe分别为VSG的机械功率和电磁功率；Qref、Qe分别为无功功率指令值和实际值；E、U0分别为VSG输出电压参考值和额定有效值；kq为无功调压系数。
7.根据权利要求5所述的VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤b中得到的VSG输入输出功率之间的小信号传递函数为：
Figure FDA0003715343040000032
其中，ΔPm、ΔPe分别为VSG的机械功率和电磁功率的扰动量，Δδ、Δω分别为VSG的功角和角速度的扰动量，Ug为电网电压额定值，Xg为线路电抗。
8.根据权利要求5所述的VSG惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤b中得到的VSG输入功率与输出频率之间的小信号传递函数为：
Figure FDA0003715343040000033
其中，ΔPm、ΔPe分别为VSG的机械功率和电磁功率的扰动量，Δδ、Δω分别为VSG的功角和角速度的扰动量，Ug为电网电压额定值，Xg为线路电抗。
9.计算机可读介质，存储有VSG惯量和阻尼自适应控制程序，所述VSG惯量和阻尼自适应控制程序运行时用以执行权利要求1-8中任意一项所述VSG惯量和阻尼自适应控制方法中的步骤。
10.VSG惯量和阻尼自适应控制系统，包括存储单元和运算单元，所述存储单元存储有VSG惯量和阻尼自适应控制程序，所述VSG惯量和阻尼自适应控制程序通过运算单元运行以执行权利要求1-8中任意一项所述VSG惯量和阻尼自适应控制方法中的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117411033A (zh) * 2023-12-11 2024-01-16 深圳大学 一种基于径向神经网络的惯量阻尼控制方法及系统
CN117613992A (zh) * 2023-10-19 2024-02-27 国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司 一种分布式光伏主动支撑的方法

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