大扰动下改进的VSG自适应参数控制策略

20215Ma0212

年月安徽大学学报自然科学版

第卷第期

453JournalofAnhuiUniversitNaturalScienceEditionVol.45No.3

)(

y

()

y

:/

doi

10.3969.issn.1000-2162.2021.03.009

j

大扰动下改进的自适应参数控制策略

VSG

2*2111111

,,,,,

吕聪山伟

何王维庆陈孔令清尹昱程

,,

)

新疆大学可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心新疆乌鲁木齐

,,

2.830047

,)

简称解决配电

V virtualsnchronouseneratorSG

摘要分布式新能源并网后常通过用虚拟同步发电机

:,(

gy

的失衡问题在大扰动下加入控制变量转动惯量及阻尼系数自适应控制策略的基础上

,,

VSG

K

,

提出大扰动

自适应参数控制策略改进的功率的超调量抑制了振荡避免了自适应参数控制策略减少了频率

,,,、

VSG

关键词虚拟同步发电机自适应控制暂态稳定性功角控制功角特性曲线

:;;;;

()

中图分类号文献标志码文章编号

:::

TM71 A 1000-2162202103-0058-08

(;

新疆大学电气工程学院新疆乌鲁木齐

,,

1.830047

网的无惯性及无阻尼问题但因大扰动发生时为解决的非线性功角关系可能会失去平衡

,,,

VVSGVSG.SG

/,,

下改进的相对于自适应参数控制策略环境下的仿真结果表明定参数及

VSG.MatlabSimulink

JDJD

:

提高了暂态稳定性的失衡

.VSG

,

ImrovedVSGadativearameterscontrolstratenderlaredisturbanceu

pppgyg

112*12111

,,,,,

LYUConHEShanWANGWeiinCHENWeiKONGLininYINYuchen

gqggqgg

,,

2.EnineerinesearchCenterofMinistrfEducationforRenewableEnerenerationandRoG

ggygy

,,),

UGridConnectionTechnoloXinianniversitrumi830047ChinaU

gyjgyq

(,,;,

U1.SchoolofElectricalEnineerinXinianniversitrumi830047ChinaU

ggjgyq

eneratorisoftenusedtosolvetheroblemofnoinertiaandnodamininthedistribution

pgpg

,

network.Howeverduetothenonlinearoweranlerelationshifthevirtualsnchronouso

pgpy

addedtotheadativecontrolstratefVSGofinertiaanddaminoefficientunderlareoc

pgypgg

,

adisturbancendanimrovedVSGadativearameterscontrolstratenderlareu

pppgyg

,

tarametersheadativearameterscontrolstratefimrovedVSGreducedtheo

pppgyp

,,

overshootoffreuencndowersuressedtheoscillationavoidedtheunbalanceofVSGa

pqypp

,,

weneratorhenalaredisturbanceoccursthevirtualsnchronouseneratormaosel

gggyy

balance.InordertosolvetheroblemoftheunbalanceofVSGthecontrolvariablewas

p

,

K

:,

Abstract

Afterthedistributednewenersconnecttotheridthevirtualsnchronousi

ggyy

/

disturbancewasroosed.ThesimulationresultsinMatlabSimulinkenvironmentshowed

pp

thatcomaredwiththecontrolstrateffixedo

J

,,

DJD

pp

arametersandadative

pgy

收稿日期

:

2020-08-16

);)(,

基金项目新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题

:(

国家自然科学基金资助项目

2018D040055176702451667020

,:,,,);

作者简介吕

:

E1998--mail1965488360@.com*

聪通信作何山

((

女河南淮滨人新疆大学硕士研究生

qq

,),,

:

者新疆大学教授博士生导师

E-mail2513041660@.com.

qq

;

controloweranlecharacteristics

pg

andenhancedtransientstabilit.

y

:;;;

Kewords

virtualsnchronouseneratoradativecontroltransientstabilitoweranle

gypypg

y

第期吕聪等大扰动下改进的自适应参数控制策略

3 VSG

,:

59

分布式新能源通过电力电子器件并网电力电子器件不具备惯性阻尼使系统整体的惯性阻尼降

,、,、

,,)

简称将

VVeneratorSGSG

通过调节这些参数为系统提供惯的转动惯量和阻尼系数引入逆变器

,,

g

][

3-4

性和阻尼

.

],

量自适应控制策略以保证文献的平衡性的

,[

VVSG.9SG

在此基础上考虑阻尼系数的选择提出基于

],

独立控制正负序分量能快速抑制负序电流和功率振荡文献

、,[

.11

提出电网发生对称故障时通过有功

指令调整功角大小将功角控制在一定范围内小扰动下的控制策略应用在大扰动下可能增加系

,

.VSG

][

12

,

统谐波影响电能质量的暂态稳定性及控制策略

,

因此有必要研究大扰动下

VSG.

[]

-75

,]

已有的文献模型的稳定性的转动惯

VVVSGSG.8SG

多为分析小扰动下提出了小扰动下

[

1-2

][

低进而影响系统的稳定性为解决此问题研究人员提出虚拟同步发电机

,,(

.virtualsnchronous

y

]

转动惯量及阻尼系数的协同自适应控制策略文献的分序矢量控制方法

.V10SG

[,

提出电压不平衡下

动下改进的该策略在出现大干扰后检测自适应切换自适应参数控制策略功角控制反馈

VVSG.SG

,

正负反馈和选取转动惯量阻尼系数该策略不仅能有效抑制功率频率振荡还能避免失去平

、、、,

.VSG

/

衡在在三相短路故障和两相接地短路故障下验证所提策略环境搭建系统仿真模型

.MatlabSimulink

,

的有效性

.

该文在大扰动下加入控制变量转动惯量及阻尼系数自适应控制策略的基础上

VSG

K

,

提出大扰

,

1 VSG

的基本控制策略

直流电源电流电流分别为的输出电压分别为并网侧的电压分别

;;;、、

UIUILRC

oo11

,,,,

VSG

gg

为滤波电感滤波电感内阻滤波电容电阻分别为传输线路的电感经滤波电路和传

、、;、

.VSG

LRLC

22

,

SVPWM.

调制

输线连接至电网频率控制无功电压控制电压电流双闭环控制控制策略主要包括有功

.VSG--

、、、

图为其中并网后的主电路拓扑结构和相关控制策略示意图为与分布式电源等效的

1VSG

:,

U

dc

图并网后的主电路拓扑结构和相关控制策略示意图

1 VSG

][

13

频率控制通过如下摇摆方程实现的有功

VSG-

ω

P

refe

-d

P

􀮠

,)(

JωωD

-=-

n

d

t

ω

n

􀮡

d

δ

=

ω

,

d

t

􀮢

􀪁􀪁

􀪁

􀪁􀪁

()

1

60

安徽大学学报自然科学版第卷

()

45

其中输出有功功率为虚拟转动惯量为虚拟阻尼系数分别为的参考有功功率分

:;;;、

JDPPωω

renef

VSG

,,

别为电网同步角速度虚拟转子角速度即为并网侧电压与输出电压之间的夹角的功角

、;,

VVSGSG.

δ

无功电压控制通过模拟传统同步发电机的调压特性实现其控制方程为

,

-

**

()

d

MU

fom0rfef

iUKQQ

gm

-+-

,()

=

d

t

K

1

**

其中为励磁绕组与定子绕组间的最大互感分别为并网侧电压的为转子励磁电流

:;;

MiUU

fmomf

g

,

2

幅值输出无功功率输出电压的幅值为下垂系数分别为的参考无功功率

、;;;、

VSGVSG

KQQK

0r1ef

,

为比例系数

.

别为

14

][

,

类比传统同步发电机的电磁关系输出有功功率输出无功功率计算公式分的电势

可得

VSG

、、

**

eωM

=

ff

iδ

ins3

,()

电压外环电流内环的控制方程分别为电压电流双闭环控制起稳压和提高动态稳定性的作用

、

.

**

QωM

=-

ffo

iδI

os.c5

**

P

effo

=

ωMiδI

ins4

,()

()

K

i1

􀮠

*

IU

rorefefo

CUIωU

Ld

1

,

-=-+

ddd

K

p

1

+

q

s

􀮡

K

i1

*

IU

rorefefo

CUIωU

L

1

q

,

-+=-

d

qqq

K

p

1

+

s

􀮢

􀮠

**

UI

g

dddd

2

p

i2

ref2ooo

UdKKKK

riief1122

SGIIPPV

输出的内电势控制参数分量为电压外环为电流内环分别为

,,,

pp

;;

q

q

控制参数

.

),()

根据式所示

(

得到的电压电流双闭环控制框图如图

2.67

其中分别为输出电压的输出电流的分量分量分别为

:;;

UUdIIdU

ooooref

ddd

,,,,,

qq

()

7

􀮡

i2

**

UI

g

ILIωU

o2orefo

-+-=

d

qqqq

2

,

p

􀮢

VSGSGV

qq

=--+

K

K

K

+

s

K

+

s

控制策略以抑制功率波动及调节系统频率

,

.

有功频率控制无功电压控制形成通过模拟传统同步发电机的惯性和阻尼特性并网

、,、

VVSG--SG

2 VSG

大扰动下的暂态稳定性分析

[]

51

曲线如图所示其中均为运行时的平衡点

4VSG.

,

AF

,

图为以并网后的等效电路图线路上点发生三相短路故障为例的功角特性

3VVSG.SG.VSG

H

􀪁􀪁

􀪁

􀪁􀪁

()

6

LIωIU

,

q

􀪁􀪁

􀪁

􀪁􀪁

图电压电流双闭环控制框图

2

第期吕聪等大扰动下改进的自适应参数控制策略

3 VSG

,:

61

图并网后的等效电路

3 VSG

图功角特性曲线

4 VSG

故障发生时电网电压的幅值会降低需要在防止过大的电流损害控制中加入限幅环节

,,,

VSG

限幅环节是否起作用取决于电压外环的输出电流是否超过中的电力电子器件允许的最大

,

VVSG.SG

输出电流若未超过则限幅环节不起作用电流在内环的参考值不变若超过则限幅环节起作用

I

m

.

,,;,,

16

][

改变电流在内环的参考值避免过流导致电力电子器件损坏限幅环节的控制方程为

,

.

**2*2

􀮠

II

II

refrefrefm

dd

,,

+<

q

*

I

ref

d

I

ref

d

=

􀮡

􀮢

I

+

I

其中为输出电流的限幅值

:

I

m

VSG.

故障时限幅作用下等效为一个电流源输出电流为功角关系为不能提供短路电流

V.SG

,,

I

m

*2*2

refref

d

q

I

ref

q

=

􀮡

)/(,,,

由式可知

dVSGVSG1d0

的运行点由点移至在点的输出功率小于参考功率

ABBPP

eref

ωt

>

于是转速增加功角增大假定点故障消失同理可知的运行点则由点移至的

ωδCBC

、、,

VVSGSG

.

运行点沿着曲线从点移至减小但仍大于同步转速继续增加运行点

Ⅱ

CDωωωδ

,,

于是转速功角

,,

n

继续由点移至若转速在反运行到点之前恢复至同步转速恢复稳定运行

DEωEω

.

VSGVSG

n

,

则

;

之转速会继续增加将不会恢复至同步转速持续增大失去平衡

,,、

ωωδ

n

,

于是功角

VSG.

**

()

P

effm

=

ωMiδI

in.10s

VSG4ⅠⅡ.

限幅作用下的运行点从图电流非饱和曲线切换到电流饱和曲线

,

当点发生三相短路故障时功角特性曲线由变为正常运行时稳定在图的点

AA

,,

ⅠⅡ.VSG4

3 VSG

改进的自适应参数控制策略

提出一种改进的自适应参数控制策略

VSG.

其参数可控结构灵活为避免运行状态越过点后出现失衡该文与传统同步发电机相比

、,,

.VSG

E

基于图中设定两种工作模式一是保运行状态是否越过点运行状态未越过点

4VVSGSG

:,,

EE

;()(),

持稳定负反馈模式二是失去平衡正反馈模式将控制变量插入有功运行状态越过点

VSG.

KE

功率环路的正向路径后负反馈模式下的功角特性可保证工作在

,

KK

==-

11.VSG

,

正反馈模式下

􀪁

􀪁

􀪁

􀪁

**2*2

􀮠

II

II

refrefrefm

d

+<

qq

,,

*

I

ref

q

*2*2

II

mrefrefm

,,

II

d

+>

q

*2*2

I

refref

d

+

􀮢

I

q

()

8

􀪁

􀪁

􀪁

􀪁

II

mrefrefm

,,

*2*2

d

+>

II

q

()

9

62

安徽大学学报自然科学版第卷

()

45

负反馈模式下只要故障后存在平衡点就能保持避免运行状态越过点后出现的暂态稳定性

,,,

VSG

E

失衡故障下其中的工作特性如表所示

.VSG1.

ΔPPΔωωω

,

==-

rnefe

-

P

,

表故障下的工作特性

1 VSG

运行情况反馈模式

负反馈段

负反馈段

负反馈段

正反馈越过点

(/)

d

ΔPΔP

d

tΔω

<0>0>0

>0<0>0

<0<0>0

>0>0>0

BC

CD

DE

E

其功角特性为图中的曲线电流未饱和时的运行状态

4Ⅰ VSG

,,;,

且有故障发生后

JJK

==

0

,

1

从电流未饱和曲线切换至电流饱和曲线此时选择合适的的增段

ⅠⅡ

,,

运行于可抑制转速

BJωC

max

,

/,,,

若此时此运行越过点的转速开始变小

VSGdd0VSG

KEω

=-

1

工作模式变为负反馈

,,

ωt

<

时选择合适的减小对阻尼系数来与的差距缩小使在失衡状态下工作

JωDωω

mnin

可使转速

,

VSG.

,

,,,

JKI

0Am

=

1

<

I

􀮠

,,,

JKI

mAmax

=

1

>∩<∩>∩>

IUUΔPΔω

gg

0.900

J

=

􀮡

,,,

JKI

mAmin

=

1

>∩≤≤∩<∩>

IUUUΔPΔω

0.91.100

ggg

􀪁􀪁

􀪁

􀪁􀪁

􀪁

加且有此时选择合适的减小且有段

,,,

KCJωKDDE

==

11.

;,,,

故障切除后运行于可使转速

min

说电流未饱和时取以及运行状态越过段与故障切除后的段

,,,

DDBECCDDE

=

0

;,

故障发生后的

点后均取控制策略如下

,

DDD

=

max

这样能减少暂态过程中频率的超调量以提高频率的稳定性

,,,

.

J

()

11

22

其中

:

IJJD

Ama0fmAm0fmAma0dmAooxinx

=+---+-+===

IIJKIIJKIIDKII

;;;;

d

q

阻尼系数分别为正常运行时的转动惯量为自适应调节系数

;、

JDKK

00fd

,,

VSG.

,(/,),

JKIΔP

mAmin

=-

1

>∩≤≤∩>∩>∩>

IUUUtΔPΔω

0.91.1dd000

ggg

􀮢

DI

0Am

,,

<

I

()

D

=

12

,,

DI

maxAm

>

I

适应算法流程如图所示

6.

图为改进的其中虚线框的参数为自适应控制的参数改进的自适应参数控制框图自

5V.VSGSG

,

图改进的自适应参数控制框图

5 VSG

图改进的自适应算法流程

6 VSG

第期吕聪等大扰动下改进的自适应参数控制策略

3 VSG

,:

63

4

仿真分析

/

在按图搭建单机验证所提控制策略的有效环境下并网后的系统模型

M1VatlabSimulinkSG

,,

性表列出了仿真关键参数

.2.

表仿真关键参数

2

参数数值参数数值

电网电压有效值滤波电感

//

V220mH6

参考有功功率

/

W50000.0437

下垂系数

额定频率滤波电容

//

Hz50F8

直流电压参考无功功率

//

V600Var6000

μ

(/

·)

mk

2

转动惯量

g

136.36362.533

-1

(/

·)··

rNmsad

阻尼系数

4.1 VSG

三相短路故障下的仿真分析

VSG0.3s0.3sVSG

并网后的前系统正常运行时线路上点发生三相短路故障的控制策略

;,

H

开始作用图有功功率比较时故障被切除分别为种控制策略下输出的电压频率

;、

7.0.31s.83VSG

,

由图可知与其他两种控制策略相比种控制策略的输出的电压频率均有不同程度的超调量

73VSG

,,;

改进的故障切除后电压频率的振荡幅度最自适应参数控制策略的电压频率的超调量偏差最小

VSG

,

输出的有功功率超调量偏差最小故障切除后有功功率的振荡幅度最小衰减速度最快能快速恢复至

,、,

稳定运行状态

.

小衰减速度最快能快速恢复至稳定运行状态由图可知改进的自适应参数控制策略的

、,,

.8VSGVSG

图三相短路故障下种控制策略的输出的电压频率比较

7 3VSG

图三相短路故障下种控制策略的输出的有功功率比较

8 3VSG

,;,,,,

常运行时点发生三相短路故障时均为

,

可满足正常工作时的动态响应要求线路上

HJDKJD

00

1

三相短路故障下改进的由图可知自适应参数控制策略的参数变化情况如图所示正

V9SG9.VSG

:

64

安徽大学学报自然科学版第卷

()

45

及故障被切除后减少了功率及频率的超调量抑制了振荡在满足触发条件下均能自适应调整

,、,

.

JDK

,,

图三相短路故障下改进的自适应参数控制策略的参数变化情况

9 VSG

()()();;

转动惯量阻尼系数自适应参数

.abc

4.2 VSG

两相短路接地故障下的仿真分析

0.3s0.31s.3VSG

时线路上点发生两相短路接地故障故障被切除种控制策略下输出的电

H

,

压频率和有功功率比较分别如图由图相比其他两种控制策略改进的所示可知自适

11V011.0SG

,,

,

应参数控制策略的故障切除后电压频率的振荡幅度最小衰减速输出的电压频率的超调量最小

VSG

、,

故障切除后有功功率的振荡幅度最小衰减速度最快可见改输出的有功功率超调量偏差最小

、,,,

VSG

进策略提高了的暂态稳定性

VSG.

度最快可见改进策略提高了由图改进的的暂态稳定性可知自适应参数控制策略的

,,,

V1VSG.1SG

图两相短路接地故障下种控制策略的输出的电压频率比较

10 3VSG

图两相短路接地故障下种控制策略的输出的有功功率比较

11 3VSG

常运行时点发生两相短路接地故障时及故障切除后均为均能在

JHDKJDJDK

,,,,,,,

线路上

,

00

1

图由图为两相短路故障下改进的自适应参数控制策略的参数变化情况可知正

112VSG.2VSG

:

第期吕聪等大扰动下改进的自适应参数控制策略

3 VSG

,:

65

满足触发条件下自适应调整减少了功率及频率的超调量抑制了振荡

,、

.

图两相短路接地故障下改进的自适应参数控制策略的参数变化情况

12 VSG

()()();;

转动惯量阻尼系数自适应参数

.abc

5

结束语

/

略在搭建单机验证所提控制策略的有效性仿真环境下并网后的系统模型

.MV.atlabSimulinkSG

,,

结果表明不同故障下相对于改进的自适应参数控制策略和定参数控制策略自适应

:,,

JDJD

,,

VSG

参数控制策略减少了频率功率的超调量抑制了振荡避免了提高了暂态稳定性的失衡

、,,,

V.SG

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责任编辑

郑小虎

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