CN116454910B - 虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统 - Google Patents

虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统，方法包括：建立虚拟同步机有功环的闭环传递函数，得到自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；根据最优阻尼比计算虚拟惯量、阻尼系数以及下垂系数的初始值，得到下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数的数学逻辑关系；系统振荡时，根据角频率偏差量以及变化率，结合虚拟惯量和阻尼系数的初始值，调整虚拟惯量和阻尼系数；设置数学逻辑关系中的阻尼比，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应控制的取值范围，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数三者协同自适应控制，实现虚拟同步机的惯量控制与一次调频的协同控制。

Description

虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体地，涉及虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统。
背景技术
随着可再生能源渗透水平的提高，由电力电子器件组成的变流器得到大范围的使用，导致电力系统整体的惯性下降，对系统的稳定运行产生危害，因此，改善变流器的动态响应成为研究的热门之一，在这个背景下，提出了虚拟同步发电机(Virtual SynchronousGenerator，VSG)技术。
现有技术中，研究人员对VSG技术的研究包括：一种提出了虚拟同步发电机电流模型预测控制策略，采样变换器的输出电流经虚拟同步发电机和电流预测模型分别生成参考电流、预测电流。在参数优化方面，大多数文献研究内容集中在设计参数自适应算法对参数进行优化，提出在bang-bang算法基础上自适应改变虚拟转动惯量，改善了系统的动态响应。还有一种策略提出VSG参数协同自适应控制策略。该策略选用指数型自适应算法确定虚拟惯量，降低了自适应算法中相关控制参数的灵敏度，并结合性能指标约束，实现阻尼系数的协同，既实现了惯量和阻尼对频率变化的优化跟踪，又避免了参数不协同对系统品质和稳定性的影响。同时该策略运用改进粒子群算法，对VSG参数自适应控制进行进一步升级。但是依然没有满足我们对VSG稳定性的需求。现有技术1(CN110311375B)，考虑了虚拟惯量、虚拟阻尼、虚拟调速器下垂系数和无功控制环下垂系数，构建了含有多台虚拟同步机并联运行的微电网的能量函数模型，分析扰动对微电网系统的影响以及故障后系统能量的变化，但现有技术1对4个参数进行自适应控制时仅依靠系统的能量表现进行参数调整，却忽略参数之间的制约关系。现有技术2(CN109149605A)构建系统频率和系统虚拟惯性转矩以及虚拟阻尼因子之间的关系，提出一种暂态自适应参数控制策略，但是现有技术2在对系统暂态过程研究中，因下垂系数与虚拟阻尼因子的表现效果相似，人为忽略了下垂系数对虚拟惯性转矩以及虚拟阻尼因子的影响。
综上所述，现有的研究虽然在各个单一方面优化了系统的动态响应，但却没有与下垂系数KP进行结合。在进行参数优化时，忽略下垂系数对系统的影响。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法及系统，通过系统的闭环传递函数推导出下垂系数、虚拟惯量以及阻尼系数的关系，设计虚拟惯量、阻尼系数的自适应控制算法，协同控制下垂系数变化，三者相互制约，共同影响系统的频率响应，改善变流器动态响应，避免了参数不协同对系统品质和稳定性的影响，有效提升了系统频率的动态性能，提高系统灵活度。
本发明采用如下的技术方案。
本发明提出了一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，包括：
步骤1，建立虚拟同步机有功环的闭环传递函数，得到系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；根据最优阻尼比，利用自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别计算得到虚拟惯量的初始值、阻尼系数的初始值以及下垂系数的初始值；
步骤2，依据自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，得到下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系；
步骤3，系统受到扰动产生振荡时，根据角频率偏差量以及角频率变化率，结合虚拟惯量的初始值和阻尼系数的初始值，实时调整虚拟惯量和阻尼系数，实现自适应控制；
步骤4，设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应控制的取值范围，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，通过虚拟同步机并网等效电路，假设虚拟同步机运行于感性线路下；
步骤1.2，根据功率-频率控制环，推导出虚拟同步机有功环的闭环传递函数；
步骤1.3，根据闭环传递函数确定系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；
步骤1.4，选取最佳阻尼比带入自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，分别计算出虚拟惯量J、阻尼系数D以及下垂系数KP的初始值。
优选地，步骤1.1中，虚拟同步机输出的有功功率Pe为：
式中，
δ为虚拟同步机输出的功角，
E为逆变器输出电压有效值，
U为公共点电压有效值，
X为线路阻抗。
优选地，虚拟同步机有功环的闭环传递函数为：
式中，
Pref为有功功率参考值，
ωN为系统额定角频率，
s为拉普拉斯算子，
D为阻尼系数，
J为虚拟惯量，
KP为下垂系数。
优选地，自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别为：
式中，
ωn为自然振荡角频率函数，
ξ为阻尼比函数。
优选地，最优阻尼比为0.707。
优选地，下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系为：
式中，
D为阻尼系数，
J为虚拟惯量，
KP为下垂系数。
优选地，步骤3包括：
步骤3.1，实时检测系统的角频率偏差量Δω和角频率变化率dω/dt；
步骤3.2，虚拟惯量J的选取由角频率偏差量Δω和角频率变化率dω/dt同时决定：当Δω和dω/dt变化方向相同时，需增加虚拟惯量J；当Δω和dω/dt变化方向相反时，需保持虚拟惯量J不变；
步骤3.3，阻尼系数D的选取由Δω和dω/dt同时决定：当Δω和dω/dt变化方向相同时，需增加阻尼系数D；当Δω和dω/dt变化方向相反时，需保持阻尼系数D不变。
优选地，步骤3.2，虚拟惯量J的选取如下：
式中，
J0为虚拟惯量初始值，
kJ为虚拟惯量自适应调整系数。
优选地，步骤3.3，阻尼系数D的选取如下：
式中，
D0为虚拟惯量初始值，
kD为虚拟惯量自适应调整系数。
优选地，步骤4包括：
步骤4.1，设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比为0.707；
步骤4.2，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应控制的取值范围；
步骤4.3，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。
优选地，步骤4.2中，虚拟惯量自适应控制的取值范围如下：
式中，
Jmax为虚拟惯量的上限，
Pmax为系统最大可承受功率，
ω为系统角频率。
优选地，步骤4.2中，阻尼系数自适应控制的取值范围如下：
式中，
ωN为系统额定角频率，
KP为下垂系数，
Pmin为VSG在储能装置支撑下的最小输出功率，
ωmax为系统角频率最大值；
ωmin为系统角频率最小值。
优选地，参照现行国家标准电力系统频率偏差50±0.2Hz对系统角频率进行限制。
优选地，算法的启动阈值Nw的取值满足如下关系式：
式中，
D为阻尼系数，
J为虚拟惯量，
ΔP为功率扰动，
Δf为系统允许的频率偏差。
本发明还提出了一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制系统，系统包括：初始值计算模块，数学逻辑关系设置模块，虚拟惯量与阻尼系数控制模块，协同自适应控制模块；
初始值计算模块，用于建立虚拟同步机有功环的闭环传递函数，得到系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；根据最优阻尼比，利用自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别计算得到虚拟惯量的初始值、阻尼系数的初始值以及下垂系数的初始值；
数学逻辑关系设置模块，用于依据自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，得到下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系；
虚拟惯量与阻尼系数控制模块，用于系统受到扰动产生振荡时，根据角频率偏差量以及角频率变化率，结合虚拟惯量的初始值和阻尼系数的初始值，实时调整虚拟惯量和阻尼系数，实现自适应控制；
协同自适应控制模块，用于设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应优化控制的取值范围，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的协同控制方法与传统的虚拟同步机控制相比，通过自适应优化算法，以及下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数的关系，保证三者的协同的实时变化，实现虚拟同步机的惯量控制与一次调频的协同控制。
本发明提出的虚拟同步机的惯量控制与一次调频的协同控制不需要虚拟同步机的主电路拓扑，只在控制部分进行优化，具体实现方便。
本发明与现有技术相比较，本发明的控制效果更好：频率偏差更小，频率变化率更低、调节时间更短。
附图说明
图1是本发明提出的一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法的流程图；
图2是本发明提出的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制系统应用于传统的同步机系统中的示意图；
图2中的附图标记说明如下：
VSG-三相全桥逆变器，R-滤波电阻，L-滤波电感，C-滤波电容，Rg-线路电阻，Lg-线路电感，RLa、RLb、RLc-三相滤波电阻，La、Lb、Lc-三相滤波电感，Ca、Cb、Cc-三相滤波电容，Rga、Rgb、Rgc-三相线路电阻，Lga、Lgb、Lgc-三相线路电感，uga、ugb、ugc-三相电网电压，U-VSG经LC滤波后输出的电压；
Pe、Qe-变流器输出的有功、无功功率，iabc_inv、uabc_inv-VSG经LC滤波后输出的三相电流和三相电压，ωN-系统额定角频率，s-拉普拉斯算子，D-阻尼系数，J-虚拟惯量，KP-下垂系数，Pref、Qref-系统有功指令、无功指令，KV-电压调节系数，K-积分环系数，E-虚拟电势指令，Un-给定电压的幅值，Uinv-变换器输出的三相电压有效值，δ-输出的功角，Rr-定子电阻，Lr-定子电感，u-电枢端电压，iLabc-三相滤波电感电流，uabc_ref-调制电压参考值，gPWM-调制信号，Udc-直流侧电压，Pm-机械功率，w-系统角频率，eabc-合成电势，g1～g6-6个开关管的导通信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提出了一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，包括：初值计算，协同控制数学逻辑推导，虚拟惯量以及阻尼系数自适应控制优化和下垂系数同步控制。如图1所示，方法包括如下步骤：
步骤1，建立虚拟同步机有功环的闭环传递函数，得到系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；根据最优阻尼比，利用自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别计算得到虚拟惯量的初始值、阻尼系数的初始值以及下垂系数的初始值；
步骤1包括：
步骤1.1，通过虚拟同步机并网等效电路，假设虚拟同步机运行于感性线路下，则虚拟同步机输出的有功功率Pe为：
式中，
δ为虚拟同步机输出的功角，
E为逆变器输出电压有效值，
U为公共点电压有效值，
X为线路阻抗。
步骤1.2，根据功率-频率控制环，推导出虚拟同步机有功环的闭环传递函数为：
式中，
Pref为有功功率参考值，
ωN为系统额定角频率，
s为拉普拉斯算子，
D为阻尼系数，
J为虚拟惯量，
KP为下垂系数。
步骤1.3，系统对应的自然振荡角频率ωn以及阻尼比ξ分别为：
步骤1.4，选取最佳阻尼比带入，分别计算出虚拟惯量J、阻尼系数D以及下垂系数KP的初始值。
值得注意的是，本发明实施例中最优阻尼比为0.707是一种非限制性的较优选择。
步骤2，依据自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，得到下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系。
下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系为：
步骤3，系统受到扰动产生振荡时，根据角频率偏差量以及角频率变化率，结合虚拟惯量的初始值和阻尼系数的初始值，实时调整虚拟惯量合阻尼系数，实现自适应控制。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1，实时检测系统的角频率偏差量Δω和角频率变化率dω/dt；
步骤3.2，虚拟惯量J的选取由角频率偏差量Δω和角频率变化率dω/dt同时决定：当Δω和dω/dt变化方向相同时，需增加虚拟惯量J；当Δω和dω/dt变化方向相反时，需保持虚拟惯量J不变。具体如下：
式中，
J0为虚拟惯量初始值，
kJ为虚拟惯量自适应调整系数；
步骤3.3，阻尼系数D的选取由Δω和dω/dt同时决定：当Δω和dω/dt变化方向相同时，需增加阻尼系数D；当Δω和dω/dt变化方向相反时，需保持阻尼系数D不变。具体如下：
式中，
D0为虚拟惯量初始值，
kD为虚拟惯量自适应调整系数。
步骤4，设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应控制的取值范围，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。
步骤4包括：
步骤4.1，设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比为0.707；
步骤4.2，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应优化控制的取值范围；其中，
虚拟惯量自适应优化控制的取值范围如下：
式中，
Pmax为系统最大可承受功率，
ω为系统角频率；
阻尼系数自适应优化控制的取值范围如下：
式中，
Pmin为VSG在储能装置支撑下的最小输出功率，
ωmax为系统角频率最大值；
ωmin为系统角频率最小值；
为保证系统稳定运行，参照现行国家标准电力系统频率偏差(50±0.2Hz)对系统角频率进行限制。
步骤4.3，设置整个算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。
算法的启动阈值Nw的取值满足如下关系式：
式中，
D为阻尼系数，
J为虚拟惯量，
ΔP为功率扰动，
Δf为系统允许的频率偏差。
本发明另一方面还提出了一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制系统，包括：
初始值计算模块，数学逻辑关系设置模块，虚拟惯量与阻尼系数控制模块，协同自适应控制模块；
初始值计算模块，用于建立虚拟同步机有功环的闭环传递函数，得到系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；根据最优阻尼比，利用自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别计算得到虚拟惯量的初始值、阻尼系数的初始值以及下垂系数的初始值；
数学逻辑关系设置模块，用于依据自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，得到下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系；
虚拟惯量与阻尼系数控制模块，用于系统受到扰动产生振荡时，根据角频率偏差量以及角频率变化率，结合虚拟惯量的初始值和阻尼系数的初始值，实时调整虚拟惯量和阻尼系数，实现自适应控制；
协同自适应控制模块，用于设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应优化控制的取值范围，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。
图2是本发明虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制系统应用于传统的虚拟同步机系统中，虚拟同步机系统包括：系统主电路(如图2中等效图所示)和控制结构(如图2中VSG控制框图所示)。系统主电路包括：三相全桥逆变器VSG，滤波电阻R，滤波电感L，滤波电容C，线路电阻Rg，线路电感Lg。将系统主电路的等效图转换为VSG控制结构图，包括：6个开关管，三相滤波电阻RLa、RLb、RLc，三相滤波电感La、Lb、Lc，三相滤波电容Ca、Cb、Cc，三相线路电阻Rga、Rgb、Rgc，三相线路电感Lga、Lgb、Lgc，三相电网电压uga、ugb、ugc。进一步，三相全桥逆变器VSG侧的电压包括：虚拟电势指令E和输出的功角δ，VSG经LC滤波后输出的电压为U、相角为0°。从等效图可以看出，逆变器数学模型和同步发电机电气模型相似。直流侧电源可类比为原动机，而经过控制策略控制的DC/AC逆变器可以等效为同步发电机，在外特性上显示出与同步发电机同样的特性。
从VSG控制框图可见，控制结构包括：功频控制器，励磁控制器，电压电流双闭环控制器和PWM发生器。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的协同控制方法与传统的虚拟同步机控制相比，通过自适应优化算法，以及下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数的关系，保证三者的协同的实时变化，实现虚拟同步机的惯量控制与一次调频的协同控制。
本发明提出的虚拟同步机的惯量控制与一次调频的协同控制不需要虚拟同步机的主电路拓扑，只在控制部分进行优化，具体实现方便。
本发明与现有技术相比较，本发明的控制效果更好：频率偏差更小，频率变化率更低、调节时间更短。
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
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 (12)

1.一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，建立虚拟同步机有功环的闭环传递函数，得到系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；根据最优阻尼比，利用自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别计算得到虚拟惯量的初始值、阻尼系数的初始值以及下垂系数的初始值；
步骤2，依据自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，得到下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系；下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系为：
式中，D为阻尼系数，J为虚拟惯量，KP为下垂系数；
步骤3，系统受到扰动产生振荡时，根据角频率偏差量以及角频率变化率，结合虚拟惯量的初始值和阻尼系数的初始值，实时调整虚拟惯量和阻尼系数，实现自适应控制，包括：角频率偏差量和角频率变化率变化方向相同时增加虚拟惯量和阻尼系数，角频率偏差量和角频率变化率变化方向相反时保持虚拟惯量和阻尼系数不变；
步骤4，设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应控制的取值范围，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块；
其中，虚拟惯量自适应控制的取值范围如下：
式中，Jmax为虚拟惯量的上限，Pmax为系统最大可承受功率，ω为系统角频率；
阻尼系数自适应控制的取值范围如下：
式中，ωN为系统额定角频率，KP为下垂系数，Pmin为VSG在储能装置支撑下的最小输出功率，ωmax为系统角频率最大值，ωmin为系统角频率最小值；
算法的启动阈值Nw的取值满足如下关系式：
式中，D为阻尼系数，J为虚拟惯量，ΔP为功率扰动，Δf为系统允许的频率偏差。
2.根据权利要求1所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
步骤1包括：
步骤1.1，通过虚拟同步机并网等效电路，假设虚拟同步机运行于感性线路下；
步骤1.2，根据功率-频率控制环，推导出虚拟同步机有功环的闭环传递函数；
步骤1.3，根据闭环传递函数确定系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；
步骤1.4，选取最佳阻尼比带入自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，分别计算出虚拟惯量J、阻尼系数D以及下垂系数KP的初始值。
3.根据权利要求2所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
步骤1.1中，虚拟同步机输出的有功功率Pe为：
式中，
δ为虚拟同步机输出的功角，
E为逆变器输出电压有效值，
U为公共点电压有效值，
X为线路阻抗。
4.根据权利要求3所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
虚拟同步机有功环的闭环传递函数为：
式中，
Pref为有功功率参考值，
ωN为系统额定角频率，
s为拉普拉斯算子，
D为阻尼系数，
J为虚拟惯量，
KP为下垂系数。
5.根据权利要求4所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别为：
式中，
ωn为自然振荡角频率函数，
ξ为阻尼比函数。
6.根据权利要求1所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
最优阻尼比为0.707。
7.根据权利要求1所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
步骤3包括：
步骤3.1，实时检测系统的角频率偏差量Δω和角频率变化率dω/dt；
步骤3.2，虚拟惯量J的选取由角频率偏差量Δω和角频率变化率dω/dt同时决定：当Δω和dω/dt变化方向相同时，需增加虚拟惯量J；当Δω和dω/dt变化方向相反时，需保持虚拟惯量J不变；
步骤3.3，阻尼系数D的选取由Δω和dω/dt同时决定：当Δω和dω/dt变化方向相同时，需增加阻尼系数D；当Δω和dω/dt变化方向相反时，需保持阻尼系数D不变。
8.根据权利要求7所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
步骤3.2，虚拟惯量J的选取如下：
式中，
J0为虚拟惯量初始值，
kJ为虚拟惯量自适应调整系数。
9.根据权利要求7所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
步骤3.3，阻尼系数D的选取如下：
式中，
D0为虚拟惯量初始值，
kD为虚拟惯量自适应调整系数。
10.根据权利要求6所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
步骤4包括：
步骤4.1，设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比为0.707；
步骤4.2，计算虚拟惯量、阻尼系数自适应控制的取值范围；
步骤4.3，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块。
11.根据权利要求1所述的虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制方法，其特征在于，
参照现行国家标准电力系统频率偏差50±0.2Hz对系统角频率进行限制。
12.一种虚拟同步机惯量与一次调频协同自适应控制系统，用于实现权利要求1-11任一项权利要求所述方法，其特征在于，
系统包括：初始值计算模块，数学逻辑关系设置模块，虚拟惯量与阻尼系数控制模块，协同自适应控制模块；
初始值计算模块，用于建立虚拟同步机有功环的闭环传递函数，得到系统对应的自然振荡角频率函数以及阻尼比函数；根据最优阻尼比，利用自然振荡角频率函数以及阻尼比函数分别计算得到虚拟惯量的初始值、阻尼系数的初始值以及下垂系数的初始值；
数学逻辑关系设置模块，用于依据自然振荡角频率函数以及阻尼比函数，得到下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系；下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系为：
式中，D为阻尼系数，J为虚拟惯量，KP为下垂系数；
虚拟惯量与阻尼系数控制模块，用于系统受到扰动产生振荡时，根据角频率偏差量以及角频率变化率，结合虚拟惯量的初始值和阻尼系数的初始值，实时调整虚拟惯量和阻尼系数，实现自适应控制，包括：角频率偏差量和角频率变化率变化方向相同时增加虚拟惯量和阻尼系数，角频率偏差量和角频率变化率变化方向相反时保持虚拟惯量和阻尼系数不变；
协同自适应控制模块，用于设置下垂系数与虚拟惯量、阻尼系数之间的数学逻辑关系中的阻尼比，设置虚拟惯量、阻尼系数自适应优化控制的取值范围，设置算法的启动阈值，动态地调整下垂系数的大小，再将计算出的下垂系数实时传输至虚拟调速器模块，其中，虚拟惯量自适应控制的取值范围如下：
式中，Jmax为虚拟惯量的上限，Pmax为系统最大可承受功率，ω为系统角频率；
阻尼系数自适应控制的取值范围如下：
式中，ωN为系统额定角频率，KP为下垂系数，Pmin为VSG在储能装置支撑下的最小输出功率，ωmax为系统角频率最大值，ωmin为系统角频率最小值；
算法的启动阈值Nw的取值满足如下关系式：
式中，D为阻尼系数，J为虚拟惯量，ΔP为功率扰动，Δf为系统允许的频率偏差。
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