一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法技术

本发明专利技术涉及一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，该控制方法基于储能SOC建立含功率权重分配的VSG控制模型，利用根轨迹分析权重系数的取值范围，将权重系数代入等效惯量公式算出计及储能容量和SOC约束的惯量边界范围。实时检测系统角频率的变化量和变化率输入到模糊控制，将计算所得的惯量边界范围作为模糊控制的输出论域，经过模糊化、模糊推理和解模糊化，输出自适应惯量和自适应阻尼，将输出的自适应惯量、自适应阻尼与给定的惯量初值、阻尼初值叠加后作为VSG的控制参数控制逆变器。采用这种考虑惯量范围的模糊自适应VSG控制方法保证了惯量参数能够在满足储能约束的合理范围内灵活可靠地变化，改善了系统频率和输出功率的动态响应。

A fuzzy adaptive VSG control method considering energy storage capacity and SOC constraints

【技术实现步骤摘要】
一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法
本专利技术涉及虚拟同步发电机控制
，尤其是涉及一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法。
技术介绍
虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator,VSG)控制策略通过模拟同步发电机的转子运动方程可以解决分布式能源并网系统缺少惯性的问题来有效支撑系统频率。传统VSG控制中惯量和阻尼都设置为定值，不具备动态性能。自适应VSG控制能够让控制参数实时变化从而更好地应对功率变化、负荷扰动及频率偏移。频率和输出功率的动态响应是衡量自适应VSG控制的一个关键指标，而控制参数自适应规则的制定以及其灵活度的高低会直接影响频率和输出功率的动态响应。另外，VSG控制的惯量与储能单元的配置密切相关。目前，大多数VSG控制的设计都假定直流侧为理想电源，因此，这些VSG控制方法都基于直流侧能量供给充分的前提，未考虑到储能容量和储能荷电状态(stateofcharge,SOC)对惯量设定范围的约束。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1：建立基于储能SOC的含功率权重分配VSG控制模型，得到对应的特征方程并确定权重系数的取值范围；步骤2：基于权重系数的取值范围计算用于作为自适应惯量的输出论域的计及储能容量和SOC约束的等效惯量并确定自适应惯量的范围；步骤3：将步骤2中确定的自适应惯量范围作为模糊自适应控制环节中自适应惯量的输出论域，将自适应惯量和模糊自适应控制环节另一输出变量自适应阻尼分别叠加给定的惯量初值和阻尼初值后联合控制VSG。进一步地，所述的步骤1中的VSG控制模型，其对应的控制特征方程为：式中，E为VSG的输出电压幅值，U为电网线电压的有效值，X为线路阻抗，Eb和Qb分别为储能电池的电压和容量，μ为权重系数，ωs为电网的同步角频率，s为拉普拉斯算子，J为转动惯量，kω为角频率的调节系数，kSOC为储能电池的调节系数。进一步地，所述的角频率的调节系数，其计算公式为：式中，PVSG为VSG的额定功率，ωα为角频率的最大容许偏移量。进一步地，所述的储能电池的调节系数，其计算公式为：式中，SOCα为储能电荷状态的最大容许偏移量。进一步地，所述的步骤2中的计及储能容量和SOC约束的等效惯量，其计算公式为：式中，JB,eq为计及储能容量和SOC约束的等效惯量，Cmax为储能电池的最大充放电倍率，UCN为储能电池的额定电压，SOC为储能电荷状态值，SOCref为电池的参考荷电状态值，H为惯性时间常数，Ceq为额定运行条件下储能电池的等效容值。进一步地，所述的额定运行条件下储能电池的等效容值，其计算公式为：式中，SCN、ICN和TCN分别为储能电池的额定容量、额定电流和额定充放电时间。进一步地，所述的惯性时间常数定义为同步发电机在额定转矩下从静止启动到额定转速所需的时间，其计算公式为：式中，Sn为VSG的额定容量。进一步地，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输入量和输出量的模糊集均采用5个词汇，即{NB,NS,Z,PS,PB}表示，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的去模糊化方法采用重心法。进一步地，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输入量采用三角形隶属度函数，所述的步骤3中模糊自适应控制环节的输出量采用由高斯分布和泊松分布组成的隶属度函数。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术涉及一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，采用本专利技术的方法可以使VSG控制的惯量和阻尼参数在合理范围内根据要求实时地进行调整来应对功率变化、负荷扰动以及频率偏移，维持微电网频率和输出功率的稳定，有效改善系统频率和功率的动态响应。(2)本专利技术针对采用传统VSG控制方法控制逆变器存在的动态性能差、未考虑储能约束等问题，提出了一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，考虑了储能单元对惯量设定范围的约束，并解决了传统VSG控制方法动态性能差和可靠性低等问题。附图说明图1为本专利技术的方法流程示意图；图2为本专利技术方法的实际实施仿真结果图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本专利技术保护的范围。本专利技术的技术方案如下：如图1所示，以逆变器拓扑为主电路，包括含光伏和储能的直流侧电源、直流侧电容、DC/AC变流器、LC滤波电路、负荷以及并网侧。Udc为直流母线电压，Cdc为直流侧电容，S1-6为DC/AC变流器开关信号，L、C分别为滤波电感、电容。在负荷扰动下，系统频率和输出功率会发生变化，这时通过模糊自适应VSG控制方法控制逆变器开关信号S1-6，缓冲系统频率和输出功率的波动，并使其具有良好的动态性能。所设计的模糊自适应VSG控制方法采集系统角频率的变化量Δω和角频率的变化率作为模糊控制的输入，经过模糊化、模糊推理和解模糊化，生成自适应惯量和自适应阻尼，与给定的惯量初值和阻尼初值叠加后输入到VSG控制中去，并通过PWM斩波生成控制信号控制逆变器开关S1-6，使系统频率和输出功率能够在受到干扰时缓冲波动、干扰消除时加速恢复。模糊控制中自适应惯量的输出论域设定需要计算含储能约束下的惯量边界范围，惯量边界范围主要通过以下途径求得：基于储能SOC建立含功率权重分配的VSG控制模型，利用根轨迹法分析权重系数μ的取值范围，从而求得维持SOC所用功率范围。基于能量守恒的观点，将储能单元的电势能与VSG模拟的转子动能进行等效，并在电势能中扣除维持SOC所需能量，从而求得计及储能容量和SOC约束的惯量边界范围。本专利技术的具体实施方案如下：步骤一、基于储能SOC的含功率权重分配VSG控制模型的建立VSG的输出电压幅值可以表示为：E＝E0+kq(Qref-Q)+ku(Uref-U1)其中，E0和E分别为VSG输出的空载电压幅值和实际电压幅值，kq和ku分别为无功调节系数和电压调节系数，Qref和Q分别为VSG输出无功功率的参考值和实际值，Uref和U1分别为VSG输出电压幅值的参考值和实际值。假设不考虑VSG实际输出电压跟随参考电压时的静态误差，则VSG输出的有功功率可以表示为：其中，U为电网线电压的有效值；Δθ＝∫Δωdt为E和U之间的相位差；X为线路感抗。根据SOC的约束和VSG的调频特性，将参考功率Pref本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤1：建立基于储能SOC的含功率权重分配VSG控制模型，得到对应的特征方程并确定权重系数的取值范围；/n步骤2：基于权重系数的取值范围计算用于作为自适应惯量的输出论域的计及储能容量和SOC约束的等效惯量并确定自适应惯量的范围；/n步骤3：将步骤2中确定的自适应惯量范围作为模糊自适应控制环节中自适应惯量的输出论域，将自适应惯量和模糊自适应控制环节另一输出变量自适应阻尼分别叠加给定的惯量初值和阻尼初值后联合控制VSG。/n

【技术特征摘要】
1.一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立基于储能SOC的含功率权重分配VSG控制模型，得到对应的特征方程并确定权重系数的取值范围；
步骤2：基于权重系数的取值范围计算用于作为自适应惯量的输出论域的计及储能容量和SOC约束的等效惯量并确定自适应惯量的范围；
步骤3：将步骤2中确定的自适应惯量范围作为模糊自适应控制环节中自适应惯量的输出论域，将自适应惯量和模糊自适应控制环节另一输出变量自适应阻尼分别叠加给定的惯量初值和阻尼初值后联合控制VSG。


2.根据权利要求1所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的步骤1中的VSG控制模型，其对应的控制特征方程为：



式中，E为VSG的输出电压幅值，U为电网线电压的有效值，X为线路阻抗，Eb和Qb分别为储能电池的电压和容量，μ为权重系数，ωs为电网的同步角频率，s为拉普拉斯算子，J为转动惯量，kω为角频率的调节系数，kSOC为储能电池的调节系数。


3.根据权利要求2所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的角频率的调节系数，其计算公式为：



式中，PVSG为VSG的额定功率，ωα为角频率的最大容许偏移量。


4.根据权利要求2所述的一种计及储能容量和SOC约束的模糊自适应VSG控制方法，其特征在于，所述的储能电池的调节系数，其计算公式为：



式中，SOCα为储能电荷状态的最大容许偏移量。


5.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，邵银龙，李东东，林顺富，赵耀，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：上海;31