基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法。该方法步骤如下：将带有储能的分布式电源等效为直流电压源，作为虚拟同步电机的原动机部分为整个系统提供电能；建立逆变器滤波参数、输出电压、并网点电压及电流与同步发电机各参数之间的对应关系；考虑含励磁系统和汽门调节的同步发电机四阶模型来模拟同步发电机特性，建立系统数学模型；根据系统两个输入变量的特点，确定两个非奇异的Terminal滑模面，实现解耦控制，得到逆变器基于Terminal鲁棒滑模控制的控制律；逆变器的控制律经过电压电流双环控制，得到脉冲宽度调制即PWM的驱动信号，对DC/AC变换器进行控制。本发明专利技术能够显著抑制系统振荡，提高电力系统稳定性，具有良好的工程应用前景。

VSG control method based on adaptive Terminal robust sliding mode

The present invention discloses a VSG control method based on adaptive Terminal robust sliding mode. The method comprises the following steps: a distributed energy storage power equivalent to DC voltage source, as a prime mover, part of the virtual synchronous motor to provide power for the whole system; establishes the corresponding relation between the inverter output voltage and filter parameters, and network voltage and current and synchronous generator parameters between simulation; synchronous generator considering the characteristics of synchronization the four order generator model with excitation system and valve system, establish the mathematical model according to the characteristics of the system; the two input variables, to determine the two non singular Terminal sliding surface to realize decoupling control, inverter control law obtained robust Terminal based on sliding mode control; control law through the inverter voltage and current dual loop control, get the pulse width the modulation of the driving signal for PWM control of DC/AC converter. The invention can obviously restrain the oscillation of the system and improve the stability of the power system, and has good engineering application prospect.

【技术实现步骤摘要】
基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法
本专利技术属于智能电网
，特别是一种基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法。
技术介绍
全球能源的日益匮乏，日渐突出的环境问题，是近年来社会的热点问题，为此，环保清洁能源的利用也越来越受到人们的关注。分布式发电技术和微电网技术作为有效的载体，对其进行深入研究有其不可忽视的有益作用。并网逆变器是分布式电源与微电网/配电网连接的纽带，它必须根据负荷和电网的运行状态进行合理的控制。目前，主要的控制方法有恒功率控制(PQ控制)、恒压/恒频控制(V/f控制)、下垂控制(Droop控制)。不同的控制方法，有不同的控制效果，但无法忽视这些常规控制策略给配电网和微电网的安全稳定运行带来的风险与挑战。尤其逆变器本身响应速度快，几乎没有转动惯量，这导致其难以参与电网的调节，更无法为稳定性较差的微网提供必要的阻尼作用，也就是说其缺乏传统同步发电机所具有的大惯性和阻尼，缺乏与微电网/配电网有效“同步”的机制。有鉴于此，欧洲VSYNC(VirtualSynchronousMachines)项目率先提出了虚拟同步发电机的概念。借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制逆变器，使得逆变器在机理上和外特性上均能与同步发电机相媲美，该类控制策略称为虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator,VSG)技术，其有望在未来的分布式发电技术中发挥重要作用。但是，目前，VSG控制的研究主要还是以线性控制方法和理论为基础，模拟同步发电机的经典二阶模型。但是，经典二阶模型不能很好地模拟同步发电机的动态响应过程，而传统单变量PID控制在应对系统发生参数摄动和外部扰动时的鲁棒性较差，最终导致系统控制效果不佳。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于自适应Terminal鲁棒滑模实现的虚拟同步发电机控制方法，可以为分布式电源并网逆变系统提供必要的惯性和阻尼，并提高系统在参数不确定和外界扰动下的鲁棒性与稳定性。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法，包括以下步骤：步骤A、将带有储能的分布式电源等效为直流电压源，作为虚拟同步电机的原动机部分为整个系统提供电能；步骤B、建立逆变器滤波参数、输出电压、并网点电压及电流与同步发电机各参数之间的对应关系；步骤C、考虑含励磁系统和汽门调节的同步发电机四阶模型来模拟同步发电机特性，建立系统数学模型；步骤D、根据系统两个输入变量的特点，确定两个非奇异的Terminal滑模面，实现解耦控制，得到逆变器基于Terminal鲁棒滑模控制的控制律；步骤E、逆变器的控制律经过电压电流双环控制，得到脉冲宽度调制即PWM的驱动信号，对DC/AC变换器进行控制。进一步地，步骤B所述建立逆变器滤波参数、输出电压、并网点电压及电流与同步发电机各参数之间的对应关系，具体如下：将逆变器的滤波电感和电容等效为同步发电机的同步电抗，滤波电感和功率器件的电阻等效为同步发电机的同步电阻，将逆变器的输出电压等效为同步发电机的暂态电势，逆变器并网点电压uoabc等效为同步发电机的端压，并网点电流ioabc等效为同步发电机的定子电流，通过虚拟同步发电机控制策略，最终使分布式电源的并网功率、电压和电流展现出同步发电机的特性；所述逆变器模拟同步发电机考虑励磁与汽门调节的四阶模型如下：其中，δ为虚拟同步发电机转子角；ω为转子角速度；ω0为额定角速度，取ω0＝2πf0；D为阻尼系数；H为惯性时间常数；E’q为暂态电势；Vs为无穷大系统电压；Td0为励磁绕组时间常数；Pm0为系统有功功率给定值；Pm为系统输入有功功率；Pe为系统输出电磁功率；Ts为系统常数；Xd为d轴同步电抗；Xd∑为d轴同步电抗之和；X'd∑为暂态电抗之和；X'd为发电机暂态电抗；vf为励磁电压；μ为主汽门控制输入。进一步地，步骤D所述两个非奇异的Terminal滑模函数s1、s2如下：其中，β为大于0的常数，a和b均为正奇数，且取1＜a/b＜2；其中ci为大于0的常数，i＝1,2,3,4；定义z1、z2、z3、z4如下：其中，δ0、ω0、Pe0、Pm0分别为δ、ω、Pe、Pm的初始值。进一步地，步骤D所述基于Terminal鲁棒滑模控制的控制律u1、u2为：其中，其中，d1为考虑励磁控制的系统扰动，d2为系统机械功率波动造成的扰动量，D1和D2为未知的正常数，且|d1|<D1，|d2|<D2；其中γ1、γ2均大于0的常数，为Di的估计，i＝1,2。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)模拟同步发电机的特性，克服了传统分布式电源并网逆变器低惯性、欠阻尼的缺点；(2)采用考虑发电机励磁与汽门开度的四阶同步发电机模型，相比于一般采用经典二阶模型的虚拟同步发电机技术，具有更好地动态效应效果；(3)结合自适应Terminal鲁棒滑模综合控制方法，针对系统两个输入变量，构造了两个非奇异的Terminal滑模函数，并利用Terminal滑模函数为非线性函数的特点，使得误差可以快速收敛，从而保证了良好的控制效果；(4)使得系统在参数不确定和外界扰动情况下，具有良好的鲁棒性；可以更好地抑制系统振荡，有效提高电力系统稳定性，具有良好的工程应用前景。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的描述。附图说明图1为本专利技术虚拟同步发电机总体系统结构示意图。图2为本专利技术采用的有功频率下垂特性图。图3为有功频率下垂控制实现框图。图4为基于自适应Terminal鲁棒滑模实现的虚拟同步发电机控制方法的总体控制框图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施进行说明，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本实施例先从总体介绍本专利技术结构，再按照控制顺序，顺序的将整个控制方法进行实例叙述。一种基于自适应Terminal鲁棒滑模实现的虚拟同步发电机控制方法是在如图1所示的分布式电源并网逆变器系统上实现的，主要由4个部分组成：分布式电源及储能装置(电源部分)、逆变器、逆变器主电路、逆变器控制电路。逆变器控制部分的测量模块对逆变器系统的逆变器输出电压、并网点电压、电流等进行测量；PLL锁相模块得到逆变系统并网的相位和频率；功率计算模块主要对系统输出有功功率及无功功率进行计算；这一部分所得的数据作为系统的初始数据将输入有功频率下垂控制模块与Terminal鲁棒滑模实现的虚拟同步电机控制模块。有功频率下垂控制模块主要实现逆变系统有功功率与频率特性对同步发电机下垂特性的模拟，下垂特性原理如图2所示，控制框图如图3所示，有功频率下垂控制的公式如下：Pm＝Pref+kf(fref-fg)＝Pref+kw(ωref-ωg)(1)式中，Pm为下垂控制环节的输出功率，Pref为有功功率输入设定值，kf为对应于有功频率下垂特性的下垂系数，fref为频率的参考值，fg为电网频率，kw为对应于角频率的下垂系数，ωref为角频率的参考值，ωg为电网角频率。逆变器控制电路的核心所在是Terminal鲁棒滑模实现的虚拟同步电机控制模块。具体的控制方法的步骤如下：步骤1：将带有储能的分布式电源等效为直流电压源，作为虚拟同步电机的原动机部分为整个系统提供电能；为了克服一般本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、将带有储能的分布式电源等效为直流电压源，作为虚拟同步电机的原动机部分为整个系统提供电能；步骤B、建立逆变器滤波参数、输出电压、并网点电压及电流与同步发电机各参数之间的对应关系；步骤C、考虑含励磁系统和汽门调节的同步发电机四阶模型来模拟同步发电机特性，建立系统数学模型；步骤D、根据系统两个输入变量的特点，确定两个非奇异的Terminal滑模面，实现解耦控制，得到逆变器基于Terminal鲁棒滑模控制的控制律；步骤E、逆变器的控制律经过电压电流双环控制，得到脉冲宽度调制即PWM的驱动信号，对DC/AC变换器进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、将带有储能的分布式电源等效为直流电压源，作为虚拟同步电机的原动机部分为整个系统提供电能；步骤B、建立逆变器滤波参数、输出电压、并网点电压及电流与同步发电机各参数之间的对应关系；步骤C、考虑含励磁系统和汽门调节的同步发电机四阶模型来模拟同步发电机特性，建立系统数学模型；步骤D、根据系统两个输入变量的特点，确定两个非奇异的Terminal滑模面，实现解耦控制，得到逆变器基于Terminal鲁棒滑模控制的控制律；步骤E、逆变器的控制律经过电压电流双环控制，得到脉冲宽度调制即PWM的驱动信号，对DC/AC变换器进行控制。2.根据权利要求1所述的基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法，其特征在于，步骤B所述建立逆变器滤波参数、输出电压、并网点电压及电流与同步发电机各参数之间的对应关系，具体如下：将逆变器的滤波电感和电容等效为同步发电机的同步电抗，滤波电感和功率器件的电阻等效为同步发电机的同步电阻，将逆变器的输出电压等效为同步发电机的暂态电势，逆变器并网点电压uoabc等效为同步发电机的端压，并网点电流ioabc等效为同步发电机的定子电流，通过虚拟同步发电机控制策略，最终使分布式电源的并网功率、电压和电流展现出同步发电机的特性；所述逆变器模拟同步发电机考虑励磁与汽门调节的四阶模型如下：其中，δ为虚拟同步发电机转子角；ω为转子角速度；ω0为额定角速度，取ω0＝2πf0；D为阻尼系数；H为惯性时间常数；E’q为暂态电势；Vs为无穷大系统电压；Td0为励磁绕组时间常数；Pm0为系统有功功率给定值；Pm为系统输入有功功率；Pe为系统输出电磁功率；Ts为系统常数；Xd为d轴同步电抗；Xd∑为d轴同步电抗之和；X'd∑为暂态电抗之和；X'd为发电机暂态电抗；vf为励磁电压；μ为主汽门控制输入。3.根据权利要求2所述的基于自适应Terminal鲁棒滑模的VSG控制方法，其特征在于，步骤D所述两个非奇异的Terminal滑模函数s1、s2如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝华，严彬彬，滕书宇，李明磊，刘宁，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32