基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法，包括以下步骤：1)模拟一次调频和转子机械特性，获得输出电压的频率和相位；2)检测实时功角信息，根据设计的自适应阻尼函数计算得到阻尼系数，进而得到阻尼功率；3)将阻尼功率叠加到输出有功功率上进行反馈，按步骤1)计算虚拟同步发电机的输出电压频率和相位指令；4)利用电压幅值指令以及相位指令产生电压参考值，经电压闭环后得到变流器的控制信号。与现有方法相比，本发明可以使虚拟同步发电机在不同稳态工作点均能保证振荡抑制效果且有较好的动态特性，而且增强了频率的抗扰能力。

说明书

技术领域：

本发明属于虚拟同步发电机控制领域，具体涉及一种基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法。

背景技术：

以风力、光伏为主的可再生新能源发电主要是以电力电子变流器作为并网接口，其具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和阻尼等不足，尤其目前并网变流器往往是以电流源模式并网，这些与传统能源所采用的同步发电机在外特性上具有显著差别。现在随着分布式可再生能源渗透率的不断提高，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，使得系统频率波动性增加，电能质量变差，严重时危及系统的频率稳定性，对电网的安全稳定运行带来了严峻挑战，这严重限制了新能源的并网容量。为了充分发挥分布式能源的优势，减弱分布式电源对配电网和传输网的影响，让电网消纳更多的分布式能源，分布式电源必须参与配电网和传输网的调频和调压过程，分布式电源潜在辅助服务必须被充分挖掘，分布式电源必须向电网提供必要的辅助服务。

虚拟同步发电机是近年来提出的一种适合新能源广泛接入的并网控制策略，它通过模拟传统同步发电机的外特性，因此可以使并网变流器像传统同步发电机一样向电网提供惯性和一次调频调压功能。根据众多学者的共识，并网变流器模拟同步电机特性是未来并网变流器控制的趋势。

虚拟同步发电机通过引入虚拟惯量模拟了同步发电机的转子摆动特性，从而提高了系统频率的抗扰动能力，但同时使得虚拟同步发电机的有功功率调节环路表现为典型二阶系统而容易发生功率振荡。虚拟同步发电机往往需要加入阻尼控制环节来抑制由于虚拟惯量引起的功率振荡。传统基于定常阻尼系数的阻尼控制方案是针对某单一稳态工作点进行线性化后，再通过整定系统参数使其满足期望的振荡抑制效果和动态性能。然而，表征系统动态性能的指标是随系统稳态工作点不断变化的，因此这些方法无法保证虚拟同步发电机在任意稳态工作点下都能达到理想的功率振荡抑制效果和动态性能。

发明内容：

本发明的目的是针对现有虚拟同步发电机技术的定常阻尼系数不能保证虚拟同步发电机在任意稳态工作点处都能达到理想动态性能的问题，提供了基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法，包括以下步骤：

1)模拟同步发电机的一次调频特性和转子机械特性，将虚拟同步发电机的实际输出频率ω与频率参考指令ω_ref作差乘以下垂系数加到有功功率的参考指令P_ref上得到机械功率指令P_m，接着将机械功率指令P_m与实际输出有功功率P_e作差得到P_err，再将P_err除以转动惯量M并对结果积分后得到虚拟同步发电机的输出频率ω，进而得到虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ；

2)将步骤1)中得到的虚拟同步发电机的输出频率ω与电网频率ω_g作差得到频率差Δω，并将其求积分获得功角δ，根据设计的自适应阻尼函数f_d及实时功角信息δ，计算出阻尼系数，阻尼系数与频率差Δω计算出虚拟同步机阻尼功率P_D；

3)步骤2)中得到的阻尼功率P_D叠加到步骤1)中实际输出有功功率P_e上进行反馈，执行步骤1)，与机械功率指令P_m计算虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ；

4)利用电压幅值指令以及步骤3)所得到的相位信息产生电压参考值，通过电压和电流闭环控制后得到变流器的控制信号。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，有功控制环通过下垂控制模拟同步发电机的一次调频特性，将虚拟同步发电机的实际输出频率ω与频率参考指令ω_ref作差乘以下垂系数m_p加到有功功率的参考指令P_ref上得到机械功率指令P_m，具体公式如下：

P_m＝P_ref-m_p(ω-ω_ref)(1)

式中，ω是输出电压频率，ω_ref是额定频率，m_p是下垂系数，P_ref是输入的有功功率指令，P_e是输出的电磁功率，P_m是机械功率指令；

接着通过虚拟惯量控制实现对传统发电机中转子机械特性的模拟，将机械功率指令P_m与实际输出有功功率P_e作差得到的差值P_err计算得到虚拟同步发电机的输出频率ω，进而得到虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ，具体公式如下：

$\omega =\frac{1}{Ms}(P_m-P_e)---\left(2\right)$

$\theta =\frac{1}{s}·\frac{1}{Ms}(P_m-P_e)---\left(3\right)$

式中：M＝J·ω_ref表征转动惯量的大小，J是转动惯量s为积分算子。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，将步骤1)中得到的虚拟同步发电机的输出频率ω与电网频率ω_g作差得到频率差Δω，并将其求积分获得功角δ，具体公式如下：

$\delta =\frac{\Delta \omega }{s}=\frac{\omega -{\omega }_g}{s}---\left(4\right)$

式中：Δω＝ω-ω_g，是虚拟同步发电机输出频率与电网频率的差值；

接着根据设计的自适应阻尼函数f_d及上式得到的实时功角信息δ，计算最优阻尼系数，具体公式如下：

$f_d=\zeta ·2\sqrt{M\frac{3E_0{V}_0}{X}cos\delta }-m_p---\left(5\right)$

式中：ζ是设计的阻尼比，E₀、V₀分别是指虚拟同步发电机在稳态运行点处输出电压有效值和电网电压有效值和，X是虚拟同步发电机与并网点之间的线路感抗；

阻尼系数f_d与频率差Δω计算出虚拟同步机阻尼功率P_D，具体公式如下：

P_D＝f_d(ω-ω_g)(6)。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，将步骤2)得到的阻尼功率P_D叠加到实际输出有功功率P_e上进行反馈，执行步骤1)虚拟惯性环节，与机械参考指令P_m一同计算虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ，具体公式如下：

$\omega =\frac{1}{Ms}(P_m-P_e-P_D)---\left(7\right)$

$\theta =\frac{1}{s}·\frac{1}{Ms}(P_m-P_e-P_D)---\left(8\right)$

最后，利用电压幅值指令以及所得到的相位指令产生电压参考值，然后通过电压闭环控制，得到变流器的控制信号。

与现有技术相比，本发明基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法的优点体现在：

其根据虚拟同步发电机的转动惯量、输出感抗等参数，以及通过实时检测虚拟同步发电机的输出电压、功角信息等，自动调整阻尼系数，使虚拟同步发电机在任一稳态工作点处的阻尼比均满足设计值。该发明可以使虚拟同步发电机在不同稳态工作点均能保证振荡抑制效果且有较好的动态特性，而且频率的抗扰动能力更强。

附图说明：

图1为本发明基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法的控制框图；

图2为下垂控制和虚拟惯性控制部分；

图3为自适应阻尼控制部分；

图4为引入自适应阻尼控制后的虚拟惯性控制部分；

图5为电压控制环；

图6为有功功率响应波形对比图；

图7为频率响应波形对比图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于统一阻尼比的虚拟同步发电机阻尼系数自适应控制方法，总体框图如图1所示。包括以下步骤：

1)模拟同步发电机的一次调频特性和转子机械特性，将虚拟同步发电机的实际输出频率ω与频率参考指令ω_ref作差乘以下垂系数加到有功功率的参考指令P_ref上得到机械功率指令P_m。将机械功率指令P_m与实际输出有功功率P_e作差得到P_err，再将P_err除以转动惯量M并对结果积分后得到虚拟同步发电机的输出频率ω，进而得到虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ。如图2所示。

其中，P_ref为二次调频给出的虚拟同步发电机并网运行的有功功率指令。P_m与同步发电机的机械转矩对应。P_e与同步发电机的电磁转矩对应，也是并网变流器注入电网的有功功率。M表征虚拟同步发电机的转动惯量的大小。ω_ref是电网额定频率，也即同步角速度。此部分为虚拟同电机控制提供端口电压的相位信息，并为上层调度指令留有接口。

该步骤中，根据虚拟同步发电机的实际输出基波频率ω与频率参考指令ω_ref作差乘以下垂系数m_p加到有功功率的参考指令P_ref上得到正序机械功率指令P_m。具体公式如下：

P_m＝P_ref-m_p(ω-ω_ref)(1)

该步骤中，根据机械功率指令P_m与实际输出有功功率P_e的差值P_err计算得到虚拟同步发电机的输出频率ω，进而得到虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ，具体公式如下：

$\omega =\frac{1}{Ms}(P_m-P_e)---\left(2\right)$

$\theta =\frac{1}{s}·\frac{1}{Ms}(P_m-P_e)---\left(3\right)$

式中：M＝J·ω_ref表征转动惯量的大小，J是转动惯量，s为积分算子。

2)将步骤1)中得到的虚拟同步发电机的输出频率ω与电网频率ω_g作差得到频率差Δω，并将其求积分获得功角δ。根据设计的自适应阻尼函数f_d和实时功角信息δ，计算最优阻尼系数。然后，阻尼系数f_d与频率差Δω计算出虚拟同步机阻尼功率P_D。如图3所示。

该步骤中，将步骤1)中得到的虚拟同步发电机的输出频率ω与电网频率ω_g作差得到频率差Δω，并将其求积分获得功角δ，具体公式如下：

$\delta =\frac{\Delta \omega }{s}=\frac{\omega -{\omega }_g}{s}---\left(4\right)$

电网频率通过采集虚拟同步发电机输出电压，经频率检测环节后得到。此部分为自适应阻尼系数的计算提供实时功角信息。

该步骤中，根据设计的自适应阻尼函数f_d和实时功角信息δ，计算最优阻尼系数。具体公式如下：

$f_d=\zeta ·2\sqrt{M\frac{3E_0{V}_0}{X}cos\delta }-m_p---\left(5\right)$

然后，阻尼系数f_d与频率差Δω计算出虚拟同步机阻尼功率P_D。具体公式如下：

P_D＝f_d(ω-ω_g)(6)

3)将阻尼功率P_D叠加到实际输出有功功率P_e上作为反馈，执行步骤1)虚拟惯性环节，与机械参考指令P_m比较，执行步骤1)，计算虚拟同步发电机的输出电压的相位指令θ，如图4所示。具体公式如下：

$\omega =\frac{1}{Ms}(P_m-P_e-P_D)---\left(7\right)$

$\theta =\frac{1}{s}·\frac{1}{Ms}(P_m-P_e-P_D)---\left(8\right)$

4)利用电压幅值指令以及步骤3)所得到的相位信息产生电压参考值，然后通过电压闭环控制，得到变流器的控制信号。如图5所示。

该步骤中，将电压幅值指令以及步骤3)所得到的相位信息产生电压参考值，与反馈的虚拟同步发电机的输出电压形成闭环控制，生成变流器的控制信号，驱动并网变流器。

实施例：

从有功功率指令阶跃至不同稳态工作点处，对比采用本发明的阻尼系数自适应控制方法与常规的定常阻尼系数阻尼控制方法的虚拟同步发电机控制效果。实施例的具体参数设置参见表1：

表1实施例参数

虚拟同步发电机运行在并网模式。在t＝1s之前，虚拟同步发电机处于稳态，电网频率为50Hz，虚拟同步发电机输出有功功率为0W。在t＝1s时刻，虚拟同步发电机有功功率由0阶跃至8500W。在t＝4s时刻，虚拟同步发电机有功功率再阶跃至2000W。虚拟同步发电机的有功功率响应波形和频率波形分别如图6和图7所示。图中浅色虚线波形是虚拟同步发电机按额定容量作为稳态工作点设计阻尼比为0.707时的阻尼系数；深色实线波形是虚拟同步发电机采用本文提出的统一阻尼比阻尼系数自适应控制方法，阻尼比设计值也取0.707。由图可以看出，采用本文所提统一阻尼比阻尼系数自适应控制方法后，有功功率在不同稳态工作点均能保证振荡抑制效果且有较好的动态特性，而且频率的抗扰动能力更强。

综上，该实施例证明了本发明可以有效解决传统方案在不同稳态工作点处动态特性不一致的问题，使虚拟同步发电机在任意负载条件下，均能表现处预期的动态性能，同时该发明可以减小系统频率的波动，提高系统频率的抗扰能力。