一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法技术

本发明专利技术公开了一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法及系统，包括：将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机，并考虑其的原动机模型及其一次二次调频能力；分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量；结合有关虚拟同步机不同区域中暂态能量分析，依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。本发明专利技术以优化虚拟同步机储能容量、降低储能装置成本为导向，相较于传统虚拟同步机控制，不仅实现了与之相同的电网频率支撑，而且极大地降低了储能装置成本。低了储能装置成本。低了储能装置成本。

【技术实现步骤摘要】
一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法


[0001]本专利技术涉及并网逆变器控制
，特别涉及一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法。

技术介绍

[0002]为实现以化石能源为主导的传统电力系统向以新能源为主体的新型电力系统转型，建设适应高比例新能源广泛接入的新型电力系统，构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系。新能源通常通过并网逆变器接入电网，而传统的并网逆变器无法像传统同步机一样为电网提供电压支撑、惯性支撑和一次调频能力，这给电力系统稳定性运行带来严峻挑战。因此，随着越来越多的新能源接入电网，传统同步机不足以继续维持电力系统的稳定运行，新能源并网逆变器在电网中的占比受到了限制。
[0003]图1所示的虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制是解决上述问题的有效方案，通过模拟同步机的摆动方程与电磁方程，使得逆变器具有与同步机相似的外特性，从而对电网的频率和电压起到主动支撑的作用，被认为是在“双碳”目标背景下维护“双高”电网(高比例可再生能源、高比例电力电子装备)稳定运行的关键技术。随着对虚拟同步机控制研究的不断深入，近年来，研究者又进一步提出了虚拟同步机自适应控制，通过在控制过程中灵活地改变转动惯量及阻尼系数等参数，相较于传统虚拟同步机控制，实现了暂态响应更优的效果。
[0004]目前，虚拟同步机自适应控制的研究主要可分为抑制频率/功率振荡及改善电网频率支撑效果两类。在抑制频率/功率振荡的研究中，文献1提出了一种改进的转动惯量自适应控制，提出虚拟同步机并网时，提供较小的转动惯量以避免功率震荡，频率偏差超出死区范围时，动态调节转动惯量。文献2提出了采用模糊控制，在虚拟同步机调速器输出侧增加一个矫正控制量，在线调节暂态过程中转动惯量参数，从而改善系统频率的动态响应。然而，通过合理设计虚拟同步机的阻尼环节，虚拟同步机的频率、功率振荡问题即可得到有效解决，采用自适应参数的必要性不大。在改善电网频率支撑效果的研究中，文献3提出线性二次型最优控制，最优设计转动惯量与阻尼系数，减小了多台逆变器与同步机并联时的电网频率最大偏差。文献4提出了一种基于Fuzzy
‑
MPC
‑
VSG联合控制的方法，通过模糊控制在线调节转动惯量与阻尼系数，利用模型预测控制算法调节虚拟同步机输出功率，最终相较于Fuzzy
‑
VSG控制或MPC
‑
VSG控制，进一步减小了电网频率最大偏差。然而，上述以改善电网频率支撑效果为目的的自适应控制虽然减小了电网频率最大偏差，但常以消耗更多的虚拟同步机暂态能量为代价，这增加了VSG的储能成本。
[0005]根据以上对虚拟同步机自适应控制的分析，到目前为止，尚没有一种同时考虑频率支撑效果与降低储能容量的优化设计方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机
自适应控制方法及系统。本专利技术以虚拟同步机为电网提供频率支撑为前提，以降低储能容量为导向，提出一种自适应调节虚拟同步机关键参数的控制策略。
[0007]为实现上述目的，采取以下具体流程：
[0008]一种虚拟同步机自适应控制方法，包括：
[0009]将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机；
[0010]分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量；
[0011]结合有关虚拟同步机不同区域中暂态能量的分析，依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机，并考虑其原动机模型及其一次二次调频能力。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机还设计虚拟同步机的有功
‑
频率控制，具体是：
[0014]基于虚拟同步机的有功
‑
频率控制关系，提出状态反馈控制方程进行控制。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述状态反馈控制方程为：
[0016][0017]P
in
+P
d
+P
out
＝J
sf
ω0sω
m
ꢀꢀꢀ
(6)
[0018][0019][0020]其中，ω
m
为电网频率，ω
db
为虚拟同步机下垂死区，ω0为额定电网频率，k
p
为虚拟同步机下垂系数，J
sf
为名义转动惯量，T
fsf
为一阶滤波器时间常数，k
xω
，k
xp
，k
xi
为状态反馈系数，P0为有功功率参考值，P
in
为输入轴功率，P
d
为阻尼功率，P
out
为输出功率。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量，包括：
[0022]分析带下垂死区的虚拟同步机对电网频率支撑的暂态过程，提出将虚拟同步机输出功率分为四个区域：
[0023]负载突增电网频率跌落时，转动惯量立刻响应负载变化，使得虚拟同步机对外输出能量增大，为区域I；
[0024]电网频率偏差越过下垂死区范围后，下垂环节开始参与电网一次调频，使虚拟同步机输出足够大的暂态功率来主动支撑电网频率，为区域Ⅱ；
[0025]区域Ⅲ、Ⅳ为在电网二次调频的作用下，电网频率开始缓慢恢复过程中，虚拟同步机转动惯量吸收来自下垂环节所提供的能量。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，所述分析不同区域中暂态能量后还包括：
[0027]将暂态能量细分为电网频率跌落至谷值前释放的能量与跌落至谷值后释放的能
量；其中，电网频率跌落至谷值前的能量主动支撑暂态过程中的电网频率，减小电网频率最大偏差，使得电网安全稳定运行；跌落至谷值后的一部分能量，由电网中火电机组的一次二次调频来承担。
[0028]作为本专利技术的进一步改进，所述制定虚拟同步机自适应控制策略具体是：
[0029]依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。
[0030]作为本专利技术的进一步改进，所述制定频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制策略包括：
[0031]判断电网频率偏差与下垂死区绝对值的大小关系，电网频率小于下垂死区绝对值时，下垂系数保持恒为0；电网频率超出下垂死区范围时，根据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节包括但不限于下垂系数的虚拟同步机参数，具体表达式如下：
[0032][0033]其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于，包括：将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机；分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量；结合有关虚拟同步机不同区域中暂态能量的分析，依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。2.根据权利要求1所述的一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于，所述将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机，并考虑其原动机模型及其一次二次调频能力。3.根据权利要求1所述的一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于，将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机还设计虚拟同步机的有功
‑
频率控制，具体是：基于虚拟同步机的有功
‑
频率控制关系，提出状态反馈控制方程进行控制。4.根据权利要求3所述的一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于，所述状态反馈控制方程为：P
in
+P
d
+P
out
＝J
sf
ω0sω
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)(2)其中，ω
m
为电网频率，ω
db
为虚拟同步机下垂死区，ω0为额定电网频率，k
p
为虚拟同步机下垂系数，J
sf
为名义转动惯量，T
fsf
为一阶滤波器时间常数，k
xω
，k
xp
，k
xi
为状态反馈系数，P0为有功功率参考值，P
in
为输入轴功率，P
d
为阻尼功率，P
out
为输出功率。5.根据权利要求1所述一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，其特征在于，分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量，包括：分析带下垂死区的虚拟同步机对电网频率支撑的暂态过程，提出将虚拟同步机输出功率分为四个区域：负载突增电网频率跌落时，转动惯量立刻响应负载变化，使得虚拟同步机对外输出能...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳，刘昕宇，刘进军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：