本發(fā)明涉及電網(wǎng)控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)建設(shè)成本高、運(yùn)行難度大且難以滿足用戶多樣化供電需求等弊端日益凸現(xiàn)，同時(shí)，傳統(tǒng)能源供應(yīng)的日益緊張以及人們用電需求的不斷提高，因此，含有分布式電源的微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。由于分布式電源的輸出大多都為直流，因此需要通過并網(wǎng)逆變器接入配電網(wǎng)，借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，使得并網(wǎng)逆變器具有同步發(fā)電機(jī)的外特性，能夠提高微電網(wǎng)的運(yùn)行性能，并且方便地將一些傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行控制策略移植到微電網(wǎng)中，這種并網(wǎng)逆變器被稱之為虛擬同步發(fā)電機(jī)(英文：Virtual Synchronous Machine,簡稱：VSM)。

虛擬同步發(fā)電機(jī)具有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行狀態(tài)。在正常情況下，虛擬同步發(fā)電機(jī)和配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障或者電能質(zhì)量不滿足符合要求等情況時(shí)，虛擬同步發(fā)電機(jī)能夠快速、主動地?cái)嚅_與配電網(wǎng)之間的連接，過渡到孤島運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如何對虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對虛擬同步發(fā)電機(jī)的無頻差調(diào)節(jié)，是目前研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。在一種現(xiàn)有技術(shù)中，在下垂控制的基礎(chǔ)上，引入比例-積分控制環(huán)節(jié)來對虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，然而這種控制方式仍然存在較大的頻率誤差，導(dǎo)致控制精度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方法、裝置及系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，減少頻率誤差，提高控制精度。

為此，本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方法，所述方法用于孤島運(yùn)行狀態(tài)，包括：

獲取虛擬同步發(fā)電機(jī)的參考角頻率的給定值；

利用跟蹤微分器對所述參考角頻率的給定值安排過渡過程，獲得所述參考角頻率的估計(jì)值；

利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量以及內(nèi)外擾動進(jìn)行估計(jì)，獲得所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及擾動估計(jì)值，并且對所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及所述輸出角頻率的實(shí)際值取差值，獲得狀態(tài)變量誤差；

利用非線性誤差反饋控制律，并根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋與所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量以及所述參考角頻率的估計(jì)值獲得目標(biāo)控制量；

根據(jù)所述目標(biāo)控制量對所述虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功頻率控制。

可選的，所述參考角頻率的估計(jì)值v₁為:v₁＝-m₁×fal(e,a₀,δ₀)；

其中，fal(e,a₀,δ₀)為最優(yōu)控制函數(shù)，e＝v₁-ω_ref，m₁、a₀和δ₀為給定參數(shù)，ω_ref為參考角頻率的給定值。

可選的，所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值z₁為：

其中，z₂為所述擾動估計(jì)值，e₁為所述狀態(tài)變量誤差，H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，Δu為所述目標(biāo)控制量，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值，β₁為給定參數(shù)；

所述擾動估計(jì)值z₂為：z₂＝-β₂×fal(e₁,a₁,δ₁)；

其中，fal(e₁,a₁,δ₁)為最優(yōu)控制函數(shù)，e₁為所述狀態(tài)變量誤差，β₂、a₁和δ₁為給定參數(shù)；

所述狀態(tài)變量誤差e₁為：e₁＝z₁-ω；

其中，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω為所述輸出角頻率的實(shí)際值。

可選的，所述根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋、所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量以及所述參考角頻率的估計(jì)值獲得目標(biāo)控制量，包括：

根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋確定誤差反饋控制量，對所述誤差反饋控制量用所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量確定所述目標(biāo)控制量。

可選的，所述誤差反饋控制量u₀為：u₀＝m₂×fal(e₂,a₂,δ₂)；

其中，fal(e₂,a₂,δ₂)為最優(yōu)控制函數(shù)，e₂＝v₁-z₁，v₁為所述參考角頻率的估計(jì)值，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，m₂、a₂和δ₂為給定參數(shù)；

所述目標(biāo)控制量Δu為：Δu＝2H×(u₀-z₂)-[P_ref-P_g-k_d×(z₁-ω_grid)]；

其中，H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，z₂為所述擾動估計(jì)值，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值。

本發(fā)明提供了一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制裝置，所述裝置用于孤島運(yùn)行狀態(tài)，包括：

獲取單元，用于獲取虛擬同步發(fā)電機(jī)的參考角頻率的給定值；

跟蹤微分器，用于對所述參考角頻率的給定值安排過渡過程，獲得所述參考角頻率的估計(jì)值；

擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，用于對虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量以及內(nèi)外擾動進(jìn)行估計(jì)，獲得所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及擾動估計(jì)值，并且對所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及所述輸出角頻率的實(shí)際值取差值，獲得狀態(tài)變量誤差；

非線性誤差反饋控制律，用于根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋與所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量以及所述參考角頻率的估計(jì)值獲得目標(biāo)控制量；

控制單元，用于根據(jù)所述目標(biāo)控制量對所述虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功頻率控制。

可選的，所述參考角頻率的估計(jì)值v₁為:v₁＝-m₁×fal(e,a₀,δ₀)；

其中，fal(e,a₀,δ₀)為最優(yōu)控制函數(shù)，e＝v₁-ω_ref，m₁、a₀和δ₀為給定參數(shù)，ω_ref為參考角頻率的給定值。

可選的，所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值z₁為：

其中，z₂為所述擾動估計(jì)值，e₁為所述狀態(tài)變量誤差，H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，Δu為所述目標(biāo)控制量，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值，β₁為給定參數(shù)；

所述擾動估計(jì)值z₂為：z₂＝-β₂×fal(e₁,a₁,δ₁)；

其中，fal(e₁,a₁,δ₁)為最優(yōu)控制函數(shù)，e₁為所述狀態(tài)變量誤差，β₂、a₁和δ₁為給定參數(shù)；

所述狀態(tài)變量誤差e₁為：e₁＝z₁-ω；

其中，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω為所述輸出角頻率的實(shí)際值。

可選的，所述非線性誤差反饋控制律具體用于，根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋確定誤差反饋控制量，對所述誤差反饋控制量用所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量確定所述目標(biāo)控制量。

可選的，所述誤差反饋控制量u₀為：u₀＝m₂×fal(e₂,a₂,δ₂)；

其中，fal(e₂,a₂,δ₂)為最優(yōu)控制函數(shù)，e₂＝v₁-z₁，v₁為所述參考角頻率的估計(jì)值，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，m₂、a₂和δ₂為給定參數(shù)；

所述目標(biāo)控制量Δu為：Δu＝2H×(u₀-z₂)-[P_ref-P_g-k_d×(z₁-ω_grid)]；

其中，H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，z₂為所述擾動估計(jì)值，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值。

通過上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明實(shí)施例中，在孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，利用跟蹤微分器對虛擬同步發(fā)電機(jī)的所述參考角頻率的給定值安排過渡過程，獲得所述參考角頻率的估計(jì)值；利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量以及內(nèi)外擾動進(jìn)行估計(jì)，獲得所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及擾動估計(jì)值，并且對所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及所述輸出角頻率的實(shí)際值取差值，獲得狀態(tài)變量誤差；利用非線性誤差反饋控制律，并根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋與所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量以及所述參考角頻率的估計(jì)值獲得目標(biāo)控制量；根據(jù)所述目標(biāo)控制量對所述虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功頻率控制。

可見，與傳統(tǒng)的有功-頻率控制方式相比，本發(fā)明是一種基于自抗擾的無頻差控制方式，具體根據(jù)參考角頻率與實(shí)際角頻率的誤差反饋來進(jìn)行控制，將負(fù)荷的變化看成是對系統(tǒng)的擾動，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器將該擾動估計(jì)出來，并通過自抗擾的無頻差控制方式的前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)有效控制，而且由于存在過渡過程，因此能夠減少頻率誤差，提高控制精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明提供的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率控制算法示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的一種方法實(shí)施例的流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種控制方法的示意圖；

圖5a、圖5b和圖5c為本發(fā)明實(shí)施例提供的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及傳統(tǒng)能源供應(yīng)的日益緊張，為滿足用戶多樣化供電需求，含有分布式電源的微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。由于分布式電源的輸出大多都為直流，因此需要通過并網(wǎng)逆變器接入配電網(wǎng)，借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，使得并網(wǎng)逆變器具有同步發(fā)電機(jī)的外特性，能夠提高微電網(wǎng)的運(yùn)行性能，并且方便地將一些傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行控制策略移植到微電網(wǎng)中，這種并網(wǎng)逆變器被稱之為虛擬同步發(fā)電機(jī)。

如圖1所示，為虛擬同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中U_d是等效直流電壓源，即逆變系統(tǒng)的儲能部分所提供的直流電壓；I₁～I(xiàn)₆是六個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,英文簡稱IGBT)開關(guān)；e_a、e_b和e_c是輸出的三相交流電；R是虛擬同步發(fā)電機(jī)的濾波電阻、L是濾波電感、C是濾波電容；i_a、i_b和i_c是濾波電感的三相輸出電流；u_oa、u_ob和u_oc是濾波電容的三相輸出電壓，KM是一組開關(guān)；I_oabc是流向公共母線的三相電流；u_oa，u_ob和u_oc是三相濾波電容的輸出電壓，即虛擬同步機(jī)的輸出電壓，也是公共電網(wǎng)(A相、B相和C相)的三相電壓。

圖1中，中央控制器給出的有功參考頻率的給定值P_ref，無功參考頻率的給定值Q_ref，以及參考電壓d給定值E_ref，通過有功-頻率控制(P-f控制)得到相位θ，通過無功-電壓控制(Q-U控制)得到E，并將得到的相位θ和E通過三相正弦波發(fā)生器后得到三相電壓u_a、u_b和u_c；三相電壓u_a、u_b和u_c經(jīng)dq變換后得到u_d,u_q，u_d,u_q在通過虛擬阻抗后得到輸出電壓參考值V_od.ref,V_oq.ref，并把它作為電壓電流雙環(huán)控制的輸入。經(jīng)電壓電流雙環(huán)控制后得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制電壓v_a、v_b和v_c，最后，控制電壓經(jīng)脈沖寬度調(diào)制(PWM)發(fā)生器來控制虛擬同步發(fā)電機(jī)的六個(gè)IGBT開關(guān)的開通與關(guān)斷。具體的，PWM發(fā)生器可以通過產(chǎn)生的方波實(shí)現(xiàn)對六個(gè)IGBT開關(guān)的開通與關(guān)斷的控制。

需要說明的是，圖1是虛擬同步發(fā)電機(jī)的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖，本申請實(shí)施例中的虛擬同步發(fā)電機(jī)也可以采用其他結(jié)構(gòu)，對此并不加以限定。

在正常情況下，虛擬同步發(fā)電機(jī)和配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障或者電能質(zhì)量不滿足符合要求等情況時(shí)，虛擬同步發(fā)電機(jī)能夠快速、主動地?cái)嚅_與配電網(wǎng)之間的連接，過渡到孤島運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí),為了實(shí)現(xiàn)對虛擬同步發(fā)電機(jī)的無頻差調(diào)節(jié)，在一種現(xiàn)有技術(shù)中，在下垂控制的基礎(chǔ)上，引入比例-積分控制環(huán)節(jié)來對虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功-頻率控制，具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

由于旋轉(zhuǎn)慣性是同步發(fā)電機(jī)對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性尤為重要的一點(diǎn)，因此同步發(fā)電機(jī)的頻率不會在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變。通過在控制上模擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，使虛擬同步發(fā)電機(jī)具有類似同步發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性，可得虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率控制方程為：

公式中，H是虛擬同步發(fā)電機(jī)中引入的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)；ω是A相調(diào)制波的角頻率，是A相調(diào)制波的初相角，θ即A相調(diào)制波的相位；P_ref為虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值；P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值；ω_ref為參考角頻率的給定值；ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值；ω為虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出角頻率的實(shí)際值；K_d為阻尼系數(shù)；D_p為頻率下垂系數(shù)；s為拉布拉斯變換中的參數(shù)。

根據(jù)上述公式可得虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率控制算法如圖2所示，通過該算法可以實(shí)現(xiàn)對虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率控制，得到A相調(diào)制波的相位θ，并依據(jù)θ得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制電壓。利用該控制電壓去控制虛擬同步發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對虛擬同步發(fā)電機(jī)的頻率的調(diào)節(jié)。

上述在下垂控制的基礎(chǔ)上，引入了比例-積分控制環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)的方式，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，頻率誤差雖減小了但仍然不足，控制精度還有待改善。

對于上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種無差頻的有功-頻率控制算法，即在傳統(tǒng)的下垂控制的基礎(chǔ)上，引入自抗擾的無頻差控制方式，以減少虛擬同步發(fā)電機(jī)在孤網(wǎng)模式下的頻率誤差，提高控制精度。

自抗擾的無頻差控制方式是一種基于誤差反饋的控制方法，通過對給定信號與實(shí)際信號的誤差來進(jìn)行處理，以施加控制達(dá)到消除誤差的目的。該控制方法具有對受控對象數(shù)學(xué)模型的依賴性低，對參數(shù)不敏感，跟蹤效果好，結(jié)構(gòu)和算法簡單，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

接下來，將對本發(fā)明的控制方法展開介紹。

如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方法實(shí)施例的流程示意圖，本發(fā)明實(shí)施例建立的一階自抗擾控制器由三部分組成：跟蹤微分器TD、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO和非線性誤差反饋控制律NLSEF。

本實(shí)施例的方法用于孤島運(yùn)行狀態(tài)，包括：

S301：獲取虛擬同步發(fā)電機(jī)的參考角頻率的給定值。

獲取虛擬同步發(fā)電機(jī)的參考角頻率的給定值ω_ref。

S302：利用跟蹤微分器對所述參考角頻率的給定值安排過渡過程，獲得所述參考角頻率的估計(jì)值。

為了降低起始誤差，可以對參考角頻率的給定值ω_ref安排過渡過程，獲得所述參考角頻率的估計(jì)值v₁。圖4中，跟蹤微分器TD用于安排過渡過程：

其中，v₁為所述參考角頻率的估計(jì)值，fal(e,a₀,δ₀)為最優(yōu)控制函數(shù)，具體表達(dá)式為：

m₁、a₀和δ₀為給定參數(shù)，ω_ref為參考角頻率的給定值。

S303：利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO對虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量以及內(nèi)外擾動進(jìn)行估計(jì)，獲得所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及擾動估計(jì)值，并且對所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及所述輸出角頻率的實(shí)際值取差值，獲得狀態(tài)變量誤差。

擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO是一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)，根據(jù)量測到的系統(tǒng)輸入(控制量)和系統(tǒng)輸出(部分狀態(tài)變量或狀態(tài)變量的函數(shù))來確定系統(tǒng)所有內(nèi)部狀態(tài)信息。

在本發(fā)明實(shí)施例中，可以構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO為：

其中，z₁為輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，z₂為所述擾動估計(jì)值，e₁為所述狀態(tài)變量誤差，H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，Δu為所述目標(biāo)控制量，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值，β₁為給定參數(shù)。fal(e₁,a₁,δ₁)為最優(yōu)控制函數(shù)，具體表達(dá)式為：

e₁為所述狀態(tài)變量誤差，β₂、a₁和δ₁為給定參數(shù)；z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω為所述輸出角頻率的實(shí)際值。

S304：利用非線性誤差反饋控制律NLSEF，并根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋與所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量以及所述參考角頻率的估計(jì)值獲得目標(biāo)控制量。

具體的，可以根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋確定誤差反饋控制量，對所述誤差反饋控制量用所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量確定所述目標(biāo)控制量。

例如，可以構(gòu)造非線性誤差反饋控制律NLSEF為：

其中，u₀為所述誤差反饋控制量，fal(e₂,a₂,δ₂)為最優(yōu)控制函數(shù)，具體表達(dá)式為：

v₁為所述參考角頻率的估計(jì)值，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，m₂、a₂和δ₂為給定參數(shù)；Δu為所述目標(biāo)控制量；H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，z₂為所述擾動估計(jì)值，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值。

從NLSEF的表達(dá)式可以看出，NLSEF只與系統(tǒng)的給定輸入和輸出有關(guān)，對受控對象數(shù)學(xué)模型的依賴性低，對參數(shù)不敏感。

S305：根據(jù)所述目標(biāo)控制量對所述虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功頻率控制。

與傳統(tǒng)有功-頻率控制器相比，基于自抗擾的無頻差控制器是一種基于參考角頻率與實(shí)際角頻率的誤差反饋來進(jìn)行控制，將負(fù)荷的變化看成是對系統(tǒng)的擾動，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器將該擾動估計(jì)出來，并通過自抗繞控制器的前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)有效控制，達(dá)到消除角頻率誤差的目的。由于跟蹤微分器的過渡過程，因此能夠減少頻率誤差，提高控制精度。并且對負(fù)荷的變化體現(xiàn)出很好的魯棒性。

下面說明本發(fā)明實(shí)施例提供的方法的仿真實(shí)驗(yàn)。

虛擬同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，并且處于孤島狀態(tài)時(shí)，開關(guān)KM斷開，虛擬同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過阻抗向本地負(fù)荷供電。建立基于PSCAD的系統(tǒng)仿真模型來驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例所述方法的正確性和可行性。主電路的仿真參數(shù)為：直流側(cè)電壓1kv(千伏)，額定功率10kW(千瓦),負(fù)荷額定電壓380V(伏)，開關(guān)頻率50kHz(千赫茲)，濾波電感4mH(毫亨)，濾波電容74μF(微法)，額定頻率50Hz(赫茲)。

虛擬同步發(fā)電機(jī)在初始時(shí)刻的負(fù)荷為1kW，在時(shí)間t＝5s(秒)時(shí)，負(fù)荷增加投入5kW。在有功負(fù)荷發(fā)生階躍的情況下，虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功變化、角頻率變化、頻率變化分別如圖5a、圖5b和圖5c所示。由圖5a、圖5b和圖5c可知，虛擬同步發(fā)電機(jī)在t＝5s時(shí)負(fù)荷的有功功率從1kW突變至5kW，虛擬同步發(fā)電機(jī)的負(fù)荷曲線過度過程平緩，頻率有所降低，角頻率最大偏移不超過0.5rad(弧度制單位)。在經(jīng)歷短暫的0.2s波動之后，角頻率的偏移量恢復(fù)至0，頻率也能夠穩(wěn)定在50Hz。因此，本發(fā)明實(shí)施例提供的控制方法能夠在負(fù)荷階躍的情況下進(jìn)行無差調(diào)頻?；陬愃频胤抡鎸?shí)驗(yàn)，可以證明本發(fā)明實(shí)施例提供的控制方法能夠在負(fù)荷沖擊的情況下，和負(fù)荷隨機(jī)波動的情況下進(jìn)行無差調(diào)頻。

針對虛擬同步發(fā)電機(jī)處于孤島狀態(tài)時(shí)，基于下垂控制的傳統(tǒng)有功-頻率控制算法存在著頻率偏差問題，本發(fā)明引入自抗擾控制技術(shù)的一階控制方法，設(shè)計(jì)了一種基于自抗擾技術(shù)的虛擬機(jī)無差調(diào)頻控制方法。所述控制方法能夠有效抵御負(fù)荷階躍，沖擊，在一定范圍內(nèi)隨機(jī)波動而引起的頻率變化，使系統(tǒng)的頻率處于額定的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，切實(shí)達(dá)到無差調(diào)頻的效果。

對應(yīng)上述方法實(shí)施例，本發(fā)明還提高了相應(yīng)的裝置實(shí)施例，下面具體說明。

本發(fā)明提供了一種虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制裝置，所述裝置用于孤島運(yùn)行狀態(tài)，包括：

獲取單元，用于獲取虛擬同步發(fā)電機(jī)的參考角頻率的給定值。

跟蹤微分器，用于對所述參考角頻率的給定值安排過渡過程，獲得所述參考角頻率的估計(jì)值。

擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，用于對虛擬同步發(fā)電機(jī)的輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量以及內(nèi)外擾動進(jìn)行估計(jì)，獲得所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及擾動估計(jì)值，并且對所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值以及所述輸出角頻率的實(shí)際值取差值，獲得狀態(tài)變量誤差。

非線性誤差反饋控制律，用于根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋與所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量以及所述參考角頻率的估計(jì)值獲得目標(biāo)控制量。

控制單元，用于根據(jù)所述目標(biāo)控制量對所述虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功頻率控制。

可選的，所述參考角頻率的估計(jì)值v₁為:v₁＝-m₁×fal(e,a₀,δ₀)；

其中，fal(e,a₀,δ₀)為最優(yōu)控制函數(shù)，e＝v₁-ω_ref，m₁、a₀和δ₀為給定參數(shù)，ω_ref為參考角頻率的給定值。

可選的，所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值z₁為：

其中，z₂為所述擾動估計(jì)值，e₁為所述狀態(tài)變量誤差，H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，Δu為所述目標(biāo)控制量，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值，β₁為給定參數(shù)；

所述擾動估計(jì)值z₂為：z₂＝-β₂×fal(e₁,a₁,δ₁)；

其中，fal(e₁,a₁,δ₁)為最優(yōu)控制函數(shù)，e₁為所述狀態(tài)變量誤差，β₂、a₁和δ₁為給定參數(shù)；

所述狀態(tài)變量誤差e₁為：e₁＝z₁-ω；

其中，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω為所述輸出角頻率的實(shí)際值。

可選的，所述非線性誤差反饋控制律具體用于，根據(jù)所述狀態(tài)變量誤差的非線性反饋確定誤差反饋控制量，對所述誤差反饋控制量用所述擾動估計(jì)值的補(bǔ)償量確定所述目標(biāo)控制量。

可選的，所述誤差反饋控制量u₀為：u₀＝m₂×fal(e₂,a₂,δ₂)；

其中，fal(e₂,a₂,δ₂)為最優(yōu)控制函數(shù)，e₂＝v₁-z₁，v₁為所述參考角頻率的估計(jì)值，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，m₂、a₂和δ₂為給定參數(shù)；

所述目標(biāo)控制量Δu為：Δu＝2H×(u₀-z₂)-[P_ref-P_g-k_d×(z₁-ω_grid)]；

其中，H為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，z₂為所述擾動估計(jì)值，P_ref為所述虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功參考頻率的給定值，P_g為電網(wǎng)側(cè)的有功功率的實(shí)際值，k_d為阻尼系數(shù)，z₁為所述輸出角頻率對應(yīng)的狀態(tài)變量的估計(jì)值，ω_grid為電網(wǎng)側(cè)的角頻率的實(shí)際值。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統(tǒng)，裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實(shí)施例中的對應(yīng)過程，在此不再贅述。

在本發(fā)明所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的系統(tǒng)，裝置和方法，可以通過其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，例如多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點(diǎn)，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機(jī)械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上。可以根據(jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)。

所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時(shí)，可以存儲在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的全部或部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲在一個(gè)存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機(jī)存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

以上所述，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。