基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法，当系统中发生功率或频率波动时，对测量频率偏差值Δω进行判断，若在规定允许范围k内，则进行反步滑模控，对频率进行调节，直到频率恢复调频结束；若频率偏差超过规定允许范围k，则切入储能单元进行二次调频，并不断进行频率偏差测量；当测得偏差恢复至规定允许范围k内，储能退出，回到反步滑模控制器对频率进行调节。能在考虑外部扰动和参数摄动的不确定因素的情况下对系统进行调频，并在系统出现大负荷扰动进行二次调频的同时保证储能单元的利用率。能够有效抑制大负荷扰动时的频率越限，使频率快速恢复，在整个调频范围内结合一二次调频，充分发挥储能作用。

Secondary frequency control method of virtual synchronous generator based on backstep sliding mode control

【技术实现步骤摘要】
基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法
本专利技术涉及一种虚拟同步发电机控制技术，特别涉及一种基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法。
技术介绍
随着能源危机及环境污染的影响，新能源发电的发展带动了分布式发电的发展，微电网也随之出现。逆变器作为两者之间的重要接口，担任着枢纽的作用，故逆变器控制的选择将直接影响微电网的运行与稳定。但其作为电力电子器件，它不能为电力系统提供足够的惯量支持和阻尼，随着分布式比例的不断提高，传统发电难以担负起对电力系统的惯性支撑。虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，VSG)控制是通过模拟同步发电机外特性，达到和同步发电机相似的调频调压效果，并为系统提供惯性支持，但同时，由于一阶系统升级为二阶系统，且其非线性系统中存在非线性项、参数摄动以及大的负载扰动等，这对频率功率的稳定乃至整个电力系统的稳定运行产生极大的威胁。而通常情况下将虚拟同步发电机线性化处理，此举在简化系统的同时也会造成系统描述偏差，影响实际工程的应用。
技术实现思路
本专利技术是针对虚拟同步发电机适应系统运用和保证频率稳定的问题，提出了一种基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法，能在考虑外部扰动和参数摄动的不确定因素的情况下对系统进行调频，并在系统出现大负荷扰动进行二次调频的同时保证储能单元的利用率。本专利技术的技术方案为：一种基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法，直流源通过逆变器转为交流电，再通过串联滤波电感和并联电容后并网入电网，逆变器输出功率、频率以及并网时的有功和无功参考值、虚拟同步发电机参考端口电压和参考角频率送入送入有功和无功下垂控制后，输出频率参考值和电压参考值送入虚拟同步发电机，虚拟同步发电机输出dq轴电压值送到电压电流闭环控制，再经过SPWM正弦调制对逆变器进行控制，具体包括如下步骤：1)当系统中发生功率或频率波动时，测量频率偏差值Δω；2)对步骤1)中的Δω进行判断，若在规定允许范围k内，则进行反步滑模控，通过反步滑模控制器对频率进行调节，直到频率等于ω0时，频率恢复调频结束；虚拟同步发电机的状态方程为：其中：式中：x1＝id，x2＝iq，x3＝ω；x′1、x′2、x′3分别代表id、iq、ω的导数，id、iq、ud、uq分别为虚拟同步发电机输出的dq轴电流、电压分量；R、L分别为虚拟同步发电机虚拟电阻和虚拟电抗；ω为电网角频率；J为同步发电机的转动惯量；D为转子的阻尼系数；Kω为功频调差系数；udref、uqref为电压参考值Uref的dq轴电压分量；ΔL、Δud、Δuq分别为分别为虚拟电抗估计误差、输出电压直轴误差以及输出电压交轴误差；Pref为并网时的有功参考值；γ1、γ2、γ3分别代表在实际过程中系统非线性项和外部扰动造成的不确定部分；f1、f2、f3分别代表系统外部扰动部分；设计反步滑模控制器等效控制变量为：u2＝uqref＝-Lx′2ref-Rx2-ωLx1-k2eq-ρqsgn(eq)式中d轴的电流误差值ed＝x1ref-x1，x1ref为d轴电流的参考值；q轴的电流误差值eq＝x2ref-x2，x2ref表示q轴的参考电流值；角频率误差e3＝x3ref-x3，x3ref为参考角频率；k1>0、k2>0、ρd>0、ρq>0分别为控制器待设计常数，设定调试后可定；为了防止控制器抖振现象，选择使用连续函数代替sgn(s)函数，其中，功角式中，s表示切换函数，是指sgn函数的参数ed、eq、e3；δ0为很小的正常数；ks为常数，与滑模面的选择相关，通常可设为0；3)若对步骤1)中的Δω进行判断，频率偏差超过规定允许范围k，则切入储能单元进行二次调频，并不断进行频率偏差测量；当测得偏差恢复至规定允许范围k内，储能退出，同时进行步骤2)，直到频率恢复，调频结束；4)由步骤2)或3)虚拟控制器得到的控制电压值,通过电压和电流闭环控制后得到逆变器的控制信号。本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法，能够有效抑制大负荷扰动时的频率越限，使频率快速恢复，在整个调频范围内结合一二次调频，充分发挥储能作用。附图说明图1为本专利技术虚拟同步发电机二次调频控制方法二次调频控制框图；图2为本专利技术虚拟同步发电机主电路及控制结构框图；图3为本专利技术基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制框图。具体实施方式一种基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法，当系统发生较小功率或频率波动时，通过反步滑模控制器对频率响应特性进行改善；当系统发生较大功率或频率波动时，且已超出频率波动允许范围，自动切入储能单元进行二次调频；当系统频率偏差恢复到允许范围内，储能单元退出，反步滑模控制继续调节，直到频率恢复，调频结束。如图1所示本专利技术方法二次调频控制框图，根据本专利技术的控制器设计，调频步骤如下：1)当系统中发生功率或频率波动时，测量频率偏差值Δω；2)对步骤1)中的Δω进行判断，若在规定允许范围k内，则进行反步滑模控，通过反步滑模控制器对频率进行调节，直到频率等于ω0时，频率恢复调频结束。根据我国发布施行的《供电营业规则》规定，在电力系统正常情况下，供电频率允许误差范围为：电网装机容量在300万及以上的，为±0.2Hz；电网装机容量在300万以下的，为±0.5Hz；3)若对步骤1)中的Δω进行判断，频率偏差超过规定允许范围k，则切入储能单元进行二次调频，并不断进行频率偏差测量；当测得偏差恢复至规定允许范围k内，储能退出，同时进行步骤2)，直到频率恢复，调频结束；4)由步骤2)或3)虚拟控制器得到的控制电压值,通过电压和电流闭环控制后得到逆变器的控制信号。实现方法具体展开阐述如下：1、根据虚拟同步发电机控制原理，建立其包含参数扰动以及输出侧负荷扰动的数学模型；设计反步滑模控制的虚拟控制器，并利用李雅普诺夫稳定性对系统控制量进行稳定性分析；考虑到储能单元的作用，根据频率调节偏差自动引入和切除二次调频，提高频率稳定性。2、基于反步滑模控制的VSG二次调频控制器中考虑到外部扰动造成的不确定因子，在数学模型中加入不确定项，保证系统描述的准确性，便于实际工程的应用。如图2所示VSG主电路及控制结构框图，Udc为逆变器直流侧电压；Lf、Cf为逆变器输出到并网点之间的串联滤波电感和并联电容；iLabc为滤波电感三相电流；uoabc为逆变器输出三相电压；ioabc为并网三相电流；P、Q为逆变器输出后经过低通滤波器后的瞬时输出有功和无功功率；Pref、Qref为并网时的有功和无功参考值，U0、ω0为虚拟同步发电机参考端口电压和参考角频率。E*、ω*为虚拟同步发电机空载电势和空载转子角速度，P、Q、Pref、Qref、U0、ω0送入有功和无功下垂控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法，直流源通过逆变器转为交流电，再通过串联滤波电感和并联电容后并网入电网，逆变器输出功率、频率以及并网时的有功和无功参考值、虚拟同步发电机参考端口电压和参考角频率送入送入有功和无功下垂控制后，输出频率参考值和电压参考值送入虚拟同步发电机，虚拟同步发电机输出dq轴电压值送到电压电流闭环控制，再经过SPWM正弦调制对逆变器进行控制，其特征在于，具体包括如下步骤：/n1)当系统中发生功率或频率波动时，测量频率偏差值Δω；/n2)对步骤1)中的Δω进行判断，若在规定允许范围k内，则进行反步滑模控，通过反步滑模控制器对频率进行调节，直到频率等于ω

【技术特征摘要】
1.一种基于反步滑模控制的虚拟同步发电机二次调频控制方法，直流源通过逆变器转为交流电，再通过串联滤波电感和并联电容后并网入电网，逆变器输出功率、频率以及并网时的有功和无功参考值、虚拟同步发电机参考端口电压和参考角频率送入送入有功和无功下垂控制后，输出频率参考值和电压参考值送入虚拟同步发电机，虚拟同步发电机输出dq轴电压值送到电压电流闭环控制，再经过SPWM正弦调制对逆变器进行控制，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)当系统中发生功率或频率波动时，测量频率偏差值Δω；
2)对步骤1)中的Δω进行判断，若在规定允许范围k内，则进行反步滑模控，通过反步滑模控制器对频率进行调节，直到频率等于ω0时，频率恢复调频结束；虚拟同步发电机的状态方程为：









其中：









式中：x1＝id，x2＝iq，x3＝ω；x'1、x'2、x'3分别代表id、iq、ω的导数，id、iq、ud、uq分别为虚拟同步发电机输出的dq轴电流、电压分量；R、L分别为虚拟同步发电机虚拟电阻和虚拟电抗；ω为电网角频率；J为同步发电机的转动惯量；D为转子的阻尼系数；Kω为功频调差系数；udref、uqref为电压参考值Uref的dq轴电压分量；ΔL、Δud、Δuq分别为分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇华，黄珂，王育飞，薛花，李兵，韩志永，王志南，王丛，孙晓鹏，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：上海;31