CN116316893B - 基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法及装置。包括下述步骤：S1、建立旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成并网变流器的整体控制模型；S2、将整体控制模型进行标准化处理，得到并网变流器的输入输出线性化标准模型；S3、基于输入输出线性化标准模型，采用滑模控制推导鲁棒虚拟同步控制输入，对控制输入进行脉冲宽度调制生成分布式电源并网变流器的触发脉冲，完成分布式电源并网控制。本发明提高了外界扰动下分布式电源并网系统的惯性，使分布式电源从运行机制和外特性上与传统同步发电机相等效，支撑电网安全鲁棒稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及分布式电源并网运行控制领域，具体是一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法及装置。
背景技术
随着新能源装机容量的快速增长和能源结构调整的迫切需要，越来越多的分布式能源出现在配电系统中。分布式电源并网配电系统包括向配电网提供电力或存储的小型分布式设备。这些设备包括小型燃气轮机、小型光伏电站、小型光伏电站和燃料电池。然而，分布式发电系统在直接接入大电网时，存在着一系列不可忽视的问题。由于存在大量的电力电子变换器接口，分布式电源并网系统的响应速度极快。如果分布式电源出现间歇性波动，往往会对系统造成冲击，从而影响整个系统的鲁棒稳定运行能力。因此，改善分布式电源并网系统的惯性，促进分布式电源快速健康发展具有重要的理论和现实意义。
为了解决分布式电源并网所面临的挑战，有研究提出了虚拟同步技术的控制策略。虚拟同步技术是一种模拟同步发电机机电暂态特性的技术，使分布式发电单元具有同步发电机的惯性、阻尼等外部特性。近年来，由于储能技术的快速发展，分布式电源和储能单元可以作为一个整体连接，并基于虚拟同步控制方式应用于配电系统中，使分布式电源的并网不会对系统造成太大的波动，具有广阔的应用前景。然而，现有的虚拟同步控制方案大多依赖于系统的精确数学模型，控制的鲁棒性有待增强。
目前，现有技术中，如李鑫，康忠健，常铮，等.基于ESO和终端滑模控制的虚拟同步发电机研究[J].电力系统保护与控制，2019，47(12)，65-72.提出了一种基于虚拟同步发电控制和非线性鲁棒控制的改进控制策略，在逆变器功频控制器中引入扩张状态观测器和终端滑模控制来改善控制性能。但所设计的滑模控制律具有高阶微分环节，对噪声影响较为敏感，且依赖状态观测器的结果，状态观测器的观测精确度对滑模控制的稳定程度影响较大。
如朱以顺.具有虚拟同步机特性的电压源型变流器控制策略研究[D].硕士学位论文，2017，华北电力大学.提出一种基于扩张状态观测器和非线性反馈控制律的改进虚拟同步控制方法，采用了跟踪微分器对扰动进行跟踪，仍然会受到外界噪声的影响，且控制器的设计同样依赖状态观测器的观测结果的准确度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种能够提高分布式发电系统在外界扰动下的稳定运行能力的基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法及装置。
本发明的技术方案为：一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法，包括下述步骤：
S1、建立旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成并网变流器的整体控制模型；
S2、将整体控制模型进行标准化处理，得到并网变流器的输入输出线性化标准模型；
S3、基于输入输出线性化标准模型，采用滑模控制推导鲁棒虚拟同步控制输入，对控制输入进行脉冲宽度调制生成分布式电源并网变流器的触发脉冲，完成分布式电源并网控制。
步骤S1中，所述数学模型为：
式中，id、iq表示分布式电源变换器的d轴、q轴分量电流,ω为角频率，usd和usq分别为d轴和q轴上变换器并网交流电压，ucd和ucq为变换器dq轴电压，L为变流器电感，R为变流器等效电阻，表示微分环节。
步骤S1中，所述虚拟同步控制方程为：
式中，J为虚拟转动惯量，Pmec为同步发电机给定有功功率，Pout是同步发电机的电磁功率，Kd为虚拟阻尼系数，ωgrid为电网角频率。
步骤S2包括：
先定义系统状态变量x＝[id iq ω]；
然后，对数学模型和虚拟同步控制方程进行反馈线性化处理，再结合系统状态变量，得到输入输出线性化标准模型为：
式中，f(x)和g(x)均为偏导数有定义且连续的光滑向量场，u是控制输入，y和h(x)均为系统的输出；
其中，
式中，表示对f(x)求李导数，表示求取偏微分。
步骤S3包括：
S31、选取输入输出线性化标准模型的比例-积分-微分滑模面；
S32、对滑模面求导；
S33、通过设计控制输入，使得滑模面的李雅普诺夫函数满足负定特征。
步骤S31中，所述滑模面为：
式中，s为滑模面，k1和k2分别为正定的滑模参数，τ为积分变量，x*为状态变量的期望值。
步骤S32中，对滑模面求导，得到
步骤S33中，设计控制输入u为：
式中，ks为正定的控制参数；
则在控制输入的作用下，滑模面的导数表示为
选取滑模面的李雅普诺夫函数为V(s)＝1/2s2，则该李雅普诺夫函数导数为
由式(9)可知，在控制律式(7)下，滑模面的李雅普诺夫函数满足负定特征。
基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制装置，包括:
设计模块，用于建立旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成并网变流器的整体控制模型；
线性模块，用于将整体控制模型进行标准化处理，得到并网变流器的输入输出线性化标准模型；
控制模块，用于基于输入输出线性化标准模型，采用滑模控制推导鲁棒虚拟同步控制输入，对控制输入进行脉冲宽度调制生成分布式电源并网变流器的触发脉冲，完成分布式电源并网控制。
本发明提高了外界扰动下分布式电源并网系统的惯性，使分布式电源从运行机制和外特性上与传统同步发电机相等效，支撑电网安全鲁棒稳定运行。
附图说明
图1是本发明的分布式电源并网示意图；
图2是本发明的分布式电源1的有功功率图；
图3是本发明的分布式电源2的有功功率图；
图4是本发明的分布式电源1的并网电压图；
图5是本发明的分布式电源2的并网电压图；
图6是本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图6所示，本发明提供一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法，包括下述步骤：
S1：利用基尔霍夫电压定律，建立旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成并网变流器的整体控制模型。
本发明专利的分布式电源并网系统结构如图1所示，包括储能单元、风力发电、光电发电、交直流负载和各种变换器。双向AC/DC变换器连接分布式电源与交流母线，实现功率平衡。根据图1，建立dq旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型为：
式中，id、iq表示分布式电源变换器的d轴、q轴分量电流,ω为角频率，可取为ω＝314rad/s，usd和usq分别为d轴和q轴上变换器并网交流电压，ucd和ucq为变换器dq轴电压，L为变流器电感，R为变流器等效电阻，表示微分环节。
进一步，建立虚拟同步发电机有功功率控制方程为：
式中，J为虚拟转动惯量，Pmec为同步发电机给定有功功率，Pout是同步发电机的电磁功率，Kd为虚拟阻尼系数，ωgrid为电网角频率。式(2)右侧为发电机功率下垂控制部分，左侧为转子惯性储能部分，式(1)和式(2)组合构成了分布式电源并网虚拟同步控制的基本方案。
步骤S1从分布式电源并网变流器的结构出发，建立其数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成变流器的整体控制模型。
S2：将分布式电源并网变流器的整体控制模型进行标准化处理，得到并网变流器的输入输出线性化标准模型。
首先，定义系统状态变量x＝[id iq ω]。为了推导得到鲁棒虚拟同步控制方案，需要对式(1)和(2)进行反馈线性化处理。非线性系统的反馈线性化方法是将复杂、困难的非线性系统通过非线性反馈或动态补偿的方法转化为线性系统，然后通过线性系统的相关理论对等效线性系统进行相应的研究。结合系统状态变量，可得到式(1)和(2)的输入输出线性化标准化数学模型为：
式中，f(x)和g(x)为偏导数有定义且连续的光滑向量场，u和y是控制输入和系统输出，h(x)同样为系统的输出。
为了得到式(3)的反馈线性化，令系统输出y的表达式为：
式中表示对f(x)求李导数，表示求取偏微分。
式(3)和式(4)实现了分布式电源并网变流器的输入输出线性化标准模型的构建。
S3：设计输入输出线性化标准模型的比例-积分-微分滑模面，并通过滑模面李雅普诺夫函数的负定特征，设计分布式电源并网系统鲁棒虚拟同步控制方法。
基于分布式电源并网变流器的输入输出线性化标准模型，采用滑模控制推导鲁棒虚拟同步控制输入，对控制输入进行脉冲宽度调制生成分布式电源并网变流器的触发脉冲，从而实现提高变流器在虚拟同步控制下的运行鲁棒性，完成分布式电源并网控制。
具体包括如下：
首先，选择比例-积分-微分滑模面为：
式中，k1和k2分别为正定的滑模参数，τ为积分变量，x*为状态变量的期望值。
这里滑模面的设计引入了积分项和微分项，以进一步提高对系统期望状态的跟踪性能。
其次，对滑模面的式(5)求导，得到：
再设计控制输入u为：
式中ks为正定的控制参数。
则在控制输入的作用下，滑模面的导数表示为：
选取滑模面的李雅普诺夫函数为V(s)＝1/2s2，则该李雅普诺夫函数导数为：
由式(9)可知，在控制律式(7)下，滑模面的李雅普诺夫函数满足负定特征，系统可达到滑动面s＝0，可满足系统稳定收敛的要求。
因此，所提的分布式电源鲁棒虚拟同步并网控制策略能够实现稳定运行，提高了系统在外界扰动下的动态响应性能。
基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制装置，包括:
设计模块，用于建立旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成并网变流器的整体控制模型；
线性模块，用于将整体控制模型进行标准化处理，得到并网变流器的输入输出线性化标准模型；
控制模块，用于基于输入输出线性化标准模型，采用滑模控制推导鲁棒虚拟同步控制输入，对控制输入进行脉冲宽度调制生成分布式电源并网变流器的触发脉冲，完成分布式电源并网控制。
本发明针对采用虚拟同步控制方案的分布式电源，解决了现有的虚拟同步控制方案依赖于精确数学模型、控制鲁棒性不强的问题。
为了验证本发明专利所提出的鲁棒虚拟同步策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了2台分布式电源并网系统，并设置了负载扰动。仿真中，分布式电源的额定有功输出功率为40kW，额定电压为700V，系统分别在3s和6s发生了负载变化，仿真结果分别如图2-5所示。
从图2-3中，可以看出在所提出的控制策略下，系统的有功功率均能再发生扰动后的短时间内(1s以内)恢复稳定；图2、3中的横坐标是时间，纵坐标是有功功率。
从图4-5中，可以看出在所提出的控制策略下，系统电压的动态超调量很小，且能在几十毫秒内恢复稳定；图4、5的横坐标是时间，纵坐标是电压。
通过仿真结果可以看出，在所提出的控制策略下，系统的功率和电压在发生扰动的情况均能够在很快时间内恢复稳定，验证了所提出的鲁棒虚拟同步控制策略对提高分布式电源并网系统的惯性和稳定运行能力的有效性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、建立旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成并网变流器的整体控制模型；
S2、将整体控制模型进行标准化处理，得到并网变流器的输入输出线性化标准模型；
S3、基于输入输出线性化标准模型，采用滑模控制推导鲁棒虚拟同步控制输入，对控制输入进行脉冲宽度调制生成分布式电源并网变流器的触发脉冲，完成分布式电源并网控制；
步骤S3包括：
S31、选取输入输出线性化标准模型的比例-积分-微分滑模面；
S32、对滑模面求导；
S33、通过设计控制输入，使得滑模面的李雅普诺夫函数满足负定特征；
步骤S31中，所述滑模面为：
式中，s为滑模面，k1和k2分别为正定的滑模参数，τ为积分变量，x*为状态变量的期望值；
步骤S32中，对滑模面求导，得到
步骤S33中，设计控制输入u为：
式中，ks为正定的控制参数；
则在控制输入的作用下，滑模面的导数表示为
选取滑模面的李雅普诺夫函数为V(s)＝1/2s2，则该李雅普诺夫函数导数为
由式(9)可知，在控制律式(7)下，滑模面的李雅普诺夫函数满足负定特征。
2.根据权利要求1所述的一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法，其特征在于，
步骤S1中，所述数学模型为：
式中，id、iq表示分布式电源变换器的d轴、q轴分量电流,ω为角频率，usd和usq分别为d轴和q轴上变换器并网交流电压，ucd和ucq为变换器dq轴电压，L为变流器电感，R为变流器等效电阻，表示微分环节。
3.根据权利要求2所述的一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法，其特征在于，
步骤S1中，所述虚拟同步控制方程为：
式中，J为虚拟转动惯量，Pmec为同步发电机给定有功功率，Pout是同步发电机的电磁功率，Kd为虚拟阻尼系数，ωgrid为电网角频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制方法，其特征在于，
步骤S2包括：
先定义系统状态变量x＝[id iqω]；
然后，对数学模型和虚拟同步控制方程进行反馈线性化处理，再结合系统状态变量，得到输入输出线性化标准模型为：
式中，f(x)和g(x)均为偏导数有定义且连续的光滑向量场，u是控制输入，y和h(x)均为系统的输出；
其中，
式中，表示对f(x)求李导数，表示求取偏微分。
5.基于鲁棒虚拟同步的分布式电源并网系统控制装置，其特征在于，包括:
设计模块，用于建立旋转坐标系下分布式电源并网变流器的数学模型，并结合虚拟同步控制方程构成并网变流器的整体控制模型；
线性模块，用于将整体控制模型进行标准化处理，得到并网变流器的输入输出线性化标准模型；
控制模块，用于基于输入输出线性化标准模型，采用滑模控制推导鲁棒虚拟同步控制输入，对控制输入进行脉冲宽度调制生成分布式电源并网变流器的触发脉冲，完成分布式电源并网控制；
所述控制模块包括：
选取输入输出线性化标准模型的比例-积分-微分滑模面；
对滑模面求导；
通过设计控制输入，使得滑模面的李雅普诺夫函数满足负定特征；
所述滑模面为：
式中，s为滑模面，k1和k2分别为正定的滑模参数，τ为积分变量，x*为状态变量的期望值；
对滑模面求导，得到
设计控制输入u为：
式中，ks为正定的控制参数；
则在控制输入的作用下，滑模面的导数表示为
选取滑模面的李雅普诺夫函数为V(s)＝1/2s2，则该李雅普诺夫函数导数为
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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