逆变型分布式电源双层自适应惯量控制方法及装置与流程

本发明涉及的是一种智能电网领域的技术，具体是一种逆变型分布式电源双层自适应惯量控制方法及装置。

背景技术：

随着可再生能源发电技术不断发展，分布式电源(Distributed generator，DG)已成为配电网利用新能源的主要方式，如何充分利用高渗透DG并提高其稳定性是亟需解决的关键问题。配电网中DG大多为逆变型电源，如光伏、储能等，其发电单元大多为直流，采用逆变型接口并网，电力电子装置响应速度快、输出阻抗小，转动惯量低，使得逆变型DG(Inverter interfaced DG,IIDG)稳定性不足。虚拟同步电机(Virtual synchronous generator，VSG)技术通过模拟同步发电机惯性特性，在IIDG控制策略中加入虚拟惯量控制环节，可极大改善IIDG暂态输出特性，使得IIDG变为友好型并网电源，从而提高IIDG参与配电网运行调节能力。

目前，VSG策略主要关注于频率稳定机理和功角曲线轨迹，而对不同虚拟惯量下输出有功功率的影响机理研究较少。已有文献表明，采用大惯量可以有效减小输出频率波动，增强系统频率动态稳定性；但是，采用小惯量可以获得快速、稳定的输出功率。虚拟惯量对VSG-IIDG输出频率和功率影响效果不同，功率调节需要小惯量，但是若VSG采用低惯量，频率波动较大，不利于系统稳定运行。因此，若不将两者同时考虑，可能会导致在不同运行场景下VSG-IIDG输出功率动态响应特性较差，甚至无法满足供电需求。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种逆变型分布式电源双层自适应惯量控制方法及装置，VSG控制器采用的虚拟惯量为自适应变化的控制参量，可以根据系统运行状态以及实时动态频率偏差自适应地调节控制优先级，满足不同运行工况下系统对逆变型分布式电源输出的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种逆变型分布式电源双层自适应惯量控制方法，根据基于VSG的IIDG的控制拓扑结构建立小信号模型，分析VSG的虚拟惯量常数与IIDG输出角频率和有功功率之间关系，进而，通过小信号模型模拟实际运行场景在功率调节和频率调节间以双层自适应控制策略选取控制优先级，使IIDG适应不同运行场景。

所述的功率调节是指：当IIDG自身有功功率参考值发生突变时，采用较小的虚拟惯量常数H对有功功率调节；

所述的频率调节是指：当公共母线频率发生小范围突变时，根据IIDG频率输出变化自适应调节虚拟惯量常数H，具体为：当偏移较小时，控制优先考虑系统调节速度，输出超调问题靠后，通过快速响应抑制外界波动的影响；当偏移较大时，控制则关注于平抑超调，系统响应速度则适当减慢。

所述的控制优先级是指，采用灵敏系数自适应选取控制优先级使IIDG适应不同运行场景，其中：kg为一预设系数，kd则反映了频率偏移权重，kd越大，实际控制曲线接近于Γ1；当ka减小，实际控制曲线接近于Γ4，则在整个调节过程中虚拟惯量均采用最小值，Γ1至Γ4对应的灵敏系数不断减小，Γ4对应的灵敏系数为零。

优选地，通过VSG的二阶系统阻尼系数、下垂系数、阻尼系数和控制裕度求出虚拟惯量常数选取范围上、下限。

本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：优先级自适应调节器、偏移自适应调节器，其中：优先级自适应调节器根据实际运行场景在功率调节和频率调节间自适应选取控制优先级以整体提高IIDG功率和频率输出动态特性，偏移自适应调节器根据IIDG的频率输出对虚拟惯量进行自适应调节，实现兼顾超调量小和响应速度快的控制策略。

技术效果

与现有技术相比，本发明实现对并网逆变型分布式电源的自适应控制，该策略兼顾角频率和功率输出稳定控制能力，具有超调量小和响应迅速的特点，使得IIDG在系统扰动时输出能够快速稳定，可用于应对系统不同类型干扰。与采用固定惯量的VSG控制以及Bang-bang控制对比，所提控制策略兼顾角频率和功率输出特性，具有超调量小和响应迅速的特点，控制效果更为优良。

附图说明

图1为基于VSG的IIDG的控制拓扑结构示意图；

图2为有功-频率控制示意图；

图3为VSG控制算法流程示意图；

图4为H从小到大变化过程中系统特征根变化轨迹示意图；

图5为IIDG输出有功功率偏移ΔP的响应曲线；

图6为IIDG输出频率偏移Δω的响应曲线；

图7为自适应虚拟惯量H与ω关系曲线；

图8为双层自适应控制示意图；

图9为仿真系统拓扑结构示意图；

图10为并网运行仿真结果示意图；

图中：a为IIDG输出，b为虚拟惯量；

图11为孤岛运行仿真结果示意图；

图中：a为IIDG输出，b为虚拟惯量。

具体实施方式

如图1所示，为基于VSG的IIDG的控制拓扑结构，其中PWM信号在驱动电路的驱动下控制逆变桥中开关管的通断，其桥臂输出电压模拟了同步发电机的内电势。Lf和Cac分别是滤波器电感、电容，经过LC滤波后，逆变器输出电压模拟了同步发电机的端电压。通过公共耦合点的开断，IIDG可以实现并网与离网两种运行模式的切换。

所述的IIDG的频率控制是指：其中：P为VSG控制下逆变器端口输出的有功功率，k为阻尼系数，ω为IIDG输出角频率，ωgrid为公共耦合点处角频率，D为有功下垂系数，H为VSG的虚拟惯量常数，2H表示VSG在额定功率指令下从角速度为零的停止状态加速到额定角速度所需要的时间。

如图2所示，为有功-频率控制示意图，当IIDG工作在并网模式时，频率控制主要依靠阻尼项k(ω-ωgrid)跟踪外电网频率并与之保持同步；离网运行时，频率控制采用有功-频率下垂控制模拟电力系统一次调频功能为IIDG系统提供频率支撑。

对同步发电机来说，转动惯量标志旋转特性，和发电机尺寸、质量等物理量相关，而在VSG控制系统中，由于惯量常数为虚拟控制量，其值可灵活选择，可根据实际需要采用恒定值或函数值，取值范围也比同步发电机更宽，具备更优的控制效果。

根据IIDG的频率控制可以得到VSG在给定值附近线性化后的小信号模型，即由两个输入量和两个输出量构成的系统，如图3所示。当公共母线频率恒为工频保持不变时，建立VSG有功功率输入、输出之间的传递函数为：当VSG有功功率参考值不变时，建立以公共母线角频率波动为输入、VSG角频率为输出的传递函数：其中：δs和Es是功率为Pref和Qref时IIDG的输出电压参量。

由传递函数表达式可见，VSG控制器为二阶系统，系统的特征根为：图4绘制了系统处于欠阻尼状态时，采用不同阻尼系数k下，当H不断增加过程中系统特征根变化轨迹。从图中可见，虚拟惯量常数H不断增加时，系统的特征根绝对值减小，特征根更靠近虚轴，系统稳定裕度逐渐降低。

对于VSG控制结构的两个传递函数可以分别用于分析IIDG自身有功功率阶跃时系统的响应以及分析IIDG受到来自外界系统频率扰动时系统的响应。下面针对功率和频率变化分别分析IIDG输出特性。

1)当IIDG自身有功功率参考值发生突变时，ΔPref＝α*u(t)，其中：α表示突变幅度，u(t)为单位阶跃函数，此时IIDG输出功率偏差为：其中：该偏移量的第一次峰值时间tp和最大超调ΔP(tp)为：

如图5所示，为IIDG输出有功功率偏移ΔP的响应曲线。从图中可以看出，随着虚拟惯量常数H增加，IIDG输出有功功率偏移ΔP超调量不断增加，波动更加剧烈。也就是说，在该值域范围内，较小的虚拟惯量常数H对有功功率调节更有利。

2)当公共母线频率发生小范围突变时，Δωgrid＝α(u(t)-u(t-τ0))，其中：α表示突变幅度，u(t)为单位阶跃函数，τ0为突变时段，此时IIDG输出频率偏差为：该偏移量的第一次峰值时间最大超调

如图6所示，为频率突变时IIDG输出频率偏移Δω的响应曲线；从图中可以看出，随着虚拟惯量常数H增加，IIDG输出频率偏移Δω超调量不断减小，整体波动较为平缓。也就是说，在该值域范围内，较大的虚拟惯量常数H对频率调节更有利。

在不同运行场景下虚拟惯量H的大小对IIDG系统输出有功功率与频率之间存在矛盾分歧，一方面，当IIDG受到来自外界系统扰动频率突变时，虚拟惯量常数增加可以使IIDG输出频率偏移减小，频率波动更为平缓；另一方面，当IIDG自身有功功率输出发生变化时，减小虚拟惯量常数可以降低IIDG输出有功功率偏移，使有功调节更为平稳。

因此本实施例所涉及的双层自适应惯性控制方法既能够自适应调节偏移，也可以自适应选取控制优先级，自适应虚拟惯量H与ω关系曲线如图7所示，自适应控制虚拟惯量其中：ka为自适应控制灵敏因子，H0为IIDG工作于工频时控制算法采用的虚拟惯量常数，Hh为频率偏移无穷大时对应的虚拟惯量常数；当频率偏移达到1/ka时，虚拟惯量将为(H0+Hh)/2，即自适应调节区中值。频率偏移小于1/ka的区域为响应灵敏区，此区域惯量均较小。频率偏移大于1/ka的区域为超调平抑区，此区域惯量均较大。

因此，在图7中ω＝ωref±1/ka成为超调平抑区和响应灵敏区的分界处，ka可以用于调节响应灵敏区和超调平抑区的相对大小。该参数表征了自适应控制灵敏程度：随着ka增加，响应灵敏区变小，调节尺度不断降低；但是随着ka增加，相同频率偏移处曲线斜率增大，这意味着控制系统更为灵敏，较小的状态变化即可引起参数调整。图7中四条曲线Γ1至Γ4对应的灵敏因子不断减小，其中Γ4对应的灵敏因子为零。

所述的自适应调节偏移是指：以Γ1为例，当IIDG系统遭受频率扰动时，频率运行状态偏离稳定运行点，控制系统将进入响应灵敏区，系统快速响应，抑制外界波动的影响。当频率偏离较为严重，控制将进入超调平抑区。此区域惯量均较大，这使得外界频率波动对IIDG自身频率输出影响大大降低，IIDG输出频率将保持平缓，不会有较大的波动。极限情况下，当频率偏移无穷大时，虚拟惯量将为Hh，因此Hh是整个自适应虚拟惯量调节的上限。而当IIDG输出频率无偏差时，控制算法采用的虚拟惯量常数为H0，这是自适应虚拟惯量常数调节的下限。虚拟惯量H在随着IIDG输出频率ω变化调节过程中，其值始终大于零，控制系统运行在渐近线之上。这使得控制系统始终存在正阻尼，且特征根始终位于虚轴左侧，确保调节过程中系统稳定性不受到破坏。

所述的自适应选取控制优先级是指：为了使IIDG适应不同运行场景，采用灵敏系数其中：kg为一预设系数，kd则反映了频率偏移权重，kd越大，表明输出频率偏移越严重，因此ka用以自适应选取控制优先级；当输出频率偏移较为严重时，ka增加，实际控制曲线接近于Γ1；当输出功率偏移较为严重时，ka减小，实际控制曲线接近于Γ4，极端情况下，达到Γ4，在整个调节过程中虚拟惯量均采用最小值，这可以保证有功功率输出响应快，超调小，动态响应特性良好。

综上，实际运行中，控制系统既能沿控制曲线横向调节输出(图x轴方向)，又能纵向调节控制优先顺序(图y轴方向)。上述双层自适应控制框图如图8所示。

所述的虚拟惯量常数H作为VSG算法中的核心参数，其选取范围直接影响IIDG系统调节时间尺度，使电网的输出特性更加多样化，VSG的控制系统参数通过以下方式进行选取，根据这一系列设计参考可以得出虚拟惯量常数选取范围上下限Hh，H0。

1)二阶系统阻尼系数：由于VSG控制系统为二阶模型，其阻尼系数该阻尼系数ζ影响系统响应的性质，为了使系统暂态响应更快达到稳定值，限制系统超调量并使调节时间较小，ζ应取0.4-0.8，即设计参数应满足：此时，系统处于欠阻尼状态，时间响应呈现衰减振荡。

2]下垂系数：下垂系数D由电网标准决定，该设计参数表示频率每变化1Hz、输出电压幅值每变化1kV，逆变器输出有功功率、无功功率变化程度。具体的设计标准应参照相关标准中的规定。

3)阻尼系数：IIDG并网稳定运行时，ωref与ωgrid相等，一次调频项(ωref-ωgrid)/D为零，阻尼控制器k(ω-ωgrid)决定有功功率控制信号；IIDG孤岛稳定运行时，ω与ωgrid相等，阻尼项k(ω-ωgrid)为零，一次调频控制器(ωref-ωgrid)/D决定有功功率控制信号；而在实际运行中，IIDG系统经受扰动时，逆变器输出偏离设定值，此时阻尼项、一次调频项两项均不为零，同时存在于有功-频率控制方程中，为了使各种运行工况下均能发挥控制器调节作用，1/D与k量级应相近，只有这样，才能将对应频率偏移合理转化为有功功率控制信号。

4]控制裕度：传递函数特征根分布表明，此VSG控制系统为最小相位系统。根据系统设计原则：相角裕度至少为30°，一般设计为40°～60°即：其中：为传递函数在ωg处的相位；幅值裕度至少应为6dB，一般设计为10～20dB即：其中：A(ωt)为传递函数在ωt处的幅值。

根据以上设计原则可以求出虚拟惯量常数选取范围上下限Hh，H0。

本实施例具体在PSCAD/EMTDC中搭建系统进行仿真验证，根据如图9所示的系统拓扑结构且VSG-IIDG采用双层自适应控制策略情况下的仿真参数如表1所示，双层自适应控制惯量上限为1，下限为0.1，kg为10。

表1 VSG仿真主要参数

为观察并网运行时控制效果，运行至4.2s时，上级配网系统波动引发公共母线频率振荡，波动持续二个工频周波后消除。6.2s时，功率参考值由0.3MW上升至0.4MW。图10(a)给出了固定虚拟惯量常数与自适应惯性控制下，IIDG输出频率的变化情况，图10(b)为对应自适应变化的虚拟惯量值。

从图中可以看出，振荡发生后，IIDG输出频率受到影响发生偏移，在惯性的作用下振荡后最终趋于稳定恢复原运行状态。可以看到，对比采用固定虚拟惯量常数，一方面自适应控制下频率，有功超调较小，系统输出更加平稳；同时，自适应控制下扰动过程进行的极快，整个振荡被压缩，系统得以快速恢复。

为观察控制策略在孤岛运行时(断路器2断开)效果，令系统并网运行至4s时，功率参考值由0.4MW下降至0.3MW。另外7.2s时公共母线出现频率变化，变化持续0.2s。图11为仿真结果。

在缺少配电网的频率支撑下，扰动后IIDG输出将会发生偏移，随后在控制系统调节下最终恢复稳定运行状态。对比采用固定虚拟惯量常数，一方面自适应控制下频率，有功超调均有所下降，系统输出更加平稳；同时，相比于大惯量控制，自适应控制下响应速度更快，系统得以快速恢复。

综上，双层自适应惯性控制策略能兼顾输出稳定性与动态响应速度，有效提高系统运行性能，加强控制效果。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。