一种多虚拟同步机系统的小干扰振荡抑制方法

1.本发明涉及干扰抑制技术领域，特别是一种多虚拟同步机系统的小干扰振荡抑制方法。


背景技术：

2.在新能源发展历程中，局部新能源高渗透率地区相继出现了大规模新能源脱网事故、多形态低频和次/超同步振荡，以及现象迥异的电力系统小干扰稳定性问题。另外，我国新能源资源和负荷中心呈现逆向分布，新能源的大规模消纳势必经过远距离输送。虚拟同步机控制新能源发电设备外特性表现为电压源控制模式，随着电网强度的降低，虚拟同步机控制新能源系统小干扰稳定性逐渐提高。因此虚拟同步机控制新能源发电设备得到广泛应用。
3.现目前针对虚拟同步机系统小干扰稳定性问题主要集中在单机并网系统振荡分析及其控制策略研究，其主要抑制方法包括虚拟阻抗、有源滤波等。所提的控制策略主要针对虚拟同步机并网系统中有功及无功功率控制环之间的动态交互作用问题展开研究，其未考虑系统中多设备之间的影响，以及多机系统附加控制器定位问题。因此通过单一改善单台设备励磁控制环节无法避免多设备之间控制交互带来的影响，使得附加控制以抑制功率振荡效果弱化。
4.目前，针对虚拟同步机并网系统小干扰稳定性提升控制策略已经有一些设计方案，例如，非专利文献1提出一种结合虚拟阻抗控制和虚拟励磁控制的附加控制方法，通过在虚拟同步励磁控制环节中引入该控制结构，可以有效的改善弱阻尼频带处的阻尼特性。非专利文献2给出了虚拟同步机外环控制带宽设计方法，提高系统小干扰稳定性。上述文献所设计的稳定控制方法都是基于单机模型进行设计，考虑附加控制间的交互作用时，控制器参数和结构的有效性需要重新评估。因此现目前针对虚拟同步机小干扰稳定控制方法无法满足多机场景下的需求。
5.引用文献
6.非专利文献：
7.非专利文献1：马铱林，杨欢，屈子森，等.改善虚拟同步发电机阻尼特性的设计方法[j].电网技术，2021，45(1):269-275.
[0008]
非专利文献2：吴恒，阮新波，杨东升，等.虚拟同步发电机功率环的建模与参数设计[j].中国电机工程学报，2015，35(24):6508-6518.


技术实现要素：

[0009]
鉴于此，本发明提供一种多虚拟同步机系统的小干扰振荡抑制方法，通过留数指标绝对值大小，确定优先安装附加阻尼控制的机组单元，进一步利用粒子群优化算法寻优设计阻尼控制器的增益系数，从而使得多机系统小干扰的有效控制。
[0010]
本发明公开了一种多虚拟同步机系统的小干扰振荡抑制方法，其包括：
[0011]
步骤1：根据所述多虚拟同步机系统的振荡模式，确定与振荡模式相匹配的虚拟同步机单元，并给所述虚拟同步机单元安装附加阻尼控制器；
[0012]
步骤2：分别获取各所述虚拟同步机单元的角频率差量，将所述角频率差量输入所述附加阻尼控制器，并将所述附加阻尼控制器的输出与无功功率给定值相加，共同作为无功控制环节的给定输入；
[0013]
步骤3：利用粒子群优化算法优化各所述附加阻尼控制器的增益系数，完成各所述附加阻尼控制器的设计，以抑制所述多虚拟同步机系统的小干扰振荡。
[0014]
进一步地，所述步骤1包括：
[0015]
设所述多虚拟同步机系统具有k个振荡模式，针对每个振荡模式，分别计算所述振荡模式下所有所述虚拟同步机单元的留数指标，为最大的留数指标对应的虚拟同步机单元安装附加阻尼控制器；其中，安装附加阻尼控制器的所述虚拟同步机单元用于控制所述振荡模式。
[0016]
进一步地，所述留数指标的计算公式为：
[0017][0018]
其中，表示多虚拟同步机系统中第i个虚拟同步机单元对应第k个振荡模式的留数指标；和分别为第i个虚拟同步机单元对应第k个振荡模式的可控性和可观性。
[0019]
进一步地，所述角频率差量的计算公式为：
[0020]
δωi＝w
g-wi[0021]
其中，δωi为第i个虚拟同步机单元对应的角频率差量，wg为电网角频率，wi为第i个虚拟同步机单元内的电势角频率。
[0022]
进一步地，所述步骤3包括：
[0023]
步骤31：附加阻尼控制器采用超前滞后环节；
[0024]
步骤32：采用状态空间方法，求解所述多虚拟同步机系统的特征根分布；
[0025]
步骤33：建立所述多虚拟同步机系统中各虚拟同步机单元的留数指标和附加阻尼控制器之间的传递函数；
[0026]
步骤34：利用极点配置方法，根据所述传递函数确定振荡频率附近的相位特性，得到所述附加阻尼控制器的补偿相位角度，从而确定附加阻尼控制器的时间常数；
[0027]
步骤35：基于所述时间常数和超前滞后环节的表达式，利用粒子群优化算法求解优化问题，输出增益系数。
[0028]
进一步地，所述超前滞后环节的表达式为：
[0029][0030]
其中，t
pss
(s)为附加阻尼控制器传递函数；k
pss
为附加阻尼控制器增益系数；t1、t2、t3和t4分别为附加阻尼控制器的时间常数；s为拉普拉斯算子。
[0031]
进一步地，在所述步骤35中：
[0032]
所述优化问题的优化目标f(p)和约束条件sub分别为：
[0033][0034]
其中，k
pssi
是通过算法优化计算得到的第i个附加阻尼控制器的增益系数；ξi和ωi分别是振荡模式特征根的实部和虚部；σ*为预设阻尼比，σ*＝0.1；l代表虚拟同步机单元的集合。
[0035]
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明可以有效解决多虚拟同步机场景下小干扰失稳问题，确定最优附加阻尼机组单元，同时给出了控制器参数设计的优化方法。在多机小干扰稳定控制方面具有实际工程作用。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明实施例的引入附加阻尼控制器后虚拟同步机的控制结构框图；
[0038]
图2为本发明实施例的一种多虚拟同步机系统的小干扰振荡抑制方法的流程示意图；
[0039]
图3为本发明实施例的不同阻尼系数条件下，有无附加阻尼控制器的仿真波形对比图。
具体实施方式
[0040]
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
[0041]
图2为本发明实施例的一种多虚拟同步机系统的小干扰振荡抑制方法的流程示意图，具体地，该方法包含如下步骤：
[0042]
s1：根据多虚拟同步机系统的振荡模式，确定与振荡模式相匹配的虚拟同步机单元，并给虚拟同步机单元安装附加阻尼控制器；
[0043]
s2：分别获取各虚拟同步机单元的角频率差量，将角频率差量输入附加阻尼控制器，并将附加阻尼控制器的输出与无功功率给定值相加，共同作为无功控制环节的给定输入；
[0044]
s3：利用粒子群优化算法优化各附加阻尼控制器的增益系数，完成各附加阻尼控制器的设计，以抑制多虚拟同步机系统的小干扰振荡。
[0045]
本实施例中，s1包括：
[0046]
设多虚拟同步机系统具有k个振荡模式，针对每个振荡模式，分别计算振荡模式下所有虚拟同步机单元的留数指标，为最大的留数指标对应的虚拟同步机单元安装附加阻尼控制器；其中，安装附加阻尼控制器的虚拟同步机单元用于控制振荡模式。例如，图1给出了在一个虚拟同步机单元上安装附加阻尼控制器的情况。从图1可以看出，虚拟同步机单元通
过模拟同步机转子运动方程达到有功功率的控制，其中，p
ref
和pe分别为有功功率给定值和有功功率实际值，d为阻尼系数，j为转动惯量，w0为基准角频率，为内电势相位。虚拟同步机单元以无功电压下垂控制来模拟同步发电机的无功电压下垂特性，其中，q
ref
和qe分别为无功功率给定值和无功功率实际值，kq为无功下垂系数，e
ri
为内电势幅值。
[0047]
本实施例中，留数指标的计算公式为：
[0048][0049]
其中，表示多虚拟同步机系统中第i个虚拟同步机单元对应第k个振荡模式的留数指标；和分别为第i个虚拟同步机单元对应第k个振荡模式的可控性和可观性。
[0050]
本实施例中，角频率差量的计算公式为：
[0051]
δωi＝w
g-wi[0052]
其中，δωi为第i个虚拟同步机单元对应的角频率差量，wg为电网角频率，wi为第i个虚拟同步机单元内的电势角频率。
[0053]
本实施例中，s3包括：
[0054]
s31：附加阻尼控制器采用超前滞后环节；
[0055]
s32：采用状态空间方法，求解多虚拟同步机系统的特征根分布；
[0056]
s33：建立多虚拟同步机系统中各虚拟同步机单元的留数指标和附加阻尼控制器之间的传递函数；
[0057]
具体地，根据图1虚拟同步机单元控制框图，通过推导附加阻尼器输出信号和留数指标之间的关系，从而建立多虚拟同步机系统中各虚拟同步机单元的留数指标和附加阻尼控制器之间的传递函数；
[0058]
s34：利用极点配置方法，根据传递函数确定振荡频率附近的相位特性，得到附加阻尼控制器的补偿相位角度，从而确定附加阻尼控制器的时间常数；
[0059]
s35：基于时间常数和超前滞后环节的表达式，利用粒子群优化算法求解优化问题，输出增益系数。
[0060]
本实施例中，超前滞后环节的表达式为：
[0061][0062]
其中，t
pss
(s)为附加阻尼控制器传递函数；k
pss
为附加阻尼控制器增益系数；t1、t2、t3和t4分别为附加阻尼控制器的时间常数；s为拉普拉斯算子。
[0063]
本实施例中，在s35中：
[0064]
优化问题的优化目标f(p)和约束条件sub分别为：
[0065][0066]
其中，k
pssi
是通过算法优化计算得到的第i个附加阻尼控制器的增益系数；ξi和ωi分别是振荡模式特征根的实部和虚部；σ*为预设阻尼比，σ*＝0.1；l代表虚拟同步机单元的集合。
[0067]
图3给出了不同阻尼系数条件下系统发生频率扰动时，附加阻尼控制策略前后系统响应对比图。其中图3(a)为多虚拟同步机并网系统频率扰动下，无附加pss控制器的有功功率pe、pcc电压v
pcc
以及系统频率f
pcc
响应波形图。图3(b)为附加pss控制器后系统的有功功率、pcc电压和频率响应。基于上述仿真结果可以看出，总有功功率pe、pcc电压v
pcc
和频率f
pcc
的超调量和稳定时间明显降低。因此，所提出的基于多虚拟同步机阻尼控制策略得到了仿真验证。
[0068]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。