CN116488211A - 一种用于单相光伏储能的vsg改进参数自适应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，包括：S1、通过同步发电机的运动方程的二阶暂态模型、功率与转矩的关系，推导出VSG模型的转子运动方程；S2、建立VSG系统的二阶传递函数模型，选取稳态时的虚拟转动惯量J和阻尼系数D；S3、根据改进参数自适应策略的传递函数，通过设置VSG系统的阻尼比，选定VSG系统的幅值裕度和相位裕度，求得虚拟转动惯量J和阻尼系数D的边界条件；S4、对VSG系统实际的频率和有功功率进行采样计算，代入改进参数自适应策略和边界条件中进行判断，得到自适应后的虚拟转动惯量J和阻尼系数D。本发明可以有效避免有功振荡和系统超调，同时动态响应性能得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟同步机控制技术领域，更具体地说，特别涉及一种用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法。
背景技术
光伏等可再生能源得到了大力发展，分布式储能逆变器作为近年来光伏领域发展的一个重点，其装机量不断提升。但相比于传统电力系统，逆变器并入电网时由于不具备同步发电机的惯性和阻尼系数，在负载或者电网突变时难以保持稳定，为解决该问题，虚拟同步机技术(virtual synchronous generator，VSG)应运而生。虚拟同步机技术可以通过虚拟转动惯量J和阻尼系数D模拟同步发电机的惯性和阻尼系数来维持系统的稳定，但是当外部扰动较大时，仍可能出现频率和电压幅值大幅波动的情况，严重时有可能造成器件损坏危害系统稳定性。
针对上述问题，有研究者提出各种转动惯量和阻尼系数自适应调节策略，但大多数研究是基于转动惯量或阻尼系数进行自适应调整，未将转动惯量和阻尼系数协同分析；少数研究利用径向基函数神经网络算法、改进的粒子群算法和深度神经网络各种智能算法对VSG参数进行优化以提高系统稳定性，但其结构过于复杂且实现过程繁琐，对控制芯片有较高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，包括以下步骤：
S1、通过同步发电机的运动方程的二阶暂态模型、功率与转矩的关系，推导出VSG模型的转子运动方程；
S2、建立VSG系统的二阶传递函数模型，选取稳态时的虚拟转动惯量J和阻尼系数D；
S3、根据改进参数自适应策略的传递函数，通过设置VSG系统的阻尼比，选定VSG系统的幅值裕度和相位裕度，求得虚拟转动惯量J和阻尼系数D的边界条件；
S4、对VSG系统实际的频率和有功功率进行采样计算，代入改进参数自适应策略和边界条件中进行判断，得到自适应后的虚拟转动惯量J和阻尼系数D。
进一步地，所述步骤S1中VSG模型的转子运动方程为：
式中，Pm为额定有功功率，Pe为输出有功功率，J为虚拟惯性系数，D为虚拟阻尼系数，ωm为输出电压的实际角速度，ω0为给定的参考角速度。
进一步地，所述步骤S2中VSG系统的二阶传递函数模型为：
其中：
式中，ξ为阻尼比，ωn为自然角速度，ts为回复时间，σ为超调量，U为输出电压，Ugrid为交流母线电压，X为线路阻抗。
进一步地，所述步骤S3中的改进参数自适应策略的传递函数为：
进一步地，所述步骤S3中VSG系统的幅值裕度h和相位裕度γ为：
得到自适应后的虚拟转动惯量J和阻尼系数D为：
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，相比于传统的自适应策略，将虚拟转动惯量J和阻尼系数D联系起来，并综合考虑了频率的变化率对策略的影响，可以有效避免有功振荡和系统超调，同时动态响应性能得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的VSG控制原理图。
图2是本发明阻尼比边界为曲线簇的两条特征曲线图。
图3是本发明改进型自适应策略关于J与D的流程图。
图4是本发明的控制环路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明提供一种用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，包括以下步骤：
步骤S1、通过同步发电机的运动方程的二阶暂态模型、功率与转矩的关系，推导出VSG模型的转子运动方程。
具体的，参阅图1所示，为本发明的VSG控制原理图，其中Lf为滤波电感，Cf为滤波电容，Zline为逆变器输出到交流母线的线路阻抗，Pe、Q为分别逆变器输出的有功功率、无功功率。
由同步发电机的运动方程的二阶暂态模型、功率与转矩的关系可得：
式中，Tm为机械转矩，Te为电磁转矩，J0为惯性系数，D0为阻尼系数，ωgrid为电网角频率，Pm为机械功率，ωm为实际角速度。
根据公式(1)整理可得VSG的转子运动方程：
为模拟同步发电机的特性，在基于VSG的逆变器中，视Pm为额定有功功率，Pe为输出有功功率，J为虚拟惯性系数，其大小为J0，D为虚拟阻尼系数，其大小为D0ωm，ωm为输出电压的实际角速度，ω0为给定的参考角速度。
步骤S2、建立VSG系统的二阶传递函数模型，选取稳态时的虚拟转动惯量J和阻尼系数D。
具体的，逆变器并联系统中的传统下垂控制见式(3)，其中kp为有功下垂系数，结合式(2)和式(3)，可得式(4)，为本系统的有功控制方程。
Pm＝P0+kp(ω0-ωm) (3)
由VSG的下垂控制，当输出的线路阻抗呈感性为X且输出电压U与交流母线电压Ugrid的相位差δ足够小时，有：
其中：
δ＝∫(ωm-ωgrid) (6)
对时间进行一阶与二阶求导：
将上式(7)(8)代入式(4)得：
进行拉氏变换：
得到经典二阶传递函数，与传统二阶闭环函数比较：
得到：
式中，ξ为阻尼比，ωn为自然角速度，ts为回复时间，σ为超调量，U为输出电压，Ugrid为交流母线电压，X为线路阻抗，由式(12)可知，VSG系统的动态响应性能由J、D所决定。D的取值过小会引起欠阻尼振荡，过大会引起响应速度变慢；J的取值过大会引起剧烈的振荡，过小会引起响应速度变慢，综合取初始虚拟惯量J0＝15和阻尼系数D0＝1000。
若只考虑VSG有功控制内环的转子运动方程，即kp＝0，由式(12)化简可得：
若只考虑VSG有功控制内环的转子运动方程，即kp＝0，由式(12)化简可得：
令可得：
J＝D2c (15)
当时，
J0＝J＝D2c＝D0 2c (16)
当时，将式(16)代入式(13)，可得：
由上式(13)可得k与m的对应关系：
可得Jmax与系统允许有功功率变化值ΔP和系统允许频率变化值Δf有关：
上式为k表达式，可分析得k的取值与系统所允许的最大频率范围和系统所允许功率最大变化范围有关。
步骤S3、根据改进参数自适应策略的传递函数，通过设置VSG系统的阻尼比，选定VSG系统的幅值裕度和相位裕度，求得虚拟转动惯量J和阻尼系数D的边界条件。
具体的，本实施例针对上述特性，提出基于J值和D值的一种自适应策略：
为了使本控制系统阻尼适中、收敛快、响应快，本系统设计为欠阻尼系统。阻尼比ξ的取值范围为0-1。通过公式(11)、(12)得到式(24)，为本二阶系统的幅值裕度h与相位裕度γ。
幅值裕度大于0dB。一般系统要求相位裕度为45-90°，本系统取相位裕度为60°。得：
γ≥0.612 (25)
Gpo为本系统主极点，为缩短调节时间，使主极点远离虚轴，取值范围见式(27)：
通过公式(11)和(12)得到本系统的开环传递函数为：
在截止频率fc处，开环传递函数的幅值增益为1：
|Gpo(jωc)|＝1 (28)
得到：
由上式，得到：
得到截止频率fc的表达式：
为使系统稳定，即截止频率不超过系统频率，取截止频率为二倍系统频率f0的十分之一：
可得到D的边界条件：
参考国标GB/T 33593—2017《分布式电院并网技术要求》，取系统允许输出电压频率范围为49.5Hz-50.2Hz。根据EN50438标准，取本系统允许的输出有功功率为额定功率的40-100％。因为：
可以作为D的边界条件：
通过(24)与以上边界条件，得到D的取值范围如图2所示。
由式(14)可得到阻尼比取不同值情况下D关于J的幂函数曲线簇，图中所示阻尼比边界为曲线簇的两条特征曲线，分别取阻尼比的极大值与极小值。时间调节边界由式(26)得到。结合式(32)和(34)得到如图2所示Dmax、Dmin、Jmax、Jmin为：
改进型自适应策略关于J值与D值的流程图如图3所示，控制环路如图4所示。
步骤S4、对VSG系统实际的频率和有功功率进行采样计算，代入改进参数自适应策略和边界条件中进行判断，得到自适应后的虚拟转动惯量J和阻尼系数D。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过同步发电机的运动方程的二阶暂态模型、功率与转矩的关系，推导出VSG模型的转子运动方程；
S2、建立VSG系统的二阶传递函数模型，选取稳态时的虚拟转动惯量J和阻尼系数D；
S3、根据改进参数自适应策略的传递函数，通过设置VSG系统的阻尼比，选定VSG系统的幅值裕度和相位裕度，求得虚拟转动惯量J和阻尼系数D的边界条件；
S4、对VSG系统实际的频率和有功功率进行采样计算，代入改进参数自适应策略和边界条件中进行判断，得到自适应后的虚拟转动惯量J和阻尼系数D。
2.根据权利要求1所述的用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，其特征在于，所述步骤S1中VSG模型的转子运动方程为：
式中，Pm为额定有功功率，Pe为输出有功功率，J为虚拟惯性系数，D为虚拟阻尼系数，ωm为输出电压的实际角速度，ω0为给定的参考角速度。
3.根据权利要求1所述的用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，其特征在于，所述步骤S2中VSG系统的二阶传递函数模型为：
其中：
式中，ξ为阻尼比，ωn为自然角速度，ts为回复时间，σ为超调量，U为输出电压，Ugrid为交流母线电压，X为线路阻抗。
4.根据权利要求1所述的用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，其特征在于，所述步骤S3中的改进参数自适应策略的传递函数为：
5.根据权利要求1所述的用于单相光伏储能的VSG改进参数自适应方法，其特征在于，所述步骤S3中VSG系统的幅值裕度h和相位裕度γ为：
得到自适应后的虚拟转动惯量J和阻尼系数D为：
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117439167A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-23 | 厦门理工学院 | 一种计及RoCoF的VSG自适应参数优化控制方法 |
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2023
- 2023-05-12 CN CN202310536771.1A patent/CN116488211A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117439167A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-23 | 厦门理工学院 | 一种计及RoCoF的VSG自适应参数优化控制方法 |
| CN117439167B (zh) * | 2023-12-20 | 2024-03-15 | 厦门理工学院 | 一种计及RoCoF的VSG自适应参数优化控制方法 |
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