一种基于VSG的微电网暂态自适应参数控制策略的制作方法
本发明涉及微电网频率控制领域，尤其是构建了系统频率和系统虚拟惯性以及虚拟阻尼之间的关系，提出一种暂态自适应参数控制策略，可解决系统因功率波动而导致的频率振荡问题。
背景技术：
分布式发电(distributedgeneration，dg)主要分为可再生能源发电、不可再生能源发电和储能技术发电。可再生能源发电包括小型水力发电(10kw～100mw)、风力发电、光伏发电、地热发电等，不可再生能源发电包括微型燃气轮机发电和燃料电池发电，储能技术包括超级电容和飞轮储能技术。
近几年随着分布式电源渗透率的不断增加，使得大量的绿色能源整合到电网当中，这无疑减缓了全球的能源危机问题。但由于可再生资源具有固有的间歇性、可变性以及不确定性,以及分布式电源大量接入而导致的电网惯性降低等这些问题，都会使得电网在遭受干扰或突然变化时系统稳定性下降，并且反过来也会严重阻碍大规模dg连接到电网。所以为了更好的将绿色能源引入到微电网当中，visscherk教授在“smartgridsfordistribution”大会上提出虚拟同步机的概念，能够使得逆变器具有惯性特性。随后j.driesen教授和钟庆昌教授又相继提出“virtualsynchronousgenerators”和“synchronverters”的概念。虽然三者名称不同，但是控制机理大致相同。虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator,简称vsg)控制策略一方面即具有电力电子装置的快速响应和高可控性，另一方面它又通过引入转子方程来模拟同步发电机的性能，不仅能为系统提供阻尼和虚拟惯性，还大大提高了系统稳定性。但是系统在遭受到干扰或突然变化时，基于vsg的发电机组的暂态容量要远小于真正的同步发电机，可能导致系统因频率的快速振荡而停止工作，给系统造成巨大的损失。
为解决电网频率振荡问题，不少学者通过将其他控制器引入到传统vsg结构当中，可利用其控制器的控制优势来改进vsg的运行性能，比如kerdphol.t教授同时对再生能源的不确定性和负载实时变化进行研究，通过新型的基于h∞的虚拟惯性控制器来解决这两者所引起的频率扰动问题。(详见文献huy,weiw,pengy,etal.fuzzyvirtualinertiacontrolforvirtualsynchronousgenerator[c]//controlconference.ieee,2016:8523-8527.)但是这种控制策略却很难实现各个控制器的性能和vsg性能均达到最优配置。因此，很难保证系统在广泛的干扰范围内同时具有强大的稳定性和优良的经济性。也有不少学者们是对vsg结构进行分析，建立可以表示微电网运行状态的数学模型，对系统进行优化。hirase.y教授对vsg的频率稳定效应进行分析，通过调整vsg的系统参数来提高系统稳定性，但是该策略可能因忽略某些物理条件等因素而导致控制策略缺乏可操作性。(详见文献hirasey,sugimotok,sakimotok,etal.analysisofresonanceinmicrogridsandeffectsofsystemfrequencystabilizationusingavirtualsynchronousgenerator[j].ieeejournalofemerging&selectedtopicsinpowerelectronics,2016,4(4):1287-1298.)基于此现有不少文献对系统的惯性和阻尼因子进行改进。在vsg控制技术中，虚拟阻尼决定了角频率的稳态特性，而动态特性可以通过虚拟惯量进行优化。通过合理调整这两个参数，可使得vsg具有更优良和灵活的控制性能。但其中对很少涉及参数的自适应调整，这使得系统没办法根据系统频率的改变而实时改变系统结构参数，这样利用现有方法抑制系统因功率波动而导致的频率波动比较困难。
技术实现要素：
本发明目的在于在虚拟同步发电机(vsg)控制策略基础上，构建系统频率和系统虚拟惯性转矩以及虚拟阻尼因子之间的关系，提出一种暂态自适应参数控制策略，从而提高系统的动态稳定性。相较于传统控制策略，能够实现虚拟惯性转矩的自适应改变，并且引进的自适应虚拟阻尼因子控制，能够很好的防止虚拟惯性转矩过大或者过小，避免产生“超大惯性”或“负惯性”的现象。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：一种基于vsg的微电网暂态自适应参数控制策略，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将带有储能的dg通过逆变器、lc滤波器，作为虚拟同步电机接入电网，构建基于vsg的微电网系统动态模型；其中，微电网系统动态模型为基于虚拟惯性转矩、虚拟阻尼因子的虚拟同步发电机的典型二阶模型；
步骤2，对微电网系统动态模型的虚拟惯性转矩和阻尼因子建立对应关系；
步骤3，对微电网系统动态模型进行训练配置关键参数；
步骤4，利用基于步骤2、3确定的微电网系统动态模型对基于vsg的微电网暂态自适应参数进行控制。
进一步的技术方案在于，所述虚拟同步发电机的典型二阶模型主要由电磁部分与机械运动两部分组成，其为
△δ＝δ1-δref＝∫(ω-ωref)dt(2)
△ω＝ω-ωref(4)
其中，pm为机械功率，pe为电磁功率，j为虚拟惯性转矩，d为虚拟阻尼因子，ωref为额定角频率，ω为电网实际角频率，△ω为角频率差值，vref和δref为dg在额定条件下的电压幅值和相角，e和δ1为dg的输出电压幅值和相角，δ为vsg的相角，△δ为vsg的相角差。
进一步的技术方案在于，所述步骤2中虚拟惯性转矩和阻尼因子建立对应关系为：
j＝kj(ω-ωref)2+j0(5)
d＝kdj(6)
式(5)中：j0和j为dg的稳态惯性转矩和虚拟惯性转矩，kj为调节系数，系数k与d2ω/dt2取异号；
式(6)中：d为dg的虚拟阻尼因子，kd为阻尼调节系数。
进一步的技术方案在于，一种基于vsg的微电网暂态自适应参数控制策略，其具体的步骤为：
步骤1，将带有储能的dg通过逆变器、lc滤波器，作为虚拟同步电机接入电网，构建基于vsg的微电网系统动态模型；其中，微电网系统动态模型为基于虚拟惯性转矩、虚拟阻尼因子的虚拟同步发电机的典型二阶模型；其主要由电磁部分与机械运动两部分组成，其为
△δ＝δ1-δref＝∫(ω-ωref)dt(2)
△ω＝ω-ωref(4)
其中，pm为机械功率，pe为电磁功率，j为虚拟惯性转矩，d为虚拟阻尼因子，ωref为额定角频率，ω为电网实际角频率，△ω为角频率差值，vref和δref为dg在额定条件下的电压幅值和相角，e和δ1为dg的输出电压幅值和相角，δ为vsg的相角，△δ为vsg的相角差；
步骤2，对微电网系统动态模型的虚拟惯性转矩和阻尼因子建立对应关系：
j＝kj(ω-ωref)2+j0(5)
d＝kdj(6)
式(5)中：j0和j为dg的稳态惯性转矩和虚拟惯性转矩，kj为惯性转矩调节系数，系数k与d2ω/dt2取异号；
式(6)中：d为dg的虚拟阻尼因子，kd为阻尼调节系数；
步骤3，将式(3)～(6)代入到式(1)中，可得新型转子动态摇摆方程为：
对式(7)进行线性化处理，并将式(2)代入其中可得：
将式(8)中kj值忽略改写为：
分析表达式(9)可知，该式为典型的二阶传递函数，则其自然振荡角频率和阻尼系数可通过表达式(10)和(11)所得
根据同步发电机的自然振荡频率和阻尼系数范围，来确定稳态惯性转矩j0和阻尼调节系数kd的数值范围；
对于惯性转矩调节系数kj的数值范围，由于在减速阶段过程中，其数值为负；所以kj必须满足式(12)，即
j0-|kj|(ω-ωref)2<0(12)
所以惯性转矩调节系数kj的数值范围为：
步骤4，利用基于步骤2、3确定的微电网系统动态模型对基于vsg的微电网暂态自适应参数进行控制。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：
1、在虚拟同步发电机(vsg)控制策略基础上，构建系统频率和系统虚拟惯性转矩以及虚拟阻尼之间的关系，提出一种暂态自适应参数控制策略，可以使系统能够根据频率变化情况实时改变系统参数，优化系统结构，从而提高系统的动态稳定性。
2、相较于传统控制策略，能够实现虚拟惯性转矩的自适应改变，并且引进的自适应虚拟阻尼因子控制，能够很好的防止虚拟惯性转矩过大或者过小，避免产生“超大惯性”或“负惯性”的现象。并且本文对自适应系数选取范围进行详细分析，确定其选取范围。
附图说明
图1本发明方法的自适应vsg控制结构图。
图2本发明方法的p-f及q-v控制策略图。
图3本发明方法的系统扰动后vsg功率振荡和功角变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明阐述了一种基于vsg的微电网暂态自适应参数控制策略，其特征在于，其具体的步骤为：
步骤1，将带有储能的dg通过逆变器、lc滤波器，作为虚拟同步电机接入电网，构建基于vsg的微电网系统动态模型；其中，微电网系统动态模型为基于虚拟惯性转矩、虚拟阻尼因子的虚拟同步发电机的典型二阶模型；其主要由电磁部分与机械运动两部分组成，其为
△δ＝δ1-δref＝∫(ω-ωref)dt(2)
△ω＝ω-ωref(4)
其中，pm为机械功率，pe为电磁功率，j为虚拟惯性转矩，d为虚拟阻尼因子，ωref为额定角频率，ω为电网实际角频率，△ω为角频率差值，vref和δref为dg在额定条件下的电压幅值和相角，e和δ1为dg的输出电压幅值和相角，δ为vsg的相角，△δ为vsg的相角差；
步骤2，对微电网系统动态模型的虚拟惯性转矩和阻尼因子建立对应关系：
j＝kj(ω-ωref)2+j0(5)
d＝kdj(6)
式(5)中：j0和j为dg的稳态惯性转矩和虚拟惯性转矩，kj为惯性转矩调节系数，系数k与d2ω/dt2取异号；
式(6)中：d为dg的虚拟阻尼因子，kd为阻尼调节系数；
步骤3，将式(3)～(6)代入到式(1)中，可得新型转子动态摇摆方程为：
对式(7)进行线性化处理，并将式(2)代入其中可得：
将式(8)中kj值忽略改写为：
分析表达式(9)可知，该式为典型的二阶传递函数，则其自然振荡角频率和阻尼系数可通过表达式(10)和(11)所得
根据同步发电机的自然振荡频率和阻尼系数范围，来确定稳态惯性转矩j0和阻尼调节系数kd的数值范围；
对于惯性转矩调节系数kj的数值范围，由于在减速阶段过程中，其数值为负；所以kj必须满足式(12)，即
j0-|kj|(ω-ωref)2<0(12)
所以惯性转矩调节系数kj的数值范围为：
步骤4，利用基于步骤2、3确定的微电网系统动态模型对基于vsg的微电网暂态自适应参数进行控制。
实施例
本发明所述技术方案具体步骤如下：
(1)vsg控制策略及控制模型
(1-1)构建基于vsg的传统微电网系统模型
如图1所示，在传统的vsg控制系统中，风能、太阳能等可再生能源可通过dg接入到电网中；dg功率模块采用下垂控制，经逆变器后与lc滤波器相连；该滤波器由电感元件lf和电容元件cf组成，合理调整其参数可以减少测量输出功率中波纹的影响；
构建基于vsg的微电网系统动态模型；其中，微电网系统动态模型为基于虚拟惯性转矩、虚拟阻尼因子的虚拟同步发电机的典型二阶模型：
△δ＝δ1-δref＝∫(ω-ωref)dt(2)
△ω＝ω-ωref(4)
其中，pm为机械功率，pe为电磁功率，j为虚拟惯性转矩，d为虚拟阻尼因子，ωref为额定角频率，ω为电网实际角频率，△ω为角频率差值，vref和δref为dg在额定条件下的电压幅值和相角，e和δ1为dg的输出电压幅值和相角，δ为vsg的相角，△δ为vsg的相角差。
在图1中，dg有功功率和无功功率皆采用下垂控制，通过检测vsg输出端的电压和电流，经计算后便可得知其输出功率和频率；输出功率和频率经vsg计算模块后，可计算出每个时刻的，再通过积分器便可以计算出虚拟相角ω，将其馈送至pwm模块和vref形成调制信号；
(1-2)传统vsg的惯性控制和阻尼控制
vsg控制策略中通过将惯性引入的系统中，可以根据系统实际运行情况对虚拟惯性转矩j进行调整，减缓系统遭受故障时的功率和频率动态变化，不受物理条件的限制，这无疑可以增强系统的抗扰动性
但同时这也使得vsg控制系统具有类似同步电机的振荡特性；当系统发生突然事故或者切负荷变动时，系统能量的动态平衡被打破，则同步发电机需通过增加或者减小转子动量来稳定系统频率；其系统在扰动后的功角和功率振荡变化如附图3所示，若不考虑系统阻尼作用，根据等面积原理，系统有功功率和频率会在附图3a中2和3点间发生等幅振荡；而通过调整系统的虚拟惯性转矩j的数值可以减少附图3a中2和3间功率差值，来抑制频率振荡
为提高系统的暂态性能，系统常常会引入虚拟阻尼因子d，改善系统扰动后角频率的动态特性，和虚拟惯性转矩互相配合来抑制功率振荡；由步骤1-1中vsg二阶模型公式可知，在系统的频率振荡过程中，通过增大或减小阻尼功率功率，可以减小系统的功率波动，即系统由原来的2和3间的等幅振荡变为2-3-5间的减幅振荡，使得系统更快达到稳定；值得注意的是，由二阶模型可知对于质量较好的电网，系统频率稳定，即ω＝ωref，则虚拟阻尼因子只能改进系统暂态性能；而对于质量一般的电网，在系统稳定时候频率可能缓慢波动，则虚拟阻尼因子还会影响系统稳态性能
传统的频率振荡过程中，通过配置虚拟惯性转矩j和虚拟阻尼因子d可使其暂态效果得到改善；但该控制策略缺点也很明显，由于其虚拟惯性转矩和虚拟阻尼因子都是定值，无法使得系统的快速性和稳定性皆达到最优，即当虚拟惯性转矩j选择过大时，虽然能使得提高系统稳定性，但却减缓了系统的响应时间，并且还需要提高系统的储能容量；而两者数值选择过小时，系统的快速性大大提高，但系统却可能在遭受大干扰后而崩溃；同理，虚拟阻尼因子d选择过大时，系统功率超调减少，但响应时间减缓，调整时间以增长；虚拟阻尼因子d选择过小时，响应时间和调整时间提高，但系统功率超调又会增大
(2)vsg虚拟惯性转矩和虚拟阻尼因子的自适用控制
(2-1)自适用虚拟惯性转矩和虚拟阻尼因子控制
为解决传统vsg抑制功率振荡策略中的上述缺点，本发明提出一种暂态自适应参数控制策略；对附图3分析可知，发生扰动后，vsg输出功率由平衡点1开始，在2和3间持续变化，最终在虚拟惯性转矩和阻尼因子的影响下，在新的平衡点达到稳定。在频率振荡的一个周期内，a阶段中系统虚拟角速度在增快，并且角速度大于电网额定角速度，因此需要较大的转子惯性来限制转子角速度的增加，定义此阶段为转子角速度加速阶段；b阶段中系统虚拟角速度在减缓，并且角速度小于电网额定角速度，因此需要较小的转子惯性来使得转子角速度尽快恢复到稳定数值，定义此阶段为转子角速度减速阶段；同理可得，c处于加速阶段以及d处于减速阶段
从数学角度对此振荡过程进行分析可知，在a和c加速阶段过程中，角速度变化的加速度皆小于零，即d2ω/dt2<0，转动惯性应该随着系统频率偏差的增大而增大，来抑制频率偏差继续增大；而在b和d减速阶段过程中，角速度变化的加速度皆大于零，即d2ω/dt2>0，转动惯性应该随系统频率偏差的减小而减小，使得频率尽快恢复到稳定值；综上所述，自适应虚拟惯性转矩和频率偏差的关系式为：
j＝kj(ω-ωref)2+j0(5)
式中：j0和j为dg的稳态惯性转矩和虚拟惯性转矩，kj为调节系数。值得注意的是，系数k与d2ω/dt2取异号，即d2ω/dt2仅仅决定k值的正负，具体数值大小与其无关
但如果只单独采用自适应虚拟惯性转矩j控制策略，则在其变化过程中会造成数值过大或者过小，从而导致系统快速性和稳定性造成影响，所以使得虚拟阻尼因子随着虚拟惯性转矩j的改变而改变，其关系式为：
d＝kdj(6)
式中：d为dg的实际虚拟阻尼因子，kd为阻尼调节系数；
当系统根据振荡过程中角频率变化情况而改变虚拟惯性转矩时，使得虚拟惯性转矩j增大或者减小时，同时增大或者减小系统阻尼，这样既能减小系统的超调量，增强系统稳定性；还能提高系统的响应时间以及减小调整时间，提高系统快速性。
(2-2)自适用虚拟惯性转矩控制关键参数配置
本文提出控制策略中的主要参数为稳态惯性转矩、惯性转矩调节系统k和阻尼因子d；具体如下：
将式(3)～(6)代入到式(1)中，可得新型转子动态摇摆方程为：
为确定稳态惯性转矩j0和阻尼调节系数kd值，对式(7)进行线性化处理，并将式(2)代入其中可得：
由于线性化所取时间段极小，所以可以忽略kj值，故式(8)可改写为：
分析表达式(9)可知，该式为典型的二阶传递函数，则其自然振荡角频率和阻尼系数可通过表达式(10)和(11)所得
因此，在设置vsg参数时，可根据同步发电机的自然振荡频率和阻尼系数范围，来确定稳态惯性转矩j0和阻尼调节系数kd的数值范围；
对于惯性转矩调节系数kj的数值范围，由于在减速阶段过程中，其数值为负；所以kj必须满足式(12)，即
j0-|kj|(ω-ωref)2<0(12)
所以惯性转矩调节系数kj的数值范围为：
(3)系统能量函数的稳定性评估
电力系统暂态分析的时域仿真法由于计算能力较差，稳定度不明确等缺点，因此现阶段李雅普诺夫直接法已经成为研究暂态稳定性的关注点；对于n维系统的李雅普诺夫函数稳定分析标准如下：
对于一个状态量为x的动态系统，若能定于一个正定标量函数v(x)(即v(x)|x＝0＝0,v(x)|x≠0>0)，且v(x)的时间导数
为分析评估本文针对虚拟惯性转矩所提出的控制策略，本系统的暂态总能量由动能ek和势能ep构成，其关系式为：
v为系统发生扰动后的暂态系统总能量，δ1和(δ1+△δ)为系统频率振荡过程中任选两个时刻的vsg的起始相角和终止相角，其状态变量x＝[x1,x2]＝[△δ,△ω]
为了方便公式推导，将式(2)代入到式(7)中，得：
由表达式(15)可得：
式中a，b，c，参数的表达式为：
则将式(16)代入到式(14)中，得到系统李雅普诺夫函数为：
用状态变量对表达式(16)重新描述为：
由表达式(19)可知，当状态变量x1所取范围为[-π,π-2δ1]时，则系统李雅普诺夫函数v(x)为正数，其导函数为：
系统振荡过程中，系统角速度处于加速阶段时，
因此由表达式(19)～(21)可知，本系统满足李雅普诺夫函数稳定判断标准，通过合理的调整各个参数可以使得系统能够稳定运行；
(4)用matlab软件对算例进行仿真分析；
(4-1)确定算例以及其必要特征
以所搭建模型为基础，选择直流侧电容为100mf，直流侧电压稳定值为1kv滤波电感为5mh，等值电阻为0.1，占空比变化率为0.28kj-1，积分时间系数为0.001s，比例系数为0.5333v/a，直流环节稳定容量为50kj，直流环节极限容量为60.5kj，电网电压额定值为
(4-2)采用matlab/simulink软件对算例进行仿真分析
通过vsg与自适应控制结合应用，从仿真结果直接判断在扰动变量作用下故障期间和故障清除系统恢复阶段，系统频率的波动幅值大小都要比传统vsg控制策略小，且波动时间更短，能够使得系统更加稳定；
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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