基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法技术

本发明专利技术公开了基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，在传统虚拟同步发电机控制策略的基础上，通过考虑系统的实际运行状态，对整体系统变量以及扰动变量进行建模，引入鲁棒H∞控制理论实现对频率和电压的反馈控制，并进一步引入滑膜控制理论，在稳定反馈控制的基础上实现对频率和电压的跟踪控制。该优化控制方法充分考虑了系统中的有功无功以及负载电流的变化，在此基础上对频率和电压进行了状态空间方程的建立。模型充分考虑了电流电压解耦不完全解耦的情况，所以本发明专利技术方法即适用于感性线路的高压电网，也适用于阻感线路的低压配电网；同时该反馈为定结构的反馈控制方法，无需参数的动态调整，运行可靠性及稳定性高。

Frequency and voltage integrated robust optimization control method based on virtual synchronous generator

The invention discloses a frequency and voltage integrated robust optimal control method based on a virtual synchronous generator. On the basis of the traditional virtual synchronous generator control strategy, the whole system variables and disturbance variables are modeled by considering the actual operation state of the system, and the frequency and voltage are realized by introducing the robust H_ infinity control theory. Feedback control and sliding film control theory are introduced to realize the tracking control of frequency and voltage on the basis of stable feedback control. The optimal control method takes full account of the changes of active and reactive power and load current in the system. On this basis, the state space equations of frequency and voltage are established. The model fully considers the incomplete decoupling of current and voltage, so the method of the present invention is suitable for the high voltage network of inductive lines and the low voltage distribution network of resistance and inductance lines, and the feedback is a feedback control method with fixed structure, without dynamic adjustment of parameters, and the operation reliability and stability are high.

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法
本专利技术属于发电机控制
，涉及逆变器控制与优化技术，更为具体的说，是涉及一种基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法。
技术介绍
常规逆变器控制方法在分布式电源大量接入配电网时，由于没有阻尼和惯性特性支撑，可能产生瞬时过载因而造成电力电子设备的损坏。虚拟同步发电机控制方法虽然在控制方面通过添加虚拟惯性和阻尼特性，能够为系统提供一定的惯性和阻尼支撑，但是未能实际考虑运行系统的运行状态，系统在受到内外扰动的影响时容易失去稳定性。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，通过考虑系统的实际运行状态，建立系统状态空间方程求解得到鲁棒H∞反馈控制器，使内外扰动对系统输出影响的最小化，最大程度的保证系统受到外界扰动输入以及内部负载扰动后的稳定性。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，包含以下步骤：步骤1，虚拟同步发电机频率鲁棒控制在传统虚拟同步发电机有功-频率控制的基础上，通过鲁棒H∞理论方法引入系统内外界有功功率输入的扰动实现有功-频率的快速反馈和稳定运行；步骤2，虚拟同步发电机电压鲁棒控制在传统虚拟同步发电机无功-电压控制的基础上，通过鲁棒H∞理论方法引入负载电流扰动以及系统无功扰动实现系统无功-电压的快速反馈和稳定运行；步骤3，基于滑膜控制方法的反馈控制整合在步骤1和2中频率电压鲁棒控制的基础上，引入滑膜控制理论，通过整合步骤1和2中的状态空间方程并在其增加对频率和电压的积分，对状态空间方程进行拓展，实现对系统频率电压的稳定跟踪控制优化控制。进一步的，所述步骤1中虚拟同步发电机频率鲁棒控制方程式如下所示：式中：ωn是系统的额定频率值，ω是系统实际运行的频率值，P是逆变器输出有功功率，Pref是系统给定参考有功功率，Pload是等价外部系统输入的有功值，mp是有功功率下垂系数。进一步的，所述步骤2中，通过在并网节点引入虚拟对地电容实现并网点电压状态变量的引入，虚拟同步发电机电压鲁棒控制方程式如下所示：式中：ud,uq是经过并网点dq轴电压值，i1d,i1q是虚拟同步发电机输出的电流，ωn是系统的额定频率值，Q是逆变器输出无功功率，Qref是系统给定参考无功功率，i2d,i2q是外部系统输入的电流，ild,ilq是系统内部负载电流值，Qload是外部系统输入的无功功率，RL是线路阻抗值，C是虚拟对地电容值，mq是无功功率下垂系数，u1du1q是虚拟同步发电机输出电压值。进一步的，所述步骤3中基于滑膜控制理论，结合步骤1、2中的方程，得到虚拟同步发电机频率电压鲁棒控制状态方程式如下式：式中：AB1B2BrefC为系统的系数方程，x为系统状态变量，xref为系统反馈参考变量，w是系统扰动，u是系统可控输入，z是评估变量；根据系统状态空间方程，设鲁棒H∞反馈控制器为K，通过建立可控输入和状态变量的关系u＝Kx，实现基于鲁棒H∞理论的反馈控制器求解；求解得到反馈控制器后，将采集的状态变量乘以反馈矩阵K得到可控输入变量Pref、Qref，通过可控输入变量对系统的输入，从而实现对于频率电压的反馈优化控制。进一步的，反馈控制器通过线性矩阵不等式方法进行求解，得到反馈控制矩阵K，该控制矩阵建立了虚拟同步发电机中的扰动变量：有功功率P、无功功率Q、内部负载电流ild,ilq、外部输入电流i2d,i2q；和可控输入变量Pref、Qref的等式联系，实现了系统能够根据扰动变量动态的改变可控输入，从而实现频率电压的稳定优化控制。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：1.考虑了系统在实际运行过程中可能受到的扰动输入以及内部负载的变化扰动，在虚拟同步发电机控制的基础上通过增加鲁棒H∞反馈，鲁棒H∞控制理论能够通过对系统整体状态的分析计算，得到使系统内外扰动对系统输出影响最小的反馈控制器，实现内外干扰到输出影响的最小化，从而最大程度的保证了系统在扰动下的稳定运行。2.引入了滑膜控制理论，在稳定反馈控制的基础上实现对频率和电压的跟踪控制。3.在频率和电压都进行了状态空间方程的建立，将系统的运行中涉及到的有功无功电流电压进行了建模，充分考虑了电流电压解耦不完全结构的情况，所以本专利技术方法即适用于感性线路的高压电网，也适用于阻感线路的低压配电网。4.本专利技术方法属于定结构的反馈控制方式，不需要在运行过程中根据实际的运行状态对惯性和阻尼参数进行动态调整，减小了因数据分析判断而造成的错误，系统的稳定性和可靠性相对较高。附图说明图1为鲁棒反馈控制原理图。图2为本专利技术结构示意图。图3为虚拟同步发电机有功无功调节示意图。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。本专利技术提供的基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，结合如图1所示的鲁棒反馈控制原理这一核心思想，基于图2、图3所示的控制架构实现，在传统虚拟同步发电机控制策略的基础上，通过对整体系统变量以及扰动变量的建模，引入鲁棒H∞控制理论实现对频率电压的优化控制。具体的说，本专利技术方法包含以下步骤：(1)虚拟同步发电机频率鲁棒控制在传统虚拟同步发电机有功-频率控制的基础上，考虑系统内外界有功功率输入的扰动。通过鲁棒H∞理论方法使得有功扰动对于系统输出频率的影响最小化，从而实现系统能够最大程度应对有功输入的改变，减小系统有功输出以及频率的变化，实现系统有功-频率的快速反馈和稳定运行。本步骤中，虚拟同步发电机频率鲁棒控制方程式如下式：式中：ωn是系统的额定频率值，ω是系统实际运行的频率值，P是逆变器输出有功功率，Pref是系统给定参考有功功率，Pload是等价外部系统输入的有功值,mp是有功功率下垂系数。在鲁棒H∞控制理论中，(P+Pload)做为系统的扰动值，Pref作为系统的可控输入，ω作为系状态变量，从而可以求解H∞反馈控制器关系式Pref＝Kω(8)式中：K为鲁棒反馈控制器。(2)虚拟同步发电机电压鲁棒控制在传统虚拟同步发电机无功-电压控制的基础上，考虑负载电流扰动以及系统无功扰动。通过鲁棒H∞理论方法使得负载电流扰动以及系统无功改变对于并网点电压的影响最小化，从而实现系统能够最大程度的应对负载的改变，实现系统无功-电压的快速反馈和稳定运行。本步骤通过在并网节点引入虚拟对地电容实现并网点电压状态变量的引入，虚拟同步发电机电压鲁棒控制状态方程式如下式：式中：ud,uq是经过并网点dq轴电压值，i1d,i1q是虚拟同步发电机输出的电流，ωn是系统的额定频率值，Q是逆变器输出无功功率，Qref是系统给定参考无功功率，i2d,i2q是外部系统输入的电流，ild,ilq是系统内部负载电流值，Qload是外部系统输入的无功功率，RL是线路阻抗值，C是虚拟对地电容值，mq是无功功率下垂系数，u1du1q是虚拟同步发电机输出电压值。在鲁棒H∞控制理论中，(Q+Qload)和ild,ilq为系统的扰动值，Qref为系统的可控输入，[uduqi1di1q]T为系状态变量。从而可以求解H∞反馈控制器关系式Qref＝K[uduqi1di1q]T(10)式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，虚拟同步发电机频率鲁棒控制在传统虚拟同步发电机有功‑频率控制的基础上，通过鲁棒H∞理论方法引入系统内外界有功功率输入的扰动实现有功‑频率的快速反馈和稳定运行；步骤2，虚拟同步发电机电压鲁棒控制在传统虚拟同步发电机无功‑电压控制的基础上，通过鲁棒H∞理论方法引入负载电流扰动以及系统无功扰动实现系统无功‑电压的快速反馈和稳定运行；步骤3，基于滑膜控制方法的反馈控制整合在步骤1和2中频率电压鲁棒控制的基础上，引入滑膜控制理论，通过整合步骤1和2中的状态空间方程并在其增加对频率和电压的积分，对状态空间方程进行拓展，实现对系统频率电压的稳定跟踪控制优化控制。

【技术特征摘要】
1.基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，虚拟同步发电机频率鲁棒控制在传统虚拟同步发电机有功-频率控制的基础上，通过鲁棒H∞理论方法引入系统内外界有功功率输入的扰动实现有功-频率的快速反馈和稳定运行；步骤2，虚拟同步发电机电压鲁棒控制在传统虚拟同步发电机无功-电压控制的基础上，通过鲁棒H∞理论方法引入负载电流扰动以及系统无功扰动实现系统无功-电压的快速反馈和稳定运行；步骤3，基于滑膜控制方法的反馈控制整合在步骤1和2中频率电压鲁棒控制的基础上，引入滑膜控制理论，通过整合步骤1和2中的状态空间方程并在其增加对频率和电压的积分，对状态空间方程进行拓展，实现对系统频率电压的稳定跟踪控制优化控制。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，其特征在于，所述步骤1中虚拟同步发电机频率鲁棒控制方程式如下所示：式中：ωn是系统的额定频率值，ω是系统实际运行的频率值，P是逆变器输出有功功率，Pref是系统给定参考有功功率，Pload是等价外部系统输入的有功值,mp是有功功率下垂系数。3.根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电机的频率电压一体鲁棒优化控制方法，其特征在于，所述步骤2中，通过在并网节点引入虚拟对地电容实现并网点电压状态变量的引入，虚拟同步发电机电压鲁棒控制方程式如下所示：式中：ud,uq是经过并网点dq轴电压值，i1d,i1q是虚拟同步发电机输出的电流，ωn是系统的额定频率值，Q是...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦晓波，张从越，王小红，侯凯，葛浦东，汤晓晨，伍小刚，
申请(专利权)人：东南大学，南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32