一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略制造技术

本发明专利技术公开一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略，首先对基于虚拟同步发电机的并网逆变器进行建模，得出并网逆变器系统输出角频率变化量与虚拟转动惯量及虚拟阻尼系数间的相关性；为保证系统的稳定性，确定虚拟同步发电机的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的变化范围；之后对粒子群算法进行改进，并确定基于改进粒子群算法的虚拟转动惯量及虚拟阻尼系数自适应控制策略的适应度函数；以角频率偏移最小及系统稳定性为优化目标，得出虚拟转动惯量及虚拟阻尼系数的最优值，将其作为自适应控制理论中的稳定值；最后对自适应控制理论进行改进，并将其应用于有功功率

【技术实现步骤摘要】
一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略


[0001]本专利技术属于智能电网及智能算法
，涉及一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略。

技术介绍

[0002]现如今，随着我国经济的不断发展，对能源的需求量也随之增大。新能源和储能系统的大规模开发和利用，使得提供虚拟惯量的电力电子集群高比例接入电力系统。随着含有产生虚拟惯量的电力电子集群并网容量持续增加，给电网的安全稳定运行带来重大挑战。电力电子集群通过对转动惯量的模拟，可提升电网转动惯量，然而，其从自身属性、控制器参数等多方面对现有电力系统低频振荡模式势必产生影响。
[0003]因此为解决上述问题，当前的技术是通过对同步发电机进行数学层次上的模拟，使得分布式发电所利用的逆变器能够具有与理想同步发电机一致的转动惯量与阻尼特性，从而使得逆变器所输出的电能质量得以提高。在深入对同步发电机惯量支撑原理展开研究之后，相关学者提出了虚拟同步发电机控制策略。虚拟同步发电机控制策略主要是通过引入虚拟转矩方程，通过人为将暂态过程变慢，使其能为可再生能源的接入提供虚拟转动惯量和阻尼，有利于改善系统抗扰动能力及稳定性。而在虚拟同步发电机控制策略中最为重要的参数即为虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数，在大部分的虚拟同步发电机的控制技术研究中，相关技术方案主要集中于对虚拟同步控制策略中有功功率控制环的虚拟转动惯量的调节，而忽略了虚拟同步发电机控制策略有功功率环的虚拟阻尼系数对系统所产生的重要影响。而虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数均会对系统的频率稳定性产生较为重要的影响：若虚拟转动惯量选择过小，会导致虚拟转子的角速度变化加快，使得系统的稳定性降低；反之，若选择较大，虽然在一定的范围内可使系统的稳定性得到保证，但若虚拟转动惯量选择过大，同样会使系统失稳。而虚拟阻尼系数选择不当，同样会导致系统频率偏移及稳态恢复时间产生变化，进而使得系统失稳。基于以上分析可知，适宜的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数能够抑制系统的频率振荡，进而提高系统稳定性。而现有的大部分方案中，虚拟转动惯量及虚拟阻尼系数的选择均为定值，无法根据系统的实时变化情况进行动态的自适应调节，因此本专利技术提出基于虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的自适应调节策略，以抑制电力系统频发的低频振荡问题。
[0004]近年来，由于智能算法的快速迭代，利用智能算法解决相关领域的问题已逐渐成为热点。而粒子群算法具有相对于其他算法所不能比拟的优势，粒子群算法的主要优势在于其算法本身易于实现且所需调整的参数较少，目前该算法已广泛地应用于神经网络参数优化，模糊系统的控制以及多目标参数优化等问题，而将粒子群算法与虚拟同步控制策略相结合的方法较少。通过对粒子群算法进行改进以实现对虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的优化，并可实现虚拟同步发电机有功功率控制环的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数能根据系统的实时变化情况自适应地进行调节，使得频率振荡被抑制及逆变器所输出的电能质量更高。

技术实现思路

[0005]基于现有技术不能根据系统的实时变化情况自适应地对虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数进行调节，本专利技术提出了一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略。通过本专利技术方法，对现有虚拟同步发电机参数自适应方程进行改进，并结合改进粒子群算法进行参数优化，逆变器系统可根据负载及电网的实时变化情况自适应地对虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数进行调节，使得逆变器输出的频率偏差达到最小，且能够有效地应对复杂环境下电力系统频发的低频振荡问题。
[0006]本专利技术方法大致分为三个部分：
[0007](1)确定系统参数范围：为保证系统的稳定性，并综合考虑系统的调节时间、响应速度等性能，需将虚拟同步发电机的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的变化范围调整至合理的范围之内。
[0008](2)基于改进粒子群算法的初始值选择：虚拟同步发电机的运行参数决定了系统的输出特性，因此在考虑系统的输出响应与电能质量的同时，本专利技术提出了采用改进粒子群算法对虚拟同步发电机的初始参数进行优化的方法，并选择逆变器输出角频率的偏差的绝对值与时间乘积的积分作为适应度函数，以得出可使逆变器输出角频率偏差达到最小的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数。
[0009](3)改进自适应控制理论：传统的虚拟同步发电机系统的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数均为恒定值，无法对低频振荡问题进行最优抑制，本专利技术从虚拟同步发电机系统对参数的需求入手，对自适应控制理论进行改进，以实现对于系统的频率振荡的最优抑制。
[0010]为了达到上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0011]一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略，包括如下步骤：
[0012]步骤(1)：搭建基于虚拟同步发电机的并网逆变器模型，并得到逆变器的输出频率与虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D之间的相关性。
[0013]步骤(2)：确定考虑系统稳定性及阻尼比时的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的取值范围。
[0014]步骤(3)：确定基于改进粒子群算法的虚拟同步发电机自适应控制策略的适应度函数，并以角频率的偏移达到最小及稳定性为优化目标，将改进粒子群算法应用于虚拟同步发电机的有功功率控制环节，根据迭代寻优得到可使角频率偏移达到最小的最佳虚拟转动惯量J0和虚拟阻尼系数D0。
[0015]步骤(4)：构建虚拟同步发电机的虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D的自适应调节规律方程，并将步骤(2)所得到的考虑系统稳定性时虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的变化范围及步骤(3)所得到的虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数的稳定值J0、D0作为自适应调节方程的参数，从而实现基于改进粒子群算法的虚拟转动惯量J和虚拟阻尼系数D的自适应控制。
[0016]进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：
[0017](1.1)搭建基于虚拟同步发电机的并网逆变器模型；
[0018]所述虚拟同步发电机的控制策略是将同步发电机数学模型中的转矩方程应用于逆变器的外环控制中，进而控制逆变器输出的角频率；当将同步发电机的原动机和转子视为刚体时，同步发电机的输出单元的转矩方程如下公式所示：
[0019][0020]其中，T
m
为同步发电机的电磁转矩，T
e
为同步发电机的输出转矩，ω为同步发电机的瞬时角频率，Δω为同步发电机的瞬时角频率与额定角频率的差值。
[0021]在虚拟同步发电机控制策略中，通过下垂方程独立地对逆变器输出的有功功率P及无功功率Q进行调整，进而对虚拟同步发电机逆变侧与电网侧的公共连接点(Pointof Common Coupling，PCC)的输出电压及频率进行调整；
[0022]所述下垂控制方程如下公式所示：
[0023]f
‑
f0＝K
f
(P0‑
P
ref
)
[0024]U
‑
U0＝K
q
(Q0‑
Q)
[0025]其中，U0、f0、P0及Q0分别为逆变器的额定电压、额定频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)：搭建基于虚拟同步发电机的并网逆变器模型，并得到逆变器的输出频率与虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D之间的相关性；步骤(2)：确定考虑系统稳定性及阻尼比时的虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的取值范围；步骤(3)：确定基于改进粒子群算法的虚拟转动惯量J与虚拟阻尼系数D自适应控制策略的适应度函数，并以角频率的偏移达到最小及稳定性为优化目标，将改进粒子群算法应用于虚拟同步发电机的有功功率控制环节，根据迭代寻优得到可使角频率偏移达到最小的最佳虚拟转动惯量J0和虚拟阻尼系数D0；步骤(4)：构建虚拟同步发电机的虚拟转动惯量J及虚拟阻尼系数D的自适应调节规律方程，并将步骤(2)所得到的考虑系统稳定性时虚拟转动惯量与虚拟阻尼系数的变化范围及步骤(3)所得到的虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数的稳定值J0、D0作为自适应调节方程的参数，从而实现基于改进粒子群算法的虚拟转动惯量J和虚拟阻尼系数D的自适应控制。2.根据权利要求1所述的一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：(1.1)搭建基于虚拟同步发电机的并网逆变器模型；当将同步发电机的原动机和转子视为刚体时，同步发电机的输出单元的转矩方程如下公式所示：其中，T
m
为同步发电机的电磁转矩，T
e
为同步发电机的输出转矩，ω为同步发电机的瞬时角频率，Δω为同步发电机的瞬时角频率与额定角频率的差值；在虚拟同步发电机控制策略中，通过下垂方程独立地对逆变器输出的有功功率P及无功功率Q进行调整，所述下垂控制方程如下公式所示：f
‑
f0＝K
f
(P0‑
P
ref
)U
‑
U0＝K
q
(Q0‑
Q)其中，U0、f0、P0及Q0分别为逆变器的额定电压、额定频率、额定有功功率以及额定无功功率，f、U以及Q分别为逆变器系统的频率、输出电压以及无功功率，P
ref
为逆变器系统给定的有功功率，K
f
为频率调节系数，K
q
为无功调节系数；并网逆变器馈入电网时的有功功率P
e
与无功功率Q
e
如下公式所示：其中，X
s
为逆变器输出阻抗与电网阻抗中的感性分量，E为逆变器桥臂中点电压基波相量，U
g
为电网电压相量的有效值；
基于以上分析，基于虚拟同步发电机的并网逆变器系统在拉普拉斯域上的小信号模型如下公式所示：如下公式所示：如下公式所示：如下公式所示：如下公式所示：其中，s为拉普拉斯变换中的复频率，和分别为系统输出角频率、给定转矩、电磁转矩、逆变器桥臂中点电压、给定无功功率、系统输出无功功率、功角及系统输出有功功率在其直流工作点附近的小扰动量，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼系数，K为惯性系数，D
q
为无功
‑
电压下垂调差系数，δ
n
为虚拟同步发电机系统稳态工作时的功率因数角，E
n
系统稳态工作时的逆变器桥臂中点电压；(1.2)参数相关性分析若不考虑有功功率控制环与无功功率控制环之间的耦合，则有功功率控制环与无功功率控制环的闭环传递函数如下公式所示：其中，ω
n
为系统稳态时的角频率；有功功率控制环节所表示的二阶系统的自然振荡频率ω
s
和阻尼比ξ如下公式所示：
3.根据权利要求1所述的一种用于复杂振荡环境下虚拟同步发电机自适应控制策略，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：(2.1)确定虚拟阻尼系数的变化范围；有功功率环的环路增益即有功功率环的开环传递函数如下公式所示：在有功功率控制环的截止频率处，系统的有功环路增益的幅值应为1，则得到系统的虚拟转动惯量J如下公式所示：其中，f
cp
为有功功率控制环的截止频率；为保证上式成立，截止频率f
cp
应满足的条件如下公式所示：其中，f
cpmax
为有功功率控制环的截止频率的最大值；所述的虚拟同步发电机的调频原理为当频率变化1Hz时，逆变器输出的有功功率的相应变化范围为额定容量的40％～100％，则虚拟阻尼系数D如下公式所示：其中，ΔT为逆变器输出转矩偏移，ΔP为逆变器输出有功功率偏移，Δω

【专利技术属性】
技术研发人员：李岳，陈涛，林洪国，任传名，沈照亮，李锟鹏，徐仁博，朱江，罗通达，白粟瑱，纪海丹，赵子越，高晟桐，解昕雅，历小琳，王宁，张莉，董佳航，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：