CN116316673A - 一种基于自抗扰控制器的vsg附加阻尼控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法及系统，包括：基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器；基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器；将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。本发明建立基于ADRC的VSG有功附加阻尼控制策略，并给出控制环节中相关参数的取值原则，并基于确定的自扰控制器进行VSG附加控制，能够提高系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，并且更具体地，涉及一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法及系统。
背景技术
新能源具有清洁环保等优势，使其应用范围越来越广泛，意味着会有更多的分布式电源接入大电网，且大多为就近消纳。与传统电力系统中的同步发电机(SynchronousGenerator，SG)相比，分布式电源几乎不具有维持系统稳定性的旋转惯性和输出阻尼分量，其大量接入会影响电力系统的稳定性，而虚拟同步发电机(virtual synchronousgenerator,VSG)技术的提出为改善新能源特性提供了一个新思路。
国内外学者在完善VSG控制算法方面取得了丰硕成果，例如王安娜、何志国提出了VSG转动惯量和阻尼系数的自适应控制方法(专利号：CN201811138778.3)；王跃、李明烜、周辉等人提出了基于相位前馈的虚拟同步发电机控制方法(专利号：CN201710841526.6)；邹旭东、蒋秉辰、温提亮等人一种基于电压前馈补偿的虚拟同步发电机功率解耦控制方法(专利号：CN201910938123.2)；李宁、张世乾、王倩和阎洁提出了一种计算下垂控制模式下虚拟同步发电机的作用电压，然后计算虚拟同步发电机的频率偏差Δω，将频率偏差Δω注入励磁调节器中，改造虚拟同步发电机的电压控制回路(专利号：CN202010582253.X)；陈宁、胡正阳、姜达军等人基于预先建立的阻尼控制器的传递函数和同步发电机的转子角频率标幺值确定虚拟同步发电机的功率调节量标幺值，根据虚拟同步发电机的功率调节量标幺值控制虚拟同步发电机输出的有功功率(专利号：CN201911390453.9)，但该方法依赖于预先设定的阻尼控制器功能，无法适应场景的多变。上述策略的改进的主要是VSG运行的自身效果，并未考虑外部电网稳定性。
发明内容
本发明提出一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法及系统，以解决如何有效地进行VSG附加阻尼控制的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法，所述方法包括：
基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器；
基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器；
将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。
优选地，其中所述自抗扰控制器ADRC的结构，包括：非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈NLSEF和扰动估计补偿。
优选地，其中所述方法利用如下方式进行非线性跟踪微分器TD的参数选取，包括：
根据实际仿真情况确定仿真步长h；根据控制目标确定给定的控制目标v0；根据公式r0＝10-4/h2，计算速度因子r0；根据h<h0，确定滤波因子h0。
优选地，其中所述方法利用如下方式进行扩张状态观测器ESO的参数选取，包括：
按照第一预设阈值确定第一幂函数指数α1；按照第二预设阈值确定第二幂函数指数α2；根据h确定线性段区间的长度δ，h为仿真步长；根据线性ESO的反馈增益整定公式β01＝1/h，β02＝1/(2.4*h2)，β03＝1/(15.5*h3)，分别确定第一增益系数β01、第二增益系数β02和第三增益系数β03。
优选地，其中所述方法利用如下方式进行非线性误差反馈NLSEF的参数选取，包括：设置阻尼因子c＝0.5，控制量增益r＝3.6，快速因子h1＝2。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制系统，所述系统包括：
参数确定单元，用于基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器；
输入单元，用于基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器；
控制单元，用于将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。
优选地，其中所述自抗扰控制器ADRC的结构，包括：非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈NLSEF和扰动估计补偿。
优选地，其中所述参数确定单元，利用如下方式进行非线性跟踪微分器TD的参数选取，包括：
根据实际仿真情况确定仿真步长h；根据控制目标确定给定的控制目标v0；根据公式r0＝10-4/h2，计算速度因子r0；根据h<h0，确定滤波因子h0。
优选地，其中所述参数确定单元，利用如下方式进行扩张状态观测器ESO的参数选取，包括：
按照第一预设阈值确定第一幂函数指数α1；按照第二预设阈值确定第二幂函数指数α2；根据h确定线性段区间的长度δ，h为仿真步长；根据线性ESO的反馈增益整定公式β01＝1/h，β02＝1/(2.4*h2)，β03＝1/(15.5*h3)，分别确定第一增益系数β01、第二增益系数β02和第三增益系数β03。
优选地，其中所述参数确定单元，利用如下方式进行非线性误差反馈NLSEF的参数选取，包括：设置阻尼因子c＝0.5，控制量增益r＝3.6，快速因子h1＝2。
本发明提供了一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法及系统，包括：基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器；基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器；将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。本发明建立基于ADRC的VSG有功附加阻尼控制策略，并给出控制环节中相关参数的取值原则，并基于确定的自扰控制器进行VSG附加控制，能够提高系统稳定性。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法100的流程图；
图2为根据本发明实施方式的自抗扰控制器的结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的附加阻尼控制的VSG框图；
图4为根据本发明实施方式的案例1的响应对比曲线图；
图5为根据本发明实施方式的VSG接入4机2区域系统示意图；
图6为根据本发明实施方式的案例2的响应对比曲线图；
图7为根据本发明实施方式的案例3的响应对比曲线图；
图8为根据本发明实施方式的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制系统800的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法，建立基于ADRC的VSG有功附加阻尼控制策略，并给出控制环节中相关参数的取值原则，并基于确定的自扰控制器进行VSG附加控制，能够提高系统稳定性。本发明实施方式提供的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法100，从步骤101处开始，在步骤101，基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器。
优选地，其中所述自抗扰控制器ADRC的结构，包括：非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈NLSEF和扰动估计补偿。
优选地，其中所述方法利用如下方式进行非线性跟踪微分器TD的参数选取，包括：
根据实际仿真情况确定仿真步长h；根据控制目标确定给定的控制目标v0；根据公式r0＝10-4/h2，计算速度因子r0；根据h<h0，确定滤波因子h0。
优选地，其中所述方法利用如下方式进行扩张状态观测器ESO的参数选取，包括：
按照第一预设阈值确定第一幂函数指数α1；按照第二预设阈值确定第二幂函数指数α2；根据h确定线性段区间的长度δ，h为仿真步长；根据线性ESO的反馈增益整定公式β01＝1/h，β02＝1/(2.4*h2)，β03＝1/(15.5*h3)，分别确定第一增益系数β01、第二增益系数β02和第三增益系数β03。
优选地，其中所述方法利用如下方式进行非线性误差反馈NLSEF的参数选取，包括：设置阻尼因子c＝0.5，控制量增益r＝3.6，快速因子h1＝2。
结合图2所示，在本发明中，自抗扰控制器由非线性跟踪微分器(trackingdifferentiator，TD)、扩张状态观测器(extended state observer，ESO)、非线性误差反馈(nonlinear state error feedback，NLSEF)和扰动估计补偿构成。
其中，1)最速跟踪微分器以跟踪设定值
式中，v0为自抗扰控制系统的输入值；v1、v2是TD的输出。fhan(p1,p2,r,h)成为离散最速控制综合函数，算法公式如下：
2)非线性状态观测器的公式为：
式中，β01，β02，β03为一组可调参数；z3为扩张出的扰动状态量估计。fal(e,α,δ)是原点附近具有线性段的连续幂次函数，可避免高频颤振现象。
3)本文使用的误差反馈律为：
式中，u0为误差反馈律的输出；c为阻尼因子，r为控制量增益，h1为快速因子。
4)扰动估计补偿
ESO观测的扰动估计量z3和状态误差反馈控制量u0共同完成动态补偿线性化，从而实现不确定系统的实时动态线性化。
式中b0是补偿因子。
在本发明中，自抗扰控制器涉及较多参数，从其结构和原理来看，TD、ESO和NLSEF独立实现各自功能，因此这3部分在设计过程中可以遵照“分离性原理”对每个模块单独整定。一般先整定TD和ESO的参数，再对NLSEF和扰动估计补偿进行综合调整。
TD有4个参数：给定的控制目标v0、速度因子r0、滤波因子h0和仿真步长h。其中h取决于实际的仿真情况，v0根据实际的控制目标进行选取。r0的取值影响到过渡过程的快慢，r0越大，TD跟踪速度越快，而跟踪速度就是过渡过程的微分值，因此r0过大会导致微分信号的振荡，一般取r0＝10-4/h2。对于h0，只要满足h<h0，便可消除稳态颤振。
ESO有6个参数：第一幂函数指数α1，第二幂函数指数α2，线性段区间的长度δ和第一增益系数β01，第二增益系数β02，第三增益系数β03。δ取值过大，会使ESO的线性工作区增大，降低非光滑反馈的效果；δ取值过小，fal(e,α,δ)函数易在原点附近出现高频颤振。参数α1，α2，δ对其他参数存在较大影响，因此优先整定，通常取α1＝0.5，α2＝0.25，δ＝h时即可满足fal(e,α,δ)函数的性能要求。参数β01，β02，β03是状态误差反馈的反馈增益，影响ESO的观测效果，当基础参数α1，α2，δ，h确定后，线性ESO的反馈增益整定公式为β01≈1/h，β02≈1/(2.4*h2)，β03≈1/(15.5*h3)。
NLSEF有3个参数：阻尼因子c，控制量增益r和快速因子h1。根据控制效果进行调整，在合理的范围内，控制器性能对这些参数的波动不敏感，因此较易整定。ADRC控制器中仅补偿因子b0的选取与被控对象有关，当被控对象未知的情况下，也可以将其估计至b的真值附近，ADRC控制器对b0精度要求较低，比较容易整定。
在步骤102，基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器。
在步骤103，将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。
结合图3所示，在本发明中，采用将同步发电机SG的电角速度与基准角速度之差作为ADRC控制器的输入，将得到的输出信号经限幅后叠加到VSG有功功率的参考部分，以实现VSG的附加阻尼控制。
本发明采用ADRC控制器对VSG控制进行改进，是一种新的尝试。本发明通过自抗扰控制的基本原理和相关控制参数的选取原则，提出了基于自抗扰控制的VSG附加阻尼控制器。以含VSG的单机无穷大系统、4机2区域系统为例，通过加入附加阻尼控制前后进行时域仿真验证。
以含VSG的单机无穷大系统、4机2区域系统为例，进行对比仿真验证。
(1)VSG接入单机无穷大系统仿真验证
案例1：在2s时公共线路L2-3发生三相短路故障，0.1s后切除故障。采用ADRC附加阻尼控制前后的SG功率、VSG频率响应曲线如图4所示。图(a)为机组SG的功率对比曲线，图(b)为VSG的功率对比曲线。
从图4得到，在系统发生扰动时，未加ADRC附加阻尼控制时，振荡幅值较大，系统恢复稳定的时间较长。而采用ADRC附加阻尼控制的系统稳定性明显提高，振荡幅度和恢复稳定时间都减小。
(2)VSG接入4机2区域系统仿真验证
VSG接入4机2区域系统结构如图5所示，VSG并入节点6，同步发电机均未加装PSS，节点7上的无功补偿为200Mvar，节点9上的无功补偿为350Mvar。VSG的有功功率为80MW，G1为平衡机组。系统基准容量为100MVA，频率为50Hz。
案例2：在2s时公共线路L7-8发生三相短路故障，0.1s后切除故障。采用ADRC附加阻尼控制前后的SG功率、VSG频率响应曲线如图6所示。图(a)为VSG的频率对比曲线，图(b)为机组G1的功率对比曲线，图(c)为联络线上的功率对比曲线
由图6得出，在系统受到故障扰动时，VSG附加阻尼控制可以很大程度上改善系统的稳定性，降低其振荡的幅值。
案例3：5s时，设置VSG双闭环控制中的电流内环PI控制器的比例系数从0.007摄动到0.005。图7给出了VSG控制在加入ADRC控制器前后的对比曲线。图(a)为VSG的频率对比曲线，图(b)为机组G1的功率对比曲线，图(c)为机组G3的功率对比曲线，图(d)为联络线上的功率对比曲线。
从图7得到，在系统参数摄动时，VSG附加阻尼控制可以很大程度上改善系统的稳定性，降低其振荡的幅值。
图8为根据本发明实施方式的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制系统800的结构示意图。如图8所示，本发明实施方式提供的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制系统800，包括：参数确定单元801、输入单元802和控制单元803。
优选地，所述参数确定单元801，用于基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器。
优选地，其中所述自抗扰控制器ADRC的结构，包括：非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈NLSEF和扰动估计补偿。
优选地，其中所述参数确定单元801，利用如下方式进行非线性跟踪微分器TD的参数选取，包括：
根据实际仿真情况确定仿真步长h；根据控制目标确定给定的控制目标v0；根据公式r0＝10-4/h2，计算速度因子r0；根据h<h0，确定滤波因子h0。
优选地，其中所述参数确定单元801，利用如下方式进行扩张状态观测器ESO的参数选取，包括：
按照第一预设阈值确定第一幂函数指数α1；按照第二预设阈值确定第二幂函数指数α2；根据h确定线性段区间的长度δ，h为仿真步长；根据线性ESO的反馈增益整定公式β01＝1/h，β02＝1/(2.4*h2)，β03＝1/(15.5*h3)，分别确定第一增益系数β01、第二增益系数β02和第三增益系数β03。
优选地，其中所述参数确定单元801，利用如下方式进行非线性误差反馈NLSEF的参数选取，包括：设置阻尼因子c＝0.5，控制量增益r＝3.6，快速因子h1＝2。
优选地，所述输入单元802，用于基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器。
优选地，所述控制单元803，用于将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。
本发明的实施例的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制系统800与本发明的另一个实施例的基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制方法，其特征在于，所述方法包括：
基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器；
基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器；
将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自抗扰控制器ADRC的结构，包括：非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈NLSEF和扰动估计补偿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下方式进行非线性跟踪微分器TD的参数选取，包括：
根据实际仿真情况确定仿真步长h；根据控制目标确定给定的控制目标v0；根据公式r0＝10-4/h2，计算速度因子r0；根据h<h0，确定滤波因子h0。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下方式进行扩张状态观测器ESO的参数选取，包括：
按照第一预设阈值确定第一幂函数指数α1；按照第二预设阈值确定第二幂函数指数α2；根据h确定线性段区间的长度δ，h为仿真步长；根据线性ESO的反馈增益整定公式β01＝1/h，β02＝1/(2.4*h2)，β03＝1/(15.5*h3)，分别确定第一增益系数β01、第二增益系数β02和第三增益系数β03。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下方式进行非线性误差反馈NLSEF的参数选取，包括：设置阻尼因子c＝0.5，控制量增益r＝3.6，快速因子h1＝2。
6.一种基于自抗扰控制器的VSG附加阻尼控制系统，其特征在于，所述系统包括：
参数确定单元，用于基于自扰控制器ADRC的结构进行参数选取，以确定自扰控制器；
输入单元，用于基于同步发电机SG的电角速度和预设基准角速度确定角速度差值，并将所述角速度差值输入至所述自扰控制器；
控制单元，用于将所述自扰控制器的输出信号经限幅后叠加到虚拟同步发电机VSG的有功功率部分，以实现VSG的附加阻尼控制。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述自抗扰控制器ADRC的结构，包括：非线性跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈NLSEF和扰动估计补偿。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述参数确定单元，利用如下方式进行非线性跟踪微分器TD的参数选取，包括：
根据实际仿真情况确定仿真步长h；根据控制目标确定给定的控制目标v0；根据公式r0＝10-4/h2，计算速度因子r0；根据h<h0，确定滤波因子h0。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述参数确定单元，利用如下方式进行扩张状态观测器ESO的参数选取，包括：
按照第一预设阈值确定第一幂函数指数α1；按照第二预设阈值确定第二幂函数指数α2；根据h确定线性段区间的长度δ，h为仿真步长；根据线性ESO的反馈增益整定公式β01＝1/h，β02＝1/(2.4*h2)，β03＝1/(15.5*h3)，分别确定第一增益系数β01、第二增益系数β02和第三增益系数β03。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述参数确定单元，利用如下方式进行非线性误差反馈NLSEF的参数选取，包括：设置阻尼因子c＝0.5，控制量增益r＝3.6，快速因子h1＝2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211584928.XA CN116316673A (zh) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | 一种基于自抗扰控制器的vsg附加阻尼控制方法及系统 |
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| CN202211584928.XA CN116316673A (zh) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | 一种基于自抗扰控制器的vsg附加阻尼控制方法及系统 |
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