基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法技术

本发明专利技术涉及虚拟同步发电机控制技术领域，具体地说，涉及一种基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法，一、引入tanh非线性函数进行自适应惯量的虚拟同步发电机控制，通过减小转动惯量来加快角频率的变化；二、通过李雅普诺夫第一法分析转动惯量对虚拟同步发电机控制稳定性的影响；三、针对上述影响将灵活阻尼控制加入虚拟同步发电机控制中以兼顾静态稳定和暂态稳定。本发明专利技术能有效地提高虚拟同步发电机控制的稳定性。虚拟同步发电机控制的稳定性。虚拟同步发电机控制的稳定性。

Adaptive inertia control method of virtual synchronous generator based on nonlinear function

【技术实现步骤摘要】
基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法


[0001]本专利技术涉及虚拟同步发电机(VSG)控制
，具体地说，涉及一种基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法。

技术介绍

[0002]双碳目标下，以风能、太阳能为代表的新能源发电得到快速大规模发展。新能源发电通过电力电子并网，呈现为弱阻尼与低惯性的特征，使得系统抗干扰、维持稳定运行能力减弱。为此电力电子装置模拟同步发电机的阻尼与惯性控制技术，即虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)得到广泛关注。
[0003]一种依托于高灵活性、可控的电力电子元件，以增强电网运行的稳定性、安全性为目标的控制技术应运而生，即虚拟同步机技术。国内国外研究者基于同步发电机外部运行特性，提出虚拟同步发电机控制技术，其控制方式提高电力系统稳定性和实现分布式能源的友好接入电网，并能够应用同步发电机的理论分析法对虚拟同步发电机性能进行分析，便于引入同步发电机的控制策略，实现功率、频率和电压之间的相互调节。
[0004]最近几年，国内外学者对虚拟同步机控制不断深入研究，解决在技术发展和工程应用中各种问题，提出改进措施，但是系统稳定性仍然需要进一步进行提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的内容是提供一种基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0006]根据本专利技术的一种基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：
[0007]一、引入tanh非线性函数进行自适应惯量的虚拟同步发电机控制，通过减小转动惯量来加快角频率的变化；
[0008]二、通过李雅普诺夫第一法分析转动惯量对虚拟同步发电机控制稳定性的影响；
[0009]三、针对上述影响将灵活阻尼控制加入虚拟同步发电机控制中以兼顾静态稳定和暂态稳定。
[0010]作为优选，步骤一中，基于tanh函数的自适应惯量进行控制，公式如下：
[0011][0012][0013]式中，J0为虚拟转动惯量稳态值；k为补偿系数；G为判定阈值，ω为电网频率，ω
ref
为基准频率，s(x)为tanh非线性函数，通过tanh函数以实现转动惯量值在J0‑
k和J0+k之间的变化；tanh函数的取值范围在
‑
1到1之间，tanh函数避免转动惯量J变化时出现高频振荡；在角频率远离基准角频率时，通过增大转动惯量J来抑制角频率的变化，在角频率接近基准角频率时，为更短的时间内使角频率恢复到基准频率，通过减小转动惯量J来加快角频率的变化。
[0014]作为优选，步骤二中，根据李雅普诺夫第一法，特征值全为负则系统稳定，绘制根轨迹图分析惯量时间常数和阻尼对虚拟同步发电机控制稳定性的影响。
[0015]作为优选，步骤三中，将灵活阻尼控制加入虚拟同步发电机控制中以兼顾静态稳定和暂态稳定，其表达式为：
[0016][0017]式中，D0为阻尼系数，D
s
为固定阻尼，D
T
为暂态阻尼，T
C
为暂态阻尼衰减时间常数；
[0018]灵活阻尼控制根据角频率的偏差，灵活切换固定阻尼和暂态阻尼两种状态；发生低频小扰动时，切换为固定阻尼；发生高频大扰动时，切换为暂态阻尼。
[0019]本专利技术提出一种基于tanh函数的自适应惯量VSG控制策略，引入根据角频率变化灵活切换的阻尼控制，能有效地提高VSG控制的稳定性。
附图说明
[0020]图1为实施例1中一种基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法的流程图；
[0021]图2为实施例1中VSG控制模型的示意图；
[0022]图3为实施例1中发电机的功频特性曲线示意图；
[0023]图4为实施例1中有功
‑
频率控制的控制框图；
[0024]图5为实施例1中无功
‑
电压控制的控制框图；
[0025]图6为实施例1中s(x)函数的示意图；
[0026]图7为实施例1中VSG功角稳定分析示意图；
[0027]图8为实施例1中特征根轨迹示意图；
[0028]图9为实施例1中固定阻尼和暂态阻尼的频域响应(D0＝1)示意图；
[0029]图10为实施例1中具有暂态阻尼的VSG有功控制环路框图；
[0030]图11(a)为实施例1中基于有功功率的有功突增仿真示意图；
[0031]图11(b)为实施例1中基于频率的有功突增仿真示意图；
[0032]图12(a)为实施例1中基于有功功率的有功突减仿真示意图；
[0033]图12(b)为实施例1中基于频率的有功突减仿真示意图；
[0034]图13为实施例1中三相短路故障仿真示意图。
具体实施方式
[0035]为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本专利技术进行解释而并非限定。
[0036]实施例1
[0037]虚拟同步发电机控制策略
[0038]同步发电机数学模型中的转子运动方程和定子电势方程描述机械势能与电磁能量的转换过程。依靠转子惯性，同步发电机具有储能作用。同步发电机的储存作用在电力系统遭受负荷扰动时可以有效缓冲功率突变，抑制能量波动，提高系统稳定性。VSG控制通过模拟同步发电机的电压调节和频率调节方式，使自身具有虚拟转动惯量和阻尼特性，克服电力电子逆变器无法支撑电网电压与电网频率的缺陷。
[0039]VSG控制模型如图2所示，VSG控制主要根据电力系统运行状态和策略目标，生成参考电压E
m
和参考相位θ
ref
作为电压电流双环控制的输入信号，从而调节电压频率，以达到抑制波动、避免功角失稳和输送指定功率的控制目标，实现分布式能源协调运行。
[0040]有功
‑
频率控制
[0041]根据图3的功频下垂特性，发电机机组具备充足的功率余量时，通过调节机械转矩或输出机械功率以恢复频率稳定，基于下垂控制理论，得原动机输出的机械功率与频率变化的关系为：
[0042]P
m
＝P
ref
+K
f
(ω
ref
‑
ω)
ꢀꢀ
(1.1)
[0043]式中，K
f
为一次调频的频率下垂系数，ω
ref
为基准频率，ω为电网频率，P
ref
为基准功率，P
m
为输出功率。
[0044]考虑转子运动的暂态过程并计及阻尼，同步发电机的转子运动方程表达式为：
[0045][0046]式中，J为转动惯量，D为系统阻尼系数，P
e
为系统输出的电磁功率。
[0047]结合公式(1.1)和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：一、引入tanh非线性函数进行自适应惯量的虚拟同步发电机控制，通过减小转动惯量来加快角频率的变化；二、通过李雅普诺夫第一法分析转动惯量对虚拟同步发电机控制稳定性的影响；三、针对上述影响将灵活阻尼控制加入虚拟同步发电机控制中以兼顾静态稳定和暂态稳定。2.根据权利要求1所述的基于非线性函数的自适应惯量的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于：步骤一中，基于tanh函数的自适应惯量进行控制，公式如下：征在于：步骤一中，基于tanh函数的自适应惯量进行控制，公式如下：式中，J0为虚拟转动惯量稳态值；k为补偿系数；G为判定阈值，ω为电网频率，ω
ref
为基准频率，s(x)为tanh非线性函数，通过tanh函数以实现转动惯量值在J0‑
k和J0+k之间的变化；tanh函数的取值范围在
‑
1到1之间，tanh函数避免转动惯量J变化时出现...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾成碧，杨效，苗虹，吴雪峰，赖辉，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：