一种并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法与流程

1.本发明属于微电网控制技术领域，具体涉及一种并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法。


背景技术：

2.随着社会现代化飞速发展，传统的化石能源已经无法满足人类可持续发展的要求，建设稳定、可靠、安全以及环境友好型的新一代电力网络成为时代发展的必然趋势。因此，可再生能源因其经济环保等优点受到越来越多的关注。然而，分布式发电(distributed generation,dg)需要通过并网逆变器接送入电网，虽然并网逆变器具有控制灵活、暂态时间短的优点，但是其缺乏惯性和阻尼，抑制干扰的能力比较弱。针对这一问题，不少国内外学者通过分析传统同步发电机的运行过程，提出了vsg控制技术。处在运行状态的sg，其转子中储存着巨大的旋转动能，当电网受到扰动或所带负荷发生变化时，可利用转子的惯性响应来缓解电网频率的变化，即通过转子吸收或释放部分能量来补偿系统能量的变化。vsg正是通过引入旋转惯量和阻尼系数，使得并网逆变器具有了惯性和阻尼，增强了系统的抗干扰能力，提高了系统的稳定性，为分布式发电系统友好并网提供了一种新的途径。
3.目前，对于vsg技术的研究虽然取得了很大的进展，但是其在实际工程中的应用仍然存在诸多需要进一步解决的问题。传统的vsg控制技术采用恒惯量和阻尼控制，无法兼顾功率和频率动态调节性能的问题；大量改进的vsg控制技术也仅仅考虑了惯量对系统频率响应特性的作用，却忽视了阻尼对频率稳定性的影响，而且也没有给出惯量和阻尼的选取原则。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法；首先从vsg的基本工作原理出发，通过建立其本体控制模型和小信号模型分析不同旋转惯量和阻尼系数对系统暂态和稳态输出特性的影响，然后结合同步发电机(synchronous generator,sg)功角特性曲线和频率振荡曲线设计出旋转惯量和阻尼系数的自适应控制方法。在此基础上，通过引入惯性环节以较好地匹配储能装置的动态特性。该控制方法能兼顾系统的快速性和稳定性，增强其鲁棒性。
5.本发明技术方案是：
6.一种并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法，根据频率的变化率和偏移量动态调整并网逆变器旋转惯量和阻尼系数的值，减小功率和频率的波动，实现并网控制系统的稳定运行；
7.实现并网控制系统稳定运行的转惯量和阻尼系数自适应控制方法，按以下步骤获取：
8.1)建立虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,vsg)的并网整体控制拓扑结构,将其各个组成部分与sg的并网结构分别对应起来，并简化得出vsg的等效并网拓
扑结构；
9.2)采用sg简单实用的经典二阶模型来对vsg进行建模。将sg中的旋转惯量j和阻尼系数d引入vsg的功率控制中，得到vsg频率控制器中的转子运动特性环节；
10.3)模拟sg调速器一次调频的控制过程，得到vsg频率控制器中的有功—频率下垂控制环节，再结合步骤2)所得到的转子运动特性环节就可建立vsg完整的有功—频率模型，从而可计算出电角度θ的值；
11.4)模拟sg励磁系统的控制过程，得到vsg无功
‑
电压控制模型，从而可计算出参考励磁电动势e的值；
12.5)将虚拟调速器控制得到的θ和虚拟励磁控制器控制得到的e一起合成vsg参考电压；
13.6)根据步骤1)得到的等效并网拓扑结构和步骤5)得到的vsg参考电压，可得到vsg输出有功功率的闭环传递函数，并计算出衡量系统动态性能的指标，再通过分析j和d对这些指标的影响，便可得到j和d对系统动态响应过程的影响。
14.7)建立vsg功率控制器的小信号模型，可得到vsg有功功率响应的闭环特征方程，根据该方程可画出以j和d为变量的根轨迹图，从而得到j和d对系统稳定性的影响。
15.8)对步骤2)得到的转子运动方程进行变换分析，可分别得到j和d对频率的变化率dω/dt和偏移量δω的影响；
16.9)参考sg的功角特性曲线和转子角频率振荡曲线，根据频率的变化过程分区间分别分析j和d对频率变化率dω/dt和偏移量δω的作用，从而得到j和d的自适应控制方程。
17.步骤2)中的转子运动特性环节具体控制方程为：
[0018][0019]
式中：j为转动惯量，d为阻尼系数，θ为转子转过的电角度，p
m
为机械功率，ω和ω
ref
分别为sg的实际角频率和额定角频率，δω为角频率偏移量。
[0020]
步骤3)中的有功—频率下垂控制环节具体控制方程为：
[0021]
p
m
＝p
ref
‑
d
p
(ω
‑
ω
ref
)
[0022]
式中：d
p
为调频系数。
[0023]
步骤4)中的无功
‑
电压控制模型具体控制方程为：
[0024]
e＝(u
ref
‑
u)k
u
+(q
ref
‑
q)k
q
+e0[0025]
式中：e为参考励磁电动势，u
ref
为线电压参考值，u为输出的端电压，k
q
和k
u
分别为无功—电压下垂系数和电压调节系数，e0为vsg空载电动势，q为无功功率，q
ref
为给定的额定无功功率。
[0026]
步骤5)中的vsg参考电压具体方程为：
[0027]
[0028]
式中：e
a
、e
b
、e
c
分别为vsg输出的a、b、c相参考电压。
[0029]
步骤8)中的得到j和d对频率变化率dω/dt和偏移量δω的影响的具体方程为：
[0030][0031][0032][0033]
当δt
‑
dδω恒定时，j越大，vsg的惯性就越大，|dω/dt|则越小；当δt
‑
jdω/dt恒定时，d越大，系统的阻尼作用就越大，|δω|则越小。
[0034]
步骤9)中的得到j和d的自适应控制方程为：
[0035][0036][0037]
式中：j0和d0为vsg稳定运行时的值；k
j0
和k
d
为δω变化的阈值，用以防止微小的频率波动引起储能装置没必要的充放电；k
j1
为dω/dt变化的阈值。t
i
(i＝1，2)为惯性时间常数；a、b、c、d、e、f为调节系数，通过对j和d的实时调节来兼顾系统运行的快速性和稳定性。
[0038]
步骤6所述分析j和d对系统动态性能指标的影响的方法为当系统受到干扰时输出功率会发生振荡，根据sg功角特性可知系统的频率也会发生振荡，即当原动机输入的机械功率增加时，sg输出的有功功率从p0增加到p1，功角则从σ1经过一系列衰减振荡最终稳定在σ2，系统从稳定点a切换到稳定点b，转子角频率也出现相应的衰减振荡；当vsg出现功率波动时角频率也会出现相应的衰减振荡。
[0039]
分析j和d对系统动态性能指标的影响的具体方法包括：
[0040]
首先，分析j和d对系统角频率变化率及角频率偏差的影响；
[0041][0042][0043][0044]
从式(1)可知，当(δt
‑
dδω)恒定时，j越大，vsg的惯性就越大，|dω/dt|则越小，从式(2)可知，当(δt
‑
jdω/dt)恒定时，d越大，系统的阻尼作用就越大，|δω|则越小；从式(3)可知，根据δω和dω/dt符号的不同，d的变化对dω/dt有影响；为了便于分析，将一
个振荡周期分为四个区间，即区间[t0‑
t1]、[t1‑
t2]、[t2‑
t3]、[t3‑
t4](用序号
①②③④
对应表示)；
[0045]
(1)在区间
①
，p0<p1,dω/dt先突增再逐渐减小为0，δω>0，因此增大j来抑制dω/dt的变化速率；随着d的增大频率的偏移峰值减小，但dω/dt的初始值却增大，故在dω/dt变化开始时保持d为稳态时的阻尼值；此外，在区间
①
中，δω>0，增大d来减小δω；与此同时，dω/dt>0，由δt
‑
dδω＝jdω/dt>0得出增大d可以减小dω/dt；因此，在该区间后期增大d以减小dω/dt和δω来约束ω的增加从而抑制超调；
[0046]
(2)在区间
②
，p1<p2，δω>0，|dω/dt|先逐渐增大再逐渐减小，dω/dt<0，ω处在减速状态，由δt
‑
dδω＝jdω/dt<0可知，增大d会增大|dω/dt|；因此，在减小j的同时，增大d来增大|dω/dt|，加速ω恢复到ω
ref
；
[0047]
(3)在区间
③
，p2>p1，dω/dt<0，δω<0，δt
‑
dδω＝jdω/dt<0，故同时增大j和d来减小ω反向加速偏离ω
ref
；在区间
④
，p1>p0，dω/dt>0，δω<0，δt
‑
dδω＝jdω/dt>0，因此在减小j的同时，增大d来加速ω恢复到ω
ref
；
[0048]
通过以上的分析可得出j和d的变化情况如表1所示：
[0049]
表1 j和d的变化情况
[0050][0051]
2.j和d对系统有功动态响应过程的影响如表2所示：
[0052]
表2 j和d对系统动态响应过程的影响
[0053][0054]
表中，ω
n
为自然振荡角频率，ξ为阻尼比，σ％为超调量，t
s
调整时间。
[0055]
本发明的有益效果是：
[0056]
与现有技术相比，本发明考虑了储能装置的动态特性，促进了系统各个部分之间的协调运行，在进一步改善系统的有功功率特性曲线和频率特性曲线的同时，增强了系统的鲁棒性，也兼顾了系统的快速性和稳定性。
附图说明
[0057]
图1为本发明的基本原理拓扑框图；
[0058]
图2
‑
3为不同j与d下的输出有功功率动态响应图；
[0059]
图4
‑
5为vsg的小信号模型和得到的根轨迹图；
[0060]
图6
‑
7为本发明j与d自适应控制的流程图；
[0061]
图8
‑
9为采用本发明和采用传统vsg控制的功率和频率仿真结果对比图；
[0062]
图10
‑
13为采用本发明的仿真结果图；
[0063]
图14
‑
15为sg的功角特性和转子角频率振荡曲线示意图。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图及实例对本发明做进一步说明。
[0065]
图1为本发明所采用的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法的基本原理拓扑框图，且本发明的仿真模型是按照该框图搭建出来的。图中，dg和储能装置构成直流源以模拟常规发电系统的原动机，r
s
和l
s
分别模拟同步发电机的定子电枢电阻与同步电感；e
abc
＝[e
a
,e
b
,e
c
]
t
、u
abc
＝[u
a
,u
b
,u
c
]
t
、i
abc
＝[i
a
,i
b
,i
c
]
t
分别为vsg感应电动势、三相输出端电压和并网电流；p
e
与q分别为vsg输出的有功功率与无功功率；p
ref
、q
ref
、u
ref
、ω
ref
分别为输入参考有功功率、参考无功功率、参考电压和额定电角速度；u为输出的端电压，e为参考励磁电动势，ω为机械角速度，σ为vsg的虚拟功角；pcc为公共连接点。
[0066]
图2
‑
3为本发明在分析旋转惯量j和阻尼系数d对系统动态性能指标的影响时，得出的系统在不同j和d下的输出有功功率动态响应仿真波形图。
[0067]
图4
‑
5为本发明中的vsg功率控制器在s域的小信号模型和根据该模型得到有功功率响应的闭环特征方程所画出的根轨迹图。
[0068]
图6
‑
7为本发明所采用的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法的流程图，具体的控制方法包括以下步骤：
[0069]
1)建立虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,vsg)的并网整体控制拓扑结构,将其各个组成部分与sg的并网结构分别对应起来，并简化得出vsg的等效并网拓扑结构；
[0070]
2)采用sg简单实用的经典二阶模型来对vsg进行建模。将sg中的旋转惯量j和阻尼系数d引入vsg的功率控制中，得到vsg频率控制器中的转子运动特性环节；
[0071]
3)模拟sg调速器一次调频的控制过程，得到vsg频率控制器中的有功—频率下垂控制环节，再结合步骤2)所得到的转子运动特性环节就可建立vsg完整的有功—频率模型，从而可计算出电角度θ的值；
[0072]
4)模拟sg励磁系统的控制过程，得到vsg无功
‑
电压控制模型，从而可计算出参考励磁电动势e的值；
[0073]
5)将虚拟调速器控制得到的电角度θ和虚拟励磁控制器控制得到的参考励磁电动势e一起合成vsg参考电压；
[0074]
6)根据步骤1)得到的等效并网拓扑结构和步骤5)得到的vsg参考电压，可得到vsg输出有功功率的闭环传递函数，并计算出衡量系统动态性能的指标，再通过分析j和d对这些指标的影响，便可得到j和d对系统动态响应过程的影响。
[0075]
旋转惯量j和阻尼系数d对这些指标的影响分析过程：
[0076]
当系统受到干扰时，其输出功率会发生振荡，根据sg功角特性可知(如图8所示)，系统的频率也会发生振荡(如图9所示)，即当原动机输入的机械功率增加时，sg输出的有功功率从p0增加到p1，功角则从σ1经过一系列衰减振荡最终稳定在σ2，系统从稳定点a切换到
稳定点b，其转子角频率也出现了相应的衰减振荡。类似的，当vsg出现功率波动时，其角频率也会出现相似的衰减振荡。因此，可借鉴sg的静态稳定调节原理对j和d进行自适应控制。
[0077]
首先，分析j和d对系统角频率变化率及角频率偏差的影响。
[0078][0079][0080][0081]
从式(1)可知，当(δt
‑
dδω)恒定时，j越大，vsg的惯性就越大，|dω/dt|则越小，而过大的j不利于系统的快速性，过小的j又不利于系统的稳定性；从式(2)可知，当(δt
‑
jdω/dt)恒定时，d越大，系统的阻尼作用就越大，|δω|则越小；从式(3)可知，根据δω和dω/dt符号的不同，d的变化对dω/dt也具有一定影响。为了便于分析，现将图15的一个振荡周期分为四个区间，即区间[t0‑
t1]、[t1‑
t2]、[t2‑
t3]、[t3‑
t4](用序号
①②③④
对应表示)。
[0082]
(1)在区间
①
，p0<p1,dω/dt先突增再逐渐减小为0，δω>0，因此可适当增大j来抑制dω/dt的过快变化。然而有文献指出，随着d的增大，频率的偏移峰值减小了，但dω/dt的初始值却增大了，故在dω/dt变化初期应保持d为稳态时的阻尼值。此外，在区间
①
中，δω>0，增大d可减小δω。与此同时，dω/dt>0，由δt
‑
dδω＝jdω/dt>0可知，增大d可减小dω/dt。因此，在该区间后期可增大d以减小dω/dt和δω来约束ω的增加，从而抑制超调。
[0083]
(2)在区间
②
，p1<p2，δω>0，|dω/dt|先逐渐增大再逐渐减小，dω/dt<0，ω处在减速状态，由δt
‑
dδω＝jdω/dt<0可知，增大d会增大|dω/dt|。因此，可在减小j的同时，增大d来增|dω/dt|大，加速ω恢复到ω
ref
。
[0084]
(3)同理，在区间
③
，p2>p1，dω/dt<0，δω<0，δt
‑
dδω＝jdω/dt<0，故可同时增大j和d来减小ω反向加速偏离ω
ref
。在区间
④
，p1>p0，dω/dt>0，δω<0，δt
‑
dδω＝jdω/dt>0，故可在减小j的同时，增大d来加速ω恢复到ω
ref
。
[0085]
通过以上的分析可得出j和d的变化情况如表1所示(|dω/dt|。和|δω|的变化情况是相对于传统vsg恒定j和d控制而言)：
[0086]
表1 j和d的变化情况
[0087][0088][0089]
2.j和d对系统有功动态响应过程的影响如表2所示：
[0090]
表2 j和d对系统动态响应过程的影响
[0091][0092]
表中，ω
n
为自然振荡角频率，ξ为阻尼比，σ％为超调量，t
s
调整时间。
[0093]
7)建立vsg功率控制器的小信号模型，可得到vsg有功功率响应的闭环特征方程，根据该方程可画出以j和d为变量的根轨迹图，从而得到j和d对系统稳定性的影响。
[0094]
8)对步骤2)得到的转子运动方程进行变换分析，可分别得到j和d对频率的变化率dω/dt和偏移量δω的影响；
[0095]
9)参考sg的功角特性曲线和转子角频率振荡曲线，根据频率的变化过程分区间分别分析j和d对频率变化率dω/dt和偏移量δω的作用，从而得到j和d的自适应控制方程。
[0096]
所述的计及储能装置动态特性的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法，步骤2)中的转子运动特性环节具体控制方程为：
[0097][0098]
式中：j为转动惯量，d为阻尼系数，θ为转子转过的电角度，p
m
为机械功率，ω和ω
ref
分别为sg的实际角频率和额定角频率，δω为角频率偏移量。
[0099]
所述的计及储能装置动态特性的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤3)中的有功—频率下垂控制环节具体控制方程为：
[0100]
p
m
＝p
ref
‑
d
p
(ω
‑
ω
ref
)
[0101]
式中：d
p
为调频系数。
[0102]
所述的计及储能装置动态特性的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤4)中的无功
‑
电压控制模型具体控制方程为：
[0103]
e＝(u
ref
‑
u)k
u
+(q
ref
‑
q)k
q
+e0[0104]
式中：e为参考励磁电动势，u
ref
为线电压参考值，u为输出的端电压，k
q
和k
u
分别为无功—电压下垂系数和电压调节系数，e0为vsg空载电动势，q为无功功率，q
ref
为给定的额定无功功率。
[0105]
所述的计及储能装置动态特性的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤5)中的vsg参考电压具体方程为：
[0106][0107]
式中：e
a
、e
b
、e
c
分别为vsg输出的a、b、c相参考电压。
[0108]
所述的计及储能装置动态特性的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤8)中的得到j和d对频率变化率dω/dt和偏移量δω的影响的具体方程为：
[0109][0110][0111][0112]
当δt
‑
dδω恒定时，j越大，vsg的惯性就越大，|dω/dt|则越小；当δt
‑
jdω/dt恒定时，d越大，系统的阻尼作用就越大，|δω|则越小。
[0113]
所述的计及储能装置动态特性的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法，其特征在于，步骤9)中的得到j和d的自适应控制方程为：
[0114][0115][0116]
式中：j0和d0为vsg稳定运行时的值；k
j0
和k
d
为δω变化的阈值，用以防止微小的频率波动引起储能装置没必要的充放电；k
j1
为dω/dt变化的阈值。t
i
(i＝1，2)为惯性时间常数；a、b、c、d、e、f为调节系数，通过对j和d的实时调节来兼顾系统运行的快速性和稳定性。
[0117]
图8
‑
9为采用j和d自适应控制和采用传统vsg恒j和d的功率和频率仿真波形对比图。其中图8为功率仿真波形对比图，图9为频率仿真波形对比图。从图中可看出，采用所提控制策略得到的曲线比采用传统恒惯量和阻尼控制得到的曲线更加平缓，而且有功功率曲线响应速度较快，进入稳态时间较短，没有超调，这说明j和d的自适应控制对有功功率的变化起到一定的抑制作用。
[0118]
与此同时，在角频率第一次变化时，采用所提控制策略得到的最大频率偏移量为315.3rad/s，而采用传统控制策略得到的最大频率偏移量为316.3rad/s，前者比后者减小了1rad/s，这说明d的自适应控制对角频率的偏移起到一定的抑制作用。
[0119]
图10
‑
13为采用j和d自适应控制和采用传统vsg恒j和d的功率和频率仿真波形图。其中图10为电流的输出波形图，图11为电压的输出波形图，图12为j的变化曲线图，图13为d的变化曲线图。从图中可以看出，惯量和阻尼随着角频率的变化而变化，由于惯性环节的加入，j和d出现突变的问题得到较好抑制，这在配合储能装置为提供惯量和阻尼所需的能量上具有重要的作用，即所提控制策略提高了储能装置与dg动态特性的协调运作水平。
[0120]
通过对仿真波形的分析，可以看到本发明提出的计及储能装置动态特性的并网逆变器惯量和阻尼自适应控制方法模拟sg的静态稳定调节原理对j和d进行的自适应控制，能让vsg在很大程度上对δω和dω/dt的变化做出相应的调节，使其从真正意义上实现虚拟
调速的效果。