[發明專利]一種虛擬同步發電機轉動慣量和阻尼系數協同自適應控制方法

在審

• 申請號: 201710694969.7
• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107332275A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 鄭建勇;楊赟;陳虹妃;繆惠宇;顧盼盼;張建興;張之豪
• 申請（專利權）人: 東南大學;江蘇方程電力科技有限公司
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02J3/24
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于同步發電機與微網技術領域，尤其涉及一種虛擬同步發電機轉動慣量和阻尼系數協同自適應控制方法。

背景技術

隨著能源問題和環境污染問題的日益突出，傳統化石能源逐漸無法滿足人類可持續發展的目標，以可再生能源為主要能量來源的微電網，受到了廣泛而持續的關注。微電網中大部分的分布式電源都需要通過逆變器等電力電子器件接入到電網中，電力電子器件的響應迅速的特點使得逆變器具有控制靈活，暫態時間短的特點但不具有慣性和阻尼以及抑制干擾和波動的能力。

為此，國內外學者提出虛擬同步發電機，通過控制方法模擬同步發電子轉子特性，使得并網逆變器也具有阻尼和慣性，從而提升逆變器抑制自身輸出頻率和功率波動能力，同時也提升了對干擾波動的抑制能力，增加了系統的穩定性。

發明內容

發明目的：針對以上問題，本發明提出一種虛擬同步發電機轉動慣量和阻尼系數協同自適應控制方法，改善接入微網中的分布式能源的出力波動可能會引起電網頻率不穩定以及功率波動的問題，保證系統的穩定性。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種虛擬同步發電機轉動慣量和阻尼系數協同自適應控制方法，具體包括以下步驟：

(1)虛擬同步發電機的仿真建模；

(2)分析暫態過程中系統頻率和輸出功率的變化機理，得出轉動慣量J和頻率變化率、阻尼系數D和頻率偏移量之間的相關性；

(3)給出轉動慣量和阻尼系數的取值表達式和觸發條件。

進一步地，所述步驟(1)中，利用同步發電機小信號模型分析方法，得到虛擬同步發電機輸入輸出有功功率的傳遞函數：

其中，P_ref為給定有功功率；w_o為電網同步角速度；E為虛擬同步發電機電勢；U為機端電壓；K_ω為調差系數；Z為虛擬同步發電機濾波電路的的阻抗。

進一步地，所述步驟(2)中，轉動慣量和阻尼系數以最優二階系統方法整定，轉動慣量J和頻率變化率，阻尼系數D和頻率偏移量的關聯為：

其中，T_m、T_e和T_d分別為同步發電機的機械轉矩、電磁轉矩和阻尼轉矩。

進一步地，所述步驟(3)中，當虛擬同步發電機轉子角速度的變化率較大時，增大轉動慣量；當角速度偏離量較大時，增大阻尼系數。

有益效果：本發明中轉動慣量和阻尼系數兩個變量協調控制在抑制頻率變化率的同時也抑制了頻率的波動量，保證系統的穩定性；和傳統定參數VSG控制和轉動慣量自適應控制策略相比，能夠進一步改善頻率響應特性和輸出有功響應特性，縮短系統暫態過程、保證系統穩定性的有效性。

附圖說明

圖1是虛擬同步發電機轉動慣量和阻尼系數協同自適應控制方法的原理圖；

圖2是虛擬同步發電機仿真實驗電路圖；

圖3是虛擬同步發電機不同控制方式輸出有功功率對比圖；

圖4是虛擬同步發電機不同控制方式轉矩對應的頻率對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。

如圖1所示是本發明的虛擬同步發電機轉動慣量和阻尼系數協同自適應控制方法的原理圖，當虛擬同步發電機轉子角速度的變化率較大時，增大轉動慣量；當角速度偏離量較大時，增大阻尼系數；同時改變轉動慣量和阻尼系數，在抑制頻率變化率的同時也抑制了頻率的波動量，使得頻率穩定性能得到提升。

本發明的虛擬同步發電機轉動慣量和阻尼系數協同自適應控制方法，具體包括以下步驟：

(1)建立虛擬同步發電機的仿真模型；

根據虛擬同步發電機視在功率的計算方法得到其輸出的有功功率和無功功率，借鑒傳統電力系統中的同步發電機的小信號模型分析方法，建立虛擬同步發電機的仿真模型，近似得到虛擬同步發電機輸入輸出有功功率的傳遞函數是一個典型的二階傳遞函數：

P_ref為給定有功功率，單位為W；w_o為電網同步角速度，即為同步發電機的額定角速度，單位為rad/s；E為虛擬同步發電機電勢；U為機端電壓；K_ω為調差系數；Z為虛擬同步發電機濾波電路的的阻抗。

(2)分析暫態過程中系統頻率和輸出功率的變化機理，得出轉動慣量和頻率變化率、阻尼系數和頻率偏移量之間的相關性；