基于线性/非线性自抗扰控制的虚拟同步机并网控制方法

摘要

本发明提供一种基于线性/非线性自抗扰控制的虚拟同步机并网控制方法，包括下列步骤：建立三相锁相环控制器，包括线性自抗扰控制部分和非线性自抗扰控制部分以及两者的切换控制；根据三相锁相环控制器的稳定性分析和控制性能，综合带宽法及经验法的优势，对三相锁相环中的相关控制参数进行整定；基于提升三相锁相环的动态性能、稳态滤波能力及抗干扰性能的要求，设计三相锁相环控制器的切换机制；将所述的三相锁相环控制器得到的并网点电压幅值、频率和相位通过逻辑关系引入虚拟同步机功率控制环路中，得到并网控制策略。

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟同步发电机并网控制领域，具体涉及一种并网控制策略。

背景技术

近年来，能源危机、环境污染及气候变暖与经济快速发展的矛盾日益突出，加快推动可再生能源的开发及高效利用已成为世界能源领域亟需解决的重大课题。分布式电源因地制宜以各类形式接入城市电网可充分利用当地可再生能源，最大限度替代和减少化石能源消费。在高比例可再生能源接入、高负荷密度和高供电可靠性需求的区域，采用双环、网格、花瓣等新型城市电网架构以及以微电网形式接入的新型城市电网的需求日益增强。因此，以充分利用可再生能源为核心的分布式电源将成为未来新型城市电网中的重要组成部分，与此同时，新型城市电网也将成为可再生能源高比例、分布式接入的重要载体。

近年来，虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator，VSG)概念被广泛应用于分布式电源控制中，使分布式电源能够模拟出同步发电机的转动惯性、调频调压及励磁调节特性，降低分布式能源对电网的不利影响。然而，VSG只能在控制上模拟同步发电机的外特性，其主电路仍然是由脆弱的电力电子器件组成，过载能力弱。为了避免并网电流冲击，基于VSG控制的分布式电源在并入电网前要经过预同步单元与电网同步，即使并网点电压幅值、相位、频率发生变化，分布式电源也能平滑并入电网。

现在的实际工程应用中的并网控制通常采用锁相环来追踪锁取电网电压信息，基于此设计预同步控制器实现同步过程。目前常用的适用于VSG并网的控制策略有基于虚拟阻抗的预同步控制或者多下垂控制逆变器的并/离网模式切换等方法，他们都是通过修改锁相环来平滑模式切换过程，从而实现VSG离网和并网间的无缝切换。

但上述方法未考虑LC滤波器影响，只将桥臂输出电压与电网电压同步，而非逆变器输出电压和电网同步，实际上，LC滤波器的存在导致桥臂输出电压相位和滤波后电压相位存在偏差，尤其在带有本地负载时偏差更大，此时采用这种方法无法同步。此外，若VSG在并网过程中，电网电压幅值、相位、频率发生不同程度的变化时，该控制策略是否可行也需要重新讨论。

非线性自抗扰控制(Nonlinear active disturbance rejection control,NLADRC)具有跟踪精度高，抗干扰能力强等优点，而线性自抗扰控制(Linear activedisturbance rejection control,LADRC)在参数整定、稳定性分析方面具有较强的工程应用性。因此，结合线性自抗扰/非线性自抗扰控制(L/NLADRC)能够很好地解决VSG在并网过程中遇到的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线性/非线性自抗扰控制的虚拟同步机并网控制方法，实现并网点电压幅值、相位、突变情况下VSG的快速并网并有效减小冲击电流。本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于线性/非线性自抗扰控制的虚拟同步机并网控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：建立三相锁相环控制器，包括线性自抗扰控制部分和非线性自抗扰控制部分以及两者的切换控制；

线性自抗扰控制部分包括线性扩张状态观测器ESO和线性状态误差反馈控制率LSEF两部分，其中，线性状态误差反馈控制率的表达式按下式确定：

上式中，z

线性状态误差反馈控制率的按下式确定：

上式中，k

非线性自抗扰控制部分包括非线性扩张状态观测器NESO和非线性状态误差反馈控制率NLSEF组成，其中，非线性状态误差反馈控制率的表达式可按下式确定：

上式中，fal为一种非线性函数，α

非线性状态误差反馈控制率按下式确定：

上式中，K

步骤2：根据三相锁相环控制器的稳定性分析和控制性能，综合带宽法及经验法的优势，对三相锁相环中的相关控制参数进行整定；

步骤3：基于提升三相锁相环的动态性能、稳态滤波能力及抗干扰性能的要求，设计三相锁相环控制器的切换机制；切换机制为：在控制初始阶段，利用线性自抗扰控制粗略跟踪参考输入，然后切换为非线性自抗扰控制，以提高跟踪精度及抗扰能力；在非线性自抗扰控制过程中，当扰动较大，或者输出状态估计误差较大，或者输入信号及其各阶微分信号偏离相应的扩张状态观测器输出状态估计较远时，为保证系统稳定性及控制性能，切换为线性自抗扰控制，切换机制定量表示为：当设M为总扰动阈值，|z

步骤4：将所述的三相锁相环控制器得到的并网点电压幅值、频率和相位通过逻辑关系引入虚拟同步机功率控制环路中，得到并网控制策略。

步骤2中，线性自抗扰控制中的β

步骤2中，非线性自抗扰控制中的λ

步骤4中，并网控制策略为：并网点并网开关处于断开状态，初始有功功率给定值P

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的技术方案，实现了一种基于L/NADRC的VSG并网控制方法，通过设计基于线性/非线性自抗扰控制切换的三相锁相环，并综合带宽法及经验法的优势，对其相关控制参数进行整定，将锁相环获取的并网点电压信息通过一定的逻辑控制嵌入到VSG的有功环路和无功环路中，实现并网点电压幅值、相位、突变情况下VSG的快速并网并有效减小并网冲击电流。在半实物仿真平台中进行仿真，验证该并网控制方法。

附图说明

图1是一种基于线性/非线性自抗扰控制切换的三相锁相环的结构示意图；

图2是基于L/NADRC的并网控制的有功功率/频率控制框图；

图3是并网过程中有功环路控制框图；

图4是并网过程中无功环路控制框图；

图5是基于基于L/NADRC的并网控制策略的部分仿真验证结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于L/NADRC的VSG并网控制方法，包括：

(1)VSG采用的功率控制分别为有功功率/频率控制与无功功率/电压控制；

如下式所示，有功功率/频率控制包含频率下垂控制与虚拟惯性控制，通过引入频率下垂系数m

上式中，P

(2)建立三相锁相环控制器包括线性自抗扰控制部分和非线性自抗扰控制部分以及两者的切换控制，线性自抗扰控制部分包括线性扩张状态观测器ESO和线性状态误差反馈控制率LSEF两部分，非线性自抗扰控制部分包括包括非线性扩张状态观测器NESO和非线性状态误差反馈控制率NLSEF。并且，根据三相锁相环控制器的稳定性分析和控制性能，综合带宽法及经验法的优势，对三相锁相环中的相关控制参数进行整定。

如图1所示，三相锁相环控制器由LADRC和NADRC共同组成。

图中u

当开关置于位置1时，三相锁相环选择的控制器为LADRC；当开关置于位置2时，三相锁相环选择的控制器为NADRC。

LADRC由线性扩张状态观测器(LESO)和线性状态误差反馈控制率(LSEF)组成；

其中，LESO的表达式可按下式确定：

上式中，z

LSEF的表达式可按下式确定：

上式中，k

进一步的，NADRC由非线性扩张状态观测器(NLESO)和非线性状态误差反馈控制率(NLSEF)组成；

其中，NLESO的表达式可按下式确定：

上式中，fal为一种非线性函数，α

NLSEF的表达式可按下式确定：

上式中，fal为一种非线性函数，α

所需要整定的参数包括：LADRC中的β

参数b通过建立系统模型计算得到；参数β

所需要整定的参数包括：NADRC中的λ

采用经验法得到，原则为δ为fal函数滤波器的滤波因子，取值过小会导致非线性自抗扰控制器容易出现颤震现象；增加δ可使滤波效果变好，但同时也增加了跟踪的延迟；α

(3)基于线性/非线性自抗扰控制切换的三相锁相环中LADRC和NADRC的切换机制为：

在控制初始阶段，利用LADRC大致跟踪参考输入，然后切换为NADRC，以提高跟踪精度及抗扰能力；当扰动较大，或者输出状态估计误差较大，或者输入信号及其各阶微分信号偏离相应的扩张状态观测器输出状态估计较远时，为保证系统稳定性及控制性能，切换为LADRC。

当|z

(4)并网控制策略如图2所示，图中S

并网过程中，并网开关处于断开状态，初始有功功率给定值P

无功功率给定值Q

确保VSG输出电压幅值，频率，相位快速无误差跟踪u

为了验证本发明所提出的基于L/NADRC的VSG并网控制方法的有效性，在半实物方仿真平台上对所提策略进行了验证，部分结果如图5所示。电网电压为理想情况。0.1s并网开关闭合，VSG并入电网；0.2sVSG功率输出(P：20kW，Q：1kVar)；0-0.1s为预同步跟踪阶段，0.1s-0.2s观察冲击电流。

结果证明了本发明所提出的VSG并网控制方法能够快速稳定的跟踪电网电压的频率和相位，达到快速并网、并网时刻冲击电流小的要求，且在电网电压幅值，频率，相位发生变化时，也能良好的实现VSG的并网过程。

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。