本發(fā)明涉及虛擬同步發(fā)電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著新能源發(fā)電方式的迅速發(fā)展，以風(fēng)能和太陽能發(fā)電為主的新能源發(fā)電受到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。鑒于新能源發(fā)電需要通過逆變器接入大電網(wǎng)，而傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)裝機(jī)比例正在逐漸下降，因此，在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上引入虛擬同步發(fā)電機(jī)(vsg)控制顯得尤為重要。vsg控制的本質(zhì)是一種模擬同步發(fā)電機(jī)特性的逆變器控制方法，通過引入虛擬慣量和阻尼，旨在增強(qiáng)微電網(wǎng)的慣性和提高其運(yùn)行穩(wěn)定性。

2、雖然傳統(tǒng)vsg控制已經(jīng)對系統(tǒng)頻率和輸出功率進(jìn)行了改進(jìn)，但尚未充分利用虛擬同步電機(jī)的虛擬慣性和阻尼的可調(diào)特性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，使逆變器控制更加靈活地應(yīng)對不同工況，提出了自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的vsg控制方法。在這種方法中，當(dāng)vsg系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)靈活可調(diào)的優(yōu)勢，將二者進(jìn)行聯(lián)合調(diào)整，以獲得更佳的頻率響應(yīng)效果。

3、在此基礎(chǔ)上，為了更好地抑制頻率波動(dòng)，利用頻率偏移量和頻率變化率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)了參數(shù)的自適應(yīng)控制律。因此，設(shè)計(jì)合理的自適應(yīng)控制律，并簡化控制律中的固定參數(shù)和閾值計(jì)算，對于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下具備更優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)在不同工況下的自適應(yīng)需求，本發(fā)明公開了一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，設(shè)計(jì)了根據(jù)角速度偏移量和角速度變化率的自適應(yīng)控制律，以增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上采用改進(jìn)的鯨魚算法，對自適應(yīng)控制律的參數(shù)和閾值進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)更精準(zhǔn)的輸出。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明公開了一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，包括如下步驟：

3、步驟1：根據(jù)三相全橋式逆變器的濾波電感電流和濾波電容電壓，通過abc-dq坐標(biāo)變換計(jì)算輸出的有功功率p及無功功率q；

4、步驟2：建立vsg控制策略的小信號(hào)模型，確定傳遞函數(shù)，根據(jù)vsg的二階傳遞函數(shù)，對有功控制環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，得到阻尼比和二階固有角頻率與阻尼系數(shù)d以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的函數(shù)關(guān)系；

5、步驟3：根據(jù)步驟2得到的阻尼比和二階固有角頻率的函數(shù)關(guān)系，考慮系統(tǒng)的阻尼比范圍，以及有功功率環(huán)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)時(shí)間，確定阻尼系數(shù)d以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的取值范圍；

6、步驟4：根據(jù)步驟3得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j和阻尼系數(shù)d的取值范圍，采用鯨魚優(yōu)化算法將穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j0和阻尼系數(shù)d0以及區(qū)分角速度變化率改變大小的閾值視為待優(yōu)化的鯨魚個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化；

7、步驟5：根據(jù)步驟4輸出的穩(wěn)態(tài)下最優(yōu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j0和阻尼系數(shù)d0以及區(qū)分角速度變化率改變大小的閾值，設(shè)置角速度變化δω和角速度變化率的閾值，細(xì)分δω和變化區(qū)間，確定實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j和阻尼系數(shù)d；

8、步驟6：根據(jù)步驟5確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j和阻尼系數(shù)d，得到虛擬調(diào)速器輸出相角，再與勵(lì)磁控制器輸出的電壓幅值生成電壓給定值；

9、步驟7：根據(jù)步驟6得到的電壓給定值經(jīng)過電壓電流雙閉環(huán)控制輸出，通過pwm發(fā)生器來對三相逆變器的全橋開關(guān)進(jìn)行信號(hào)控制。

10、進(jìn)一步地，所述步驟2中獲取的阻尼比和二階固有角頻率與阻尼系數(shù)d以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的函數(shù)關(guān)系為：

11、

12、式中：e為vsg輸入端口電壓出電壓；u為vsg輸出端口電壓；x為等效阻抗；ξ為阻尼比；ωn為二階固有角頻率；d為阻尼系數(shù)；j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω0為電網(wǎng)側(cè)角速度。

13、進(jìn)一步地，所述步驟3中確定的阻尼系數(shù)d以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的取值范圍為：

14、

15、式中：fcmax為最大截止頻率，根據(jù)阻尼比和二階固有角頻率與阻尼系數(shù)d以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的函數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j和阻尼系數(shù)d可以互相表示，在確定阻尼系數(shù)d的范圍后，也就確定了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的取值范圍。

16、進(jìn)一步地，所述步驟4中鯨魚優(yōu)化算法以thd指標(biāo)和itae指標(biāo)的加權(quán)函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，其適應(yīng)度值y的具體計(jì)算公式為：

17、

18、式中：uzon和uzol分別為輸出電壓諧波幅值和基波幅值；e(t)為誤差信號(hào)，即設(shè)定頻率與實(shí)際輸出頻率的頻率差；a和b分別為thd和itae的加權(quán)系數(shù)。

19、進(jìn)一步地，所述步驟4中將穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j0和阻尼系數(shù)d0以及區(qū)分角速度變化率改變大小的閾值視為待優(yōu)化的鯨魚個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化，包括如下步驟：

20、步驟4.1：設(shè)置初始參數(shù)，包括種群大小、最大迭代次數(shù)、解空間的上下限；

21、步驟4.2：使用kent混沌映射初始化鯨魚種群；

22、步驟4.3：計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度，記錄當(dāng)前最優(yōu)的鯨魚個(gè)體位置所代表的穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j0和阻尼系數(shù)d0以及區(qū)分角速度變化率改變大小的閾值njm；

23、步驟4.4：在當(dāng)前迭代次數(shù)小于最大迭代次數(shù)時(shí)，計(jì)算改進(jìn)的收斂因子和自適應(yīng)權(quán)重w，并更新參數(shù)a和c，生成隨機(jī)數(shù)p；

24、步驟4.5：更新鯨魚種群的位置，計(jì)算適應(yīng)度值，濾出新的最優(yōu)個(gè)體：

25、步驟4.6：引入貪心機(jī)制決定是否更新當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體；

26、步驟4.7：計(jì)算最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度并進(jìn)行排序，將適應(yīng)度值最優(yōu)的鯨魚個(gè)體作為全局最優(yōu)解，選擇適應(yīng)度較好的一半個(gè)體進(jìn)入下一輪循環(huán)迭代；

27、步驟4.8：判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，觀測頻率誤差和總諧波失真是否達(dá)標(biāo)，若達(dá)標(biāo)則進(jìn)行步驟4.9，否則返回步驟4.4繼續(xù)迭代；

28、步驟4.9：輸出穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j0和阻尼系數(shù)d0以及區(qū)分角速度變化率改變大小的閾值njm，參數(shù)優(yōu)化結(jié)束。

29、進(jìn)一步地，所述步驟4.4中，改進(jìn)的收斂因子和自適應(yīng)權(quán)重w具體計(jì)算過程為：

30、

31、式中：t為當(dāng)前迭代次數(shù)；maxiter為最大迭代次數(shù)；k和d為調(diào)整系數(shù)。

32、進(jìn)一步地，所述步驟5中細(xì)分δω和變化區(qū)間，確定實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j和阻尼系數(shù)d具體為：

33、

34、式中：j0、d0分別為穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)；k1、k2、k3和m1、m2分別為比例系數(shù)和指數(shù)系數(shù)；njs和nds分別為角速度變化率大小的最小閾值、角速度變化大小的最小閾值；njm為優(yōu)化后區(qū)分角速度變化率改變大小的閾值；njl和ndl分別為角速度變化率變化大小的最大閾值、角速度變化大小的最大閾值；jb和db分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的邊界值，sign(x)為符號(hào)函數(shù)。

35、本發(fā)明的有益效果：1)在確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)參數(shù)范圍的情況下，運(yùn)用改進(jìn)的鯨魚算法來簡化傳統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)以及區(qū)分角速度變化率大小的閾值。2)針對系統(tǒng)接入不同負(fù)載或者受到小擾動(dòng)時(shí)的角速度不同的變化情況，細(xì)分角速度變化區(qū)間，選擇更適合的自適應(yīng)函數(shù)，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

技術(shù)特征：

1.一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟2中獲取的阻尼比和二階固有角頻率與阻尼系數(shù)d以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的函數(shù)關(guān)系為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟3中確定的阻尼系數(shù)d以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j的取值范圍為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟4中鯨魚優(yōu)化算法以thd指標(biāo)和itae指標(biāo)的加權(quán)函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，其適應(yīng)度值y的具體計(jì)算公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟4中將穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j0和阻尼系數(shù)d0以及區(qū)分角速度變化率改變大小的閾值視為待優(yōu)化的鯨魚個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化，包括如下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟4.4中，改進(jìn)的收斂因子和自適應(yīng)權(quán)重w具體計(jì)算過程為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟5中細(xì)分δω和變化區(qū)間，確定實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j和阻尼系數(shù)d具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種虛擬同步發(fā)電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)控制方法。該方法首先建立了VSG控制模型，并計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的上下限。隨后，結(jié)合改進(jìn)的鯨魚優(yōu)化算法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到穩(wěn)態(tài)下VSG系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的穩(wěn)態(tài)值以及自適應(yīng)控制律的閾值。最后設(shè)計(jì)合適的自適應(yīng)控制律，通過設(shè)置閾值細(xì)分頻率偏差和頻率變化率的變化情況，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)策略的合理匹配，輸出系統(tǒng)自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)。該方案可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的頻率變化率與頻率偏差，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)以改善系統(tǒng)的阻尼比，確保頻率和電壓響應(yīng)的精準(zhǔn)控制，有效改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

技術(shù)研發(fā)人員：王琛,楊艷,李昊遠(yuǎn),譚欣悅,范江燕,許濤,王業(yè)琴,張銘
受保護(hù)的技術(shù)使用者：淮陰工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9