WO2024040781A1 - 一种微电网自适应虚拟同步控制方法、装置、介质、设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于储能和新能源技术领域，公开一种微电网自适应虚拟同步控制方法、装置、介质、设备，所述方法包括以下步骤：基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率。本发明提出了一种自适应虚拟同步控制方法来支持角频率稳定性，当频率偏离标称值时采用大惯量，而当频率返回标称频率时采用小惯量来加速系统动力，获得了改进的频率调节性能。

Description

一种微电网自适应虚拟同步控制方法、装置、介质、设备 技术领域

本发明涉及储能和新能源技术领域，特别涉及一种基于储能环节的微电网自适应虚拟同步控制方法、装置、介质、设备。

背景技术

由于化石燃料的短缺和环境污染的日益加重，可再生能源越来越受到重视。大多数分布式发电、光伏、风能、燃料电池和储能单元通过电力电子借口连接，形成自主微电网系统。微电网可以提供电力和/或热量，根据是否与大电网连接，微电网可以分为并网运行模式和孤网运行模式，在并网模式下，微电网电压/频率和供需功率平衡主要由公用电网保持；在孤岛模式下，基于逆变器的DG(分布式发电装置)应负责保持电压/频率稳定性并根据其相应的额定值维持适当的功率共享。

过去几年里，基于下垂概念的控制已成为基于逆变器的微电网的重要解决方案，因为其具有免通信和即插即用能力的显着特征。传统上，有功功率-频率(P-ω)下垂和无功功率-电压下垂(Q-V)用于根据输出功率命令为基于逆变器的DG生成频率和电压参考。因此，每个DG都有助于调节系统电压和频率。然而，由于缺乏像同步发电机(SG)那样的旋转动能，下垂控制的基于逆变器的微电网惯性小，不利于动态频率稳定性。特别是当静态DG机组的渗透率逐渐增加时，会导致电压/频率响应变差，甚至在大扰动时容易出现不稳定。

为了解决这个问题，虚拟同步发电机(VSG)提供了一个合适的解决方案。通过在DG旁边添加储能，虚拟惯性仿真技术被应用于光伏系统和全变流器风力机组。2007年，Beck和Hesse进行了VSG的首次实施。后来，一些改进的虚拟惯性控制方法被提出来实现阻尼功率振荡、频率鲁棒性、频率响应和功率解耦。特别是，一些学者构建了分布式电源同步逆变器，并分析了并网模式和孤岛模式下同步器的稳定性和参数设计。为了获得更好的同步器稳定性能，再次基础上，进行了虚拟电抗、虚拟电容以及抗饱和的一些研究。

为了进一步探索VSG的好处，近年来对可调惯性和阻尼技术进行了一些研究。由于基于逆变器的DG不受限于SG的物理限制，惯性和阻尼参数可以灵活地实时设计。Jaber和Toshifumi采用变化的惯性代替固定惯性，通过判读角速度及其变化率的状态确定惯性矩的取值。相比固定惯性的系统，该性能更快、更稳定。但是因为频率导数项的影响被忽略，并且只有两个惯性值，因此该控制方式比较容易受到干扰。部分文献中，下垂增益作为频率的函数导数项，其本质实际上是一个可变惯性，这种情况下，频率偏差受到干扰影响减少，但只有频率导数项被充分考虑才可能消除干扰的影响。有些学者提出了基于模糊理论的二次控制器的虚拟惯量控制方案，提高了微电网电压/频率的动态响应，然而文章并没有关于模糊决策的分析。有文献充分讨论了微电网系统中大惯量和小惯量的特点，并提出了并网逆变器虚拟惯量的概念。虚拟惯量可以有效实现微电网系统的快速响应，但是上述的控制方法均需活的频率导数实现对虚拟惯量的控制，而该参数对测量噪声非常敏感，容易造成一定程度的干扰。

发明内容

本发明实施例提供了一种微电网自适应虚拟同步控制方法、装置、介质、设备，以解决现有技术中并网逆变器虚拟惯量易受高频噪声影响，无法有效实现微电网系统的快速响应的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种微电网自适应虚拟同步控制方法；包括以下步骤：

基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；

基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；

根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；

利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率。

在一个实施例中，所述方法，包括：所述基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率的步骤，包括：

通过自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机控制方程构建虚拟同步发电机运动方程；其中，

构建自适应虚拟惯性数学方程的步骤，包括：

式中，J ₀为额定惯量，J为自适应补偿惯量，k为惯量补偿系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

构建虚拟同步发电机控制方程的步骤，包括：

式中，τ是低通滤波器的时间常数，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考值，m是P-ω下垂系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

设定

得到虚拟同步发电机运动方程：

式中，J为自适应补偿惯量，ω为参考角频率，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考，D _m为下垂阻尼系数，t为时间变量。

在一个实施例中，所述方法，包括：所述基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率的步骤，还包括：

根据自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机运动方程，得到如下计算公式(4)：

式中，P ^*为额定功率参考值，ω _s为转差频率；令ω _s＝ω-ω ^*，得到如下计算公式(5)：

P _rsrv＝P ^*-P          (6)

式中，P _rsrv为功率偏差，P ^*是额定功率参考值，ω _s表示转差频率，J ₀为额定惯量，k为惯量补偿系数，D _m为下垂阻尼系数，

为ω _s的导数；

结合式(4)到式(6)，得到基于自适应虚拟惯性算法的有功功率和频率控制方程：

ω＝ω ^*+ω _s＝ω ^*+∫f(ω _s，P _rsrv)dt       (7)

式中，ω为参考角频率，ω _s表示转差频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，P _rsrv为功率偏差。

在一个实施例中，所述方法，包括：所述基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率的步骤，还包括：

基于如下选择原则确定参数下垂阻尼系数D _m、额定惯量J ₀和惯性补偿系数k，其中：

所述下垂阻尼系数D _m用于控制多个并网逆变器之间的功率分配；

所述惯性补偿系数k选择上限值；

所述额定惯量J ₀根据下垂阻尼系数D _m和惯性补偿系数k设定。

在一个实施例中，所述方法，包括：所述利用虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差的步骤，包括：

当Δω＞0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＞0，

时，系统频率返回标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率返回标称频率值；

其中，Δω为参考角频率偏差，ω _vsg为角速度，t为时间变量。

在一个实施例中，所述方法，包括：所述根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量的步骤，包括：

构建微电网的额定惯量方程：

其中，D _m为下垂阻尼系数，X ₁为线路阻抗，V ^*为母线电压幅值，V为变流器输出电压幅值，J ₀为额定惯量，ζ为阻尼比，δ ₀为电压相角参考值；

所述虚拟惯量包括大惯量和小惯量，所述大惯量为式(8)中J ₀的最大值，所述小惯量为式(8)中J ₀的最小值。

在一个实施例中，所述方法包括：所述利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率的步骤，包括：

将系统频率偏离标称频率值定义为加速段，在所述加速段采用大惯量加速微电网动力学；

将系统频率返回标称频率值定义为减速段，在所述减速段采用小惯量加速微电网动力学。

在一个实施例中，所述方法包括：所述下垂阻尼系数D _m通过如下步骤获得：

根据下垂特性，角频率在设定允许范围内，ω _max和ω _min是允许角频率的最大值和最小值，下垂系数m＝P-ω应满足：

式中，P _max和P _min为输出有功功率的最大值和最小值，P为输出有功功率，ω为参考角频率；

式中，

代表第i个分布式电源的额定容量。

在一个实施例中，所述方法包括：所述惯性补偿系数k通过如下步骤获得：

当角速度为实数时，需满足：

式中，J ₀为额定惯量，ω _s为转差频率，D _m为下垂阻尼系数，P _rsrv为功率偏差；

在两种极端情况时：

当ω _s＝ω ^*-ω _max，P _rsrv＝P ^*-P _min时，

当ω _s＝ω ^*-ω _min，P _rsrv＝P ^*-P _max时，

稳态条件下可以得到：

P ^*-P _min＝-D _m(ω ^*-ω _max)          (15)

P ^*-P _max＝-D _m(ω ^*-ω _max)          (16)

由式(13)～式(16)可得：

其中，

是允许的最大功率误差。

因此，惯性补偿系数需要满足：

在一个实施例中，所述方法包括：所述自适应补偿惯量J通过如下步骤获得：

采用功率容量表示自适应惯量最大值；

式中，J为自适应补偿惯量，J ₀为额定惯量，k为惯量补偿系数，ω _s为转差频率，J _max为自适应惯量最大值。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种微电网自适应虚拟同步控制装置。

在一个实施例中，所述装置包括：

有功功率和频率控制模块，用于基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；

频率偏差模块，用于基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；

虚拟惯量模块，根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；

频率参数优化模块，用于利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率。

在一个实施例中，所述装置包括：

所述有功功率和频率控制模块，用于基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率，具体步骤包括：

通过自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机控制方程构建虚拟同步发电机运动方程；其中，

构建自适应虚拟惯性数学方程的步骤，包括：

式中，J ₀为额定惯量，J为自适应补偿惯量，k为惯量补偿系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

构建虚拟同步发电机控制方程的步骤，包括：

式中，τ是低通滤波器的时间常数，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考值，m＝P-ω是下垂系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

设定

根据公式(1)和(2)得到虚拟同步发电机运动方程：

式中，J为自适应补偿惯量，ω为参考角频率，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考，D _m为 下垂阻尼系数，t为时间变量，Δω为参考角频率偏差；

根据自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机运动方程，得到如下计算公式(4)：

式中，P ^*为额定功率参考值，ω _s为转差频率；令ω _s＝ω-ω ^*，得到如下计算公式(5)：

P _rsrv＝P ^*-P            (6)

式中，P _rsrv为功率偏差，P ^*是额定功率参考值，ω _s表示转差频率，J ₀为额定惯量，k为惯量补偿系数，D _m为下垂阻尼系数，

为ω _s的导数；

结合式(4)到式(6)，得到基于自适应虚拟惯性算法的有功功率和频率控制方程：

ω＝ω ^*+ω _s＝ω ^*+∫f(ω _s，P _rsrv)dt         (7)

式中，ω为参考角频率，ω _s表示转差频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，P _rsrv为功率偏差。

在一个实施例中，所述装置包括：

所述频率偏差模块，用于基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差，具体包括：

当Δω＞0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＞0，

时，系统频率返回标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率返回标称频率值；

其中，Δω为参考角频率偏差，ω _vsg为角速度，t为时间变量。

在一个实施例中，所述装置包括：

所述虚拟惯量模块，用于根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量，具体步骤包括：

构建微电网的额定惯量方程：

其中，D _m为下垂阻尼系数，X ₁为线路阻抗，V ^*为母线电压幅值，V为变流器输出电压幅值，J ₀为额定惯量，ζ为阻尼比，δ ₀为电压相角参考值；

所述虚拟惯量包括大惯量和小惯量，所述大惯量为式(8)中J ₀的最大值，所述小惯量为式(8)中J ₀的最小值。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质。

在一些实施例中，所述计算机可读存储介质包括用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的微电网自适应虚拟同步控制方法的步骤。

根据本发明实施例的第四方面，提供了一种计算机设备。

在一些实施例中，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述微电网自适应虚拟同步控制方法的步骤。

本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

(1)本发明基于自适应虚拟惯性算法的有功功率和频率控制方程，不包含频率微分项，解决了高频噪声的影响，克服了现有技术中惯性矩是通过采样和频率导数

给出的，可能会受到高 频噪声影响的问题；

(2)本发明提出一种自适应虚拟惯性方法来支持频率稳定性，当系统频率偏离标称值时采用大惯量，而当系统频率返回标称频率时采用小惯量来加速系统动力，结合了大惯量和小惯量的优点，从而获得了改进的频率调节性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种微电网自适应虚拟同步控制方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的传统下垂控制特性示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的基于自适应虚拟惯性算法的控制流程图；

图4是根据一示例性实施例示出的电力系统的典型功角曲线示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的微电网自适应虚拟同步控制装置的结构示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的电力系统的网络拓扑图；

图7是根据一示例性实施例示出的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本文中，除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本文中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

本文中，术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例公开了一种微电网自适应虚拟同步控制方法，包括以下步骤：

基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；

基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；

根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；

利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率。

图1示出了本发明的微电网自适应虚拟同步控制方法的一个实施例。

在该实施例中，本发明公开的方法包括以下步骤：

步骤S1，基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；

具体地，为了促进负载共享和提高系统可靠性，传统的下垂控制方法在并联逆变器系统中较为常见，如图2所示。输出电压参考的频率和幅度分别取决于输出有功功率和无功功率。

其中ω ^*和V ^*表示标称条件下ω和V的参考值；P ^*和Q ^*代表额定功率参考；τ是低通滤波器(LPF)的时间常数；P和Q分别为输出有功功率和输出无功功率；m和n是P-ω和Q-V下垂系数，选择如下：

其中ω _max和ω _min是允许角频率的最大值和最小值；V _max和V _min是允许电压幅值的最大值和最小值；P _max和P _min为有功功率的最大和最小值；Q _max和Q _min是无功功率的最大和最小值。

将式(c)带入式(a)得，构建虚拟同步发电机控制方程的步骤，包括：

式中，τ是低通滤波器的时间常数，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考值，m＝P-ω是下垂系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

设定

得到虚拟同步发电机运动方程：

式中，J为自适应补偿惯量，ω为参考角频率，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考，D _m为下垂阻尼系数，t为时间变量。

下垂控制在功能上等效于具有小惯性的VSG。同时，惯性矩取决于LPF的时间常数。典型VSG控制方案包括功率控制回路和双闭合电压电流回路。外部功率控制回路包括VSG的有功功率控制和无功功率下垂控制。采用固定的虚拟阻抗来解耦P/Q并减少线路阻抗失配的影响。它是通过使用高通滤波器而不是纯微分运算来实现的。此外，虚拟阻抗对系统稳定性、瞬态响应和潮流性能也有影响。

电力系统的典型功角曲线如图4所示：

假设系统最初在A点运行，并且它是稳定的。某一时刻，如果输入功率增加到B点，工作点将遵循从A到B的曲线。在此期间，Δω>0，且

因此将此区间定义为加速段。为了减少负载或者发电量变化时频率的震荡，这种情况下可以用一个大惯量来减少加速度；否则应使用小J。

针对以上情况，构建自适应虚拟惯性数学方程的步骤，包括：

式(1)中，构造的惯性有两项。第一项J ₀为额定惯量，第二项为自适应补偿惯量。k为惯量补偿系数，可调节频率动态响应速度。实际上，总惯量是根据角速度及其变化率的变化实时变化的。在稳态情况下，自适应补偿惯量的第二项为0，总惯量为J ₀。

式(1)中，自适应补偿惯量包含角速度的导数项，频率导数很容易受到测量噪声的影响，因此需要解决这个问题。

将式(1)带入典型VSG控制方程式(2)和式(3)，可以得到公式(4)：

其中P ^*是额定功率参考值，ω _s表示转差频率，令ω _s＝ω-ω ^*，可以得到：

P _rsrv＝P ^*-P          (6)

其中P ^*是额定功率参考值，ω _s表示转差频率，

为ω _s的导数。

结合式(4)到式(6)，得到改进的基于自适应虚拟惯性算法的有功功率-频率控制方程：

ω＝ω ^*+ω _s＝ω ^*+∫f(ω _s，P _rsrv)dt          (7)

根据式(7)，参考角频率是输出有功功率的函数。具有自适应虚拟惯性算法的控制框图如图3所示。控制输入是实时有功功率，控制输出是参考角频率。控制框图3中仅反馈输出有功功率，有效避免了导数项。

可选地，所述利用微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率的步骤，包括：

基于如下选择原则确定参数下垂阻尼系数D _m、额定惯量J ₀和惯性补偿系数k，其中：

所述下垂阻尼系数D _m用于控制多个并网逆变器之间的功率分配；

所述惯性补偿系数k选择上限值；

所述额定惯量J ₀根据下垂阻尼系数D _m和惯性补偿系数k设定。

步骤S2：基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；

具体地，当Δω＞0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＞0，

时，系统频率返回标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率返回标称频率值；

其中，Δω为参考角频率偏差，ω _vsg为角速度，t为时间变量。

步骤S3：根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；

具体地，根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量的步骤，包括：虚拟惯性和系统功率震荡直接相关，选择时应同事考虑惯性和阻尼函数。在稳定状态下，ω＝ω ^*，自适应补偿惯性项k(ω-ω ^*)dω/dt为零，总惯性J等于J ₀。忽略自适应补偿惯性的正阻尼效应，由式(4)可以得到：

式中，Δδ为相角参考值和实际值的差值，

为相角参考值和实际值的差值的导数，

为相角参考值和实际值的差值的二阶导数，X ₁为线路阻抗，V ^*为母线电压幅值，V为变流器输出电压幅值；

对于式(d)，其固有频率ω _n和阻尼比ζ分别为：

由式(e)可知，系统的阻尼比取决于系统运行点、惯性项和阻尼项的值。由于ζ∈[0.1,1.414]可以得到较好的瞬态响应，因此额定惯量J ₀应选择如下：

构建微电网的额定惯量方程：

其中，D _m为下垂阻尼系数，X ₁为线路阻抗，ζ为阻尼比，V ^*为母线电压幅值，V为变流器输出电压幅值，J ₀为额定惯量，ζ为阻尼比，δ ₀为电压相角参考值；

所述虚拟惯量包括大惯量和小惯量，所述大惯量为式(8)中J ₀的最大值，所述小惯量为式(8)中J ₀的最小值。

步骤S4：利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率；

具体地，利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率的步骤，包括：将系统频率偏离标称频率值定义为加速段，在所述加速段采用大惯量加速微电网动力；

将系统频率返回标称频率值定义为减速段，在所述减速段采用小惯量加速微电网动力。

基于上述实施例及优选实施方式，提供了一种优选实施例，所述下垂阻尼系数D _m通过如下步骤获得：

根据下垂特性，角频率在设定允许范围内，ω _max和ω _min是允许角频率的最大值和最小值，下垂系数m＝P-ω应满足：

式中，P _max和P _min为输出有功功率的最大值和最小值，P为输出有功功率，ω为参考角频率；

选择D _m时，另外一个重要的原则是保证通用性，确保多个逆变器之间的功率合理分配。

式中，

代表第i个分布式电源的额定容量。

基于上述实施例及优选实施方式，提供了一种优选实施例，所述补偿系数k通过如下步骤获得：

为确保提出的控制方法的有效性，角速度必须是实数，因此，必须满足以下条件。

特别是下面两种极端情况时：

当ω _s＝ω ^*-ω _max，P _rsrv＝P ^*-P _min时，

当ω _s＝ω ^*-ω _min，P _rsrv＝P ^*-P _max时，

图2中，稳态条件下可以得到：

P ^*-P _min＝-D _m(ω ^*-ω _max)          (15)

P ^*-P _max＝-D _m(ω ^*-ω _max)           (16)

由式(13)～式(16)可得：

其中，

是允许的最大功率误差。

由式(17)可得，惯性补偿系数需要满足：

可以看出，惯性补偿系数越大，自适应惯性控制效果越好，因此，选择式(18)中上限作为惯性补偿系数的值。

基于上述实施例及优选实施方式，提供了一种优选实施例，所述自适应补偿惯量J通过如下步骤获得：

合适的惯性大小与电源容量和逆变器可用容量有关，因此系统自适应惯性是有范围限值的，其中自适应惯量最大值可用功率容量来表示：

自适应惯量最小值可以表示为式(17)中的最小值。

基于上述实施例及优选实施方式，提供了一种具体实施例，如下：

1、建立仿真模型：在matlab/Simulink中建立如图6所示模型，系统中包含具有下垂特性的两个传统发电机G1和G2，光伏系统以及储能系统，各部分参数如表所示：

参数	值
系统电压	380V
系统频率	50Hz
G1视在功率	200kVA
G2视在功率	300kVA
光伏实在功率	100kVA
储能视在功率	100kVA
额定惯量固定值	0.0014kg*m 2
额定惯量最大值	0.0014kg*m 2
额定惯量最小值	5.62e-5kg*m 2
阻尼系统	5e-4N*m/s

2、场景分析

(1)微电网并离网切换

场景1仿真模拟了系统并网转离网的情况，并网点处的断路器初始为闭合状态，t＝3s时，断路器断开。

G1的有功功率维持在0.73pu，G2的有功功率维持在0.5pu，0s-2.1S期间，光伏系统跟随光照和温度变化功率达到0.1MW。

系统t＝0s-t＝3s期间，系统运行在并网模式，其频率稳定在50HZ。t＝3s时，系统由离网转并网，每个发电单元的有功功率和频率出现波动，系统频率在t＝10s时达到稳态50HZ，说明该控制方法可以在并网或者离网状态下稳定运行。

(2)离网运行模式下，没有储能情况下负荷突变

场景2系统运行在无储能离网模式下，观察负荷突变时频率变化情况，假设t＝5s时，负荷增加0.2MW，0.05Mvar；

固定惯性常数虚拟同步控制方式下负荷增加条件下，无储能接入情况下，同步发电机发电量增加，但是增加量没有达到负荷增加量，因此频率下降至49.72HZ，这种情况下，对系统设备造成影响。最后，在同步发电机和负载调整下，系统运行在一个新的平衡点，但是频率依然低于50HZ。

采用定常数虚拟惯量时，J＝1.4×10 ^-3kg*m ²，相同条件下，负荷增加时系统频率最低点为49.85Hz，该值在电力系统运行允许范围之内。最后系统达到新的稳态运行点，频率大约为50.01Hz。

相同场景下，为降低负荷突增时频率波动，采用自适应惯量的控制方式，J _max＝1.4×10 ^-3kg*m ²，J _min＝5.62×10 ^-5kg*m ²；

采用自适应虚拟惯量控制方式后，系统频率波动范围比采用常数惯量较小，且能较快速恢复到 稳定状态。

综上所述，针对微电网负荷突变和并离网切换进行分析，采用自适应虚拟惯量控制方法，并对下垂阻尼系统D _m、额定惯量J ₀以及惯性补偿系数k的参数进行设计，保证微电网供电质量，并在Matlab/Simulink中搭建模型进行了验证。

图5示出了本发明的微电网自适应虚拟同步控制装置的一个实施例。

在该可选实施例中，所述微电网自适应虚拟同步控制装置，包括：

有功功率和频率控制模块11，用于基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；

频率偏差模块12，用于基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；

虚拟惯量模块13，根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；

频率参数优化模块14，用于利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率。

在该可选实施例中，所述微电网自适应虚拟同步控制装置，包括：

所述有功功率和频率控制模块11，用于基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率，具体步骤包括：

通过自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机控制方程构建虚拟同步发电机运动方程；其中，

构建自适应虚拟惯性数学方程的步骤，包括：

式中，J ₀为额定惯量，J为自适应补偿惯量，k为惯量补偿系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

构建虚拟同步发电机控制方程的步骤，包括：

式中，τ是低通滤波器的时间常数，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考值，m＝P-ω是下垂系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

设定

得到虚拟同步发电机运动方程：

式中，J为自适应补偿惯量，ω为参考角频率，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考，D _m为下垂阻尼系数，t为时间变量；

根据自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机运动方程，得到如下计算公式(4)：

式中，P ^*为额定功率参考值，ω _s为转差频率；令ω _s＝ω-ω ^*，得到如下计算公式(5)：

P _rsrv＝P ^*-P             (6)

式中，P _rsrv为功率偏差，P ^*是额定功率参考值，ω _s表示转差频率，J ₀为额定惯量，k为惯量补偿系数，D _m为下垂阻尼系数；

结合式(4)到式(6)，得到基于自适应虚拟惯性算法的有功功率和频率控制方程：

ω＝ω ^*+ω _s＝ω ^*+∫f(ω _s，P _rsrv)dt          (7)

式中，ω为参考角频率，ω _s表示转差频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，P _rsrv为功率偏差。

所述频率偏差模块12，用于基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差，具体 包括：

当Δω＞0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率偏离标称频率值；

当Δω＞0，

时，系统频率返回标称频率值；

当Δω＜0，

时，系统频率返回标称频率值；

其中，Δω为参考角频率偏差，ω _vsg为角速度，t为时间变量。

所述虚拟惯量模块13，用于根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量，具体步骤包括：

构建微电网的额定惯量方程：

其中，D _m为下垂阻尼系数，X ₁为线路阻抗，V ^*为母线电压幅值，V为变流器输出电压幅值，J ₀为额定惯量，ζ为阻尼比，δ ₀为电压相角参考值；

所述虚拟惯量包括大惯量和小惯量，所述大惯量为式(8)中J ₀的最大值，所述小惯量为式(8)中J ₀的最小值。

所述频率参数优化模块14，用于利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率，具体包括：

将系统频率偏离标称频率值定义为加速段，在所述加速段采用大惯量加速微电网动力；

将系统频率返回标称频率值定义为减速段，在所述减速段采用小惯量加速微电网动力。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图7所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储静态信息和动态信息数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述方法实施例中的步骤。

本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access  Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (16)

1. 一种微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

   基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；

   基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；

   根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；

   利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率。
2. 根据权利要求1所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率的步骤，包括：

   通过自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机控制方程构建虚拟同步发电机运动方程；其中，

   构建自适应虚拟惯性数学方程的步骤，包括：

   

   式中，J ₀为额定惯量，J为自适应补偿惯量，k为惯量补偿系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

   构建虚拟同步发电机控制方程的步骤，包括：

   

   式中，τ是低通滤波器的时间常数，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考值，m＝P-ω是下垂系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

   设定

   

   根据公式(1)和(2)得到虚拟同步发电机运动方程：

   

   式中，J为自适应补偿惯量，ω为参考角频率，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考，D _m为下垂阻尼系数，t为时间变量，Δω为参考角频率偏差。
3. 根据权利要求2所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率的步骤，还包括：

   根据自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机运动方程，得到如下计算公式(4)：

   

   式中，P ^*为额定功率参考值，ω _s为转差频率；

   令ω _s＝ω-ω ^*，得到如下计算公式(5)：

   

   P _rsrv＝P ^*-P    (6)

   式中，P _rsrvP _rsrv为功率偏差，P ^*P ^*是额定功率参考值，ω _s表示转差频率，J ₀为额定惯量，kk为惯量补偿系数，D _m为下垂阻尼系数，

   

   为ω _s的导数；

   结合式(4)至式(6)，得到基于自适应虚拟惯性算法的有功功率和频率控制方程：

   ω＝ω ^*+ω _s＝ω ^*+∫f(ω _s，P _rsrv)dt    (7)

   式中，ωω为参考角频率，ω _s表示转差频率，ω ^*ω ^*为标称条件下ωω的参考值，P _rsrvP _rsrv为功率偏差。
4. 根据权利要求3所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率的步骤，还包括：

   基于如下选择原则确定参数下垂阻尼系数D _m、额定惯量J ₀和惯性补偿系数k，其中：

   所述下垂阻尼系数D _m用于控制多个并网逆变器之间的功率分配；

   所述惯性补偿系数k选择上限值；

   所述额定惯量J ₀根据下垂阻尼系数D _m和惯性补偿系数k设定。
5. 根据权利要求3所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差的步骤，包括：

   当ΔωΔω＞0，

   

   时，系统频率偏离标称频率值；

   当ΔωΔω＜0，

   

   时，系统频率偏离标称频率值；

   当ΔωΔω＞0，

   

   时，系统频率返回标称频率值；

   当ΔωΔω＜0，

   

   时，系统频率返回标称频率值；

   其中，Δω为参考角频率偏差，ω _vsgω _vsg为角速度，tt为时间变量。
6. 根据权利要求5所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量的步骤，包括：

   构建微电网的额定惯量方程：

   

   其中，D _m为下垂阻尼系数，X ₁为线路阻抗，V ^*为母线电压幅值，V为变流器输出电压幅值，J ₀为额定惯量，ζ为阻尼比，δ ₀为电压相角参考值；

   所述虚拟惯量包括大惯量和小惯量，所述大惯量为式(8)中J ₀的最大值，所述小惯量为式(8)中J ₀的最小值。
7. 根据权利要求6所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率的步骤，包括：

   将系统频率偏离标称频率值定义为加速段，在所述加速段采用大惯量加速微电网动力；

   将系统频率返回标称频率值定义为减速段，在所述减速段采用小惯量加速微电网动力。
8. 根据权利要求4所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述下垂阻尼系数D _m通过如下步骤获得：

   根据下垂特性，角频率在设定允许范围内，ω _max和ω _min是允许角频率的最大值和最小值，P-ω下垂系数m＝P-ω应满足：

   

   

   式中，P _max和P _min为输出有功功率的最大值和最小值，P为输出有功功率，ω为参考角频率；

   

   式中，

   

   代表第i个分布式电源的额定容量。
9. 根据权利要求4所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述惯性补偿系数k通过如下步骤获得：

   当角速度为实数时，需满足：

   

   式中，J ₀为额定惯量，ω _s为转差频率，D _m为下垂阻尼系数，P _rsrvP _rsrv为功率偏差；

   在两种极端情况时：

   当ω _s＝ω ^*-ω _max，P _rsrv＝P ^*-P _min时，

   

   当ω _s＝ω ^*-ω _min，P _rsrv＝P ^*-P _max时，

   

   稳态条件下可以得到：

   P ^*-P _min＝-D _m(ω ^*-ω _max)    (15)

   P ^*-P _max＝-D _m(ω ^*-ω _max)    (16)

   由式(13)～式(16)可得：

   

   其中，

   

   是允许的最大功率误差；

   

   因此，惯性补偿系数k的取值条件为：

   
10. 根据权利要求2所述的微电网自适应虚拟同步控制方法，其特征在于，所述自适应补偿惯量J通过如下步骤获得：

    采用功率容量表示自适应惯量最大值；

    

    式中，J为自适应补偿惯量，J ₀为额定惯量，k为惯量补偿系数，ω _s为转差频率，J _max为自适应惯量最大值，

    

    为ω _s的导数。
11. 一种微电网自适应虚拟同步控制装置，其特征在于，包括：

    有功功率和频率控制模块，用于基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率；

    频率偏差模块，用于基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差；

    虚拟惯量模块，用于根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量；

    频率参数优化模块，用于利用并网逆变器的虚拟惯量调整虚拟同步发电机的角频率。
12. 如权利要求11所述的一种微电网自适应虚拟同步控制装置，其特征在于，

    所述有功功率和频率控制模块，用于基于微电网的输出有功功率和额定功率获取虚拟同步发电机的参考角频率，具体步骤包括：

    通过自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机控制方程构建虚拟同步发电机运动方程；其中，

    构建自适应虚拟惯性数学方程的步骤，包括：

    

    式中，J ₀为额定惯量，J为自适应补偿惯量，k为惯量补偿系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

    构建虚拟同步发电机控制方程的步骤，包括：

    

    式中，τ是低通滤波器的时间常数，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考值，m＝P-ω是下垂 系数，ω为参考角频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，t为时间变量；

    设定

    

    根据公式(1)和(2)得到虚拟同步发电机运动方程：

    

    式中，J为自适应补偿惯量，ω为参考角频率，P为输出有功功率，P ^*为额定功率参考，D _m为下垂阻尼系数，t为时间变量，Δω为参考角频率偏差；

    根据自适应虚拟惯性数学方程和虚拟同步发电机运动方程，得到如下计算公式(4)：

    

    式中，P ^*为额定功率参考值，ω _s为转差频率；令ω _s＝ω-ω ^*，得到如下计算公式(5)：

    

    P _rsrv＝P ^*-P    (6)

    式中，P _rsrvP _rsrv为功率偏差，P ^*是额定功率参考值，ω _s表示转差频率，J ₀为额定惯量，k为惯量补偿系数，D _m为下垂阻尼系数，

    

    为ω _s的导数；

    结合式(4)至式(6)，得到基于自适应虚拟惯性算法的有功功率和频率控制方程：

    ω＝ω ^*+ω _s＝ω ^*+∫f(ω _s，P _rsrv)dt    (7)

    式中，ω为参考角频率，ω _s表示转差频率，ω ^*为标称条件下ω的参考值，P _rsrvP _rsrv为功率偏差。
13. 如权利要求11所述的一种微电网自适应虚拟同步控制装置，其特征在于，

    所述频率偏差模块，用于基于虚拟同步发电机的参考角频率确定微电网的频率偏差，具体包括：

    当ΔωΔω＞0，

    

    时，系统频率偏离标称频率值；

    当ΔωΔω＜0，

    

    时，系统频率偏离标称频率值；

    当Δω＞0，

    

    系统频率返回标称频率值；

    当Δω＜0，

    

    时，系统频率返回标称频率值；

    其中，Δω为参考角频率偏差，ω _vsg为角速度，t为时间变量。
14. 如权利要求11所述的一种微电网自适应虚拟同步控制装置，其特征在于，

    所述虚拟惯量模块，用于根据微电网的频率偏差确定并网逆变器的虚拟惯量，具体步骤包括：

    构建微电网的额定惯量方程：

    

    其中，D _m为下垂阻尼系数，X ₁为线路阻抗，V ^*为母线电压幅值，V为变流器输出电压幅值，J ₀为额定惯量，ζ为阻尼比，δ ₀为电压相角参考值；

    所述虚拟惯量包括大惯量和小惯量，所述大惯量为式(8)中J ₀的最大值，所述小惯量为式(8)中J ₀的最小值。
15. 一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-10任一项所述的微电网自适应虚拟同步控制方法的步骤。
16. 一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至10中任一项所述的微电网自适应虚拟同步控制方法的步骤。

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