虚拟同步机自适应调节方法及包含该方法的虚拟同步机与流程

本发明涉及配电网或者微电网并网逆变器的控制技术领域，具体涉及一种虚拟同步机自适应调节方法及包含该方法的虚拟同步机。

背景技术：

并网逆变器作为新能源与配电网的枢纽而被广泛应用，已经成为了现代电力系统不可或缺的一部分。但其由于电力电子器件快速性，而使得电力系统的“惯量”下降，对配电网的稳定运行产生了一定的不利影响。

为解决此问题，虚拟同步机技术被提了出来。虚拟同步机技术将同步发电机的电磁方程与机械方程应用到控制策略的设计中，使得并网逆变器能够模拟同步发电机的外特性而具有一定的“惯量”，从而在一定程度上支撑配电网的稳定运行。但虚拟同步机自身亦存在一些问题，如控制参数不合适引起的振荡问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种虚拟同步机自适应调节方法，克服当运行条件或负载变化时参数不合适的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种虚拟同步机自适应调节方法，包括：s1：接收功率差值，功率差值为电磁功率与功率参考值的差值；s2：对功率差值进行模糊化处理，以得到功率差值模糊值；s3：根据功率差值模糊值和模糊控制规则计算阻尼系数和惯量系数的模糊解；s4：对阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊计算，输出阻尼系数和惯量系数的精确解。

所述s2包括：s2.1：将功率差值的论域模糊分割为至少3个模糊集；s2.2：根据功率差值的隶属度函数和模糊集对所述功率差值进行模糊化处理得到功率差值模糊值。

所述s2.1具体为将所述功率差值的论域模糊分割为7个模糊集：负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)。

所述功率差值的隶属度函数为三角形隶属度函数和/或高斯函数。

所述s4包括：s4.1：将阻尼系数的论域模糊分割为至少3个模糊集；s4.2：将惯量系数的论域模糊分割为至少3个模糊集；s4.3：根据阻尼系数的隶属度函数和阻尼系数的模糊集对阻尼系数模糊解进行解模糊计算；根据惯量系数的隶属度函数和惯量系数的模糊集对惯量系数的模糊解进行解模糊计算。

将所述阻尼系数的论域模糊分割为7个模糊集：负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)。

所述阻尼系数的隶属度函数为三角形隶属度函数和/或高斯函数。

将所述惯量系数的论域模糊分割为3个模糊集：最大值(cb)、中间值(cm)、最小值(cl)。

所述惯性系数的隶属度函数为三角形隶属度函数和/或高斯函数。

采用重心法对所述阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊计算。

根据所述阻尼系数和惯量系数与所述功率差值的相关性建立所述模糊控制规则。

所述模糊控制规则为：

根据所述模糊控制规则计算阻尼系数和惯量系数的模糊解。

本发明还提供一种虚拟同步机，包括模糊控制模块，模糊控制模块包括模糊化处理单元、模糊计算单元和解模糊单元，模糊化处理单元接收电磁功率与功率给定值的功率差值，并对功率差值进行模糊化处理得到功率差值模糊值；模糊计算单元根据功率差值模糊值和模糊控制规则计算阻尼系数和惯量系数的模糊解；解模糊单元对阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊计算，输出阻尼系数和惯量系数的精确解。

所述模糊处理模块将功率差值的论域模糊分割为至少3个模糊集，并根据功率差值的隶属度函数对功率差值进行模糊化处理得到功率差值模糊值。

所述解模糊模块将所述阻尼系数的论域模糊分割为至少3个模糊集，将所述惯量系数的论域模糊分割为至少3个模糊集，根据所述阻尼系数的隶属度函数和和阻尼系数的模糊集对阻尼系数模糊解进行解模糊计算，并根据惯量系数的隶属度函数和惯量系数的模糊集对惯量系数的模糊解进行解模糊计算。

本发明的虚拟同步机自适应调节方法采用了模糊控制算法，以电磁功率pe与功率给定值pref的差值e作为输入，以阻尼系数dp以及惯量系数j作为输出，实现了当运行条件或负载变化时参数的自适应控制，使得虚拟同步机具有电压主动治理的能力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的虚拟同步机自适应调节方法流程图；

图2是是图1中步骤20对功率差值做模糊化处理的流程图；

图3是是图1中步骤40对阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊的流程图；

图4是现有技术的三相全桥逆变器拓扑；

图5是本发明一实施例的虚拟同步机框图；

图6是本发明一实施例的虚拟同步机总控制框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

现在将详细说明本发明的实施例，其实例由附图示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。下面，示例性实施，例被描述以参考附图解释本发明。

根据本发明的示例性实施例，参照方法的流程图在下文中描述本发明。应理解流程图的每个方框、以及流程图中的方框的结合能够由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给适用计算机、专用计算机、或者其它可编程数据处理设备以生产机器的处理器，从而，这些指令通过计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行以实现流程方框或方框结合中的指定的功能。这些计算机程序指令也可被存储在计算机可用或计算机可读的存储器中，其可指示计算机或其它可编程数据处理设备以特定的方式运行，从而，存储在计算机可用或计算机可读存储器中的指令产生制造物以实现流程方框或方框结合中的指定的功能。计算机程序指令也可被加载到计算机或其它可编程数据处理设备上以使一系列操作步骤在计算机或其它可编程设备上被执行以产生计算机执行的处理，从而在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供实现流程方框或方框结合中的指定的功能。

另外，流程图的每一方框可表示模块、程序段或部分代码，其包括一个或多个可执行指令以实现特定的逻辑功能。同样应注意到，在某些替代的实现中，方框中示出的功能可异常发生。例如，连续所示的两方框实际上可实质上同时被执行或者方框有时可被以相反的顺序执行，这取决于有关的功能性。

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1所示，是本发明一实施例的虚拟同步机自适应调节方法流程图。步骤10接收功率差值，在具体实施方式中，所述功率差值为虚拟同步机输出的电磁功率pe与功率参考值pref的差值e；步骤20对功率差值做模糊化处理，以得到功率差值的模糊值；步骤30根据功率差值的模糊值和模糊控制规则计算阻尼系数dp和惯量系数j的模糊解；步骤40对阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊计算，输出阻尼系数和惯量系数的精确解。

本发明的虚拟同步机自适应调节方法采用了模糊控制算法，以电磁功率pe与功率给定值pref的差值e作为输入，以阻尼系数dp以及惯量系数j作为输出，实现了当运行条件或负载变化时参数的自适应控制，使得虚拟同步机具有电压主动治理的能力。

在一实施方式中，如图2所示，是图1中步骤20的对功率差值做模糊化处理的流程图。步骤201将功率差值的论域模糊分割为至少3个模糊集；步骤203根据功率差值的隶属度函数和模糊集对功率差值进行模糊化处理，以得到功率差值模糊值。对功率差值的论域的分割越精细，效果越好，调控越灵活，静差越小，但如果分割过于精细，又会导致控制规则复杂，实时性差。

作为优选的实施方式，可将功率差值的论域模糊分割7个模糊集，7个模糊集可分别为：负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)，既保证了调控灵活度，静差小的效果，又不影响实时性。

作为优选的实施方式，功率差值的论域可为[-3,3]，具体可以是[-3，-2，-1，0，1，2，3]。也可以根据虚拟机运行的实际情况调整功率差值的论域和模糊集的划分。

在一实施方式中，步骤203中的功率差值的隶属度函数可以采用三角形隶属度函数或高斯函数，也可以在7个模糊集中的某些点采用高斯函数，其他点采用三角形隶属度函数。例如，7个模糊集中的负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)采用高斯函数，负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)采用三角形隶属度函数。

作为优选的实施方式，可以都采用三角形隶属度函数，因为三角形隶属度函数灵敏度更高。特别的，当7个模糊集的中间值为0时，优选采用三角形隶属度函数，可保证此点具有较高的灵敏度。

当功率差值的论域为[-3,3]，模糊集是[-3，-2，-1，0，1，2，3]时，可采用如下三角形隶属度函数对功率差值进行模糊化处理。

nb:ftri(-3.999,-3,-2)；

nm:ftri(-3,-2,-0.99)；

nl:ftri(-2,-0.99,0)；

m:ftri(-0.99,0,0.99)；

pl:ftri(0,0.99,2)；

pm:ftri(0.99,2,3)；

pb:ftri(2,3,3.99)。

在一实施方式中，如图3所示，是图1中步骤40的对阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊的流程图。步骤401将阻尼系数的论域模糊分割为至少3个模糊集，将惯量系数的论域模糊分割为至少3个模糊集；步骤403根据阻尼系数的隶属度函数和阻尼系数的模糊集对阻尼系数模糊解进行解模糊计算，根据惯量系数的隶属度函数和惯量系数的模糊集对惯量系数的模糊解进行解模糊计算。同样，对阻尼系数和惯量系数的论域的分格越精细，效果越好，调控越灵活，静差越小，但如果分割过于精细，又会导致控制规则复杂，实时性差。

在具体实施方式中，可采用重心法对阻尼系数dp的模糊解和惯量系数j的模糊解做解模糊计算，以输出阻尼系数dp的精确解和惯量系数j的精确解。

在一实施方式中，可将阻尼系数的论域模糊分割7个模糊集，7个模糊集可分别为：负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)，既保证了调控灵活度，静差小的效果，又不影响实时性。

作为优选的实施方式，阻尼系数的论域可为[1,7]，具体可以是[1，2，3，4，5，6，7]。也可以根据虚拟机运行的实际情况调整阻尼系数的论域和模糊集的划分。

在一实施方式中，步骤403中的阻尼系数的隶属度函数可以采用三角形隶属度函数或高斯函数，也可以在7个模糊集中的某些点采用高斯函数，其他点采用三角形隶属度函数。例如，7个模糊集中的负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)采用高斯函数，负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)采用三角形隶属度函数。

作为优选的实施方式，可以都采用三角形隶属度函数，因为三角形隶属度函数灵敏度更高。

当阻尼系数的论域为[1,7]，模糊集是[1，2，3，4，5，6，7]时，可采用如下三角形隶属度函数对功率差值进行模糊化处理。

nb:ftri(0,1,2)；

nm:ftri(1,2,3)；

nl:ftri(2,3,4)；

m:ftri(3,4,5)；

pl:ftri(4,5,6)；

pm:ftri(5,6,7)；

pb:ftri(6,7,8)。

在一实施方式中，可将惯量系数的论域模糊分割3个模糊集，3个模糊集可分别为：最大值(cb)、中间值(cm)、最小值(cl)，既保证了调控灵活度，静差小的效果，又不影响实时性。

作为优选的实施方式，惯量系数的论域可为[3,5]，具体可以是[3,4,5]。也可以根据虚拟机运行的实际情况调整惯量系数的论域和模糊集的划分。

在一实施方式中，步骤403中的惯量系数的隶属度函数可以采用三角形隶属度函数或高斯函数，也可以在3个模糊集中的某些点采用高斯函数，其他点采用三角形隶属度函数。例如，3个模糊集中的最大值(cb)、最小值(cl)采用高斯函数，中间值(cm)采用三角形隶属度函数。

作为优选的实施方式，可以都采用三角形隶属度函数，因为三角形隶属度函数灵敏度更高。

当惯量系数的论域为[3,4]，模糊集是[3，4，5]时，可采用如下三角形隶属度函数对功率差值进行模糊化处理。

cl:ftri(2,3,4)；

cm:ftri(3,4.2,4.7)；

cb:ftri(4,5,6)。

在一实施方式中，可根据阻尼系数和惯量系数与功率差值的相关性建立模糊控制规则。作为优选的实施方式，可采用如下模糊控制规则：

例如，当功率差值经过模糊化处理后的模糊功率差值为nm时，根据上述模糊控制规则阻尼系数dp的模糊解为nm，惯量系数j的模糊解为cm。

图4是现有技术的三相全桥逆变器拓扑。图中vin为电源侧输入三相电压，l1、c、l2为lcl滤波器，ia、ib、ic分别为三相输出电流，q1～q6为开关管，ea、eb、ec为逆变器中点电压，vga、vgb、vgc为电网电压。将本发明的虚拟同步机自适应调节方法应用于三相全桥逆变器的控制中，有功环的控制引入了本发明的虚拟同步机自适应调节方法，解决了虚拟同步机系统运行条件改变后的参数不适应问题，使得虚拟同步机具有电压主动治理的能力。

图5是本发明一实施例的虚拟同步机框图，包括模糊控制模块，模糊控制模块包括模糊化处理单元50、模糊计算单元60和解模糊单元70，模糊化处理单元50接收电磁功率与功率参考值的功率差值，并对功率差值进行模糊化处理，以得到功率差值模糊值；模糊计算单元60根据功率差值模糊值和模糊控制规则计算阻尼系数和惯量系数的模糊解；解模糊单元70对阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊计算，输出阻尼系数和惯量系数的精确解。

将模糊控制模块引入虚拟同步机的参数问题中，解决了虚拟同步机系统由于运行参数、负载变化等引起的参数不适应问题。

在一实施方式中，模糊化处理单元50接收电磁功率与功率参考值的功率差值后，将功率差值的论域模糊分割为至少3个模糊集，再根据功率差值的隶属度函数和模糊集对功率差值进行模糊化处理，以得到功率差值模糊值。对功率差值的论域的分割越精细，效果越好，调控越灵活，静差越小，但如果分割过于精细，又会导致控制规则复杂，实时性差。

作为优选的实施方式，模糊化处理单元50可将功率差值的论域模糊分割7个模糊集，7个模糊集可分别为：负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)，既保证了调控灵活度，静差小的效果，又不影响实时性。作为优选的实施方式，功率差值的论域可为[-3,3]，具体可以是[-3，-2，-1，0，1，2，3]。也可以根据虚拟机运行的实际情况调整功率差值的论域和模糊集的划分。

在一实施方式中，功率差值的隶属度函数可以采用三角形隶属度函数或高斯函数，也可以在7个模糊集中的某些点采用高斯函数，其他点采用三角形隶属度函数。例如，7个模糊集中的负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)采用高斯函数，负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)采用三角形隶属度函数。作为优选的实施方式，可以都采用三角形隶属度函数，因为三角形隶属度函数灵敏度更高。特别的，当7个模糊集的中间值为0时，优选采用三角形隶属度函数，可保证此点具有较高的灵敏度。

当功率差值的论域为[-3,3]，模糊集是[-3，-2，-1，0，1，2，3]时，可采用如下三角形隶属度函数对功率差值进行模糊化处理。

nb:ftri(-3.999,-3,-2)；

nm:ftri(-3,-2,-0.99)；

nl:ftri(-2,-0.99,0)；

m:ftri(-0.99,0,0.99)；

pl:ftri(0,0.99,2)；

pm:ftri(0.99,2,3)；

pb:ftri(2,3,3.99)。

在一实施方式中，解模糊单元70将阻尼系数的论域模糊分割为至少3个模糊集，将惯量系数的论域模糊分割为至少3个模糊集；再根据阻尼系数的隶属度函数和阻尼系数的模糊集对阻尼系数模糊解进行解模糊计算，根据惯量系数的隶属度函数和惯量系数的模糊集对惯量系数的模糊解进行解模糊计算。同样，对阻尼系数和惯量系数的论域的分格越精细，效果越好，调控越灵活，静差越小，但如果分割过于精细，又会导致控制规则复杂，实时性差。

在具体实施方式中，解模糊单元70可采用重心法对阻尼系数dp的模糊解和惯量系数j的模糊解做计算，以输出阻尼系数dp的精确解和惯量系数j的精确解。

在一实施方式中，解模糊单元70可将阻尼系数的论域模糊分割7个模糊集，7个模糊集可分别为：负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)，既保证了调控灵活度，静差小的效果，又不影响实时性。作为优选的实施方式，阻尼系数的论域可为[1,7]，具体可以是[1，2，3，4，5，6，7]。也可以根据虚拟机运行的实际情况调整阻尼系数的论域和模糊集的划分。

在一实施方式中，阻尼系数的隶属度函数可以采用三角形隶属度函数或高斯函数，也可以在7个模糊集中的某些点采用高斯函数，其他点采用三角形隶属度函数。例如，7个模糊集中的负方向最大值(nb)、负方向中间值(nm)、正方向中间值(pm)、正方向最大值(pb)采用高斯函数，负方向最小值(ns)、中间值(m)、正方向最小值(ps)采用三角形隶属度函数。作为优选的实施方式，可以都采用三角形隶属度函数，因为三角形隶属度函数灵敏度更高。

当阻尼系数的论域为[1,7]，模糊集是[1，2，3，4，5，6，7]时，可采用如下三角形隶属度函数对功率差值进行模糊化处理。

nb:ftri(0,1,2)；

nm:ftri(1,2,3)；

nl:ftri(2,3,4)；

m:ftri(3,4,5)；

pl:ftri(4,5,6)；

pm:ftri(5,6,7)；

pb:ftri(6,7,8)。

在一实施方式中，解模糊单元70可将惯量系数的论域模糊分割3个模糊集，3个模糊集可分别为：最大值(cb)、中间值(cm)、最小值(cl)，既保证了调控灵活度，静差小的效果，又不影响实时性。作为优选的实施方式，惯量系数的论域可为[3,5]，具体可以是[3,4,5]。也可以根据虚拟机运行的实际情况调整惯量系数的论域和模糊集的划分。

在一实施方式中，惯量系数的隶属度函数可以采用三角形隶属度函数或高斯函数，也可以在3个模糊集中的某些点采用高斯函数，其他点采用三角形隶属度函数。例如，3个模糊集中的最大值(cb)、最小值(cl)采用高斯函数，中间值(cm)采用三角形隶属度函数。作为优选的实施方式，可以都采用三角形隶属度函数，因为三角形隶属度函数灵敏度更高。

当惯量系数的论域为[3,4]，模糊集是[3，4，5]时，可采用如下三角形隶属度函数对功率差值进行模糊化处理。

cl:ftri(2,3,4)；

cm:ftri(3,4.2,4.7)；

cb:ftri(4,5,6)。

在一实施方式中，模糊计算单元60可根据阻尼系数和惯量系数与功率差值的相关性建立模糊控制规则。作为优选的实施方式，可采用如下模糊控制规则：

例如，当功率差值经过模糊化处理后的模糊功率差值为nb时，根据上述模糊控制规则阻尼系数dp的模糊解为nb，惯量系数j的模糊解为cl。

图6是本发明一实施例的虚拟同步机总控制框图，虚拟同步机包括电气部分、机械部分、无功调节部分、有功调节部分、电流跟踪控制器和模糊控制器。模糊控制器接收电磁功率与功率参考值的功率差值，并对功率差值进行模糊化处理，以得到功率差值模糊值；再根据功率差值模糊值和模糊控制规则计算阻尼系数和惯量系数的模糊解；在对阻尼系数和惯量系数的模糊解进行解模糊计算，输出阻尼系数和惯量系数的精确解。将模糊控制模块引入虚拟同步机的参数问题中，解决了虚拟同步机系统由于运行参数、负载变化等引起的参数不适应问题。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。