一种逆变器虚拟同步发电机反演控制方法

1.本发明属于微电网控制技术领域，具体是一种逆变器虚拟同步发电机反演控制方法。


背景技术：

2.随着新能源的大规模开发与利用，分布式电网、微电网中逆变器的作用是不可缺少的，在这一类电网中，低惯性和低阻尼是一个突出的问题。这主要是由于采用大量电力电子器件带来的问题，因此，系统容易出现不稳定的现象，开发新的控制器来处理这类不稳定问题受到很多学者的关注，也是一个研究的热点。


技术实现要素：

3.针对系统的扰动，本发明提出反演控制方法设计逆变器虚拟同步发电机(vsg)的控制，其中反演控制法是一种递归设计方法，既适用于线性系统也适用于非线性系统，它通过递归构造闭环系统的lyapunov函数获得反馈控制器，是一种镇定控制方法，能够提高系统的稳定性，改善系统的惯性和阻尼特性。
4.本发明提出一种vsg的非线性控制策略，首先建立逆变器虚拟同步发电机含虚拟惯性和阻尼系数的数学模型，然后采用反演控制(bsc)，设计非线性控制方法，消除误差，提高系统的抗干扰能力和稳定性，并利用李亚普诺夫准则保证系统的稳定。
5.本发明的具体步骤如下：
6.一种逆变器虚拟同步发电机反演控制方法，具体步骤如下：
7.1、确定虚拟同步发电机数学模型
8.逆变器按照虚拟发电机处理，以虚拟功角δδ、虚拟角速度δω、虚拟电磁力矩δte三个变量表示的虚拟同步发电机的数学模型可以表示为：
[0009][0010]
其中：δδ为虚拟功率角增量；δω为虚拟角速度增量，δte为虚拟电磁力矩增量；d为阻尼系数；j为惯性矩；te为低通滤波器时间常数；ke为低通滤波器增益；u2为补偿控制；ψf为转子磁链；i为定子电流；ψf、i可以通过测量和计算得到；i通过测量得到，ψf采用计算获得，计算公式为ψf＝(δte+t
en
)/(1.5icos(δδ+δn))，其中，t
en
为电磁力矩的额定值；δn为功率角的额定值。
[0011]
令：x1＝δδ,x2＝δω,x3＝δte；；
[0012]
式(1)可以表示为：
[0013][0014]
2、逆变器虚拟发电机反演控制方法
[0015]
反演控制是将非线性系统分解成多个低于系统阶数的子系统，并通过李亚普诺夫(lyapunov)函数寻找合适的虚拟控制量，以实现整个系统的渐进稳定，同时使系统具有良好的跟踪性；设计步骤是从系统最低阶选取适当的稳定函数及虚拟误差，并利用李亚普诺夫稳定性定理确保其稳定度，最后反馈控制律与整体系统稳定性将由李亚普诺夫函数得知，下面通过反演控制获得模型(2)的控制策略，反演控制法的步骤如下：
[0016]
首先定义系统的误差：
[0017][0018]
其中：e
δ
、e
ω
、代表变量的真实值和它们的参考值之间的误差；xr为x1的参考值；c
δ
为变量x2的参考值；c
ω
为变量x3的参考值；
[0019]
步骤1：根据虚拟功角误差跟踪设计控制参数c
δ
[0020]
通过虚拟功角动态误差的跟踪求取控制参数c
δ
，因为e
δ
＝x
1-xr，求微分得到：
[0021][0022]
为了保持虚拟功角δδ的稳定，李亚普诺夫函数可以选取为如下形式：
[0023][0024]v1
的微分为：
[0025][0026]
根据(3)中的第二式得：x2＝e
ω
+c
δ
，代入以上(6)得：
[0027][0028]
为了满足系统的稳定，应有所以设计控制参数c
δ
为如下等式：
[0029][0030]
将(8)代入(7)得：
[0031][0032]
在(9)中，由于k
δ
是大于零的常数，所以也即得到满足，所以c
δ
即为所求取的控制参数。
[0033]
步骤2：根据角速度误差跟踪设计控制参数c
δ
[0034]
因为e
ω
＝x
2-c
δ
，求微分得到：
[0035][0036]
为了保持虚拟角速度δω的稳定，李亚普诺夫函数选取如下形式：
[0037][0038]
对式(11)求微分：
[0039][0040]
根据(3)得：代入(12)：
[0041][0042]
为了保证系统的稳定性，应该使得所以设计c
ω
为以下形式：
[0043][0044]
则变换为：
[0045][0046]
其中：k
δ
和k
ω
大于零，所以即得到满足；所以c
ω
为所设计得到的控制参数。
[0047]
步骤3：根据对电磁力矩误差的跟踪设计控制变量u2[0048]
从式(3)得到：
[0049]
微分：为了保持虚拟电磁力矩δte的稳定，李亚普诺夫函数选择为如下的形式：
[0050][0051]
上式微分得到：
[0052][0053]
将(16)代入(18)，得到：
[0054][0055]
为了满足稳定条件则虚拟控制律设计为如下形式：
[0056][0057]
将式(20)代入(19)：
[0058][0059]
其中k
δ
、k
ω
、为正数，则上式右边得到满足，也即u2就是所设计得到的控制律。
[0060]
本发明的有益效果是：
[0061]
针对逆变器虚拟同步发电机，采用反演控制方法跟踪外界干扰和误差，能有效地减少负荷需求变化时的母线频率振荡，提高带有逆变器虚拟发电机的分布式电网、微电网的稳定性。
附图说明
[0062]
图1逆变器结构原理；
[0063]
图2孤网系统运行图；
[0064]
图3母线频率变化曲线；
[0065]
图4状态变量的跟踪误差e
δ
，e
ω
，轨迹。
具体实施方式
[0066]
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
[0067]
实施例1
[0068]
为了进一步表述本发明的内容，结合具体例子进行进一步分析。
[0069]
本发明的具体步骤如下：
[0070]
1、虚拟同步发电机数学模型
[0071]
逆变器按照虚拟发电机处理，如图1所示，图1中u
de
为直流电压；s
1-s6为晶闸管；ea、eb、ec为桥臂三相电压；ia、ib、ic为桥臂三相电流；ua、ub、uc为逆变器交流侧三相输出电压；c、r为滤波器电阻和电容参数。
[0072]
以虚拟功角δδ、虚拟角速度δω、虚拟电磁力矩δte三个变量表示的虚拟发电机的数学模型可以表示为：
[0073][0074]
其中：δδ为虚拟功率角增量；δω为虚拟角速度增量，δte为虚拟电磁力矩增量；d为阻尼系数；j为惯性矩；te为低通滤波器时间常数；ke为低通滤波器增益；u2为补偿控制；ψf为转子磁链；i为定子电流；ψf、i可以通过测量和计算得到，i通过测量得到，ψf采用计算获得，计算公式为ψf＝(δte+t
en
)/(1.5icos(δδ+δn))，其中，t
en
为电磁力矩的额定值；δn为功率角的额定值。
[0075]
令：x1＝δδ,x2＝δω,x3＝δte；；
[0076]
式(1)可以表示为：
[0077][0078]
2、逆变器虚拟发电机反演控制方法
[0079]
反演控制是将非线性系统分解成多个低于系统阶数的子系统，并通过李亚普诺夫(lyapunov)函数寻找合适的虚拟控制量，以实现整个系统的渐进稳定，同时使系统具有良好的跟踪性。设计步骤是从系统最低阶选取适当的稳定函数及虚拟误差，并利用李亚普诺夫稳定性定理确保其稳定度，最后反馈控制律与整体系统稳定性将由李亚普诺夫函数得知，下面通过反演控制获得模型(2)的控制策略，反演控制法的步骤如下：
[0080]
首先定义系统的误差：
[0081][0082]
其中：e
δ
、e
ω
、代表变量的真实值和它们的参考值之间的误差；xr为x1的参考值；cδ
为变量x2的参考值；c
ω
为变量x3的参考值。
[0083]
步骤1：根据虚拟功角误差跟踪设计控制参数c
δ
[0084]
通过虚拟功角动态误差的跟踪求取控制参数c
δ
，因为e
δ
＝x
1-xr，求微分得到：
[0085][0086]
为了保持虚拟功角δδ的稳定，李亚普诺夫函数可以选取为如下形式：
[0087][0088]v1
的微分为:
[0089][0090]
根据(3)中的第二式得：x2＝e
ω
+c
δ
，代入以上(6)得：
[0091][0092]
为了满足系统的稳定，应有所以设计控制参数c
δ
为如下等式：
[0093][0094]
将(8)代入(7)得：
[0095][0096]
在(9)中，由于k
δ
是大于零的常数，所以也即得到满足；所以c
δ
即为所求取的控制参数。
[0097]
步骤2：根据角速度误差跟踪设计控制参数c
δ
[0098]
因为e
ω
＝x
2-c
δ
，求微分得到：
[0099][0100]
为了保持虚拟角速度δω的稳定，李亚普诺夫函数选取如下形式：
[0101][0102]
对式(11)求微分：
[0103][0104]
根据(3)得：代入(12)：
[0105][0106]
为了保证系统的稳定性，应该使得所以设计c
ω
为以下形式：
[0107][0108]
则变换为：
[0109][0110]
其中：k
δ
和k
ω
大于零，所以即得到满足，所以c
ω
为所设计得到的控制参数。
[0111]
步骤3：根据对电磁力矩误差的跟踪设计控制变量u2[0112]
从式(3)得到：
[0113]
微分：为了保持虚拟电磁力矩δte的稳定，李亚普诺夫函数选择为如下的形式：
[0114][0115]
上式微分得到：
[0116][0117]
将(16)代入(18)，得到：
[0118][0119]
为了满足稳定条件则虚拟控制律设计为如下形式：
[0120]
将式(20)代入(19)：
[0121][0122]
其中k
δ
、k
ω
、为正数，则上式右边得到满足，也即u2就是所设计得到的控制律。
[0123]
实施例2
[0124]
为了验证所采用的控制方法的可行性，针对图2所示孤网系统进行仿真计算。
[0125]
(1)参数
[0126][0127]
(2)仿真条件
[0128]
当t＝0的初始工况为逆变器带有7kw的本地负载，当t＝0.4s时，突然增加3kw负载；当t＝0.8s时，减载3kw有功负荷。
[0129]
图3为采用本发明提供的控制方法后，母线频率的变化，从结果可以看出母线频率在49.97hz-50.05hz之间变化；这个变化范围非常小，说明在40％左右负荷的变化过程中，所提出的控制设计方法具有很高的频率稳定作用。
[0130]
图4为在负荷波动过程中的状态变量的跟踪误差e
δ
，e
ω
，轨迹。