基于参数协同自适应的VSG控制策略研究.pdf

圆园23,38穴10雪基于参数协同自适应的 VSG 控制策略研究DOI院10.19557/ki.1001-9944.2023.10.001张晓辉1袁党媛2袁党存禄1渊1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院袁兰州 730050曰2.兰州工业学院 电气工程学院袁兰州 730050冤摘要院分布式电源在并网时可能出现功率振荡和频率波动袁常规的虚拟同步发电机渊virtualsynchronous generator袁VSG冤控制在动态调节过程中虚拟惯性和阻尼系数固定袁动态调节性能较差遥针对这一问题袁该文提出一种基于自适应参数的VSG控制策略袁该策略可在动态过程中对参数进行在线调整遥通过建立VSG数学模型尧分析参数变化对系统暂态振荡的影响袁并确定自适应参数的选取原则袁利用角频率变化率和频率偏差建立参数自适应控制模型遥最后袁通过Matlab/Simulink仿真验证所提控制策略的有效性遥关键词院VSG曰虚拟惯量曰阻尼系数曰自适应控制中图分类号院TM464文献标识码院A文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园23冤10鄄园园园员鄄园5Research on VSG Control Strategy Based on Parameter Collaborative AdaptiveZHANG Xiaohui1袁DANG Yuan2袁DANG Cunlu1渊1.School of Electrical Engineering and Information Engineering袁Lanzhou University of Technology袁Lanzhou 730050袁China曰2.School of Electrical Engineering袁Lanzhou Institute of Technology袁Lanzhou 730050袁China冤Abstract院The power oscillation and frequency fluctuation may occur when the distributed power supply is connectedto the grid.The conventional virtual synchronous generator渊VSG冤 control has fixed virtual inertia and damping coeffi鄄cient in the process of dynamic regulation袁so the dynamic regulation performance is poor.To deal with the problem袁this article proposes a VSG control strategy based on adaptive parameters袁which can adjust parameters online in dy鄄namic process.By establishing VSG mathematical model袁analyzing the influence of parameter changes on the tran鄄sient oscillation of the system袁and determining the selection principle of adaptive parameters袁the parameter adaptivecontrol model is established by using the angular frequency change rate and frequency deviation.Finally袁the effec鄄tiveness of the proposed control strategy is verified by Matlab/Simulink simulation.Key words院virtual synchronous generator渊VSG冤曰virtual inertia曰damping coefficient曰adaptive control收稿日期院2023-03-29曰修订日期院2023-08-01作者简介院张晓辉渊1996要冤袁男袁硕士研究生袁研究方向为微电网控制技术曰党媛渊1992要冤袁女袁硕士研究生袁研究方向为智能配电网遥近年来袁以风光为代表的可再生能源的渗透率不断升高袁微网的概念得到国内外广大学者的研究1遥 传统的并网逆变器具有柔和可控性袁惯量低尧欠阻尼尧响应速度快袁难以为微源接入电力系统提供必要的惯量和阻尼支撑遥 大规模接入的新能源和电力电子器件袁在受到干扰后袁会使低惯量电力系统的频率调节能力减弱2遥 为了解决电力电子器件惯性和阻尼不足的问题袁学者们借鉴传统发电机的运行模式袁即通过控制算法模拟同步电机的外部特性袁有效提高新能源高渗透系统的惯性和阻尼水平遥基于该思想袁虚拟同步发电机技术渊VSG冤应用而生3袁在暂态过程中袁通过 VSG 的惯量和阻尼来减小系统的频率波动袁并补偿功率差额袁以抑制系统的振荡来增强系统的稳定性4遥 惯性常数和阻尼系数专题研究与综述1粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪是传统发电机固有的特性袁惯量和阻尼是改善系统动态性能的关键5遥 VSG 可以通过自适应控制调节虚拟惯性和阻尼来改善其动态特性遥 当电源侧有功出力发生变化或负荷出现扰动时袁可能会出现暂态振荡遥针对 VSG 分布式电源并网时出现的功频振荡问题袁文献6通过分析暂态过程中功率和频率的变化机理袁提出参数自适应控制算法袁改善了功频响应特性遥 上述文献只考虑了转动惯量对功频稳定性的影响袁并没有考虑阻尼的作用曰文献7通过分析同步机惯量和阻尼与系统频率的关系袁提出一种惯量阻尼自适应综合控制算法袁实现 VSG 参数的交错控制遥基于以上分析袁本文提出一种基于参数协同自适应的 VSG 控制策略袁使 VSG 虚拟参数能更好地跟踪频率波动袁并设置频率偏差和频率变化率阈值进行自适应袁避免了由于频率波动小而引起的虚拟惯量和虚拟阻尼的频繁变化袁减少了自适应算法的计算量遥 最后袁通过仿真验证了本方案的有效性遥1VSG 控制基本原理1.1VSG 数学模型VSG 控制结构如图 1 所示遥采用 VSG 控制的并网逆变器的基本工作原理是院电网调度层根据调度信息给出有功功率指令 Pref和无功功率指令 Qref遥 同时袁通过在线监测装置测量逆变器电网侧的有功输出 Pe和无功输出 Q遥 根据上述功率参数袁通过 VSG控制算法得到 VSG 输出电压与电网电压的相位差袁即功角 啄 和输出电压 E袁 然后通过电压电流双环控制得到输出信号袁作用于开关管的通断遥 控制系统为三环控制袁外环是由虚拟励磁器和虚拟调速器组成功率控制环袁用以提供系统的频率和电压支撑曰内环为双环控制袁在加快电流的跟随性的同时袁维持 VSG 输出电压遥极对数为 1 的 VSG 转子运动方程为J棕d棕dt=Pm-Pe-D渊棕-棕0冤d啄dt越棕扇墒设设缮设设渊1冤式中院Pm为机械功率曰Pe为电磁功率曰J 为虚拟惯量曰D 为虚拟阻尼系数曰棕 为实际角速度曰棕0为额定角频率曰啄 为 VSG 的功角遥根据同步发电机的一次调频袁VSG 的功频控制方程为Pm=Km渊棕0-棕冤+Pref渊2冤式中院Pref为给定有功功率曰Km为有功下垂系数遥同理袁VSG 的无功-电压控制由励磁控制器来实现袁通过调节虚拟电势 E 以维持 VSG 输出电压的稳定遥 励磁调节控制方程为E越E0+KQ渊Qref-Q冤+KV渊Uref-U冤渊3冤式中院E尧E0分别为励磁电动势和空载电势曰Uref尧U 分别为 VSG 输出电压的参考值和实际值曰KQ是无功调节系数曰KV是电压调节系数遥由式渊1冤和式渊3冤可得 VSG 的控制框图如图 2所示遥VSG 的三相给定电压为e=eaebec杉删山山山山煽闪衫衫衫衫越Epsin渍Epsin渊渍-2仔/3冤Epsin渊渍+2仔/3冤杉删山山山山煽闪衫衫衫衫渊4冤式中院Ep为相电压的幅值曰渍 为 VSG 的相位遥1.2参数 J 和 D 对 VSG 输出特性的影响1.2.1J和 D 对有功功率输出特性的影响VSG 的输出功率如式渊5冤所示院图 1VSG 控制原理图Fig.1VSG control schematic diagram图 2VSG 控制框图Fig.2Control block diagram of VSG式渊4冤员sUnUKVE0ea袁eb袁ecEQQrefPmPe员棕员Js驻Te驻棕棕0棕D渍KQUdciLaiLbiLcRfLfuaucubiaibic公共母线电压电流采集处理uabciabcCf棕gUQPeSVPWM调制电压电流双闭环控制Uref兹E虚拟励磁器员s棕Pm虚拟调速器Pref棕refQrefUref摆动方程专题研究与综述2圆园23,38穴10雪图 3有功功率阶跃响应曲线Fig.3Step response curve of active powerPe越EUcos渊兹-啄冤Z-U2cos兹ZQ越EUsin渊兹-啄冤Z-U2sin兹Z扇墒设设缮设设渊5冤式中院U 为机端电压曰兹尧Z 分别为线路阻抗角和阻抗遥 Z和 兹 的表达式为Z越渊棕L冤2+R2姨兹越arctan渊棕L/R冤嗓渊6冤式中院R尧L 分别为电阻和滤波电感遥 当线路阻抗为感性时袁L 远大于 R袁取 R=0袁可得院Pe越EUsin啄X抑EUX啄渊7冤由式渊1冤和式渊7冤可得袁VSG 有功功率传递函数如式渊8冤所示院G渊s冤=EU/J棕0Xs2+渊D/J冤s+EU/J棕0X渊8冤则自然振荡角频率 棕n和阻尼比 孜 分别为棕n越1J棕0EUX姨孜越D2棕0XJEU姨扇墒设设缮设设渊9冤若 孜 的取值范围为 0耀1袁误差带为依5%袁则系统的超调量 滓%和调节时间 ts为滓%=exp-仔孜/1-孜2姨蓸蔀伊100豫渊10冤ts越3.5孜棕n=7JD渊11冤在功率指令给定的情况下袁根据式渊8冤可得袁VSG 的有功功率输出响应曲线袁如图 3 所示遥由图 3可以看出袁当 J增大时袁VSG 的有功超调量也增大袁功率出现振荡现象袁这是由于自然振荡角频率 棕n的逐渐减小袁因此振荡变得愈剧烈袁且稳定的时间变长曰随着阻尼系数 D 的增大袁系统阻尼增加袁有功功率的超调量逐渐减小且上升时间增大袁这是由于阻尼比 孜 逐渐增大袁响应曲线越平稳袁系统更加稳定遥1.2.2J和 D 对角频率输出特性的影响在功率指令给定袁即有功功率为 10 kW袁无功功率为 0 的情况下袁角频率变化的评价指标如图 4 所示遥 由图 4渊a冤可以看出袁同时增大 J 和 D 会导致暂态过程中角频率的过冲量 驻棕max减小袁反之袁则会使其增大曰由图 4渊b冤可得袁当 J 增大时袁调节时间 ts也随之增大袁在 D 增大的过程中袁ts先减小后增大袁这是由于在暂态过程中袁阻尼较小时袁不能快速抑制过大的振荡遥 但随着 D 的增大袁系统的响应速度逐渐变慢袁调节时间变长遥15105000.511.52t/s伊103J=0.5J=1.0J=1.5J=2.0渊a冤J取不同值15105000.511.52t/s伊103D=10D=20D=30D=40渊b冤D 取不同值渊a冤角频率的过冲量图 4不同 J 和 D 对角频率输出特性的评价指标Fig.4Evaluation indexes of angular frequency outputcharacteristics of different J and D0.400.350.300.250.200.15204060801000.50.40.30.20.1渊b冤角频率的调节时间0.80.70.60.50.40.30.20.10403020100 0.10.50.20.30.4专题研究与综述3粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪综上袁VSG 的动态性能由 J 和 D 共同决定袁对输出特性相互制约遥 减小 J虽然实现了功率的快速响应袁但会使角频率变化率增大曰增大 J袁频率波动减小袁但会带来系统振荡遥 另外袁当 D 较大时袁可抑制功频振荡袁但会减缓系统响应的快速性遥 因此袁应折中考虑性能指标袁选取合适的 J和 D遥2VSG 参数自适应算法2.1J 和 D 整定原则同步发电机的功角和角频率振荡曲线袁如图 5所示遥当系统受到扰动时袁系统发生振荡遥 根据角频率振荡曲线袁一个振荡周期咱t1袁t5暂可分为 4 个阶段袁当系统处于振荡周期的第 1 阶段渊t1耀t2冤时袁P2P1袁棕棕0袁d棕/dt0袁d棕/dt 先增加后减小袁因此袁需要增大J 和 D 来抑制 d棕/dt 的突变袁同时减小频率偏差曰当系统处于第 2 阶段渊t2耀t3冤时袁P3P2袁棕棕0袁d棕/dt000增大增大2000减小稍大300增大增大400减小稍大专题研究与综述4圆园23,38穴10雪根据式渊1冤袁当系统处于稳态时袁角速度不变袁阻尼系数 D 须满足院0约D约Tm-Te渊棕max-棕0冤渊15冤3仿真分析为验证所提控制策略的合理性袁利用 Matlab/Simulink 平台进行仿真验证袁仿真系统主要参数如表2 所示遥采用单机 VSG 运行在并网模式下袁仿真时长为2 s遥 在初始阶段不带负荷运行袁在 0.5 s 时有功参考值从 0 突增到 15 kW袁1.2 s 时又恢复到初始状态袁无功功率恒定遥在不同的控制策略下袁VSG 的有功功率输出和频率响应曲线袁如图 6 和图 7 所示遥由图 6 和图 7 可以看出袁当系统增加有功输出时袁VSG 转动惯量 J 和阻尼系数 D 采用参数固定时有功功率和频率响应曲线均具有较大超调袁调节时间也相应较长袁系统受振荡的影响比较严重曰当 J 单独变化时袁有功功率的振荡频率发生变化曰当 D 单独变化时袁振荡的衰减速率发生变化曰J/D 自适应控制时的有功超调量和调节时间尧频率偏差相对较小袁控制效果得到进一步提高遥参数协同自适应控制时 J 和 D 的变化情况袁如图 8 所示遥由图 8 可以看出袁在 0.5 s 突增负荷的情况下袁VSG 的参数 J 和 D 均发生连续变化遥 在起始阶段袁J和 D 均增大袁以抑制暂态过程中的功频振荡现象曰在有功功率响应和频率恢复过程中袁虚拟惯量和虚拟阻尼的值都恢复到初始参数袁这是由于振荡时的频率变化率和频率偏差值都为 0 造成的遥综上所述袁本文提出的改进 VSG 控制策略具有更好的动态性能遥 自适应 J和 D 参数的改变不仅可以减小最大频率偏差袁还可以降低有功功率超调量袁缩短调节时间袁说明了 VSG 的灵活性和可控性遥4结语针对传统可再生能源接入电网时可能出现的功率振荡和频率波动问题袁本文提出了一种基于参数协同自适应的 VSG 控制策略袁通过仿真对比分析得到以下结论院通过建立 VSG 的数学模型袁分析暂态过程中参数变化对功频特性的影响袁虚拟惯量主要影响振荡频率袁阻尼系数主要影响振荡的衰减速率曰所提控制策略同时兼顾响应的表 2仿真系统主要参数Tab.2Main parameters of simulation system参数数值参数数值Udc/V800Ug/V380F0/Hz50T1Lf/mH10Kj0.8Cf/滋F5Kd20J00.2Tj2.5D010Td0.11510500.511.52t/s伊103JD自适应参数固定J变化袁D固定J固定袁D变化图 6不同控制策略下的有功功率对比Fig.6Comparison of active power under differentcontrol strategies图 7不同控制策略下的频率对比Fig.7Comparison of frequency under differentcontrol strategies50.550.049.50.511.52t/sJD自适应参数固定J变化袁D固定J固定袁D变化32100.511.52t/s渊a冤转动惯量 J的变化252015100.511.52t/s渊b冤阻尼系数 D 的变化图 8J/D 自适应控制的参数变化Fig.8Parameter change of J/D adaptive control渊下转第 10 页冤专题研究与综述5粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶圆园23,38穴10雪渊上接第 5 页冤 快速性与系统的稳定性袁有效抑制暂态过程功频振荡袁改善有功输出与频率的响应特性袁控制效果得以有效提升遥参考文献院1杨新法袁苏剑袁吕志鹏袁等.微电网技术综述J.中国电机工程学报袁2014袁34渊1冤院57-70.2谢小荣袁贺静波袁毛航银袁等.野双高冶电力系统稳定性的新问题及分类探讨J.中国电机工程学报袁2021袁41渊2冤院461-475.3吕志鹏袁盛万兴袁钟庆昌袁等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用J.中国电机工程学报袁2014袁34渊16冤院2591-2603.4宋振浩袁陆立民袁胥峥袁等.VSG 虚拟惯量动态区间控制策略J.电力建设袁2019袁40渊2冤院45-53.5闵勇袁陈磊袁刘瑞阔袁等.电力系统频率动态中惯量与惯量响应特性辨析J.中国电机工程学报袁2023袁43渊3冤院855-868.6杨赟袁梅飞袁张宸宇袁等.虚拟同步发电机转动惯量和阻尼系数协同自适应控制策略J.电力自动化设备袁2019袁39渊3冤院125-131.7李东东袁朱钱唯袁程云志袁等.基于自适应惯量阻尼综合控制算法的虚拟同步发电机控制策略J.电力自动化设备袁2017袁37渊11冤院72-77.姻3.2控制策略在过程控制系统中袁控制器是整个控制系统的核心袁作用是将被控变量与给定值进行比较袁得到偏差 e渊t冤袁并产生一个能减少偏差的控制信号 u渊t冤袁以满足系统的控制要求9遥 在工业生产中袁常常是各种基本控制规律的不同组合袁控制液位的恒定袁通常使用 PID 控制器遥原油生产过程的油水分离控制上袁采用了比较经典尧技术成熟的 PID 控制遥 PID 是比例尧积分和微分调节运算方法袁它的原理是基于误差来生成消除误差的控制策略袁是一种使用误差的过去尧现在和变化的趋势加权总和的控制策略10遥4结语针对联合站液位波动大尧精度高袁本文以西门子 S7鄄300 提供的 PID 控制器 FB41 为基础袁设计了一套液位系统袁极大地提高了控制效率遥 控制系统很好地满足了用户需求袁 实现了原油质量的保证袁有效地做到了降低成本遥 工控机 IPC+西门子 S7鄄300 PLC+ET200M 的控制系统通过 PROFINET 和PROFIBUS 总线技术实现了上位机监控尧下位机控制的目的遥 利用北京亚控公司组态王软件组态的现场画面袁实现了数据和参数的可视化操作袁提高了自控水平遥参考文献院1张雪峰.油田脱水站集中监控模式的应用J.油气田地面工程袁2017袁36渊8冤院66-70.2阚峰.浅议油田联合站原油脱水工艺运行的影响因素J.化工管理袁2015渊24冤院171.3韩立辉.采油厂联合站计算机监控系统的实现J.化学工程与装备袁2020渊9冤院122-123.4王科.油田联合站工作体系下的 PLC 应用探析J.中国设备工程袁2021渊15冤院243-244.5赵宇玄.PLC 和 PID 在联合站监控系统中的应用J.化工管理袁2020渊30冤院193-194.6徐竟天袁张乃禄袁冯劲袁等.基于 Fuzzy鄄PID 算法的分离器液位控制系统研究J.油气田地面工程袁2009袁28渊8冤院35-37.7程瑞洲袁徐竟天袁周红芳袁等.基于 PLC 软冗余的油田注水站控制系统的设计J.自动化与仪表袁2015袁30渊9冤院55-59.8乔艳丽.基于 S7鄄300 PLC 的油库计算机监控系统研究J.工业控制计算机袁2020袁33渊6冤院148-149+154.9Priyanka袁E.B.袁C.Maheswari袁B.Meenakshipriya.Parameter moni鄄toring and control during petrol transportation using PLC basedPID controllerJ.Journal of Applied Research and Technology袁2016袁14渊2冤院125-131.10 Priyanka袁E.B.袁C.Maheswari袁S.Thangavel.Online monitoring andcontrol of flow rate in oil pipelines transportation system byusing PLC based fuzzy鄄PID controllerJ.Flow Measurement andInstrumentation袁2018渊62冤院144-151.姻图 6液位控制系统的工作原理Fig.6Working principle of liquid level control systemPLC控制器4耀20 mA4耀20 mA变频器变频器0耀50 Hz0耀50 Hz抽油泵油外输抽水泵水外输水室油室来油四相分离器水位变送4耀20 mA油位变送4耀20 mA专题研究与综述10