一种微网逆变器自适应惯量VSG控制方法与流程

一种微网逆变器自适应惯量vsg控制方法
技术领域
1.本发明涉及虚拟同步发电机控制技术领域，具体涉及一种微网逆变器自适应惯量vsg控制方法。


背景技术：

2.微网由分布式电源、储能装置、控制装置和负荷等组成，可运行在孤岛和并网模式。并网运行时，微网系统频率和电压的稳定主要由大电网提供支撑；孤岛运行时，系统频率和电压稳定完全依靠自身来维持。
3.由于分布式电源广泛采用逆变器接入，不具备惯性及阻尼特性，因此抵御扰动能力较弱了。虚拟同步发电机(virtual synchronous generator， vsg)控制策略是基于同步发电机的定、转子方程提出的控制方式，它模拟了同步发电机优良的频率与电压调节特性，在下垂控制器中加入惯性及阻尼，实现频率和电压调节，进而改善系统稳定性。然而现有的vsg控制策略采用固定不变的虚拟惯量值，导致vsg控制系统在兼顾快速性与稳定性时存在问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种微网逆变器自适应惯量vsg控制方法，以解决现有技术中的问题。
5.本发明实施例提供了一种微网逆变器自适应惯量vsg控制方法，包括：
6.获取虚拟同步发电机的在一个振荡周期内的角速度的偏移量和角速度的变化速率；
7.将角速度的偏移量与第一阈值进行比较，得到第一比较结果；
8.将角速度的变化速率与第二阈值进行比较，得到第二比较结果；
9.根据第一比较结果和第二比较结果获取虚拟同步发电机的虚拟惯量；
10.根据虚拟惯量确定虚拟同步发电机的控制策略。
11.可选地，在根据第一比较结果和第二比较结果获取虚拟同步发电机的虚拟惯量之后，还包括：
12.采用指数平均数指标算法对虚拟惯量计算处理，得到平滑指令；
13.通过平滑指令驱动虚拟同步发电机。
14.可选地，还包括：对输出电流和输出电压进行滤波处理。
15.可选地，采用指数平均数指标算法对虚拟惯量计算处理，得到平滑指令包括：
16.将实时虚拟惯量与前一时刻虚拟惯量作差，经过加权计算后，再与前一时刻虚拟惯量求和计算，得到平滑虚拟惯量。
17.可选地，使指数平均数指标算法的周期为n，则加权因子q＝2/(n 1)。
18.可选地，根据第一比较结果和第二比较结果获取虚拟同步发电机的虚拟惯量包括：
19.当第一比较结果为角速度的偏移量小于第一阈值时，虚拟惯量为第一虚拟惯量初始值；第一虚拟惯量初始值为常量；
20.当第一比较结果为角速度的偏移量大于等于第一阈值，且第二比较结果为角速度的变化速率大于第二阈值时，虚拟惯量为第二虚拟惯量初始值；第二虚拟惯量初始值为常量；
21.当第一比较结果为角速度的偏移量大于第一阈值，且第二比较结果为角速度的变化速率小于第二阈值时，虚拟惯量为第三虚拟惯量；第三虚拟惯量为变量。
22.可选地，第一阈值根据虚拟同步发电机在平稳运行时的角速度进行设置；第一阈值的取值范围为虚拟同步发电机在平稳运行时的角速度的
±ꢀ
1％～
±
5％。
23.可选地，第二阈值为0。
24.可选地，第一虚拟惯量初始值和第二虚拟惯量初始值取值相同。
25.可选地，第三虚拟惯量由第三虚拟惯量初始值和自适应变量构成；自适应变量为下垂系数与低通滤波器输出之积；其中，低通滤波器的输入端与电网连接，低通滤波器的输出端与vsg控制器的输入端连接。
26.本发明实施例的有益效果：
27.本发明实施例提供了一种微网逆变器自适应惯量vsg控制方法，通过在虚拟同步发电机的下垂控制环节加入惯性和阻尼环节，实现频率和电压调节，改善系统稳定性，从而在vsg孤岛运行受到扰动时，通过系统运行状态实时调节vsg虚拟惯量，进而保持微网系统频率的稳定。
附图说明
28.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
29.图1示出了本发明实施例中一种微网逆变器自适应惯量vsg控制方法的流程图；
30.图2示出了本发明实施例中一种基于ema算法的微网逆变器自适应惯量vsg控制系统框图；
31.图3示出了一种vsg同步发电机的功角特性曲线；
32.图4示出了一种vsg同步发电机的转子角速度振荡周期曲线；
33.图5示出了本发明实施例中一种基于ema算法的微网逆变器自适应惯量vsg控制系统仿真模型。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明实施例提供了一种微网逆变器自适应惯量vsg控制方法，如图 1所示，包括：
36.步骤s10，获取虚拟同步发电机的在一个振荡周期内的角速度的偏移量和角速度
的变化速率。
37.采用如图2所示的微网逆变器自适应惯量vsg控制系统，微网逆变器自适应惯量vsg控制系统主要由虚拟励磁控制器、虚拟调速器和电磁方程组成，其中，l为滤波电感，c为滤波电容，pe为逆变器输出的有功功率， q为逆变器输出的无功功率，i0、u0分别为vsg经过lc滤波电路后的电流和电压。
38.同步发电机转子运动方程为：
[0039][0040]
式(1)中，j为虚拟惯量，d为阻尼，pm、pe分别为机械功率和电磁功率，ω为vsg角速度，ωg为电网的角速度，δ为虚拟功角。
[0041]
结合图3和图4所示的vsg功角特性曲线和转子角速度振荡周期曲线，可以看出，转子角速度的一个振荡周期分为[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4， t5]4个区间，获取该振荡周期内的角速度和角速度变化速率。
[0042]
步骤s20，将角速度的偏移量与第一阈值进行比较，得到第一比较结果。
[0043]
步骤s30，将角速度的变化速率与第二阈值进行比较，得到第二比较结果。
[0044]
在本实施例中，如图3所示，在区间[t1，t2]中，ω》ω0且dω/dt》0，ω单调递增，此时应增大虚拟惯量j，减少角速度变化率，约束角速度ω增加；
[0045]
在区间[t2，t3]中，ω》ω0且dω/dt《0，ω单调递减，此时应减小虚拟惯量 j，减缓角速度ω增加；
[0046]
在区间[t3，t4]中，ω《ω0且dω/dt＜0，ω单调递减，应增大虚拟惯量j，减缓角速度ω下降；
[0047]
在区间[t4，t5]中，ω《ωn且dω/dt》0，ω单调递增，此时应减少虚拟惯量 j，减缓ω下降。
[0048]
由以上分析可知，虚拟惯量j不仅与dω/dt相关，还与虚拟角速度ω与vsg平稳运行时的角速度ω0之差有关。
[0049]
需要说明的是，步骤s20和步骤s30不分先后。
[0050]
步骤s40，根据第一比较结果和第二比较结果获取虚拟同步发电机的虚拟惯量。
[0051]
步骤s50，根据虚拟惯量确定虚拟同步发电机的控制策略。
[0052]
由p-f下垂特性可得：pm＝p
ref
(f-f0)m，式中，m为下垂系数，p
ref
为有功功率参考值，f为系统频率，f0为初始频率。
[0053]
由式(1)可知，若vsg虚拟惯量选值过小，则dω/dt变化快，不利于系统的稳定；若vsg中虚拟惯量过大，则dω/dt变化慢，影响系统的动态响应性能。通过步骤s20和步骤s30获取虚拟惯量j和虚拟角速度ω的关系，得出虚拟同步发电机的虚拟惯量调整策略。
[0054]
在本实施例中，虚拟同步发电机的虚拟惯量的取值与第一比较结果和第二比较结果相关，虚拟同步发电机的虚拟惯量的取值由角速度的偏移量和角速度的变化速率共同决定，通过在虚拟同步发电机的下垂控制环节加入惯性和阻尼环节，实现频率和电压调节，改
善系统稳定性，从而在vsg 孤岛运行受到扰动时，通过系统运行状态实时调节vsg虚拟惯量，进而保持微网系统频率的稳定。
[0055]
作为可选的实施方式，在步骤s40之后，还包括：
[0056]
采用指数平均数指标算法对虚拟惯量计算处理，得到平滑指令。具体地，将实时虚拟惯量与前一时刻虚拟惯量作差，经过加权计算后，再与前一时刻虚拟惯量求和计算，得到平滑虚拟惯量。再通过平滑指令驱动虚拟同步发电机。
[0057]
在本实施例中，采用指数平均数指标算法(ema)对步骤s40得到的虚拟惯量进行处理。
[0058]
自适应惯量的平滑指令由ema算法发出，该算法具有易于计算和实现的优点，平滑指令可以生成为：
[0059]jcom
(t)＝[(j
current-j
com
(t-1))
×
q] j
com
(t-1)
[0060]
其中j
com
是由ema计算的平滑指令，j
current
是实时测量的虚拟惯量，它是根据实时的频率得到的。q是加权因子。对于基于周期的ema，加权因子q可以计算为q＝2/(n 1)，其中n是指定的周期数。在实际应用中， n可由系统运算符指定。一般来说，n值越大，得到的指令就越平滑。由于其公式中加入了加权因子，因此其发出的指令可以克服响应频率变化的滞后性缺陷，提升响应的快速性。
[0061]
作为可选的实施方式，还包括：对输出电流和输出电压进行滤波处理。
[0062]
在本实施例中，如图2和图5所示，通过lc滤波电路对输出电压电流进行滤波处理。
[0063]
作为可选的实施方式，根据第一比较结果和第二比较结果获取虚拟同步发电机的虚拟惯量包括：
[0064]
当第一比较结果为角速度的偏移量小于第一阈值时，虚拟惯量为第一虚拟惯量初始值；第一虚拟惯量初始值为常量；
[0065]
当第一比较结果为角速度的偏移量大于等于第一阈值，且第二比较结果为角速度的变化速率大于第二阈值时，虚拟惯量为第二虚拟惯量初始值；第二虚拟惯量初始值为常量；
[0066]
当第一比较结果为角速度的偏移量大于第一阈值，且第二比较结果为角速度的变化速率小于第二阈值时，虚拟惯量为第三虚拟惯量；第三虚拟惯量为变量。
[0067]
在本实施例中，虚拟惯量调整策略如下：第三虚拟惯量由第三虚拟惯量初始值和自适应变量构成；自适应变量为下垂系数与低通滤波器输出之积；其中，低通滤波器的输入端与电网连接，低通滤波器的输出端与vsg 控制器的输入端连接。
[0068][0069]
式中，j0为虚拟惯量初始值；ωg为低通滤波器参数；k为角速度偏移量的限定值，即第一阈值，体现角速度偏移量在限定范围内，视为正常，作为调节虚拟惯量的依据之一。δ
ω表示角速度偏移量，即角速度与稳定运行状态下的角速度参考值ω0之间的差值。在具体实施例中，δω取绝对值。
[0070]
若δω＜k，则虚拟惯量取初值j0；若δω≥k且dω/dt＜0，则虚拟惯量在虚拟惯量取初值j0的基础上叠加滤波参数的量；若δω≤k且dω/dt》0，则虚拟惯量仍然取初值j0。
[0071]
在具体实施例中，根据系统运行状态可以对应设置多个可选的虚拟惯量初始值，且多个的虚拟惯量初始值可以取值相同，也可以取值不同。
[0072]
通过以上vsg动态调节策略，实现了微网逆变器频率和电压调节，改善系统稳定性。
[0073]
作为可选的实施方式，第一阈值根据虚拟同步发电机在平稳运行时的角速度进行设置；第一阈值的取值范围为虚拟同步发电机在平稳运行时的角速度的
±
1％～
±
5％。
[0074]
在本实施例中，第一阈值取平稳运行时的角速度的2％，假如角速度ω超出稳定运行时的角速度ω0的2％，即判断为虚拟惯量需要进行调节。
[0075]
作为可选的实施方式，第二阈值为0。
[0076]
作为可选的实施方式，第一虚拟惯量初始值和第二虚拟惯量初始值取值相同。
[0077]
在本实施例中，第一虚拟惯量初始值和第二虚拟惯量初始值取值相同，简化vsg控制策略。
[0078]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disq drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-sqaqe drive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0079]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。