一种适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法

1.本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法。


背景技术：

2.虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,vsg)控制通过模拟传统同步发电机的转子运动方程，使得逆变器具有惯量支撑能力，提高了可再生能源并网运行的安全性。然而，vsg也具有类似于同步发电机的振荡特性。当vsg受到功率参考值变化、电网频率变化等各种扰动时，容易引起有功功率振荡。由于电力电子设备的过流能力较低，在振荡过程中，较大的暂态电流可能引起保护动作，甚至损坏设备。
3.国内外学者针对vsg的有功功率振荡抑制开展了广泛的研究。当vsg受到有功功率参考值或电网频率扰动时，容易导致有功功率振荡。然而，目前的功率振荡抑制方法在设计时主要关注功率指令值引起的有功功率振荡，很少考虑电网频率扰动导致的有功功率振荡。自适应方法中由于参数调节规律的非线性特性，需谨慎设计其控制参数，否则反而会恶化系统的动态性能，反馈控制方法在前述两种扰动下的振荡抑制性能不能得到兼顾。另外，基于锁相环的暂态阻尼方法容易在弱电网下导致额外的稳定性问题。此外，前馈控制方法在应对线路阻抗变化时缺乏鲁棒性。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法，包括如下步骤：
7.s1、利用机电量和电磁量的类比关系建立虚拟同步发电机的等效电路模型；
8.s2、对步骤s1构建的等效电路模型添加虚拟电流源和虚拟电压源作为外部输入；
9.s3、将添加外部输入之后的等效电路模型的状态空间模型转换为hamilton模型，利用互联与阻尼分配无源性控制理论配置振荡能量并注入阻尼；
10.s4、设计控制律对等效电路的振荡能量进行重塑，同时设计扩张状态观测器对电网频率变化以及线路阻抗变化进行估计。
11.进一步的，所述s1中等效电路模型表示为：
[0012][0013][0014]
其中，ks为虚拟同步发电机的同步系数；δp为虚拟同步发电机的有功功率波动，等效为流过等效电感的等效电流；δω为虚拟同步发电机的频率波动，可等效为电压降；δ
ωg为电网频率变化，等效为电压源；δp0为虚拟同步发电机的有功参考的扰动，等效为一个电流源；k
ω
为虚拟同步发电机的下垂系数，可等效为电导，j为虚拟同步发电机的虚拟惯量，jω0可等效为电容电纳，ω0为虚拟同步发电机的额定频率，t为时间。
[0015]
进一步的，所述s4中控制率表示为：
[0016][0017]
其中，uv为虚拟电压源的输出；uc为虚拟电流源的输出；δp为有功功率波动，根据机电量和电磁量的类比关系可等效为电流；δωg为电网频率变化，根据类比关系等效为电压源；δp0为有功参考的扰动，根据类比关系可等效为电流源；δω为频率波动，根据类比关系可等效为电压降落；r1和r2为加速能量耗散所注入的阻尼。
[0018]
进一步的，所述s4中扩张状态观测器具体表示为：
[0019][0020]
其中，zd为状态变量xd的估计值，a为状态矩阵，b为输入矩阵，ud为输入向量，l为扩张状态观测器的反馈增益向量，yd为输出向量，c为输出矩阵，“∧”代表估计值。
[0021]
本发明具有以下有益效果：
[0022]
通过机电类比关系建立vsg的等效电路模型，然后利用ida-pbc理论设计了vsg的阻尼控制方法。该方法为反馈加前馈的复合控制结构，能有效抑制各种扰动和不确定性下的有功功率振荡。该方法的鲁棒性在于其利用了eso估计集总扰动，包括电网频率变化和线路阻抗变化。因此，无需使用锁相环和电网电压采样，只需要vsg本身的信息即可。该方法在电网频率变化、线路阻抗变化和高r/x比条件下均具有较强的鲁棒性。该方法具有较大的实际工程价值。
附图说明
[0023]
图1为本发明适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法流程示意图。
[0024]
图2为本发明实施例vsg的闭环小信号模型示意图。
[0025]
图3为本发明实施例并网vsg的等效电路示意图。
[0026]
图4为本发明实施例加入虚拟电压源和虚拟电流源后vsg的等值电路示意图。
[0027]
图5为本发明实施例基于互联与阻尼分配设计的阻尼控制原理示意图。
[0028]
图6为本发明实施例eso的控制框图。
具体实施方式
[0029]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易
见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0030]
一种适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0031]
s1、利用机电量和电磁量的类比关系建立虚拟同步发电机的等效电路模型；
[0032]
在本实施例里，vsg的闭环小信号模型如图2所示。“δ”为小信号扰动。k
ω
和j分别为vsg的下垂系数和虚拟惯量，δω＝ω-ω0。δδ为功率角变化量，ks为同步系数，ks＝(3vge)/(2xg)，其中vg和xg分别为电网电压幅值和阻抗值。如图2所示，有功功率基准δp0的变化可视为内部扰动，电网频率变化δωg可视为外部扰动，由于老化和热效应引起的线路阻抗xg参数扰动可视为模型不确定性。
[0033]
根据图2，可得到下述方程：
[0034][0035][0036]
其中，ks为虚拟同步发电机的同步系数，δp为虚拟同步发电机的有功功率波动，δω为虚拟同步发电机的频率波动，δωg为电网频率变化，δp0为虚拟同步发电机的有功参考的扰动，k
ω
为虚拟同步发电机的下垂系数，j为虚拟同步发电机的虚拟惯量，ω0为虚拟同步发电机的额定频率，t为时间。
[0037]
根据类比关系，(1)和(2)可以类比为电路方程:
[0038][0039]
上式中，l为电感，i
l
为电感电流，u
l
为电感电压，c为电容，uc为电容电压，i0为参考电流，r为电阻。
[0040]
因此，对于图2所示的vsg的小信号模型，可以类比为图3所示的等效电路。δp0为有功参考的扰动，相当于一个电流源。下垂系数k
ω
等效为电导。sjω0等效为电容电纳。δω为vsg的频率波动，相当于电压降。s/ks相当于一个感抗。δp为流过等效电感1/ks的等效电流，δωg为电网频率的变化量，相当于电压源。
[0041]
s2、对步骤s1构建的等效电路模型添加虚拟电流源和虚拟电压源作为外部输入；
[0042]
基于图3所示的等效电路，进一步采用ida-pbc理论对电路的振荡能量进行重塑，以实现振荡抑制。为此，在图3的等效电路中增加一个虚拟电流源uc和一个虚拟电压源uv，如图4所示，其作为电路的外部输入，以重塑系统的振荡能量。
[0043]
由图4可知，等效电路的动态特性可以用以下扰动形式的状态空间模型来描述:
[0044][0045]
其中，扰动分量用δ表示，由高通滤波器提取。
[0046]
s3、将添加外部输入之后的等效电路模型的状态空间模型转换为hamilton模型，利用互联与阻尼分配无源性控制理论配置振荡能量并注入阻尼；
[0047]
为了将(4)表示为端口受控hamilton(pch)模型，定义pch系统的状态变量如下:
[0048][0049]
在ida-pbc理论中，hamilton函数表示系统储存的总能量，由式(6)所示的等效电容和等效电感所存储的能量组成，如下所示:
[0050][0051]
由于状态变量对δp0和δωg没有影响，即δp0和δωg与系统状态无关。因此，δp0和δωg可视为扰动。扰动矩阵的表达式为：
[0052][0053]
接下来，反对称互联矩阵j和正定或半正定对称阻尼矩阵r可设置为：
[0054][0055]
端口矩阵g(x)和控制输入u如下:
[0056][0057]
然后，扰动形式的状态空间模型(4)可以改写为pch形式，如下所示：
[0058][0059]
采用ida-pbc的目的是设计控制律u＝β(x)，使系统(10)为耗散的闭环pch系统，如式(11)所示，其中hd(x)为闭环hamilton系统期望的总存储能量。
[0060][0061]
式(11)中，jd＝-j
dt
，rd≥0分别为闭环pch系统期望的互联矩阵和阻尼矩阵，需要满足反对称特性、正定或半正定对称特性。因此，可以表示为：
[0062][0063]
接下来，设定ja和ra：
[0064][0065]
上式中r1和r2为加速能量耗散所注入的阻尼。
[0066]
s4、设计控制律对等效电路的振荡能量进行重塑，同时设计扩张状态观测器对电网频率变化以及线路阻抗变化进行估计。
[0067]
选择所需的hamilton函数如(14)所示，保证了在期望的平衡点x0处hd(x)的值最小。需要注意的是，由于稳态时振荡分量为零，为了抑制振荡，状态向量参考应设为零。
[0068][0069]
最后，令式(10)和式(11)的右侧相等，可推导出所需的控制输入β(x)，其表达式如下:
[0070][0071]
具体地，所提出的阻尼控制框图如图5所示，其中ω
ch
为高通滤波器的截止频率。在图5中，如果扰动被及时前馈，则振荡可以被衰减甚至不出现。因此，前馈补偿具有主动抑制干扰的优点。由于不确定性，当扰动不能被完全消除时，图5中的反馈控制可以起到被动跟踪的作用。因此，该方法是一种前馈与反馈相结合的复合控制方法。
[0072]
内部扰动δp0可以直接将vsg的有功功率参考通过高通滤波器得到。至于电网频率变化δωg，通常需要锁相环来提取，但在弱电网中会引入额外的稳定性问题。为了避免使用锁相环，进一步提出了一种扰动估计方法来估计δωg。本技术采用基于扩张状态观测器(eso)的方法来估计δωg，不需要锁相环甚至不需要电网电压采样。另外，eso还可以有效地估计线路阻抗的变化，这是与锁相环相比的另一个明显优势。
[0073]
考虑外部扰动δωg和线路阻抗的变化为集总扰动f
ld
，式(1)可改写为：
[0074][0075]
上式中k
s’是考虑线阻抗变化时ks的实际值。
[0076]
进一步，式(16)可表示为：
[0077][0078]
上式中，x
d1
＝δp，b0为额定值，b0＝ks，ud(t)为输入，ud(t)＝δω。
[0079]
为实现eso对集总扰动f
ld
的估计，设xd＝[x
d1
x
d2
]
t
＝[δpf
ld
]
t
，其中f
ld
为扩张状态变量。则扩张系统的状态空间模型为:
[0080][0081]
上式中：
[0082]
c＝[10]，
[0083]
设zd＝[z
d1zd2
]
t
为状态变量x
d1
和x
d2
的观测值，则eso可设计为:
[0084][0085]
上式中，l＝[l1l2]
t
为eso的反馈增益向量，“∧”为估计值。
[0086]
具体地，用于集总扰动估计的eso控制框图如图6所示。
[0087]
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。
[0088]
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。
[0089]
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。
[0090]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0091]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、利用机电量和电磁量的类比关系建立虚拟同步发电机的等效电路模型；s2、对步骤s1构建的等效电路模型添加虚拟电流源和虚拟电压源作为外部输入；s3、将添加外部输入之后的等效电路模型的状态空间模型转换为hamilton模型，利用互联与阻尼分配无源性控制理论配置振荡能量并注入阻尼；s4、设计控制律对等效电路的振荡能量进行重塑，同时设计扩张状态观测器对电网频率变化以及线路阻抗变化进行估计。2.根据权利要求1所述的适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法，其特征在于，所述s1中等效电路模型表示为：述s1中等效电路模型表示为：其中，k
s
为虚拟同步发电机的同步系数；δp为虚拟同步发电机的有功功率波动，等效为流过等效电感的等效电流；δω为虚拟同步发电机的频率波动，可等效为电压降；δω
g
为电网频率变化，等效为电压源；δp0为虚拟同步发电机的有功参考的扰动，等效为一个电流源；k
ω
为虚拟同步发电机的下垂系数，可等效为电导，j为虚拟同步发电机的虚拟惯量，jω0可等效为电容电纳，ω0为虚拟同步发电机的额定频率，t为时间。3.根据权利要求1所述的适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法，其特征在于，所述s4中控制律表示为：其中，u
v
为虚拟电压源的输出，u
c
为虚拟电流源的输出，δp为有功功率波动，根据机电量和电磁量的类比关系可等效为电流，δω
g
为电网频率变化，根据类比关系可等效为电压源，δp0为有功参考的扰动，根据类比关系可等效为电流源，δω为频率波动，根据类比关系可等效为电压降落，r1和r2为加速能量耗散所注入的阻尼。4.根据权利要求1所述的适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法，其特征在于，所述s4中扩张状态观测器具体表示为：其中，z
d
为状态变量x
d
的估计值，a为状态矩阵，b为输入矩阵，u
d
为输入向量，l为扩张状态观测器的反馈增益向量，y
d
为输出向量，c为输出矩阵，“∧”代表估计值。

技术总结
本发明公开了一种适用于虚拟同步发电机的鲁棒阻尼控制方法，通过机电量和电磁量之间的类比关系，建立VSG的等效电路模型，然后通过在等效电路中增加一个虚拟电流源和一个虚拟电压源作为电路的外部输入，方便后续设计控制律以重塑系统的振荡能量。进一步地，将等效电路的状态空间模型转换为Hamilton模型，采用互联与阻尼分配无源性控制(IDA-PBC)理论配置系统的振荡能量并注入阻尼，对等效电路的振荡能量进行重塑，以实现振荡抑制。同时，将线路阻抗变化和电网频率扰动归结为总扰动观测并实施补偿,不仅可以抑制电网频率扰动导致的振荡，还对线路阻抗变化具有一定的鲁棒性。还对线路阻抗变化具有一定的鲁棒性。还对线路阻抗变化具有一定的鲁棒性。


技术研发人员：王杨 杨孟凌 陈淞 汪颖 肖先勇 郑子萱
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/20