本發(fā)明屬于同步發(fā)電機(jī)與微網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制方法。

背景技術(shù)：

隨著能源問題和環(huán)境污染問題的日益突出，傳統(tǒng)化石能源逐漸無法滿足人類可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，以可再生能源為主要能量來源的微電網(wǎng)，受到了廣泛而持續(xù)的關(guān)注。微電網(wǎng)中大部分的分布式電源都需要通過逆變器等電力電子器件接入到電網(wǎng)中，電力電子器件的響應(yīng)迅速的特點(diǎn)使得逆變器具有控制靈活，暫態(tài)時(shí)間短的特點(diǎn)但不具有慣性和阻尼以及抑制干擾和波動的能力。

為此，國內(nèi)外學(xué)者提出虛擬同步發(fā)電機(jī)，通過控制方法模擬同步發(fā)電子轉(zhuǎn)子特性，使得并網(wǎng)逆變器也具有阻尼和慣性，從而提升逆變器抑制自身輸出頻率和功率波動能力，同時(shí)也提升了對干擾波動的抑制能力，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，改善接入微網(wǎng)中的分布式能源的出力波動可能會引起電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定以及功率波動的問題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，具體包括以下步驟：

(1)虛擬同步發(fā)電機(jī)的仿真建模；

(2)分析暫態(tài)過程中系統(tǒng)頻率和輸出功率的變化機(jī)理，得出轉(zhuǎn)動慣量j和頻率變化率、阻尼系數(shù)d和頻率偏移量之間的相關(guān)性；

(3)給出轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的取值表達(dá)式和觸發(fā)條件。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，利用同步發(fā)電機(jī)小信號模型分析方法，得到虛擬同步發(fā)電機(jī)輸入輸出有功功率的傳遞函數(shù)：

其中，pref為給定有功功率；wo為電網(wǎng)同步角速度；e為虛擬同步發(fā)電機(jī)電勢；u為機(jī)端電壓；kω為調(diào)差系數(shù)；z為虛擬同步發(fā)電機(jī)濾波電路的的阻抗。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)以最優(yōu)二階系統(tǒng)方法整定，轉(zhuǎn)動慣量j和頻率變化率，阻尼系數(shù)d和頻率偏移量的關(guān)聯(lián)為：

其中，tm、te和td分別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩。

進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度的變化率較大時(shí)，增大轉(zhuǎn)動慣量；當(dāng)角速度偏離量較大時(shí)，增大阻尼系數(shù)。

有益效果：本發(fā)明中轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)兩個(gè)變量協(xié)調(diào)控制在抑制頻率變化率的同時(shí)也抑制了頻率的波動量，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；和傳統(tǒng)定參數(shù)vsg控制和轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制策略相比，能夠進(jìn)一步改善頻率響應(yīng)特性和輸出有功響應(yīng)特性，縮短系統(tǒng)暫態(tài)過程、保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效性。

附圖說明

圖1是虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制方法的原理圖；

圖2是虛擬同步發(fā)電機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)電路圖；

圖3是虛擬同步發(fā)電機(jī)不同控制方式輸出有功功率對比圖；

圖4是虛擬同步發(fā)電機(jī)不同控制方式轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的頻率對比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示是本發(fā)明的虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制方法的原理圖，當(dāng)虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度的變化率較大時(shí)，增大轉(zhuǎn)動慣量；當(dāng)角速度偏離量較大時(shí)，增大阻尼系數(shù)；同時(shí)改變轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，在抑制頻率變化率的同時(shí)也抑制了頻率的波動量，使得頻率穩(wěn)定性能得到提升。

本發(fā)明的虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，具體包括以下步驟：

(1)建立虛擬同步發(fā)電機(jī)的仿真模型；

根據(jù)虛擬同步發(fā)電機(jī)視在功率的計(jì)算方法得到其輸出的有功功率和無功功率，借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)的小信號模型分析方法，建立虛擬同步發(fā)電機(jī)的仿真模型，近似得到虛擬同步發(fā)電機(jī)輸入輸出有功功率的傳遞函數(shù)是一個(gè)典型的二階傳遞函數(shù)：

pref為給定有功功率，單位為w；wo為電網(wǎng)同步角速度，即為同步發(fā)電機(jī)的額定角速度，單位為rad/s；e為虛擬同步發(fā)電機(jī)電勢；u為機(jī)端電壓；kω為調(diào)差系數(shù)；z為虛擬同步發(fā)電機(jī)濾波電路的的阻抗。

(2)分析暫態(tài)過程中系統(tǒng)頻率和輸出功率的變化機(jī)理，得出轉(zhuǎn)動慣量和頻率變化率、阻尼系數(shù)和頻率偏移量之間的相關(guān)性；

調(diào)差系數(shù)kω通常恒定，若取0＜ξ＜1，誤差帶為±5％，在有功指令和無功指令給定的情況下，由下式可知二階系統(tǒng)動態(tài)性能主要由轉(zhuǎn)動慣量j和阻尼系數(shù)d決定。

tm、te和td分別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，單位為n·m。

(3)給出轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的取值表達(dá)式和觸發(fā)條件；

假設(shè)tm-te-jdω/dt和tm-te-td是恒定的，可得通過調(diào)整轉(zhuǎn)動慣量j和阻尼系數(shù)d能夠抑制角速度變化率和頻率偏差。

以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制為基礎(chǔ)，在負(fù)載變化時(shí)只改變轉(zhuǎn)動慣量來抑制頻率波動率的基礎(chǔ)上，提出同時(shí)改變阻尼系數(shù)d和轉(zhuǎn)動慣量j達(dá)到快速穩(wěn)定頻率的目標(biāo)。

通過虛擬同步發(fā)電機(jī)的仿真建模，得出轉(zhuǎn)動慣量和頻率變化率、阻尼系數(shù)和頻率偏移量之間的相關(guān)性，并給出轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的取值表達(dá)式和觸發(fā)條件。該方法可使在輸入功率突然增大時(shí)，頻率振蕩明顯減弱，既能夠減小頻率波動的變化率又能夠減小頻率的偏移量，最終使得頻率的超調(diào)量減小，回復(fù)時(shí)間減短，頻率穩(wěn)定性能得到提升。

在matlab/simulink中搭建單機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)如下表1所示。

表1

搭建電路圖如圖2所示，單機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，仿真時(shí)長為1.8s，負(fù)載有功功率為12kw，無功功率為2kvar。初始時(shí)，虛擬同步發(fā)電機(jī)的給定輸出有功功率為2kw；在0.15s時(shí)，有功功率突增為12kw；在0.9s時(shí)，又突變?yōu)?kw；無功恒定為2kvar。

如圖3所示，當(dāng)輸入功率突然增大時(shí)，恒定控制參數(shù)下，其有功超調(diào)量達(dá)到35％，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.55s。采用轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制相對于定控制參數(shù)的vsg控制，其有功輸出的超調(diào)量更小約為30％，調(diào)節(jié)時(shí)間更短約為0.45s；轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)調(diào)自適應(yīng)控制比轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制在輸出有功波動抑制方面性能更加優(yōu)秀，超調(diào)量進(jìn)一步減小只有約5％，調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步縮短約為0.3s。

如圖4所示，當(dāng)輸入功率突增時(shí)，定控制參數(shù)的vsg控制策略下的頻率增大的幅度超過0.4hz，振蕩持續(xù)時(shí)間約為0.25s。采用轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制策略，平率振蕩的幅度減小為0.35hz，同樣需要經(jīng)歷約為0.25s才能達(dá)到穩(wěn)定；若采用轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)協(xié)同自適應(yīng)控制策略頻率振蕩明顯減弱，約為0.2hz，暫態(tài)過程縮減為約0.2s。

相比于轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)控制有更好的頻率波動抑制性能，既能夠減小頻率波動的變化率又能夠減小頻率的偏移量，最終使得頻率的超調(diào)量減小，回復(fù)時(shí)間減短，頻率穩(wěn)定性能得到提升。