基于模糊的虛擬同步發(fā)電機(jī)慣量阻尼自適應(yīng)控制策略

王思宇，蔣林

（ 西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500 ）

0 引言

隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的不斷加劇，新能源分布式發(fā)電技術(shù)受到了持續(xù)和廣泛的關(guān)注[1]。新能源發(fā)電主要采用并網(wǎng)逆變器等電力電子設(shè)備，具有控制靈活、暫態(tài)時(shí)間短的特點(diǎn)，但由于其缺少慣性和阻尼的支撐，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為此，有學(xué)者提出采用虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator）的控制策略，使并網(wǎng)逆變器具備類似于同步發(fā)電機(jī)的慣性和阻尼，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的抗干擾能力，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供了一種新的途徑[2]。

為提升VSG控制策略下系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)VSG控制方法的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]結(jié)合同步發(fā)電機(jī)的功角曲線和轉(zhuǎn)子慣量的物理意義，提出了一種自適應(yīng)虛擬轉(zhuǎn)子慣量的VSG控制方法，通過(guò)調(diào)整虛擬慣量來(lái)調(diào)節(jié)有功和系統(tǒng)頻率，但該方法并未考慮阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[4]提出一種自適應(yīng)慣量控制策略，預(yù)設(shè)了三種不同的工作模式，根據(jù)不同的模式選取不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并詳細(xì)分析阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，但是未給出3種工作模式的具體劃分原則。文獻(xiàn)[5]提出了一種慣量阻尼交錯(cuò)控制方法，在不同時(shí)間段分別控制慣量和阻尼，但是并未給出相關(guān)參數(shù)的選取原則。文獻(xiàn)[6]提出基于ping-pong控制的自適應(yīng)慣量控制策略，根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，選取不同的慣量值，減少角速度的恢復(fù)時(shí)間和偏移量。

本文分析了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，提出一種基于模糊的慣量阻尼系數(shù)同步自適應(yīng)控制策略。與固定參數(shù)和自適應(yīng)阻尼控制方法相對(duì)比，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

2 VSG基本原理

虛擬同步機(jī)是并網(wǎng)逆變控制的一種控制策略，使分布式發(fā)電系統(tǒng)具備同步發(fā)電機(jī)的特性。虛擬同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中VSG算法是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其主要包含三個(gè)部分：虛擬頻率控制器、虛擬勵(lì)磁控制器和VSG模型。

圖1 虛擬同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

采用同步發(fā)電機(jī)經(jīng)典的兩階模型，假設(shè)極對(duì)數(shù)為1，其表達(dá)式為：

式中，Tm、Te和Td分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩；Pm、Pe分別為機(jī)械功率和電磁功率；ω為實(shí)際電角速度；ω0為額定電角速度；θ為電角度；D為阻尼系數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

電磁轉(zhuǎn)矩和虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率Pe之間滿足如下關(guān)系：

其中，eabc和iabc為虛擬同步機(jī)的輸出電壓和輸出電流。

圖2為虛擬頻率控制器結(jié)構(gòu)框圖，包括頻率下垂控制和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程兩個(gè)環(huán)節(jié)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和阻尼系數(shù)D的引入對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的改善具有重要作用。

圖2 VSG頻率控制框圖

頻率下垂控制方程如下：

其中，Kf為下垂系數(shù)；Pref為有功功率的參考值；ω0為額定角速度；ω為實(shí)際角速度；Pt為虛擬同步發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率。通過(guò)頻率的偏差對(duì)輸入功率進(jìn)行調(diào)整。

圖3為虛擬勵(lì)磁控制器結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 虛擬勵(lì)磁控制框圖

其中，Qref為額定無(wú)功功率；Q為實(shí)際無(wú)功功率，Kq為電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；E0為額定電壓；將得到的并網(wǎng)電壓指令值Eref與實(shí)際并網(wǎng)電壓幅值對(duì)比，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，輸出勵(lì)磁電壓幅值Ea，作為VSG模型的輸入。

3 改進(jìn)的自適應(yīng)控制原理

3.1 分析系統(tǒng)頻率受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的影響

根據(jù)式（1）可得：

由此可知，若Tm-Te-Jdω/dt恒定，即系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，阻尼系數(shù)D越大，則頻率偏差Δω越小。若D恒定，角速度變化率dω/dt越小，則頻率偏差Δω越大。由此可見(jiàn)，阻尼系數(shù)影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的頻率偏移量[5]，同時(shí)角速度變化率亦對(duì)系統(tǒng)的頻率偏差有較大影響，因此在系統(tǒng)發(fā)生震蕩時(shí)，宜適當(dāng)增加阻尼以維護(hù)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

如Tm-Te-Td恒定，J越小，角速度變化率dω/dt越大，將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；J越大，角速度變化率dω/dt越小，可以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。值得注意的是，盡管增加慣量可以提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是慣量過(guò)大也會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的頻率震蕩[7]。因此，需要同時(shí)考慮適當(dāng)調(diào)整虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)，以保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

同步發(fā)電機(jī)頻率震蕩曲線如圖4所示，將一個(gè)震蕩周期分為區(qū)間1～4，即t1-t2、t2-t3、t3-t4、t4-t5。在區(qū)間1中，虛擬轉(zhuǎn)子角速度大于額定角速度，角速度變化率dω/dt突增后，逐漸平穩(wěn)，因此需要較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)來(lái)抑制dω/dt和Δω，以防止頻率ω產(chǎn)生較大的超調(diào)。在區(qū)間2中，角速度變化率dω/dt＜0，Δω逐漸減小，但是Δω仍大于0，此時(shí)應(yīng)采用較小的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并適當(dāng)增加虛擬阻尼系數(shù)，使得系統(tǒng)頻率不僅穩(wěn)定，而且快速地恢復(fù)到定值。同理，在區(qū)間3和4中，虛擬慣量和虛擬阻尼系數(shù)也需要適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p小。

圖4 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率震蕩曲線圖

因此，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的選取由頻率變化率dω/dt和偏差Δω共同決定。選取原則見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)選取原則

3.2 慣量阻尼同步自適應(yīng)控制

根據(jù)前文的理論分析和選取原則，本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制策略如下：

式中，Kj1和Kj2為虛擬慣量調(diào)節(jié)系數(shù)。

采用模糊控制器來(lái)自適應(yīng)調(diào)整阻尼系數(shù)，使系統(tǒng)具備更好的魯棒性和自適應(yīng)性。模糊控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其中輸入為頻率偏差e及其變化率EC，輸出為阻尼系數(shù)u，定義誤差E及其變化率EC和控制輸出u的模糊集均為{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小 )，PM(正中 )，PB(正大 )}；各變量基本論域均為[-6，6]；且偏差e及其變化率EC的量化因子和控制量u的比例因子分別為Ke=5、Kec=0．01、Ku=2。

圖5 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器采用mamdani型模糊推理算法，“極小——極大”合成規(guī)則，重心解模糊法，并采用三角形隸屬度函數(shù)。模糊控制規(guī)則見(jiàn)表2。

表2 自適應(yīng)阻尼模糊規(guī)則表

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所提方法（FA-IDC）的有效性，將它與固定慣量控制(Constant Inertia Control，CIC)和自適應(yīng)慣量控制(Adaptive Inertia Control，AIC)方法進(jìn)行對(duì)比分析。在MATLAB/Simulink中搭建了虛擬同步仿真模型，其仿真參數(shù)為：直流源電壓Udc為800 V，濾波電感Lf為18．4 mH，濾波電容 Cf為 10 μF，額定頻率 f0為50 Hz，額定有功功率Pref為10 kw，額定無(wú)功功率 Qref為 0var，Kj1=0．2，Kj2=0．1，仿真時(shí)間0．6 s。設(shè)初始負(fù)荷為10 kW，在0．3 s時(shí)負(fù)載增加2 kW，對(duì)比分析各種控制方法在負(fù)載突變時(shí)的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性能，其仿真波形如圖6所示。

圖6 不同控制策略下VSG離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)F

由圖6(a)可知，系統(tǒng)滿載啟動(dòng)時(shí)，與固定慣量控制（CIC）方法相比，采用慣量自適應(yīng)控制方法(AIC)可有效降低系統(tǒng)頻率超調(diào)量，減少了0．04 Hz，震蕩時(shí)間降低了15．7%。圖6(b)表明，進(jìn)一步增加模糊阻尼自適應(yīng)控制，即采用慣量阻尼同步自適應(yīng)控制（FA-IDC），可以有效降低過(guò)載時(shí)的系統(tǒng)頻率跌落，比AIC方法減少了0．03 Hz，更接近工頻。

當(dāng)仿真參數(shù)不變，仿真時(shí)間1 s，VSG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)如7圖所示。

圖7 不同控制策略下VSG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)

由圖7(a)可知，與CIC方法相比，采用慣量自適應(yīng)控制(AIC)方法的系統(tǒng)頻率超調(diào)量略有降低，減少了0．01 Hz。從圖7(b)可知，進(jìn)一步增加模糊阻尼自適應(yīng)控制，即采用FAIDC方法，可以進(jìn)一步降低負(fù)載突變的系統(tǒng)頻率跌落，比AIC方法減少了0．01 Hz，且恢復(fù)時(shí)間基本相同。

由于增加了模糊阻尼自適應(yīng)控制，與基于自適應(yīng)慣量的VSG控制方法相比，本文所提控制（FA-IDC）方法結(jié)合慣量自適應(yīng)和模糊控制優(yōu)點(diǎn)，該方法能夠有效增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)VSG控制中負(fù)載突變可能引發(fā)的頻率震蕩問(wèn)題，本文提出了一種基于模糊的慣量阻尼同步控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慣量和阻尼系數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。與固定慣量控制、自適應(yīng)慣量控制方法相比，所提控制方法能夠有效增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，降低頻率超調(diào)量，縮短頻率震蕩時(shí)間。