一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制技术领域，特别涉及一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法。

背景技术

为实现以化石能源为主导的传统电力系统向以新能源为主体的新型电力系统转型，建设适应高比例新能源广泛接入的新型电力系统，构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系。新能源通常通过并网逆变器接入电网，而传统的并网逆变器无法像传统同步机一样为电网提供电压支撑、惯性支撑和一次调频能力，这给电力系统稳定性运行带来严峻挑战。因此，随着越来越多的新能源接入电网，传统同步机不足以继续维持电力系统的稳定运行，新能源并网逆变器在电网中的占比受到了限制。

图1所示的虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制是解决上述问题的有效方案，通过模拟同步机的摆动方程与电磁方程，使得逆变器具有与同步机相似的外特性，从而对电网的频率和电压起到主动支撑的作用，被认为是在“双碳”目标背景下维护“双高”电网(高比例可再生能源、高比例电力电子装备)稳定运行的关键技术。随着对虚拟同步机控制研究的不断深入，近年来，研究者又进一步提出了虚拟同步机自适应控制，通过在控制过程中灵活地改变转动惯量及阻尼系数等参数，相较于传统虚拟同步机控制，实现了暂态响应更优的效果。

目前，虚拟同步机自适应控制的研究主要可分为抑制频率/功率振荡及改善电网频率支撑效果两类。在抑制频率/功率振荡的研究中，文献1提出了一种改进的转动惯量自适应控制，提出虚拟同步机并网时，提供较小的转动惯量以避免功率震荡，频率偏差超出死区范围时，动态调节转动惯量。文献2提出了采用模糊控制，在虚拟同步机调速器输出侧增加一个矫正控制量，在线调节暂态过程中转动惯量参数，从而改善系统频率的动态响应。然而，通过合理设计虚拟同步机的阻尼环节，虚拟同步机的频率、功率振荡问题即可得到有效解决，采用自适应参数的必要性不大。在改善电网频率支撑效果的研究中，文献3提出线性二次型最优控制，最优设计转动惯量与阻尼系数，减小了多台逆变器与同步机并联时的电网频率最大偏差。文献4提出了一种基于Fuzzy-MPC-VSG联合控制的方法，通过模糊控制在线调节转动惯量与阻尼系数，利用模型预测控制算法调节虚拟同步机输出功率，最终相较于Fuzzy-VSG控制或MPC-VSG控制，进一步减小了电网频率最大偏差。然而，上述以改善电网频率支撑效果为目的的自适应控制虽然减小了电网频率最大偏差，但常以消耗更多的虚拟同步机暂态能量为代价，这增加了VSG的储能成本。

根据以上对虚拟同步机自适应控制的分析，到目前为止，尚没有一种同时考虑频率支撑效果与降低储能容量的优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法及系统。本发明以虚拟同步机为电网提供频率支撑为前提，以降低储能容量为导向，提出一种自适应调节虚拟同步机关键参数的控制策略。

为实现上述目的，采取以下具体流程：

一种虚拟同步机自适应控制方法，包括：

将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机；

分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量；

结合有关虚拟同步机不同区域中暂态能量的分析，依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。

作为本发明的进一步改进，所述将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机，并考虑其原动机模型及其一次二次调频能力。

作为本发明的进一步改进，将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机还设计虚拟同步机的有功-频率控制，具体是：

基于虚拟同步机的有功-频率控制关系，提出状态反馈控制方程进行控制。

作为本发明的进一步改进，所述状态反馈控制方程为：

P

其中，ω

作为本发明的进一步改进，所述分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量，包括：

分析带下垂死区的虚拟同步机对电网频率支撑的暂态过程，提出将虚拟同步机输出功率分为四个区域：

负载突增电网频率跌落时，转动惯量立刻响应负载变化，使得虚拟同步机对外输出能量增大，为区域I；

电网频率偏差越过下垂死区范围后，下垂环节开始参与电网一次调频，使虚拟同步机输出足够大的暂态功率来主动支撑电网频率，为区域Ⅱ；

区域Ⅲ、Ⅳ为在电网二次调频的作用下，电网频率开始缓慢恢复过程中，虚拟同步机转动惯量吸收来自下垂环节所提供的能量。

作为本发明的进一步改进，所述分析不同区域中暂态能量后还包括：

将暂态能量细分为电网频率跌落至谷值前释放的能量与跌落至谷值后释放的能量；其中，电网频率跌落至谷值前的能量主动支撑暂态过程中的电网频率，减小电网频率最大偏差，使得电网安全稳定运行；跌落至谷值后的一部分能量，由电网中火电机组的一次二次调频来承担。

作为本发明的进一步改进，所述制定虚拟同步机自适应控制策略具体是：

依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。

作为本发明的进一步改进，所述制定频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制策略包括：

判断电网频率偏差与下垂死区绝对值的大小关系，电网频率小于下垂死区绝对值时，下垂系数保持恒为0；电网频率超出下垂死区范围时，根据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节包括但不限于下垂系数的虚拟同步机参数，具体表达式如下：

其中，ω

一种虚拟同步机自适应控制系统，包括：

等效模块，将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机；

暂态分析模块，用于分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量；

策略制定模块，用于结合有关虚拟同步机不同区域中暂态能量的分析，依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述虚拟同步机自适应控制方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述虚拟同步机自适应控制方法的步骤。

与现有技术比，本发明具有如下优点：

本发明的虚拟同步机自适应控制方法，通过合理设计有功-频率控制部分阻尼环节的方案，可以克服虚拟同步机暂态过程中频率/功率震荡问题；继而提出采用频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，可以在保证虚拟同步机对电网提供足够的频率支撑前提下，实现降低储能容量，降低虚拟同步机系统成本的效果。本发明以优化虚拟同步机储能容量、降低储能装置成本为导向，所提出的虚拟同步机自适应控制方案相较于传统虚拟同步机控制，不仅实现了与之相同的电网频率支撑，而且极大地降低了储能装置成本。

进一步，电网频率超出下垂死区范围时，动态调节下垂系数：电网频率与频率变化率乘积小于零时，虚拟同步机为电网频率提供主动支撑；电网频率与频率变化率乘积大于零时，自适应切换下垂系数至0，使虚拟同步机停止参与一次调频，减小频率恢复过程中的输出功率，本发明提出的控制策略在保持虚拟同步机对电网频率的主动支撑能力的基础上，实现了储能容量减小的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为新能源虚拟同步机系统的概念图；

图2为虚拟同步机并网系统等效模型；

图3为虚拟同步机有功-频率控制框图；

图4为虚拟同步机对电网频率支撑的暂态过程；

图5为提出的虚拟同步机自适应控制框图；

图6为提出的虚拟同步机自适应控制方案的频率支撑效果验证；

图7为提出的虚拟同步机自适应控制与传统虚拟同步机控制暂态能量对比

具体实施方式

下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种虚拟同步机自适应控制方法，包括：

将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机；

分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量；

结合有关虚拟同步机不同区域中暂态能量的分析，依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。

本发明具体是依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。本发明以优化虚拟同步机储能容量、降低储能装置成本为导向，所提出的虚拟同步机自适应控制方案相较于传统虚拟同步机控制，不仅实现了与之相同的电网频率支撑，而且极大地降低了储能装置成本。

本发明以虚拟同步机为电网提供频率支撑为前提，以降低储能容量为导向，提出了自适应调节虚拟同步机关键参数的控制策略。

以下结合附图并对本发明做进一步详细说明：

(1)采用状态反馈控制设计有功-频率阻尼环节消除震荡

考虑到未来虚拟同步机在电网中装机总量比例的不断提高，电网不能被视为提供恒压、恒频的理想电压源，为准确反映电网的动态特性，将电网等效成一台同步发电机，见图2，并考虑其等效原动机模型及一次和二次调频特性。图3为虚拟同步机有功-频率控制框图，其基本方程如下：

P

其中，ω

通过引入三个状态反馈系数，增加了极点配置的自由度，使得虚拟同步机有功-频率控制主导极点可以配置到阻尼比ζ＝0.9的高阻尼位置，解决了背景技术中所提及的频率/功率震荡问题，因此采用虚拟同步机自适应控制必要性不大。

(2)分析负载扰动变化时虚拟同步机的暂态能量过程

为实现虚拟同步机储能容量优化，首先，本发明分析了带下垂死区的虚拟同步机对电网频率支撑的暂态过程，提出了可以将虚拟同步机输出功率分为四个区域，如图4所示。负载突增电网频率跌落时，转动惯量立刻响应负载变化，使得虚拟同步机对外输出能量增大，见区域I；电网频率偏差越过下垂死区范围后，下垂环节开始参与电网一次调频，使虚拟同步机输出足够大的暂态功率来主动支撑电网频率，见区域Ⅱ；区域Ⅲ、Ⅳ则为在电网二次调频的作用下，电网频率开始缓慢恢复过程中，虚拟同步机转动惯量吸收来自下垂环节所提供的能量。对比虚拟同步机在电网频率支撑过程中四个区域的暂态能量，可以发现，区域Ⅱ中下垂释放的暂态能量占主导地位，因此优化下垂系数成为了降低储能的关键。

其次，本发明进一步指出该部分能量可再细分为电网频率跌落至谷值前释放的能量与跌落至谷值后释放的能量。其中，电网频率跌落至谷值前的能量主动支撑暂态过程中的电网频率，减小电网频率最大偏差，使得电网可以安全稳定运行；而跌落至谷值后的很大一部分能量，对暂态频率最大偏差的减小并没有帮助，可让该部分能量由电网中火电机组的一次二次调频来承担的，特别是由火电机组的二次调频去承担，虚拟同步机没必要去执行。

(3)自适应调节下垂系数

图5为虚拟同步机自适应控制框图，在其调速器部分中加入逻辑判断指令，依据电网频率偏差与下垂死区绝对值的大小关系，电网频率小于下垂死区绝对值时，下垂系数保持恒为0；电网频率超出下垂死区范围，动态调节下垂系数：电网频率偏差与频率变化率乘积小于0时，下垂系数保持不变，虚拟同步机为电网提供惯性与频率支撑，抑制电网频率最大偏差；电网频率偏差与频率变化率乘积大于0时，自适应切换下垂系数至0，使虚拟同步机停止参与一次调频，减小虚拟同步机储能提供的暂态能量，其具体表达式如下：

其中，ω

图6为本发明提出的优化频率支撑暂态能量的虚拟同步机自适应控制与传统虚拟同步机控制的仿真对比，对图6中虚拟同步机输出功率轨迹的正值区间进行积分，可得两种控制方案对应的虚拟同步机暂态能量，其结果见图7。结果表明，所提出的控制策略可以将电网最大频率偏差抑制到与传统虚拟同步机控制控制方案同一水平，但虚拟同步机需要的暂态能量显著减小。

综上所述，针对目前虚拟同步机下垂控制的不足，本发明首先指出通过合理设计有功-频率控制部分阻尼环节的方案，可以克服虚拟同步机暂态过程中频率/功率震荡问题；继而提出采用频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，可以在保证虚拟同步机对电网提供足够的频率支撑前提下，实现降低储能容量，降低虚拟同步机系统成本的效果。

本发明还提供一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制系统，包括：

等效模块，将虚拟同步机并联的大电网等效成一台同步机；

暂态分析模块，用于分析负载扰动变化时所述虚拟同步机的暂态能量过程，将虚拟同步机输出功率进行分区域，分析不同区域中暂态能量；

策略制定模块，用于结合有关虚拟同步机不同区域中暂态能量的分析，依据电网频率偏差与频率变化率乘积符号的变化，自适应调节虚拟同步机关键参数，实现虚拟同步机自适应控制策略。

本发明涉及电力系统中的电力生产领域，尤其涉及降低分布式新能源系统储能容量的虚拟同步机控制策略的设计。

本发明提供了一种频率支撑暂态能量优化的虚拟同步机自适应控制方法，分析了虚拟同步机参数对电网支撑频率的暂态过程，进而采取虚拟同步机自适应控制策略。该控制策略有利于降低新能源系统中储能装置的成本，从而为电网运行带来经济效益。

本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述虚拟同步机自适应控制方法的步骤。

本发明第还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述虚拟同步机自适应控制方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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。