CN116247750A - 一种惯量和阻尼自适应的vsg控制方法 - Google Patents

一种惯量和阻尼自适应的vsg控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法。首先，建立了基于虚拟同步发电机(VSG)的逆变器控制模型，将惯量J和阻尼D引入到逆变器控制中，并得出电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt、电角速度变化量Δω和惯量J、阻尼D之间的关系；然后，结合并网小信号模型得出VSG输入输出功率的二阶传递函数，根据其工程最佳参数和自然振荡角频率的变化范围确定固定惯量J0、阻尼D0以及两者的变化范围；最后，分析得出惯量J和阻尼D自适应的控制方法，该方法可有效抑制系统在暂态过程中的波动，且缩短了暂态响应时间，提高了系统的暂态性能。

Description

一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法
技术领域
本发明涉及微电网运行控制领域，尤其是涉及一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法。
背景技术
目前风能、太阳能等可再生能源发电受到了社会各界的关注与推广，而微电网是其接入电网的有效载体。作为分布式电源与微电网纽带的并网逆变器，其响应速度快、几乎没有转动惯量、难以参与电网调节，无法为含分布式电源的微电网提供必要的电压和频率支撑，更无法提供必要的阻尼作用。因此，虚拟同步发电机(Virtual SynchronousGenerator，VSG)这一概念随之诞生，其本质是一种模拟同步发电机特性的逆变器控制方法，通过引入虚拟惯量和阻尼，达到增强微电网惯性和提高微电网运行稳定性的作用。
相较于参数固定的同步发电机，VSG的惯量和阻尼这两个关键参数是灵活可调的，但目前的参数自适应研究大多仅针对转动惯量进行分析，较少有研究对惯量与阻尼这两个参数同时进行分析，并且对参数取值范围的研究也相对较少，故利用电角速度信息自适应地调节惯量和阻尼，设计一种同时考虑电角速度变化量和瞬时变化率的自适应惯量、阻尼调节方法具有重要意义。
发明内容
针对上述现有研究的不足，本发明提供了一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法，利用VSG输入输出功率二阶传递函数的工程最佳参数和自然振荡角频率的变化范围确定惯量J、阻尼D的变化范围；通过给出J和D自适应公式，实现了根据不同阶段的电角速度变化量和瞬时变化率自适应地调节J和D数值，与此同时，还设置了电角速度阈值，以防J和D频繁变化导致系统振荡，进而影响系统稳态运行。
本发明采用如下技术方案实现上述目的：
一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法，包括以下步骤。
步骤1、建立了基于虚拟同步发电机(VSG)的逆变器控制模型，将惯量J和阻尼D引入到逆变器控制中，并得出电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt、电角速度变化量Δω和惯量J、阻尼D之间的关系。
步骤2、结合并网小信号模型得出VSG输入输出功率的二阶传递函数，根据其工程最佳参数和自然振荡角频率的变化范围确定固定惯量J0、阻尼D0以及J和D的变化范围。
步骤3、分析得出惯量J和阻尼D自适应的控制方法，其可根据电角速度变化量Δω和电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt来自适应地变化惯量和阻尼。
可选的，步骤1中，VSG的输入机械功率Pm由有功功率参考值Pref和频率偏差计算得出：
Pm＝Pref+Kp(ω0-ω)
式中，Kp为功频调差系数；ω为实际的电角速度；ω0为额定电角速度。
本发明采用隐极SG经典二阶数学模型对VSG进行数学建模，并且令极对数P＝1，则VSG的虚拟转子运动方程如下所示：
Figure SMS_1
式中，J为虚拟转动惯量；D为虚拟阻尼系数；Tm、Te、Td分别为VSG对应的机械、电磁和阻尼转矩；Pm、Pe分别为VSG输入机械功率和输出电磁功率；θ为VSG励磁电动势的相角。根据上述公式可得如下关系：
Δω＝[Tm-Te-J·d(Δω)/dt]/D
d(Δω)/dt＝Tm-Te-D(Δω)/J
由上式可以看出，当Tm-Te-J·d(Δω)/dt为一定值时，D越大，电角速度变化量Δω越小，频率波动幅度越低；当Tm-Te-D(Δω)为一定值时，J越大，电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt越小，频率波动越缓慢。
同步发电机的励磁电动势大小通过控制励磁电流而改变，而负载所需无功功率的变化使得机端电压幅值产生变化。因此，在负载变化的情况下需要不断调节励磁电流才能使得发电机的机端电压保持在额定电压值附近。通过引入无功-电压控制器，VSG的励磁电动势可随着其输出无功功率的增大而减小，其无功电压方程如下式所示：
E＝Eref+Kq/s·(Qref-Q)
式中，Kq为无功调压系数；Qref为VSG额定输出无功功率；Q为VSG实际输出无功功率；E为VSG实际励磁电动势幅值；Eref为额定励磁电动势。
可选的，步骤2中，根据步骤1中求得的实际励磁电动势幅值E与相角θ可得逆变器输出电动势为
Figure SMS_2
设：电网电压为/>
Figure SMS_3
滤波器的阻抗为/>
Figure SMS_4
滤波电路的阻抗角为α，根据小信号建模可计算出逆变器输出无功功率为：
Figure SMS_5
通常X＞＞R，θ≈0，因此Z≈X，α≈π/2，sinθ≈θ，可计算出：
Pe≈E·Ug/X
结合步骤1求得的VSG典型二阶数学模型，可计算出VSG有功-频率控制环节的二阶传递函数如下：
Gp(s)＝E·Ug/[JXω0s2+(Kp+D)Xω0s+E·Ug]
根据其工程最佳参数和自然振荡角频率的变化范围确定固定惯量J0、阻尼D0以及J和D的变化范围。
可选的，步骤3中，当电角速度变化量和瞬时变化率的乘积Δω·d(Δω)/dt大于0时，这为频率的加速阶段，根据步骤1分析所得的电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt、电角速度变化量Δω和惯量J、阻尼D之间的关系，此时应该增大J和适当减小D，以降低频率偏移量的幅值和提高系统响应速度；与此相对应的，当Δω·d(Δω)/dt小于0时，为频率的减速阶段，此时应该减小J和增大D，以减弱系统对角频率变化波动的抑制和减小系统的超调，使得系统频率尽快恢复到稳定值。根据上述分析，得到如下的惯量J和阻尼D自适应调节公式：
Figure SMS_6
/>
Figure SMS_7
上式中：J0、D0为步骤2求得的VSG固定惯量、阻尼；Kj为惯量调节系数；ωlim为电角速度阈值，以避免J和D频繁变化导致系统振荡，从而影响系统稳态运行；Kd为阻尼调节系数。
本发明的有益效果在于：1)通过VSG有功-频率控制环节二阶传递函数的工程最佳参数和自然振荡角频率的范围确定了J和D的变化范围。2)利用电角速度信息自适应地调节J和D这两个VSG关键参数，设计出的自适应惯量、阻尼调节方法同时考虑了电角速度变化量及其瞬时变化率。
附图说明
图1为VSG有功-频率控制框图。
图2为VSG无功-电压控制框图。
图3为VSG电角速度变化波动曲线。
图4为本发明提供的一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法流程图。
具体实施例
下面将结合附图，对本发明的实施例进行详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法，具体包含以下步骤：
步骤1、VSG的输入机械功率Pm由有功功率参考值Pref和频率偏差计算得出：
Pm＝Pref+Kp(ω0-ω)
式中，Kp为功频调差系数；ω为实际的电角速度；ω0为额定电角速度。
本发明采用隐极SG经典二阶数学模型对VSG进行数学建模，并且令极对数P＝1，则VSG的虚拟转子运动方程如下所示：
Figure SMS_8
式中，J为虚拟转动惯量；D为虚拟阻尼系数；Tm、Te、Td分别为VSG对应的机械、电磁和阻尼转矩；Pm、Pe分别为VSG输入机械功率和输出电磁功率；θ为VSG励磁电动势的相角。根据上述公式可得图1所示的VSG的有功-频率控制框图。
根据上述公式可得如下关系：
Δω＝[Tm-Te-J·d(Δω)/dt]/D
d(Δω)/dt＝Tm-Te-D(Δω)/J
由上式可以看出，当Tm-Te-J·d(Δω)/dt为一定值时，D越大，电角速度变化量Δω越小，频率波动幅度越低；当Tm-Te-D(Δω)为一定值时，J越大，电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt越小，频率波动越缓慢。
同步发电机的励磁电动势大小通过控制励磁电流而改变，而负载所需无功功率的变化使得机端电压幅值产生变化。因此，在负载变化的情况下需要不断调节励磁电流才能使得发电机的机端电压保持在额定电压值附近。通过引入无功-电压控制器，VSG的励磁电动势可随着其输出无功功率的增大而减小，其无功电压方程如下式所示：
E＝Eref+Kq/s·(Qref-Q)
式中，Kq为无功调压系数；Qref为VSG额定输出无功功率；Q为VSG实际输出无功功率；E为VSG实际励磁电动势幅值；Eref为额定励磁电动势。根据上述公式可得图2所示的VSG的无功-电压控制框图。
步骤2、根据步骤1中求得的实际励磁电动势幅值E与相角θ可得逆变器输出电动势为
Figure SMS_9
设：电网电压为/>
Figure SMS_10
滤波器的阻抗为/>
Figure SMS_11
滤波电路的阻抗角为α，根据小信号建模可计算出逆变器输出无功功率为：
Figure SMS_12
通常X＞＞R，θ≈0，因此Z≈X，α≈π/2，sinθ≈θ，可计算出：
Pe≈E·Ug/X
结合步骤1求得的VSG典型二阶数学模型，可计算出VSG有功-频率控制环节的二阶传递函数如下：
Gp(s)＝E·Ug/[JXω0s2+(Kp+D)Xω0s+E·Ug]
上述二阶传递函数的特征根为：
Figure SMS_13
自然振荡角频率为：
Figure SMS_14
阻尼比为：
Figure SMS_15
当二阶系统为最优二阶系统时，其工程最佳参数取值为
Figure SMS_16
再结合自然振荡角频率(0.628，15.7)rad/s的变化范围，即可确定固定惯量J0、阻尼D0以及J和D的变化范围。
步骤3、如图3所示的VSG电角速度变化波动曲线，阶段1和阶段3中，角频率变化量和瞬时变化率的乘积Δω·d(Δω)/dt大于0，这为频率的加速阶段，根据步骤1分析所得的电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt、电角速度变化量Δω和惯量J、阻尼D之间的关系，此时应该增大J以降低频率偏移量的幅值，但J增大会使系统响应速度降低，此时需要减小D以提高系统响应速度，但D减小又会增大角频率变化量，所以应该适当减小D；阶段2和阶段4中，Δω·d(Δω)/dt小于0，这为频率的减速阶段，此时应该减小J和增大D，以减弱系统对角频率变化波动的抑制和减小系统的超调，使得系统频率尽快恢复到稳定值。
综上分析，Δω与d(Δω)/dt共同决定了惯量和阻尼的选取，具体关系如下表所示。
Figure SMS_17
综上所述，得出如下的惯量J和阻尼D自适应调节公式：
Figure SMS_18
Figure SMS_19
上式中：J0、D0为步骤2求得的VSG固定惯量、阻尼；Kj为惯量调节系数，其范围为：Kj≤(Jmax-J0)/(Δω·dω/dt)min；ωlim为电角速度阈值，以避免J和D频繁变化导致系统振荡，从而影响系统稳态运行；Kd为阻尼调节系数，其范围为：Kd≤(Dmax-D0)/(Δω·dω/dt)min。
通过上述分析，可得图4所示的惯量和阻尼自适应的VSG控制方法流程图。
本发明通过VSG有功-频率控制环节二阶传递函数的工程最佳参数和自然振荡角频率范围确定了固定惯量J0、阻尼D0以及J和D这两个VSG关键参数的变化范围。通过对VSG电角速度变化波动曲线的分析，分析得出一种合理、有效的惯量J和阻尼D自适应控制方法，该方法同时考虑了频率变化量和频率瞬时变化率，可有效抑制系统在暂态过程中的波动，使系统暂态响应时间缩短，从而提高了系统的暂态性能。
应说明的是，以上所述仅为本发明较佳的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立了基于虚拟同步发电机(VSG)的逆变器控制模型，将惯量J和阻尼D引入到逆变器控制中，并得出电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt、电角速度变化量Δω和惯量J、阻尼D之间的关系；
步骤2、结合并网小信号模型得出VSG输入输出功率的二阶传递函数，根据其工程最佳参数和自然振荡角频率的变化范围确定固定惯量J0、阻尼D0以及J和D的变化范围；
步骤3、分析得出惯量J和阻尼D自适应的控制方法，其可根据电角速度变化量Δω和电角速度瞬时变化率d(Δω)/dt来自适应地变化惯量和阻尼。
2.根据权力要求1所述的一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法，其特征在于，步骤1中，VSG的输入机械功率Pm由有功功率参考值Pref和频率偏差计算得出：
Pm＝Pref+Kp(ω0-ω)
式中，Kp为功频调差系数；ω为实际的电角速度；ω0为额定电角速度；
本发明采用隐极SG经典二阶数学模型对VSG进行数学建模,并且令极对数P＝1,则VSG的虚拟转子运动方程如下所示：
Figure FDA0004154874020000011
式中，J为虚拟转动惯量；D为虚拟阻尼系数；Tm、Te、Td分别为VSG对应的机械、电磁和阻尼转矩；Pm、Pe分别为VSG输入机械功率和输出电磁功率；θ为VSG励磁电动势的相角。根据上述公式可得如下关系：
Δω＝[Tm-Te-J·d(Δω)/dt]/D
d(Δω)/dt＝Tm-Te-D(Δω)/J
同步发电机的励磁电动势大小通过控制励磁电流而改变，而负载所需无功功率的变化使得机端电压幅值产生变化。因此，在负载变化的情况下需要不断调节励磁电流才能使得发电机的机端电压保持在额定电压值附近。通过引入无功-电压控制器，VSG的励磁电动势可随着其输出无功功率的增大而减小，其无功电压方程如下式所示：
E＝Eref+Kq/s·(Qref-Q)
式中，Kq为无功调压系数；Qref为VSG额定输出无功功率；Q为VSG实际输出无功功率；E为VSG实际励磁电动势幅值；Eref为额定励磁电动势。
3.根据权力要求1所述的一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法，其特征在于，步骤2中，根据步骤1中求得的实际励磁电动势幅值E与电动势相角θ可得逆变器输出电动势为
Figure FDA0004154874020000012
设：电网电压为/>
Figure FDA0004154874020000013
滤波器的阻抗为/>
Figure FDA0004154874020000021
滤波电路的阻抗角为α，根据小信号建模可计算出VSG有功-频率控制环节的二阶传递函数：
Gp(s)＝E·Ug/[JXω0s2+(Kp+D)Xω0s+E·Ug]
根据其工程最佳参数和自然振荡角频率的变化范围确定固定惯量J0、阻尼D0以及J和D的变化范围。
4.根据权力要求1所述的一种惯量和阻尼自适应的VSG控制方法，其特征在于，步骤3中，电角速度变化量和瞬时变化率的乘积Δω·d(Δω)/dt大于0时，为频率的加速阶段，此时应该增大J和适当减小D，以降低频率偏移量的幅值和提高系统响应速度；对应地，Δω·d(Δω)/dt小于0时，为频率的减速阶段，此时应该减小J和增大D，以减弱系统对角频率变化波动的抑制和减小系统的超调，使得系统频率尽快恢复到稳定值。根据上述分析，得到如下的惯量J和阻尼D自适应调节公式：
Figure FDA0004154874020000022
Figure FDA0004154874020000023
上式中：J0、D0为步骤2求得的VSG固定惯量、阻尼；Kj为惯量调节系数；ωlim为电角速度阈值，以避免J和D频繁变化导致系统振荡，从而影响系统稳态运行；Kd为阻尼调节系数；
通过上述J和D自适应公式，可实现根据电角速度变化量Δω和瞬时变化率d(Δω)/dt来自适应地变化惯量和阻尼，进而提高系统的动态性能。
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