CN115333151A - 一种虚拟同步发电机的协同控制方法 - Google Patents

一种虚拟同步发电机的协同控制方法 Download PDF

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CN115333151A CN202211002731.0A CN202211002731A CN115333151A CN 115333151 A CN115333151 A CN 115333151A CN 202211002731 A CN202211002731 A CN 202211002731A CN 115333151 A CN115333151 A CN 115333151A
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钱晶
王芳芳
曾云
于凤荣
梅宏
于诗歌
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Abstract

本发明涉及一种虚拟同步发电机的协同控制方法，属于发电机控制技术领域，本发明采用协同控制理论，首先在二阶虚拟同步发电机微分方程模型基础上，用虚拟转子角速度、虚拟功角两个状态变量的线性组合构建宏变量，然后定义了宏变量收敛的动态过程，使控制器收敛到控制流形上，以保证算法的收敛，在此基础上，获得虚拟同步发电机控制器的控制律，并以负反馈的形式引入到虚拟同步发电机的控制系统中去，在负载扰动工况下进行仿真验算，本发明所提出的控制方法能够快速地对负荷突变做出响应，改善虚拟同步发电机暂态特性。

Description

一种虚拟同步发电机的协同控制方法
技术领域
本发明涉及一种虚拟同步发电机的协同控制方法，属于发电机稳定控制技术领域。
背景技术
逆变器作为交直流的连接设备，在当前新能源发展中得到广泛应用，逆变器也是一种可调电源，相关学者将其视作一种虚拟同步发电机，虚拟同步发电机技术的主要思想是引入同步发电机的阻尼环节和转子惯性环节，使并网逆变器具有传统同步发电机应对扰动时的输出特性，提高系统频率动态响应的调节能力。
虚拟同步发电机技术通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上可与传统同步发电机相比拟。但虚拟同步发电机系统自调节过程中，系统动态响应慢，存在低频振荡等不稳定情况。随着控制理论的不断发展，研究基于新理论下的虚拟同步发电机控制方法是一个热点。
近年来，基于协同控制理论的非线性控制器大量地运用在各种各样的控制系统中，它利用控制系统中各个部分之间的微妙联系以及其固有的自组织能力，通过控制方法设计，使系统中各个元素相互协调作用，最终整个系统趋于平衡稳定。它能提高系统的动态品质，且具有较好的鲁棒性。现有的控制方法种类颇多但是都存在控制繁琐以及不易协同的问题。
发明内容
本发明提供一种虚拟同步发电机的协同控制方法，该方法为虚拟同步发电机的稳定控制提供一种计算方法和手段。
本发明基于协同控制理论，提出针对虚拟同步发电机的协同控制方法，给出了协同控制输出的设计步骤，并验证了方法的有效性。
本发明通过以下技术方案实现。
一种虚拟同步发电机的协同控制方法，采用虚拟同步发电机二阶模型，用虚拟转子角速度、虚拟功角两个状态变量的线性组合构建宏变量，首先定义宏变量收敛的动态方程，以保证控制的收敛性；其次，结合虚拟同步发电机二阶模型，获得虚拟同步发电机的控制律，并以负反馈的形式引入到虚拟同步发电机的控制系统中去，具体包含以下步骤：
步骤一：确定虚拟同步发电机模型
虚拟同步发电机与发电机类似，可以采用多种模型进行描述，本发明采用二阶模型如下：
Figure BDA0003806975050000021
其中：J为虚拟惯性矩；ω为虚拟转子转速标么值；ωB为虚拟转子转速的基值，单位：rad/s；δ为虚拟功角，单位：rad；D为阻尼系数；Tm为机械力矩标么值；Te为电磁力矩标么值。
虚拟同步发电机力矩与功率有如下的关系：Tm＝Pm/ω，Te＝Pe/ω，其中：Pm为机械功率标么值；Pe为电磁功率标么值；由于实际中，虚拟转子转速ω不能偏离额定转速太多，即ω≈1，所以Tm＝Pm，Te＝Pe。
步骤二：虚拟同步发电机控制方法设计
(1)协同控制理论
根据协同控制原理，设非线性系统如下：
Figure BDA0003806975050000022
其中：x是系统的状态变量；u是系统的控制输出；t是时间；
构造宏变量ψ，使得上述系统式(2)在流形ψ＝0系统轨迹满足流行动态方程：
Figure BDA0003806975050000023
其中T为控制系统参数，T>0，表示状态变量经动态过程收敛到控制流形的时间；ψ为宏变量，
Figure BDA0003806975050000024
为ψ的导数；
设初始时间为t0，则初始ψ为ψ(t0)，则式(3)可以解得：
Figure BDA0003806975050000025
上式表明随着时间趋向于无穷，宏变量逐渐趋近于0，也即系统将从一个随机初始状态趋向于一个稳定状态；
(2)构造宏变量
在非线性系统方程(2)中，角速度ω、虚拟功角δ是影响虚拟同步发电机稳定的重要变量，因此，选择ω、δ二个状态变量的线性组合构成宏变量，如下：
ψ＝K1(ω-ωref)+K2(δ-δref) (5)其中：ψ为宏变量；ωref，δref分别代表虚拟转子转速参考值和虚拟功角的参考值；K1，K2为状态变量的权值系数；
将宏变量微分可得：
Figure BDA0003806975050000026
将(5)式代入得：
Figure BDA0003806975050000031
其中：
Figure BDA0003806975050000032
为虚拟转子转速的微分；
Figure BDA0003806975050000033
为虚拟功角微分；
(3)控制方法设计
设虚拟同步发电机的控制输出为u，包含控制u的虚拟同步发电机二阶模型可以在模型方程(1)的基础上添加控制u，得到以下模型：
Figure BDA0003806975050000034
式(7)中，Pe为电磁功率，
Figure BDA0003806975050000035
其中E为虚拟同步发电机电势，E＝E0+Dn(Qref-Qe)，E0为虚拟同步发电机电势的额定值；Dn为无功-电压下垂系数；Qref为无功功率参考值；Qe为无功功率；U为所连接的母线电压；XL为虚拟同步发电机和所连接的电网之间的等效电抗；Pm为机械功率，Pm＝Pref+Dm(1-ω)，其中Pref为有功功率参考值，Dm为有功功率的调整系数；ω为虚拟转子转速标么值；D为阻尼系数；以上各个量均为标么值；
将式(5)和式(7)代入式(3)，得到以下等式：
Figure BDA0003806975050000036
由式(8)解得控制u为：
Figure BDA0003806975050000037
其中：u为控制器的控制输出，也是其控制律。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于协同理论，设计了一种虚拟同步发电机协同控制方法，将控制信号以负反馈的形式引入到虚拟同步发电机的控制系统中，降低了暂态振荡，提升了响应速度，改善了动态调节品质，提高虚拟同步发电机的稳定性。
2、本发明所提出的虚拟同步发电机稳定控制方法，可以采用软件算法实现，参数整定和修改容易。
附图说明
图1为带控制器的虚拟同步发电机结构图；
图2为负载扰动工况下有功功率的动态响应；
图3为负载扰动工况下频率的动态响应。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
一种虚拟同步发电机稳定控制器的设计方法，带控制器的虚拟同步发电机的结构如图1所示，采用虚拟同步发电机二阶模型，用虚拟转子角速度、虚拟功角两个状态变量的线性组合构建宏变量，首先定义宏变量收敛的动态方程，以保证控制的收敛性；其次，结合虚拟同步发电机二阶模型，获得控制器的控制律，并以负反馈的形式引入到虚拟同步发电机的控制系统中去，设计过程具体包含以下步骤：
步骤一：确定虚拟同步发电机模型
采用虚拟同步发电机二阶模型：
Figure BDA0003806975050000041
其中：J为虚拟惯性矩；ω为虚拟转子转速标么值；ωB为虚拟转子转速的基值，单位：rad/s；δ为虚拟功角，单位：rad；D为阻尼系数；Tm为机械力矩标么值；Te为电磁力矩标么值。
虚拟同步发电机力矩与功率有如下的关系：Tm＝Pm/ω，Te＝Pe/ω，其中：Pm为机械功率标么值；Pe为电磁功率标么值；由于实际中，虚拟转子转速ω不能偏离额定转速太多，即ω≈1，所以Tm＝Pm，Te＝Pe。
步骤二：设计虚拟同步发电机控制方法
基于协同控制理论对虚拟同步发电机稳定控制器的控制方法进行设计：
(1)协同控制理论
设非线性系统如下：
Figure BDA0003806975050000042
其中：x是系统的状态变量；u是系统的控制输出；t是时间。
构造宏变量ψ，使得上述系统(2)在流形ψ＝0系统轨迹满足流行动态方程：
Figure BDA0003806975050000043
其中T为控制系统参数，T>0，表示状态变量经动态过程收敛到控制流形的时间；ψ为宏变量，
Figure BDA0003806975050000044
为ψ的导数。
设初始时间为t0,则初始ψ为ψ(t0)，则式(3)可以解得：
Figure BDA0003806975050000051
上式表明随着时间趋向于无穷，宏变量逐渐趋近于0，也即系统将从一个随机初始状态趋向于一个稳定状态。
(2)构造宏变量
在非线性系统方程(2)中，角速度ω、虚拟功角δ是影响虚拟同步发电机稳定的重要变量，因此，选择ω、δ二个状态变量的线性组合构成宏变量，如下：
ψ＝K1(ω-ωref)+K2(δ-δref) (5)
其中：ψ为宏变量；ωref，δref分别代表虚拟转子转速参考值和虚拟功角的参考值；K1，K2为状态变量的权值系数。
将宏变量微分可得：
Figure BDA0003806975050000052
将(5)式代入得：
Figure BDA0003806975050000053
其中：
Figure BDA0003806975050000054
为虚拟转子转速的微分；
Figure BDA0003806975050000055
为虚拟功角微分。
(3)控制方法设计
设虚拟同步发电机控制器的控制输出为u，在虚拟同步发电机二阶模型方程(1)的基础上添加控制u，得到包含控制u的模型：
Figure BDA0003806975050000056
式(7)中，Pe为电磁功率，
Figure BDA0003806975050000057
其中E为虚拟同步发电机电势，E＝E0+Dn(Qref-Qe)，E0为虚拟同步发电机电势的额定值；Dn为无功-电压下垂系数；Qref为无功功率参考值；Qe为无功功率；U为所连接的母线电压；XL为虚拟同步发电机和所连接的电网之间的等效电抗；Pm为机械功率，Pm＝Pref+Dm(1-ω)，其中Pref为有功功率参考值，Dm为有功功率的调整系数；ω为虚拟转子转速标么值。D为阻尼系数；以上各个量均为标么值。
将式(5)和式(7)代入式(3)，得到以下等式：
Figure BDA0003806975050000058
由式(8)解得控制u为：
Figure BDA0003806975050000061
上式中u即为控制器的控制输出，也是其控制律。
实施例2
本实施例通过仿真计算，验证实施例1所提出的控制方法的控制效果。
本实施例1以某虚拟同步发电机实际数据进行计算，相关参数设置如下：ω0＝ωref＝1；Pm＝0.8；E＝1.3696；U＝1.0；XL＝0.67；D＝5；Dm＝0.5；Dn＝0.01；ωB＝314；J＝1；T0＝1，协同控制器相关参数为：K1＝1000；K2＝100；T＝0.1。
采用传统的下垂控制与实施例1所提出的控制进行对比验证。
仿真工况：对虚拟同步发电机系统在负载扰动工况下进行分析。
负载扰动工况：虚拟同步发电机系统的初始工况是带80％额定负荷，即Pref＝0.8，t＝1s时，将虚拟同步发电机所带负荷从80％调节到50％。
图2、图3分别为负载扰动工况下虚拟同步发电机有功功率和频率的响应，仿真结果表明发生负载扰动时，实施例1所提出的协同控制在振幅和振荡时间都优于常规的下垂控制，这一控制方法可以显著提高虚拟同步发电机的稳定特性。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。

Claims (2)

1.一种虚拟同步发电机的协同控制方法，其特征在于：采用虚拟同步发电机二阶模型，用虚拟转子角速度、虚拟功角两个状态变量的线性组合构建宏变量，首先定义宏变量收敛的动态方程，再结合虚拟同步发电机二阶模型，获得虚拟同步发电机的控制律，并以负反馈的形式引入到虚拟同步发电机的控制系统中去。
2.根据权利要求1所述虚拟同步发电机的协同控制方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：确定虚拟同步发电机模型
采用二阶模型如下：
Figure FDA0003806975040000011
其中：J为虚拟惯性矩；ω为虚拟转子转速标么值；ωB为虚拟转子转速的基值，单位：rad/s；δ为虚拟功角，单位：rad；D为阻尼系数；Tm为机械力矩标么值；Te为电磁力矩标么值；
虚拟同步发电机力矩与功率有如下的关系：Tm＝Pm/ω，Te＝Pe/ω，其中：Pm为机械功率标么值；Pe为电磁功率标么值；由于实际中，虚拟转子转速ω不能偏离额定转速太多，即ω≈1，则Tm＝Pm，Te＝Pe；
步骤二：虚拟同步发电机控制方法
(1)协同控制理论
根据协同控制原理，设非线性系统如下：
Figure FDA0003806975040000012
其中：x是系统的状态变量；u是系统的控制输出；t是时间；
构造宏变量ψ，使得上述系统(2)在流形ψ＝0系统轨迹满足流行动态方程：
Figure FDA0003806975040000013
其中T为控制系统参数，T>0，表示状态变量经动态过程收敛到控制流形的时间；ψ为宏变量，
Figure FDA0003806975040000014
为ψ的导数；
设初始时间为t0，则初始ψ为ψ(t0)，则式(3)解得：
Figure FDA0003806975040000015
上式表明随着时间趋向于无穷，宏变量逐渐趋近于0，也即系统将从一个随机初始状态趋向于一个稳定状态；
(2)构造宏变量
在非线性系统方程(2)中，选择ω、δ二个状态变量的线性组合构成宏变量，如下：
ψ＝K1(ω-ωref)+K2(δ-δref) (5)
其中：ψ为宏变量；ωref，δref分别代表虚拟转子转速参考值和虚拟功角的参考值；K1，K2为状态变量的权值系数；
将宏变量微分可得：
Figure FDA0003806975040000021
将(5)式代入得：
Figure FDA0003806975040000022
其中：
Figure FDA0003806975040000023
为虚拟转子转速的微分；
Figure FDA0003806975040000024
为虚拟功角微分；
(3)控制方法设计
设虚拟同步发电机的控制输出为u，在虚拟同步发电机二阶模型方程(1)的基础上施加控制u，得到包含控制u的模型：
Figure FDA0003806975040000025
式(7)中，Pe为电磁功率，
Figure FDA0003806975040000026
其中E为虚拟同步发电机电势，E＝E0+Dn(Qref-Qe)，E0为虚拟同步发电机电势的额定值；Dn为无功-电压下垂系数；Qref为无功功率参考值；Qe为无功功率；U为所连接的母线电压；XL为虚拟同步发电机和所连接的电网之间的等效电抗；Pm为机械功率，Pm＝Pref+Dm(1-ω)，其中Pref为有功功率参考值，Dm为有功功率的调整系数；ω为转子转速标么值；D为阻尼系数，以上各个量均为标么值；
将式(5)和式(7)代入式(3)，得到以下等式：
Figure FDA0003806975040000027
由式(8)解得：
Figure FDA0003806975040000028
u即为控制器的控制输出。
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