CN116505578A - 一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法及装置 - Google Patents
一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本方案公开了智能电网技术领域的一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据采集第i个虚拟同步的本地电压信息和电流信息；步骤2：获取自适应惯性项；再根据线路电流角频率信息、电压角频率、阻尼初始系数以及自适应阻尼控制系数，获取自适应阻尼项；步骤3：根据步骤2结合步骤1获取角频率微分项；再根据角频率微分项，计算第i个虚拟同步机的角频率，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考量；步骤4：利用电压调节模块对第i个虚拟同步机进行调节。本方案解决了串联型虚拟同步机功率振荡和频率振荡问题。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，特别涉及一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法及装置。
背景技术
进行能源革命，调整能源结构，允许大规模可再生能源接入，已成为电力系统发展的必由之路。微电网已成为可再生能源接入电网的有效途径，串联和并联是组成微电网的两种基本架构。随着可再生能源比重的增加，系统低惯性和欠阻尼特征凸显，当系统发生扰动时，将会发生功率振荡和频率振荡，甚至引发连锁故障导致系统失稳，发生大面积停电。因此，探索系统功率振荡抑制控制方法具有重要意义。
虚拟同步机技术已广泛应用到电力网络中，能够为电网提供惯性和阻尼支撑，能够有效的抑制功率振荡和频率振荡，塑造系统较好的动态性能。目前针对虚拟同步机控制方法的研究主要针对并联系统，着重针对功率振荡机理分析和功率振荡抑制做了大量的研究工作。但由于并联结构和串联结构的差异性，并联结构中的虚拟同步机控制方法不能够直接用于串联系统中。为了有效抑制串联系统中的功率振荡，需要将虚拟同步机技术拓展到串联系统当中。
目前，针对串联型虚拟同步机技术的研究较少，有文献提出了分散式互阻尼的控制方法，可以有效的抑制串联系统的功率振荡。但该方法没有很好的利用串联型虚拟同步机惯性和阻尼这两个自由度，来提高系统整体的动态性能。因此，非常有必要探索分散式自适应虚拟惯性和阻尼结合的串联型虚拟同步机控制方法抑制系统的频率振荡，改善系统的动态性能。
发明内容
本发明意在提供一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法及装置，以解决串联型虚拟同步机功率振荡和频率振荡问题。
本方案中的一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法及装置，包括以下步骤：
步骤1：根据采集第i个虚拟同步的本地电压信息和电流信息，计算有功功率、无功功率、线路电流角频率和电压角频率；
步骤2：根据步骤1的线路电流角频率信息、电压角频率、惯性初始系数以及自适应惯性控制系数，获取自适应惯性项；再根据线路电流角频率信息、电压角频率、阻尼初始系数以及自适应阻尼控制系数，获取自适应阻尼项；
步骤3：根据步骤2所述自适应惯性项和自适应阻尼项，结合步骤1所述有功功率、无功功率，获取角频率微分项；再根据角频率微分项，计算第i个虚拟同步机的角频率，将第i个虚拟同步机的电压幅值设为定值，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考量；
步骤4：根据步骤3所述的正弦电压参考量，利用电压调节模块对第i个虚拟同步机进行调节。
进一步，步骤2中第i个虚拟同步机自适应惯性项和自适应阻尼项的计算方法如下：根据本地采集电压角频率ωi、线路电流角频率ωcom,i，初始惯性系数J0i，自适应惯性控制系数kJ，以及角频率微分项dωDi/dt，获取第i个虚拟同步机自适应惯性项，其表达式为：
再根据初始阻尼系数D0i，自适应阻尼控制系数kD，取第i个虚拟同步机自适应阻尼项，其表达式为：
进一步，步骤3中第i个虚拟同步机的正弦电压参考量的计算方法包括：根据有功功率Pi和无功功率Qi，步骤2所述自适应惯性项和自适应阻尼项，获取第i个虚拟同步机角频率微分项，其表达式为：
式中，P*为额定有功功率，ω*为额定角频率，ωDi＝ωi-ω*；sgn(·)为符号函数。
根据所述角频率微分项，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考ui，其表达式为ui＝Visin(ωit)，其中
式中，V*为第i个虚拟同步机设定电压幅值，为常数。
进一步，步骤4中第i个虚拟同步机的电压调节模块包括电压外环和电流内环控制器，根据正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环控制器，用于对第i个虚拟同步机进行电压跟踪，使得输出电压与给定的正弦电压参考一致。
进一步，电压调节模块包括电压外环模块、电流内环模块以及PWM调制模块，电压外环模块与电流内环模块的输出作为PWM调制模块的输入，PWM调制模块的输出用于控制H桥虚拟同步机各开关管的开通和关断。
本方案工作原理：本方案根据采集第i个虚拟同步机本地的电压信息和电流信息，计算有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率；根据线路电流角频率信息、电压角频率、惯性初始系数以及自适应惯性控制系数，获取自适应惯性项；再根据所述线路电流角频率信息、电压角频率、阻尼初始系数以及自适应阻尼控制系数，获取自适应阻尼项；根据所述有功功率、无功功率，结合所述自适应虚拟惯性项和自适应阻尼项，获取第i个虚拟同步机的角频率微分项；根据所述角频率微分项，将第i个虚拟同步机的电压幅值参考量设定为定值，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考量。根据所述正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个虚拟同步机进行调节，实现对系统的控制。根据本发明提供的串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法，能够有效的抑制系统频率振荡，改善系统的动态性能，提高系统的可靠性，确保系统的可靠供电。
本方案的有益效果：现有控制方法仅利用阻尼或惯性两个自由度中的一个自由度，用于实现系统的功率振荡抑制和频率振荡抑制，但这两个自由度没有很好的发挥作用，振荡抑制效果还有提升的空间。而本方案提出了分散式自适应虚拟惯性和虚拟结合的串联型虚拟同步控制方法，可以有效的利用惯性和阻尼两个调节自由度实现功率振荡抑制控制，进一步改善系统的动态性能。本方案是一种完全分散式的控制方式，不需要各虚拟同步机之间的通讯，仅需要本地电压电流信息便可构造控制器，系统可靠性高，能够根据实时采样动态调节惯性和阻尼系数，改善系统的动态性能，不影响系统的稳态特征。本方案中有利于推动可再生能源的接入和消纳，为电力电子化网络的建设奠定技术基础。可以解决串联型虚拟同步机功率振荡和频率振荡的问题。
社会效果：能够有效的抑制功率振荡和频率振荡，改善系统的动态性能，提高系统的稳定性，进而提高供电可靠性，为国民经济发展和人们的日常生活提供必要保障。
经济效果：可再生能源具有随机性和波动性，解决好功率振荡问题，有利于促进可再生能源的消纳，进而减小化石燃料的消耗，降低总的用电成本，具有较好的经济效益。
技术效果：利用串联型虚拟同步机惯性和阻尼两个自由度，能够有效的抑制系统功率振荡，改善系统的动态性能。该方法仅需利用本地信息构造控制器，是一种完全分散式的控制方式，有利于提高系统的可靠性，能够基于实时采集的信息，对惯性和阻尼系数进行动态调节，改善系统的动态性能，但不影响系统的问题性能。
附图说明
图1为本发明串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性控制方法流程图；
图2为根据本发明实施例的系统结构框图；
图3为根据本发明实施例的控制框图；
图4为根据本发明实施例的自适应惯性固定阻尼参数下功率振荡仿真波形图；
图5为根据本发明实施例的自适应惯性固定阻尼参数下频率振荡仿真波形图；
图6为根据本发明实施例的所提自适应虚拟惯性和自适应阻尼参数下功率振荡仿真波形图；
图7为根据本发明实施例的所提自适应虚拟惯性和自适应阻尼下频率振荡仿真波形图；
图8为根据本发明实施例的串联型虚拟同步机分散式自适应惯性和阻尼控制装置示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
基于图1对应实施例提供的方法，本发明实施例提供了一种串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性控制方法。该方法包括：
步骤1，根据第i个虚拟同步机采集的本地电压电流信息，求出输出的有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率；
步骤2，根据步骤1中的线路电流角频率信息、电压角频率、惯性初始系数以及自适应惯性控制系数，获取自适应惯性项；再根据线路电流角频率信息、电压角频率、阻尼初始系数以及自适应阻尼控制系数，获取自适应阻尼项。
有功功率和无功功率，结合本地采集线路电流交频率，角频率、阻尼系数、额定惯性系数以及控制系数，获取第i个虚拟同步机的角频率微分项；
步骤3，根据所述自适应惯性项和自适应阻尼项，根据所述有功功率和无功功率，获取第i个虚拟同步机的角频率微分项。再根据第i个虚拟同步机的设定的电压幅值，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考量；
步骤4，根据所述正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对相应的虚拟同步机进行调节跟踪。
需要说明的是，本发明提出的方法适用于图2所示的串联型虚拟同步机结构图，该方法的控制框图如图3所示。其中，串联型虚拟同步机系统中包含的串联虚拟同步机数目没有范围限定。具体地，在本实施例中，相关电路参数值如表1所示。其中，串联型虚拟同步机系统包括3个虚拟同步机模块，每个虚拟同步机对应一个本地控制器。虚拟同步机为基于DC/AC虚拟同步机。每个虚拟同步机出口处接有LC滤波器。LC滤波器串联经线路阻抗(感性)接到负载。每个虚拟同步机包括有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率计算模块，自适应惯性项、自适应阻尼项获取模块，角频率微分项、电压参考量获取模块、电压调节模块(含电压外环电流内环模块和PWM调制模块)。
表1
为了构建第i个虚拟同步机的电压参考量，首先获取第i个虚拟同步机的有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率。
其中，步骤2，获取线路电流角频率、电压角频率之后，需要获取第i个虚拟同步机的自适应虚拟惯性项和自适应阻尼项。具体地，在本实施例中，电压角频率ωi、线路电流角频率ωcom,i，初始惯性系数J0i，自适应惯性控制系数kJ，以及角频率微分项dωDi/dt，第i个虚拟同步机自适应惯性项Ji为：
再根据初始阻尼系数D0i，自适应阻尼控制系数kD，第i个虚拟同步机自适应阻尼项Di为：
其中，步骤3，基于所述自适应惯性项和自适应阻尼项，获取第i个虚拟同步机角频率微分项并构造其正弦电压参考量。具体地，在本实施例中，根据有功功率Pi和无功功率Qi，步骤2所述自适应惯性项和自适应阻尼项，第i个虚拟同步机角频率微分项dωDi/dt为：
第i个虚拟同步机角频率正弦电压参考ui，其表达式为ui＝Visin(ωit)，其中
式中，V*为第i个虚拟同步机设定电压幅值，为常数。
步骤4，根据步骤3所述的正弦电压参考量，利用电压调节模块对第i个虚拟同步机进行调节，实现对系统频率振荡的抑制控制，电压调节模块包括电压外环和电流内环控制器，根据正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环控制器，用于对第i个虚拟同步机进行电压跟踪，使得输出电压与给定的正弦电压参考一致。
基于所述虚拟同步机的电压参考量，对所述虚拟同步机对应的电压进行调节。采用电压外环电流内环控制，跟踪给定的电压参考量，使得对应的虚拟同步机工作在电压源模式。
本实施例提出的一种串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性控制方法及装置，根据采集第i个虚拟同步机的电压电流信息，计算有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率；根据所述线路电流角频率信息、电压角频率、惯性初始系数以及自适应惯性控制系数，获取自适应惯性项，再根据所述线路电流角频率信息、电压角频率、阻尼初始系数以及自适应阻尼控制系数，获取自适应阻尼项；根据所述自适应惯性项和自适应阻尼项，获取第i个虚拟同步机的角频率微分项，再根据设定的电压幅值，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考量。根据所述正弦电压参考量，利用电压外环电流内环对第i个虚拟同步机进行调节，实现对系统频率振荡抑制控制。根据本发明提供的一种串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法及装置，能够实现对动态频率振荡的抑制，从而改善了系统的动态性能，为用户提供高质量的电能。
根据本实施例所采用的串联型微电网结构，按照串联虚拟同步机数量为3，额定有功功率为1000W，额定电压幅值为311/3V，各虚拟同步机初始阻尼系数为100，第一个虚拟同步机初始惯性系数为15，第二个虚拟同步机额定惯性系数为30，第三个虚拟同步机额定惯性系数为45，进行了仿真验证。
对按照串联虚拟同步机数量为3、额定有功功率为1000W、额定电压幅值为311/3V的方式，当自适应控制系数kJ＝5且kD＝0时，采用仿真软件进行仿真所得的有功功率振荡仿真波形图如图4所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为对应的值，单位为W。
对于按照自适应控制系数kJ＝5且kD＝0，采用仿真软件进行仿真所得的频率振荡仿真波形图如图5所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为频率值，单位为Hz。
对于按照自适应控制参数kJ＝5且kD＝0.5的方式，采用仿真软件进行仿真所得的有功功率振荡仿真波形图如图6所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为输出有功功率，单位为W。
对按照自适应控制参数kJ＝5且kD＝0.5的方式，采用仿真软件进行仿真所得的频率振荡仿真波形图如图7所示。其中，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为对应的频率值，单位为Hz。
对比仿真波形图4与仿真波形图6，仿真波形图5与仿真波形图7，所提分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法能够抑制系统的功率振荡和频率振荡。
由此可知，本发明提出的获取参考量频率和参考量电压的方法实现了串联型虚拟同步机的分散式自适应控制运行，能够抑制系统的功率振荡，改善了系统的动态性能。
如图8所示，根据本发明的另一个方面，提出的一种串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制装置，该控制装置包括有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率计算模块，自适应虚拟惯性项、自适应阻尼项获取模块，角频率微分项、电压参考量获取模块、电压调节模块，通过有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率计算模块，用于获取所述第i个虚拟同步机的有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率；通过自适应虚拟惯性项自适应阻尼项获取模块，用于获取第i个虚拟同步机的自适应虚拟惯性项和自适应阻尼项；角频率微分项、电压参考量获取模块，用于获取所述第i个虚拟同步机的角频率微分项和正弦电压参考；通过电压调节模块，用于调节第i个虚拟同步机工作在电压源模式。具体的，所述有功功率、无功功率、线路电流角频率、电压角频率计算模块用于执行串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法中的步骤1，自适应惯性项、自适应阻尼项角频率微分项和电压参考量获取模块分别用于执行步骤2-3，电压调节模块用于执行步骤4。
第i个虚拟同步机的电压调节模块包括电压外环电流内环模块以及PWM调制模块，从而构成一个双闭环的电压源自动控制系统。
通过本发明提供的一种串联型虚拟同步机分散式自适应虚拟惯性控制方法和装置，能够抑制系统的频率和功率振荡，改善系统的动态性能，提高系统的稳定性，为用户提供高质量的电能。
作为一种可选实施例，所述电压参考量获取模块具体用于串联型虚拟同步机系统的第i个虚拟同步机，根据自适应惯性项和自适应阻尼项的计算获取角频率微分项，进而获取第i个虚拟同步机的电压参考量。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据采集第i个虚拟同步的本地电压信息和电流信息，计算有功功率、无功功率、线路电流角频率和电压角频率；
步骤2：根据步骤1的线路电流角频率信息、电压角频率、惯性初始系数以及自适应惯性控制系数，获取自适应惯性项；再根据线路电流角频率信息、电压角频率、阻尼初始系数以及自适应阻尼控制系数，获取自适应阻尼项；
步骤3：根据步骤2所述自适应惯性项和自适应阻尼项，结合步骤1所述有功功率、无功功率，获取角频率微分项；再根据角频率微分项，计算第i个虚拟同步机的角频率，将第i个虚拟同步机的电压幅值设为定值，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考量；
步骤4：根据步骤3所述的正弦电压参考量，利用电压调节模块对第i个虚拟同步机进行调节，实现对系统频率振荡的抑制控制。
2.根据权利要求1所述的一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法，其特征在于：步骤2中第i个虚拟同步机自适应惯性项和自适应阻尼项的计算方法如下：
根据本地采集电压角频率ωi、线路电流角频率ωcom,i，初始惯性系数J0i，自适应惯性控制系数kJ，以及角频率微分项dωDi/dt，获取第i个虚拟同步机自适应惯性项，其表达式为：
再根据初始阻尼系数D0i，自适应阻尼控制系数kD，取第i个虚拟同步机自适应阻尼项，其表达式为：
3.根据权利要求2所述的一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法，其特征在于：步骤3中第i个虚拟同步机的正弦电压参考量的计算方法包括：
根据有功功率Pi和无功功率Qi，步骤2所述自适应惯性项和自适应阻尼项，获取第i个虚拟同步机角频率微分项，其表达式为：
式中，P*为额定有功功率，ω*为额定角频率，ωDi＝ωi-ω*；sgn(·)为符号函数。
根据所述角频率微分项，获取第i个虚拟同步机的正弦电压参考ui，其表达式为ui＝Visin(ωit)，其中
式中，V*为第i个虚拟同步机设定电压幅值，为常数。
4.根据权利要求3所述的一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法，其特征在于：步骤4中第i个虚拟同步机的电压调节模块包括电压外环和电流内环控制器，根据正弦电压参考量，利用电压外环和电流内环控制器，用于对第i个虚拟同步机进行电压跟踪，使得输出电压与给定的正弦电压参考一致。
5.根据权利要求5所述的一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制方法，其特征在于：电压调节模块包括电压外环模块、电流内环模块以及PWM调制模块，电压外环模块与电流内环模块的输出作为PWM调制模块的输入，PWM调制模块的输出用于控制H桥虚拟同步机各开关管的开通和关断。
6.一种串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制装置，其特征在于：包括控制程序模块，控制程序模块包含权利要求1-5任一项所述串联型虚拟同步机的分散式自适应虚拟惯性和阻尼控制的方法。
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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