一种光储VSG自适应惯量阻尼协同控制方法与系统

本发明属于电力系统自动控制，具体涉及一种光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法与系统。

背景技术：

1、随着光伏等可再生能源的大规模接入，电力系统中传统同步发电机占比逐渐降低，新能源并网点的等效惯量和阻尼水平随之下降。光伏阵列通常经电力电子变流器接入电网，缺乏同步发电机转子所具有的天然惯性支撑。当系统发生有功功率变化或电网频率扰动时，容易出现频率变化率增大、功率振荡及直流母线电压波动等问题，影响新能源并网系统的运行稳定性。

2、虚拟同步发电机（virtual synchronous generator, vsg）技术通过模拟同步发电机的摆动方程和阻尼特性，使并网逆变器具备一定的惯量响应和阻尼支撑能力。将光伏阵列与蓄电池配置于同一直流母线，可利用蓄电池的双向快速功率调节能力弥补光伏功率变化与并网功率需求之间的暂态功率差额，从而增强光储系统的频率支撑能力。

3、然而，传统vsg通常采用固定虚拟惯量和固定虚拟阻尼，较大的虚拟惯量虽然能够抑制频率变化率，但会延长频率恢复时间；较大的虚拟阻尼虽然能够减弱功率振荡，但可能增加瞬态功率交换及直流侧能量波动，固定参数难以同时适应有功功率扰动、频率突降及频率恢复等不同运行阶段。

4、为改善固定参数vsg的适应性，现有技术通常根据频率偏差、频率变化率或二者的组合关系对虚拟惯量和虚拟阻尼进行在线调节。但已有自适应控制方法多采用分段函数、符号函数、绝对值函数或独立硬限幅模块，导致参数在分段边界或限幅点处出现斜率突变和快速跳变，容易对vsg功率环、电压环及电流环产生瞬时冲击。此外，若虚拟惯量仅随频率偏差幅值增大而增加，则在频率恢复阶段仍可能保持较大数值，造成恢复过程变慢；若虚拟阻尼直接随频率变化率平方增大而增加，又难以区分频率偏差的扩张阶段和收敛阶段，容易在恢复阶段产生不必要的阻尼支撑。

5、另一方面，光储系统的惯量和阻尼调节能力受到蓄电池最大充放电功率、荷电状态、直流母线允许电压偏差及并网逆变器电流限值等物理约束。若采用传统外置饱和环节对自适应参数进行限制，参数到达边界时容易产生硬碰限和反复进出饱和区的现象，进而引起功率脉冲和直流母线电压波动。同时，频率测量噪声和角频率微分误差也可能被非线性自适应环节放大，降低控制器的实际运行性能。

6、因此，亟须一种能够利用频率偏差与频率变化率之间的相位关系识别扰动扩张和恢复阶段，并通过连续可微且具有天然有界特性的映射实现虚拟惯量和虚拟阻尼协同调节的光储vsg控制方法，以提高光储并网系统的频率支撑能力、参数平滑性和恢复阶段的运行稳定性。

技术实现思路

1、为解决背景技术的问题，本发明提供一种光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法与系统。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，包括：

4、s1：获取光储并网系统运行参数以及参与vsg控制的设备运行参数；

5、s2：将vsg实时角频率与额定角频率的差值作为频率偏差，对实时角频率变化率进行低通滤波，获得滤波频率变化率；

6、s3：根据频率偏差与滤波频率变化率的乘积构造相位相关惯量激励；

7、s4：根据频率偏差构造可微平滑范数，并根据频率偏差与滤波频率变化率的乘积，利用双曲正切函数构造扩张相位门控，进而获得阻尼激励；

8、s5：将相位相关惯量激励代入第一双曲正切函数，获得实时虚拟惯量；

9、将阻尼激励代入第二双曲正切函数，获得实时虚拟阻尼；

10、s6：将实时虚拟惯量和实时虚拟阻尼代入vsg有功-频率环摆动方程，并结合无功-电压环、电压电流双闭环及pwm调制，生成并网逆变器控制指令。

11、基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s3具体操作如下：

12、s31：计算频率偏差与滤波频率变化率的乘积，获得相位相关量；

13、s32：将滤波频率变化率除以频率变化率归一化尺度后进行平方运算，获得归一化频率变化率平方项；

14、s33：将相位相关量、归一化频率变化率平方项及惯量激活偏置进行组合，获得相位相关惯量激励。

15、进一步的，基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s33所述相位相关惯量激励，为由公式：来获得；

16、式中，表示相位相关惯量激励，表示频率偏差，表示滤波频率变化率，表示相位项尺度，表示频率变化率平方项增益，表示频率变化率归一化尺度，表示惯量激活偏置。

17、基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s4具体操作如下：

18、s41：根据频率偏差的平方与平滑因子构造可微平滑范数；

19、s42：计算频率偏差与滤波频率变化率的乘积，获得阻尼通道相位相关量；

20、s43：将阻尼通道相位相关量代入双曲正切函数，构造扩张相位门控；

21、s44：将可微平滑范数与经扩张相位门控处理的滤波频率变化率进行组合，获得阻尼激励。

22、进一步的，基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s44所述阻尼激励，为由公式：和来获得；

23、式中，表示扩张相位门控，表示频率偏差，表示滤波频率变化率，为相位门控尺度，表示阻尼激励，表示平滑范数尺度，表示可微平滑范数，表示门控频率变化率项增益，表示阻尼通道频率变化率归一化尺度。

24、基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s5所述将相位相关惯量激励代入第一双曲正切函数，获得实时虚拟惯量，为通过公式：来实现；

25、式中，表示实时虚拟惯量，、分别为虚拟惯量下限、虚拟惯量上限，表示相位相关惯量激励。

26、基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s5所述将阻尼激励代入第二双曲正切函数，获得实时虚拟阻尼，为通过公式：来实现；

27、式中，表示实时虚拟阻尼，、分别为虚拟阻尼下限、虚拟阻尼上限，表示阻尼激励。

28、基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s6所述生成并网逆变器控制指令后，还包括：

29、在每个控制周期，实时采集并网点频率、vsg输出有功功率及直流母线电压后，执行s2，直至达到预设条件。

30、基于以上所述的光储vsg自适应惯量阻尼协同控制方法，s2所述对实时角频率变化率进行低通滤波，获得滤波频率变化率，具体为：

31、实时角频率进行微分运算，获得实时角频率变化率；实时角频率变化率通过公式来处理，获得滤波频率变化率；

32、式中，表示滤波频率变化率，表示实时角频率变化率，表示拉普拉斯算子。

33、本发明还提供一种光储vsg自适应惯量阻尼协同控制系统，包括：

34、采集模块：用于获取光储并网系统运行参数以及参与vsg控制的设备运行参数；

35、频率偏差与滤波频率变化率计算模块：用于将vsg实时角频率与额定角频率的差值作为频率偏差，对实时角频率变化率进行低通滤波，获得滤波频率变化率；

36、相位相关惯量激励构造模块：用于根据频率偏差与滤波频率变化率的乘积构造相位相关惯量激励；

37、阻尼激励计算模块：根据频率偏差构造可微平滑范数，并根据频率偏差与滤波频率变化率的乘积，利用双曲正切函数构造扩张相位门控，进而获得阻尼激励；

38、双曲正切自限幅模块：用于将相位相关惯量激励代入第一双曲正切函数，获得实时虚拟惯量；

39、将阻尼激励代入第二双曲正切函数，获得实时虚拟阻尼；

40、vsg控制模块：用于将实时虚拟惯量和实时虚拟阻尼代入vsg有功-频率环摆动方程，并结合无功-电压环、电压电流双闭环及pwm调制，生成并网逆变器控制指令。

41、有益效果

42、本发明首先根据频率偏差与滤波频率变化率的相位关系识别扰动扩张阶段和频率恢复阶段，进而使实时虚拟惯量在需要抑制频率变化率时增大，并在频率偏差收敛后及时回落，提高了多工况适应能力。然后采用可微平滑范数替代频率偏差绝对值函数，并利用扩张相位门控对阻尼激励中滤波频率变化率相关项进行选择性调节，降低了恢复阶段的过度阻尼支撑。此外，利用双曲正切函数的连续性和渐近特性，使实时虚拟惯量和实时虚拟阻尼在激励连续变化时连续变化，并在激励幅值增大时逐渐趋近预设边界，有效提升光储并网系统的频率支撑能力、参数平滑性和运行稳定性。