本發(fā)明涉及光伏虛擬同步發(fā)電機控制，特別涉及一種基于虛擬慣量和阻尼的光伏vsg控制方法。

背景技術(shù)：

1、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)逐漸成為了人們關(guān)注的研究熱點。系能源發(fā)電主要以分布式電源的方式通過逆變器并入大電網(wǎng)，隨著新能源分布式電源的大規(guī)模滲透，作為電力電子并網(wǎng)技術(shù)的主要接口，逆變器的普及率也隨之提高。由于逆變器等電力電子器件弱阻尼且缺乏轉(zhuǎn)動慣量支撐的特性，當(dāng)發(fā)生功率擾動或負(fù)載突變時，將無法抑制分布式發(fā)電系統(tǒng)的振蕩，從而威脅整個電網(wǎng)的運行安全性和穩(wěn)定性。因此，可以在逆變器控制中引入虛擬同步發(fā)電機(vsg，virtual?synchronous?generator)控制技術(shù)，它可以模擬同步發(fā)電機的外部特性，使并網(wǎng)逆變器具備與同步發(fā)電機類似的轉(zhuǎn)動慣性和阻尼。然而，傳統(tǒng)的vsg參數(shù)設(shè)置為固定值，固定值的參數(shù)設(shè)置不一定適用所有的工作場景。在某些情況下可能會出現(xiàn)功率振蕩幅值超出范圍導(dǎo)致vsg停止工作。而vsg運動方程中的虛擬慣量和阻尼參數(shù)是虛擬量，不受物理特性的約束，可以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。

2、基于vsg控制中虛擬慣量和阻尼系數(shù)可以靈活設(shè)計的特點，學(xué)者們對vsg的參數(shù)自適應(yīng)做了許多研究，例如有研究者提出了一種在孤島模式下發(fā)生負(fù)荷擾動時快速響應(yīng)的自適應(yīng)虛擬慣量控制策略，有效抑制了頻率波動；也有研究者提出一種改進bang-bang自適應(yīng)虛擬慣量的vsg控制策略，能根據(jù)負(fù)載擾動引起的頻率變化量實時動態(tài)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)慣量，避免了頻率快速波動，從而提高了頻率響應(yīng)特性，但沒有考慮阻尼系數(shù)的影響；還有研究者提出了一種基于阻尼比約束的自適應(yīng)控制策略，該策略根據(jù)vsg輸出頻率的變化率來調(diào)整虛擬慣量，再通過阻尼比來控制阻尼系數(shù)的取值，通過使系統(tǒng)工作在欠阻尼狀態(tài)下，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；還有研究者提出將自適應(yīng)虛擬慣量和阻尼系數(shù)運用到并網(wǎng)逆變器中，有效改善了暫態(tài)過程中功率和頻率振蕩，但對于阻尼的自適應(yīng)沒有設(shè)置啟動判斷條件；綜上，現(xiàn)有技術(shù)還存在功率和頻率的波動抑制能力較差，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性不高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于虛擬慣量和阻尼的光伏vsg控制方法，其目的是為了能夠更好的抑制功率和頻率的波動，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于虛擬慣量和阻尼的光伏vsg控制方法，包括：

3、步驟1，基于設(shè)計的光伏vsg并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對虛擬同步發(fā)電機進行建模，得到虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程，光伏vsg并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括主拓?fù)潆娐泛涂刂苹芈罚?/p>

4、步驟2，根據(jù)主拓?fù)潆娐窐?gòu)建虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率與線路電抗、電動勢幅值、輸出端電壓、功角之間的函數(shù)表達式，并將函數(shù)表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程進行結(jié)合，得到第一二階傳遞函數(shù)和第二二階傳遞函數(shù)；

5、步驟3，分別對第一二階傳遞函數(shù)和第二二階傳遞函數(shù)進行拉普拉斯逆變換，得到在虛擬慣量變化時有功功率的階躍效應(yīng)、在虛擬慣量變化時角頻率的階躍響應(yīng)曲線、在阻尼變化時有功功率的階躍響應(yīng)曲線和在阻尼變化時角頻率的階躍響應(yīng)曲線；

6、步驟4，對在虛擬慣量變化時有功功率的階躍效應(yīng)、在虛擬慣量變化時角頻率的階躍響應(yīng)曲線、在阻尼變化時有功功率的階躍響應(yīng)曲線和在阻尼變化時角頻率的階躍響應(yīng)曲線進行分析，得到虛擬慣量變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理以及阻尼變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理；

7、步驟5，基于虛擬慣量變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理、阻尼變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理，得到虛擬慣量和阻尼在不同狀態(tài)時的自適應(yīng)原則；

8、步驟6，基于自適應(yīng)原則構(gòu)建虛擬慣量和阻尼的自適應(yīng)函數(shù)，并對自適應(yīng)函數(shù)中的參數(shù)進行整定，確定虛擬慣量和阻尼的自適應(yīng)啟動判據(jù)，以用于對光伏虛擬同步發(fā)電機進行控制。

9、進一步來說，虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程為：

10、

11、其中，j表示虛擬慣量，pref表示輸入虛擬同步發(fā)電機的有功功率，表示虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率，δ表示虛擬同步發(fā)電機的功角，ω表示虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率，ω0表示電網(wǎng)的額定角頻率，dp表示阻尼轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的阻尼系數(shù)。

12、進一步來說，根據(jù)主拓?fù)潆娐窐?gòu)建虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率與線路電抗、電動勢幅值、輸出端電壓、功角之間的函數(shù)表達式為：

13、

14、其中，e表示有功-頻率調(diào)制獲得的電動勢幅值，ul表示輸出端電壓，zf表示濾波電路阻抗，xf表示濾波電路的電抗。

15、進一步來說，將函數(shù)表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程進行結(jié)合，得到第一二階傳遞函數(shù)和第二二階傳遞函數(shù)，包括：

16、根據(jù)傳統(tǒng)同步發(fā)電機小信號模型的分析方法，結(jié)合函數(shù)表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程，得到從輸入虛擬同步發(fā)電機的有功功率到虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率的第一二階傳遞函數(shù)為：

17、

18、得到從輸入虛擬同步發(fā)電機的有功功率到虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率的第二二階傳遞函數(shù)為：

19、

20、其中，ωn表示虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率。

21、進一步來說，分別對第一二階傳遞函數(shù)和第二二階傳遞函數(shù)進行拉普拉斯逆變換，包括：

22、對第一二階傳遞函數(shù)進行拉普拉斯逆變換，得到：

23、

24、對第二二階傳遞函數(shù)進行拉普拉斯逆變換，得到：

25、

26、其中，ωn表示虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率。

27、進一步來說，步驟4包括：

28、對在虛擬慣量變化時有功功率的階躍效應(yīng)、在虛擬慣量變化時角頻率的階躍響應(yīng)曲線進行分析，得到虛擬慣量變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理為：

29、當(dāng)虛擬慣量增大時，輸出頻率的峰值時間和穩(wěn)定時間增加，超調(diào)量減少；

30、在阻尼變化時有功功率的階躍響應(yīng)曲線和在阻尼變化時角頻率的階躍響應(yīng)曲線進行分析，得到以及阻尼變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理為：

31、對于有功功率的階躍響應(yīng)曲線，當(dāng)阻尼增大時，有功功率的峰值時間增加，超調(diào)量和穩(wěn)定時間減少；

32、對于角頻率的階躍響應(yīng)曲線，當(dāng)阻尼增大時，峰值時間、超調(diào)量和穩(wěn)定時間都減少。

33、進一步來說，虛擬慣量和阻尼在不同狀態(tài)時的自適應(yīng)原則為：

34、在第一狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量和角頻率變化率均大于0，虛擬慣量增大，阻尼增大；

35、在第二狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量大于0，角頻率變化率小于0，虛擬慣量減小，阻尼增大；

36、在第三狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量和角頻率變化率均小于0，虛擬慣量增大，阻尼增大；

37、在第四狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量小于0，角頻率變化率大于0，虛擬慣量減小，阻尼增大。

38、進一步來說，基于自適應(yīng)原則構(gòu)建虛擬慣量和阻尼的自適應(yīng)函數(shù)，包括：

39、基于自適應(yīng)原則構(gòu)建虛擬慣量的自適應(yīng)函數(shù)為：

40、

41、基于自適應(yīng)原則構(gòu)建阻尼的自適應(yīng)函數(shù)為：

42、

43、其中，j0表示穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中虛擬慣量的基礎(chǔ)值，d0表示穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中阻尼的基礎(chǔ)值，kj1、kj2均表示虛擬慣量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)，kd表示阻尼的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)，tj表示角頻率變化率閾值，td表示角頻率偏移量變化閾值。

44、進一步來說，對自適應(yīng)函數(shù)中的參數(shù)進行整定，包括：

45、對穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中阻尼的基礎(chǔ)值進行整定，得到：

46、

47、對穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中虛擬慣量的基礎(chǔ)值進行整定，得到：

48、

49、對虛擬慣量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)進行整定，得到：

50、

51、對阻尼的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)進行整定，得到：

52、

53、其中，δt表示虛擬同步發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩tm與電磁轉(zhuǎn)矩te之差，δt＝tm-te，pmax表示虛擬同步發(fā)電機輸出的最大功率，jmax表示虛擬慣量的最大值，jmin表示虛擬慣量的最小值，dmax表示阻尼的最大值。

54、本發(fā)明的上述方案有如下的有益效果：

55、本發(fā)明首先設(shè)計光伏vsg并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以進行建模，得到虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程，然后構(gòu)建虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率與線路電抗、電動勢幅值、輸出端電壓、功角之間的函數(shù)表達式，并將函數(shù)表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程進行結(jié)合，得到二階傳遞函數(shù)以獲取虛擬同步發(fā)電機輸出功率和角頻率的階躍響應(yīng)曲線，接著基于階躍響應(yīng)曲線分析虛擬慣量和阻尼的變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理，并基于影響機理得到虛擬慣量和阻尼在不同狀態(tài)時的自適應(yīng)原則以構(gòu)建自適應(yīng)函數(shù)，最后對自適應(yīng)函數(shù)中的參數(shù)進行整定并設(shè)計啟動判據(jù)，以對光伏虛擬同步發(fā)電機進行控制；與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠更好的抑制功率和頻率的波動，以降低超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

56、本發(fā)明的其它有益效果將在隨后的具體實施方式部分予以詳細(xì)說明。