本發(fā)明涉及光伏虛擬同步發(fā)電機控制，特別涉及一種基于虛擬慣量和阻尼的光伏vsg控制方法。

背景技術：

1、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術逐漸成為了人們關注的研究熱點。系能源發(fā)電主要以分布式電源的方式通過逆變器并入大電網，隨著新能源分布式電源的大規(guī)模滲透，作為電力電子并網技術的主要接口，逆變器的普及率也隨之提高。由于逆變器等電力電子器件弱阻尼且缺乏轉動慣量支撐的特性，當發(fā)生功率擾動或負載突變時，將無法抑制分布式發(fā)電系統的振蕩，從而威脅整個電網的運行安全性和穩(wěn)定性。因此，可以在逆變器控制中引入虛擬同步發(fā)電機(vsg，virtual?synchronous?generator)控制技術，它可以模擬同步發(fā)電機的外部特性，使并網逆變器具備與同步發(fā)電機類似的轉動慣性和阻尼。然而，傳統的vsg參數設置為固定值，固定值的參數設置不一定適用所有的工作場景。在某些情況下可能會出現功率振蕩幅值超出范圍導致vsg停止工作。而vsg運動方程中的虛擬慣量和阻尼參數是虛擬量，不受物理特性的約束，可以實現動態(tài)調節(jié)。

2、基于vsg控制中虛擬慣量和阻尼系數可以靈活設計的特點，學者們對vsg的參數自適應做了許多研究，例如有研究者提出了一種在孤島模式下發(fā)生負荷擾動時快速響應的自適應虛擬慣量控制策略，有效抑制了頻率波動；也有研究者提出一種改進bang-bang自適應虛擬慣量的vsg控制策略，能根據負載擾動引起的頻率變化量實時動態(tài)調節(jié)旋轉慣量，避免了頻率快速波動，從而提高了頻率響應特性，但沒有考慮阻尼系數的影響；還有研究者提出了一種基于阻尼比約束的自適應控制策略，該策略根據vsg輸出頻率的變化率來調整虛擬慣量，再通過阻尼比來控制阻尼系數的取值，通過使系統工作在欠阻尼狀態(tài)下，保證系統的穩(wěn)定性；還有研究者提出將自適應虛擬慣量和阻尼系數運用到并網逆變器中，有效改善了暫態(tài)過程中功率和頻率振蕩，但對于阻尼的自適應沒有設置啟動判斷條件；綜上，現有技術還存在功率和頻率的波動抑制能力較差，導致系統穩(wěn)定性不高。

技術實現思路

1、本發(fā)明提供了一種基于虛擬慣量和阻尼的光伏vsg控制方法，其目的是為了能夠更好的抑制功率和頻率的波動，提升系統的穩(wěn)定性。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于虛擬慣量和阻尼的光伏vsg控制方法，包括：

3、步驟1，基于設計的光伏vsg并網拓撲結構對虛擬同步發(fā)電機進行建模，得到虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程，光伏vsg并網拓撲結構包括主拓撲電路和控制回路；

4、步驟2，根據主拓撲電路構建虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率與線路電抗、電動勢幅值、輸出端電壓、功角之間的函數表達式，并將函數表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程進行結合，得到第一二階傳遞函數和第二二階傳遞函數；

5、步驟3，分別對第一二階傳遞函數和第二二階傳遞函數進行拉普拉斯逆變換，得到在虛擬慣量變化時有功功率的階躍效應、在虛擬慣量變化時角頻率的階躍響應曲線、在阻尼變化時有功功率的階躍響應曲線和在阻尼變化時角頻率的階躍響應曲線；

6、步驟4，對在虛擬慣量變化時有功功率的階躍效應、在虛擬慣量變化時角頻率的階躍響應曲線、在阻尼變化時有功功率的階躍響應曲線和在阻尼變化時角頻率的階躍響應曲線進行分析，得到虛擬慣量變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理以及阻尼變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理；

7、步驟5，基于虛擬慣量變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理、阻尼變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理，得到虛擬慣量和阻尼在不同狀態(tài)時的自適應原則；

8、步驟6，基于自適應原則構建虛擬慣量和阻尼的自適應函數，并對自適應函數中的參數進行整定，確定虛擬慣量和阻尼的自適應啟動判據，以用于對光伏虛擬同步發(fā)電機進行控制。

9、進一步來說，虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程為：

10、

11、其中，j表示虛擬慣量，pref表示輸入虛擬同步發(fā)電機的有功功率，表示虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率，δ表示虛擬同步發(fā)電機的功角，ω表示虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率，ω0表示電網的額定角頻率，dp表示阻尼轉矩對應的阻尼系數。

12、進一步來說，根據主拓撲電路構建虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率與線路電抗、電動勢幅值、輸出端電壓、功角之間的函數表達式為：

13、

14、其中，e表示有功-頻率調制獲得的電動勢幅值，ul表示輸出端電壓，zf表示濾波電路阻抗，xf表示濾波電路的電抗。

15、進一步來說，將函數表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程進行結合，得到第一二階傳遞函數和第二二階傳遞函數，包括：

16、根據傳統同步發(fā)電機小信號模型的分析方法，結合函數表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程，得到從輸入虛擬同步發(fā)電機的有功功率到虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率的第一二階傳遞函數為：

17、

18、得到從輸入虛擬同步發(fā)電機的有功功率到虛擬同步發(fā)電機的輸出角頻率的第二二階傳遞函數為：

19、

20、其中，ωn表示虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率。

21、進一步來說，分別對第一二階傳遞函數和第二二階傳遞函數進行拉普拉斯逆變換，包括：

22、對第一二階傳遞函數進行拉普拉斯逆變換，得到：

23、

24、對第二二階傳遞函數進行拉普拉斯逆變換，得到：

25、

26、其中，ωn表示虛擬同步發(fā)電機的額定角頻率。

27、進一步來說，步驟4包括：

28、對在虛擬慣量變化時有功功率的階躍效應、在虛擬慣量變化時角頻率的階躍響應曲線進行分析，得到虛擬慣量變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理為：

29、當虛擬慣量增大時，輸出頻率的峰值時間和穩(wěn)定時間增加，超調量減少；

30、在阻尼變化時有功功率的階躍響應曲線和在阻尼變化時角頻率的階躍響應曲線進行分析，得到以及阻尼變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理為：

31、對于有功功率的階躍響應曲線，當阻尼增大時，有功功率的峰值時間增加，超調量和穩(wěn)定時間減少；

32、對于角頻率的階躍響應曲線，當阻尼增大時，峰值時間、超調量和穩(wěn)定時間都減少。

33、進一步來說，虛擬慣量和阻尼在不同狀態(tài)時的自適應原則為：

34、在第一狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量和角頻率變化率均大于0，虛擬慣量增大，阻尼增大；

35、在第二狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量大于0，角頻率變化率小于0，虛擬慣量減小，阻尼增大；

36、在第三狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量和角頻率變化率均小于0，虛擬慣量增大，阻尼增大；

37、在第四狀態(tài)區(qū)間，角頻率偏移量小于0，角頻率變化率大于0，虛擬慣量減小，阻尼增大。

38、進一步來說，基于自適應原則構建虛擬慣量和阻尼的自適應函數，包括：

39、基于自適應原則構建虛擬慣量的自適應函數為：

40、

41、基于自適應原則構建阻尼的自適應函數為：

42、

43、其中，j0表示穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中虛擬慣量的基礎值，d0表示穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中阻尼的基礎值，kj1、kj2均表示虛擬慣量的自適應調節(jié)系數，kd表示阻尼的自適應調節(jié)系數，tj表示角頻率變化率閾值，td表示角頻率偏移量變化閾值。

44、進一步來說，對自適應函數中的參數進行整定，包括：

45、對穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中阻尼的基礎值進行整定，得到：

46、

47、對穩(wěn)定運行時虛擬同步發(fā)電機中虛擬慣量的基礎值進行整定，得到：

48、

49、對虛擬慣量的自適應調節(jié)系數進行整定，得到：

50、

51、對阻尼的自適應調節(jié)系數進行整定，得到：

52、

53、其中，δt表示虛擬同步發(fā)電機的機械轉矩tm與電磁轉矩te之差，δt＝tm-te，pmax表示虛擬同步發(fā)電機輸出的最大功率，jmax表示虛擬慣量的最大值，jmin表示虛擬慣量的最小值，dmax表示阻尼的最大值。

54、本發(fā)明的上述方案有如下的有益效果：

55、本發(fā)明首先設計光伏vsg并網拓撲結構以進行建模，得到虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程，然后構建虛擬同步發(fā)電機輸出的有功功率與線路電抗、電動勢幅值、輸出端電壓、功角之間的函數表達式，并將函數表達式與虛擬同步發(fā)電機的功率和功角方程進行結合，得到二階傳遞函數以獲取虛擬同步發(fā)電機輸出功率和角頻率的階躍響應曲線，接著基于階躍響應曲線分析虛擬慣量和阻尼的變化對虛擬同步發(fā)電機動態(tài)性能的影響機理，并基于影響機理得到虛擬慣量和阻尼在不同狀態(tài)時的自適應原則以構建自適應函數，最后對自適應函數中的參數進行整定并設計啟動判據，以對光伏虛擬同步發(fā)電機進行控制；與現有技術相比，能夠更好的抑制功率和頻率的波動，以降低超調量，縮短調節(jié)時間，從而提升系統的穩(wěn)定性。

56、本發(fā)明的其它有益效果將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。