本發(fā)明涉及分布式電源基于虛擬同步機(jī)技術(shù)的逆變器控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模糊控制的虛擬同步機(jī)虛擬慣性自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法及頻率控制方法。

背景技術(shù)：

近年來，為解決日漸突出的能源環(huán)境問題，以太陽能、風(fēng)能等可再生能源為代表的新能源的開發(fā)和利用受到了極高的重視，包含各種能源形式的分布式電源在微電網(wǎng)中滲透率也隨之不斷提高，為微網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了極大的挑戰(zhàn)，尤其在孤島運(yùn)行工況下，缺乏大電網(wǎng)的頻率支撐，加上普遍的多逆變器環(huán)境，使微網(wǎng)頻率受負(fù)荷變化和分布式電源投切影響明顯，多逆變器并聯(lián)協(xié)同的暫態(tài)過程較長，不僅使微網(wǎng)電能質(zhì)量降低，也使微網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行受到威脅，用電安全性下降。

為解決微網(wǎng)電力電子化后響應(yīng)速度變快，而傳統(tǒng)逆變器缺乏同步電機(jī)帶來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，難以參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)等問題，借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，虛擬同步機(jī)控制技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其目的在于使傳統(tǒng)逆變器在暫態(tài)過程中表現(xiàn)出與同步電機(jī)相似的外特性，帶來頻率調(diào)節(jié)過程中重要的慣性和阻尼特性，為微網(wǎng)提供必要的電壓和頻率支撐，保證微網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。然而現(xiàn)有虛擬同步機(jī)技術(shù)更傾向于根據(jù)微網(wǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)恒定的控制參數(shù)，一方面不利于分布式電源適應(yīng)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，一方面不能充分發(fā)揮虛擬同步機(jī)“虛擬慣性可調(diào)”這一優(yōu)勢(shì)，保守地引入大慣性雖能為微網(wǎng)帶來明顯的電壓支撐，抵御負(fù)荷變化，但也不可避免地使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，調(diào)整時(shí)間變長，使微網(wǎng)頻率始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為負(fù)荷安全帶來隱患。

因此，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，需要一種能綜合微網(wǎng)系統(tǒng)的整體要求以及分布式電源自身的響應(yīng)特性，而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)逆變器虛擬慣性的方法，使其在負(fù)荷與分布式電源投切過程中保持足夠的慣性與阻尼，抵御擾動(dòng)，又能在頻率調(diào)節(jié)和分布式電源協(xié)同過程中獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，快速渡過暫態(tài)過程。

基于此思想，加上虛擬同步發(fā)電機(jī)控制的非線性與時(shí)變特性，本發(fā)明采用模糊控制來實(shí)現(xiàn)虛擬同步機(jī)虛擬慣性的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使其在調(diào)節(jié)過程中具有較佳的魯棒性、適應(yīng)性及較佳的容錯(cuò)性。有效地抵御微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷變化和微源投切時(shí)造成的頻率突變，減小逆變器微源與微網(wǎng)受到的沖擊，防止擾動(dòng)帶來的系統(tǒng)振蕩，保證微網(wǎng)電能質(zhì)量，同時(shí)縮短暫態(tài)過程，使頻率調(diào)節(jié)能快速、準(zhǔn)確地完成，提升系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有虛擬同步機(jī)控制方法的不足，本發(fā)明的目的在于提出了一種基于模糊控制的虛擬同步機(jī)虛擬慣性自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法及頻率控制方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：一種基于模糊控制的虛擬同步機(jī)虛擬慣性自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，該方法為：以t_s為采樣周期，采集額定頻率f₀與逆變器輸出頻率f，獲得f₀與f間誤差e＝f₀-f，以及e對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)將e和e_c通過零階保持器后的兩個(gè)輸出結(jié)果e’和e’_c作為模糊控制器實(shí)際輸入；模糊控制器實(shí)際輸出u作為虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J，實(shí)現(xiàn)虛擬慣性自適應(yīng)調(diào)節(jié)；

所述模糊控制器的控制方法具體包括以下步驟：

1.1將實(shí)際輸入信號(hào)e’和e’_c進(jìn)行模糊化處理：做線性尺度變換得到控制輸入信號(hào)E和E_C，使E和E_C的論域均在基本論域[-6,6]區(qū)間內(nèi)；并在此基本論域上進(jìn)行空間模糊分割，分別確定E和E_C的隸屬函數(shù)，使得精確輸入量E和E_C變?yōu)槟：斎肓縀^*和E_C^*；

1.2建立模糊規(guī)則，對(duì)步驟1.1中得到的模糊輸入量E^*和E_C^*進(jìn)行模糊推理，得出輸出在基本論域上的模糊輸出U*，對(duì)U*進(jìn)行解模糊，得到基本論域上的精確控制輸出U，對(duì)控制輸出U進(jìn)行反向線性尺度變化后得到實(shí)際輸出信號(hào)u，即為輸出虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J；

1.3重復(fù)1.1-1.2，以t_s為周期更新T_J，自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬同步機(jī)的虛擬慣性(虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J)。

進(jìn)一步地，所述步驟1.1中的模糊化處理，具體為：

2.1.將零階保持器后的兩個(gè)輸出結(jié)果e’和e’_c做線性尺度變換，具體為：

其中k為量化因子，x表示線性尺度變換輸入，X表示線性尺度變換輸出；[x_L,x_H]為線性尺度變換輸入信號(hào)的連續(xù)取值范圍，線性尺度變換后得到控制輸入信號(hào)E和E_C，論域均為[-6,6]。

2.2.將基本論域[-6，6]模糊分割為：正方向大的偏差(PB)，正方向小的偏差(PS)，近于零的偏差(Z0)，負(fù)方向小的偏差(NS)，負(fù)方向大的偏差(NB)五個(gè)模糊集；

2.3.控制輸入信號(hào)E和E_C的隸屬度函數(shù)為：

E: E_C:

NB:f_gauss(e；1.27,-6)； NB:f_gauss(e；1.27,-6)；

NS:f_gauss(e；1.27,-3)； NS:f_gauss(e；1.27,-3)；

Z0:f_tri(e；-3,0,3)； Z0:f_gauss(e；1.27,0)；

PS:f_gauss(e；1.27,3)； PS:f_gauss(e；1.27,3)；

PB:f_gauss(e；1.27,6)； PB:f_gauss(e；1.27,6)；

使得將控制輸入信號(hào)精確量轉(zhuǎn)為模糊量E^*和E_C^*。

其中，f_gauss(x；σ,c)為高斯函數(shù)

f_tri(x；a,b,c)為三角形函數(shù)

進(jìn)一步地，所述步驟1.2中的模糊規(guī)則，是基于虛擬同步機(jī)輸出頻率特性與虛擬慣性時(shí)間常數(shù)間的相關(guān)性建立的，具體為：

3.1.對(duì)步驟1.1中得到的模糊輸入量E^*和E_C^*進(jìn)行模糊推理：

推理得到模糊輸出U^*。

3.2.對(duì)步驟3.1中推理得到的模糊輸出U^*進(jìn)行解模糊操作：控制輸出U的隸屬度函數(shù)為：

U:

NB:f_tri(e；-9,-6,-3)；

NS:f_tri(e；-6,-3,0)；

Z0:f_tri(e；-3,0,3)；

PS:f_tri(e；0,3,6)；

PB:f_tri(e；3,6,9)；；

根據(jù)重心法，對(duì)模糊輸出量U*中各元素及其對(duì)應(yīng)的隸屬度求加權(quán)平均值，得到精確控制輸出U，論域也為[-6,6]。

3.3對(duì)步驟3.2中得到的精確控制輸出U進(jìn)行反向線性尺度變化，具體為：

其中k’為比例因子，[u_L,u_H]為實(shí)際信號(hào)的連續(xù)取值范圍，得到實(shí)際輸出信號(hào)u。

一種基于虛擬同步機(jī)虛擬慣性自適應(yīng)調(diào)節(jié)的頻率控制方法，該方法通過虛擬慣性自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，得到虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J，進(jìn)一步根據(jù)虛擬同步機(jī)的機(jī)械方程，對(duì)虛擬同步機(jī)的輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述虛擬同步機(jī)的機(jī)械方程為：

其中，T_J為虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，f為逆變器輸出頻率，ω為逆變器輸出角頻率，T_m為等效機(jī)械轉(zhuǎn)矩，T_e為等效電磁轉(zhuǎn)矩，D為阻尼系數(shù)，K_f為頻率調(diào)差系數(shù)，f₀，P₀分別為額定頻率和額定有功功率，f_p為同步補(bǔ)償頻率；P_e為虛擬同步機(jī)輸出有功功率。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明針對(duì)目前微電網(wǎng)中采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行逆變輸出的微源，以其輸出頻率誤差及誤差變化率為模糊輸入，基于二維模糊原理動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)虛擬慣性時(shí)間常數(shù)，結(jié)合虛擬同步機(jī)的機(jī)械方程，對(duì)虛擬同步機(jī)的輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。使分布式電源在參與微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過程中達(dá)到頻率支撐和動(dòng)態(tài)響應(yīng)間的平衡，減小負(fù)荷投切及微源并網(wǎng)帶來的頻率波動(dòng)，保證微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)下頻率穩(wěn)定及快速反應(yīng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明算例實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明的模糊控制器輸入-輸出曲面圖；

圖4是算例實(shí)驗(yàn)中微源1和微源2的共同功率輸出曲線；

圖5是算例實(shí)驗(yàn)中微源1和微源2的輸出頻率對(duì)比。

圖6是算例實(shí)驗(yàn)中微源1模糊控制器的實(shí)際輸入頻率誤差e；

圖7是算例實(shí)驗(yàn)中微源1模糊控制器的實(shí)際輸入頻率誤差變化率e_c；

圖8是算例實(shí)驗(yàn)中微源1模糊控制器的實(shí)際輸出u，即為虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J。

具體實(shí)施方案

下面以兩臺(tái)虛擬同步機(jī)逆變器并聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)為例，給出了模糊控制的詳細(xì)算法描述，對(duì)比說明了自適應(yīng)慣性控制較定慣性方法在頻率控制上的優(yōu)勢(shì)，并通過一系列的實(shí)驗(yàn)證明所提方法在提高微網(wǎng)母線頻率穩(wěn)定性及頻率調(diào)節(jié)快速性上的作用。

圖1所示的是本發(fā)明算例實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；系統(tǒng)包括兩個(gè)獨(dú)立微源(微源1以及微源2)，微源1采用本發(fā)明所述的基于模糊控制的虛擬同步機(jī)虛擬慣性自適應(yīng)控制方法，根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J1，微源2采用根據(jù)系統(tǒng)功率等級(jí)設(shè)定的恒定虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J2。系統(tǒng)中兩個(gè)微源于1-0.9秒時(shí)處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，并且設(shè)定完全相同的負(fù)荷變化(如圖4所示)，0.9秒后將微源2并聯(lián)接入交流母線，1.2秒時(shí)在母線上接入30kW的負(fù)荷，觀察對(duì)比兩種控制方法在無大電網(wǎng)頻率支撐的孤島狀況下應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1.如圖2所示，算例實(shí)驗(yàn)中，本發(fā)明所述的基于模糊控制的虛擬同步機(jī)虛擬慣性自適應(yīng)控制方法的實(shí)施方案具體為：

1.1.以t_s＝1ms為采樣周期，對(duì)額定頻率f₀＝50Hz與微源1逆變器輸出頻率f₁間誤差e＝f₀-f₁以及e對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行采樣，并通過零階保持器后作為模糊控制器實(shí)際輸入；

1.2.將步驟1.1中得到的實(shí)際輸入信號(hào)e和e_c做線性尺度變換，參照微電網(wǎng)頻率偏移標(biāo)準(zhǔn)，將頻率誤差e和頻率誤差變化率e_c的連續(xù)取值范圍定義為：

e∈[-0.5,0.5],e_c∈[-15,15]

對(duì)頻率誤差e，有：

對(duì)頻率誤差變化率e_c，有：

E和E_C作為控制輸入信號(hào)，論域均在[-6,6]內(nèi)，后將基本論域模糊分割為：正方向大的偏差(PB)，正方向小的偏差(PS)，近于零的偏差(Z0)，負(fù)方向小的偏差(NS)，負(fù)方向大的偏差(NB)五個(gè)模糊集。由于希望頻率誤差E在0出有較高的識(shí)別度，我們將此位置設(shè)為三角形隸屬度函數(shù)的中心點(diǎn)；希望頻率誤差E和頻率誤差變化率E_C在其他位置有較為均勻平緩的模糊定義，用高斯函數(shù)作為其他模糊集的隸屬度函數(shù)，具體為：

E: E_C:

NB:f_gauss(e；1.27,-6)； NB:f_gauss(e；1.27,-6)；

NS:f_gauss(e；1.27,-3)； NS:f_gauss(e；1.27,-3)；

Z0:f_tri(e；-3,0,3)； Z0:f_gauss(e；1.27,0)；

PS:f_gauss(e；1.27,3)； PS:f_gauss(e；1.27,3)；

PB:f_gauss(e；1.27,6)； PB:f_gauss(e；1.27,6)；

可將控制輸入信號(hào)E和E_C轉(zhuǎn)為模糊量E^*和E_C^*。

1.3.模糊控制規(guī)則庫是通過分析虛擬同步機(jī)輸出頻率特性與虛擬慣性時(shí)間常數(shù)間的相關(guān)性以及結(jié)合調(diào)試經(jīng)驗(yàn)得出的，可根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的負(fù)荷變化情況來制定具體的推理規(guī)則，在算例試驗(yàn)中，將模糊推理過程定義為：

如圖3所示，結(jié)合模糊控制器輸入-輸出曲面圖，根據(jù)輸入模糊量E^*和E_C^*推理得到模糊輸出U^*。

1.4.將控制輸出U的隸屬度函數(shù)定義為：

U:

NB:f_tri(e；-9,-6,-3)；

NS:f_tri(e；-6,-3,0)；

Z0:f_tri(e；-3,0,3)；

PS:f_tri(e；0,3,6)；

PB:f_tri(e；3,6,9)；；

根據(jù)重心法，對(duì)模糊輸出量U^*中各元素及其對(duì)應(yīng)的隸屬度求加權(quán)平均值，得到精確控制輸出U，論域也為[-6,6]。根據(jù)虛擬同步機(jī)基本特性，將虛擬時(shí)間慣性常數(shù)T_J的連續(xù)取值范圍定義為：

T_J∈[1,4]

因此控制輸出U進(jìn)行反向線性尺度變化，具體為：

得到實(shí)際輸出信號(hào)u，即為輸出虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J。

1.5.重復(fù)1.1-1.4，以t_s為周期更新<1>式中T_J，自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬同步機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.結(jié)合附圖觀察對(duì)比本發(fā)明所述的基于模糊控制的虛擬同步機(jī)虛擬慣性自適應(yīng)控制方法與恒定虛擬慣性時(shí)間常數(shù)方法在無大電網(wǎng)頻率支撐的孤島狀況下應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.1.算例試驗(yàn)中，在系統(tǒng)啟動(dòng)t＝0時(shí)，微源1、2的獨(dú)立負(fù)載均為額定功率50kW，兩個(gè)微源保持額定電壓頻率輸出，微源2采用根據(jù)系統(tǒng)功率等級(jí)設(shè)定的恒定虛擬慣性時(shí)間常數(shù)T_J2＝3。

2.2.啟動(dòng)后制造一次獨(dú)立負(fù)荷閃變，如圖5所示，負(fù)荷閃變時(shí)迅速帶來了頻率誤差；如圖6、7所示，采用本發(fā)明所述方法的微源1通過采樣此時(shí)的頻率變化及頻率變化率；如圖8所示，通過步驟1所述的模糊控制器輸出變化的虛擬時(shí)間慣性參數(shù)，參與輸出頻率控制，此時(shí)面對(duì)負(fù)荷閃邊帶來的頻率突變，微源1產(chǎn)生了遠(yuǎn)高于穩(wěn)定時(shí)的虛擬慣性，阻止頻率大范圍突變，后逐漸減小慣性值，快速回調(diào)頻率，使頻率盡快回到穩(wěn)定值，對(duì)比看出面對(duì)負(fù)荷閃變，微源1較微源2有較小的頻率波動(dòng)，還有更快的回調(diào)速度。

2.3.在0.3s和0.6s時(shí)分別有獨(dú)立負(fù)荷的接入(20kW)與退出(40kW)，如圖5所示，虛擬同步機(jī)功頻調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生了頻率降落與上升，體現(xiàn)出了同步電機(jī)的下垂外特性，二者對(duì)比，如圖8所示，微源1在面對(duì)負(fù)荷變化時(shí)，產(chǎn)生了較大的慣性，頻率變化滯后于微源2，有利于減小沖擊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，后逐漸減小慣性值，快速根據(jù)功頻特性調(diào)節(jié)頻率，使逆變器盡快達(dá)到新的工作點(diǎn)，頻率盡快追蹤到新的穩(wěn)定值，對(duì)比看出面對(duì)負(fù)荷變化，微源1較微源2有較小的頻率突變，還有更快的穩(wěn)定速度。

2.4.如圖5所示，在0.9s時(shí)將微源2并聯(lián)到交流母線上，其輸出頻率有微小變化，但很快回調(diào)；

2.5.在1.2s時(shí)在母線上接入30kW的負(fù)荷，微源1、2將均分功率，如圖5所示，微源1,2能正常均分功率，達(dá)到新的工作點(diǎn)；而在工作點(diǎn)追蹤過程中，微源1對(duì)比之下也展現(xiàn)除了如步驟2.3時(shí)的優(yōu)秀動(dòng)態(tài)響應(yīng)。