虛擬同步發(fā)電機參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)

任海鵬，陳 琦，張亮亮，李 潔

(西安理工大學(xué)陜西省復(fù)雜系統(tǒng)控制與智能信息處理重點實驗室，陜西西安 710048)

1 引言

隨著新能源發(fā)電的發(fā)展，大量新能源，如太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等，通過電力電子變換器接入電網(wǎng)，使電網(wǎng)的穩(wěn)定性分析和控制變得復(fù)雜和嚴(yán)峻[1].虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)技術(shù)使新能源發(fā)電節(jié)點具有和傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似的外特性，改善(含有大量)新能源電網(wǎng)的穩(wěn)定性提供了有效的途徑[1-4].VSG并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是指在擾動信號(功率擾動，線路參數(shù)攝動等)作用下，系統(tǒng)維持功率平衡的能力.VSG的控制需要確定4個參數(shù)，即虛擬轉(zhuǎn)動慣量J、阻尼下垂系數(shù)Dp、積分增益K、電壓下垂系數(shù)Dq，其中Dp和Dq在并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[5-6]分別為頻率波動或電壓幅值波動導(dǎo)致的對應(yīng)有功功率或無功功率的變化量[3].VSG暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)遭受暫態(tài)擾動時保持同步的能力[7].傳統(tǒng)方法通常通過調(diào)節(jié)參數(shù)Dp或J來提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性.文獻[8-9]詳細分析了VSG功角特性，據(jù)此提出了調(diào)節(jié)參數(shù)J來改善暫態(tài)穩(wěn)定性的原則，并利用Lyapunov定理證明了系統(tǒng)穩(wěn)定性，但文中并未給出J的具體數(shù)學(xué)描述形式.文獻[10-11]通過對分布式電源小信號模型的分析，確定了自適應(yīng)參數(shù)J的選取原則.文獻[12]采用了模糊控制的思想實現(xiàn)了參數(shù)J的自適應(yīng)調(diào)節(jié).上述文獻僅從虛擬轉(zhuǎn)動慣量J的角度出發(fā)，忽略了阻尼下垂系數(shù)Dp對于抑制系統(tǒng)暫態(tài)振蕩的貢獻.文獻[13-14]分析了Dp對系統(tǒng)的影響，提出根據(jù)頻率波動，自適應(yīng)調(diào)節(jié)Dp的方法，并通過小信號模型證明了該算法可以有效的減小功率超調(diào)以及調(diào)節(jié)時間.文獻[15]利用輸出功率的偏差作為反饋，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼因子.文獻[16-19]綜合考慮了參數(shù)J和Dp對于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的貢獻，給出了兩個參數(shù)的選取原則.在此基礎(chǔ)上，文獻[20]采用粒子群優(yōu)化算法，以頻率偏差和電壓偏差為性能指標(biāo)函數(shù)，得到J和Dp的優(yōu)化值，并利用Lyapunov直接法對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進行了分析.文獻[21]綜合考慮超調(diào)量和調(diào)整時間等暫態(tài)指標(biāo)，建立虛擬同步發(fā)電機暫態(tài)響應(yīng)的模型，提出VSG控制參數(shù)J和Dp的自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略.不同于上述文獻，文獻[22]在詳盡分析有功功率和頻率振蕩過程的基礎(chǔ)上，提出了暫態(tài)各階段虛擬角加速度的最優(yōu)判據(jù)，以改善功率和頻率的暫態(tài)響應(yīng).

綜上可見，目前參數(shù)自適應(yīng)控制主要有3種:J自適應(yīng)調(diào)節(jié)、Dp自適應(yīng)調(diào)節(jié)、J/Dp自適應(yīng)調(diào)節(jié).這些控制方案均是基于VSG功角特性曲線，通過改變J及Dp優(yōu)化暫態(tài)過程.主要存在兩大問題:第一，現(xiàn)有方法存在較大功率響應(yīng)超調(diào)，電力電子變換器中的元器件將承受較大的暫態(tài)沖擊，對變換器可靠性和壽命產(chǎn)生不良影響;第二，自適應(yīng)參數(shù)J/Dp調(diào)節(jié)范圍大.J對應(yīng)的物理實體為儲能單元，J變化越大對儲能單元的變化量要求就越高[23].此外，J越大，在有功調(diào)壓控制環(huán)路截止頻率處造成的相角滯后就越大，系統(tǒng)相角裕度就越小[5-6];因此，J過大容易引發(fā)系統(tǒng)的功角振蕩[24-28].

為解決這一問題，本文提出利用輸出速度反饋控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼的方法，在分析VSG暫態(tài)響應(yīng)過程的基礎(chǔ)上，提出了利用速度反饋系數(shù)和虛擬轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)，動態(tài)過程中保證頻率變化不超過閾值，抑制功率超調(diào).同時，J的調(diào)節(jié)量相對現(xiàn)有方法大幅度減小.最后，通過對比實驗驗證了所提控制算法的有效性和優(yōu)越性.

本文后面內(nèi)容如下安排:第2節(jié)介紹VSG基本原理，分析通過輸出速度反饋控制實現(xiàn)系統(tǒng)阻尼調(diào)節(jié);第3節(jié)在分析功角暫態(tài)調(diào)節(jié)過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了VSG自適應(yīng)控制方法;第4節(jié)進行實驗對比分析，驗證所提方法的正確性和優(yōu)越性;第5節(jié)給出結(jié)論.

2 VSG基本原理

VSG工作在并網(wǎng)模式下，可以等效為一個理想電壓源與輸出阻抗串聯(lián)的模式，如圖1所示.

圖1 VSG等效模型Fig.1 VSG equivalent model

圖1中:E為VSG勵磁電動勢，Ug為電網(wǎng)相電壓，Zfilter為濾波阻抗，Zline為線路阻抗，i為并網(wǎng)電流.

VSG在并網(wǎng)條件下受大電網(wǎng)的牽制，故以電網(wǎng)電壓為參考Ug∠0，定義逆變器的輸出相電壓為E∠δ，其中δ為兩個電壓相量之間的相位差，即功角，表達式為

式中:ω0為電網(wǎng)電壓角速度，ω為虛擬同步機角速度.

式中:Z為系統(tǒng)阻抗包含兩部分，即濾波阻抗Zfilter和線路阻抗Zline;r表示其中的阻性成分;X表示其中的感性成分，阻抗角α=tan-1(X/r).

故VSG輸出視在功率S可表示為

式中“*”表示共軛.

由式(3)得，VSG輸出有功功率Pe和無功功率Qe分別為

一般情況下，線路電抗呈感性，即α ≈90°，且同步發(fā)電機功角δ小于30°，可認(rèn)為sin δ ≈δ，cos δ ≈1，

則式(4)可化簡如下:

2.1 有功控制環(huán)路

VSG沒有轉(zhuǎn)子環(huán)節(jié)，通過控制構(gòu)造搖擺方程，實現(xiàn)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)，表達式如下:

其中Tm和Te分別為同步發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩.又因為

方程兩邊同時乘以電網(wǎng)角速度ω0，得

采用小信號建模分析的方法，可以得到VSG有功功率-頻率控制環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示.

圖2 VSG有功功率控制環(huán)框圖Fig.2 VSG active power control loop diagram

圖中HPδ(s)表示有功功角傳遞函數(shù)，由式(5)可知

有功功率控制環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù):

系統(tǒng)阻尼比為

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1[5-6]所示.穩(wěn)態(tài)情況下，VSG輸出的有功功率Pe和無功功率Qe分別與其指令值Pref和Qref相等，則可以根據(jù)式(4)得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)解:

計算可知，有功功率控制環(huán)路的截止頻率為8.31 Hz，在兩倍工頻的1/10以內(nèi)，能有效抑制瞬時有功功率的脈動量對輸出電壓頻率和相角的影響.同時，相角裕度為66.48°，具備較好的抗擾能力.

表1 主要仿真參數(shù)Table 1 The main simulation parameters

根據(jù)式(11)，系統(tǒng)阻尼可以通過虛擬轉(zhuǎn)動慣量J或參數(shù)Dp進行調(diào)節(jié).但存在的問題是:參數(shù)J和Dp受限于儲能設(shè)備容量，調(diào)節(jié)能力有限，若僅依賴J調(diào)節(jié)限制暫態(tài)過程中頻率變化的范圍代價太大(瞬時所需儲能裕量大).此外，虛擬轉(zhuǎn)動慣量過大，可能引發(fā)功角持續(xù)振蕩[24-28];若僅依賴Dp調(diào)節(jié)同樣存在調(diào)節(jié)范圍大的問題:雖然同時調(diào)節(jié)J和Dp的方法充分利用了參數(shù)特性，一定程度上縮小了調(diào)節(jié)范圍，但效果并不明顯且參數(shù)匹配復(fù)雜.針對這些問題，本文提出通過輸出速度反饋增益調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼.將輸出量的微分信號采用負反饋形式反饋到輸入端并與誤差信號相比較，可以改變整個系統(tǒng)等效阻尼，從而調(diào)整系統(tǒng)動態(tài)過程，改善系統(tǒng)平穩(wěn)性，同時可以提高系統(tǒng)相角裕量.增加輸出速度(微分)反饋后，系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3 輸出速度反饋控制框圖Fig.3 Block diagram of output speed feedback control

此時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)表示為

系統(tǒng)的無阻尼自然振蕩頻率ωn以及阻尼比ζ為

可見，通過改變Kt和J可實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)阻尼的調(diào)節(jié).

根據(jù)式(14)可計算出速度反饋系數(shù)Kt.

2.2 輸出速度反饋對系統(tǒng)性能的影響

將原系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)式(10)化成標(biāo)準(zhǔn)I型系統(tǒng):

可知，相角裕量γ隨著速度反饋系數(shù)Kt的增大而增大.

根據(jù)式(17)計算可知，原系統(tǒng)截止頻率fc0處的幅值:

求解式(21)可得

加入速度反饋后，系統(tǒng)截止頻率fc，根據(jù)式(19)可得

求解式(23)可得

綜上所述，如果Kt＞0，系統(tǒng)的相角裕量就有所提高，有利于改善系統(tǒng)的平穩(wěn)性.同時，系統(tǒng)截止頻率降低，保證了系統(tǒng)對功率脈動的抑制能力.

進一步，原系統(tǒng)開環(huán)增益與加入輸出速度反饋后系統(tǒng)開環(huán)增益之比為

選擇表1的參數(shù)信息計算可知，原系統(tǒng)開環(huán)增益是加入速度反饋后開環(huán)增益的1.8倍左右，而且I型系統(tǒng)，對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為0，因此，加入輸出速度反饋后對穩(wěn)態(tài)性能影響不大.

此外，為了進一步降低微分反饋的影響，VSG本體參數(shù)設(shè)計，保證了系統(tǒng)較低的截止頻率[5-6]，有效的衰減高頻噪聲.選擇表1的參數(shù)，設(shè)定系統(tǒng)阻尼ζ=1.1，根據(jù)式(9)(12)(15)可計算參數(shù)Kt=0.01，繪制原系統(tǒng)有功功率-頻率控制環(huán)和加入輸出速度反饋作用后系統(tǒng)的Bode圖，如圖4所示.

可知，輸出速度反饋的作用使得系統(tǒng)相角裕度提升，為79.28°.同時，系統(tǒng)截止頻率為5.68 Hz，在兩倍工頻的以內(nèi)，充分的抑制了系統(tǒng)功率的脈動量及輸出微分反饋可能引入的高頻噪聲的影響.

圖4 原系統(tǒng)與加入輸出速度反饋控制后頻率特性對比Fig.4 The frequency characteristic comparison between the original system and the system incorporated in speed feedback control

3 VSG自適應(yīng)控制

3.1 J與系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系

本文采用J和Kt同時調(diào)節(jié)來避免需要大儲能儲備量和調(diào)節(jié)動態(tài)過程中Dp的變化.引入速度反饋后VSG的搖擺方程可表示為

3.2 VSG擾動暫態(tài)響應(yīng)過程分析

當(dāng)功率擾動打破功率平衡時，依據(jù)“有功調(diào)頻”的同步機制，VSG自主調(diào)節(jié)輸入功率Pm，使系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡，暫態(tài)調(diào)節(jié)過程示意圖如圖5所示，圖(a)為VSG功角與輸入功率之間的關(guān)系，圖(b)為調(diào)節(jié)過程中頻率變化曲線示意圖.

圖5 VSG功角曲線和暫態(tài)過程頻率變化曲線示意圖Fig.5 VSG power angle curve and frequency variation

VSG暫態(tài)調(diào)節(jié)過程及其功角特性具體分析如下:

t0-t1階段:VSG 輸入有功功率Pm=P0與輸出電磁功率Pe基本相等，即P0≈Pe，ω ≈ω0，≈0，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài).

t1-t2階段:功率擾動使得輸入功率Pm躍變?yōu)镻1，而電磁功率Pe瞬時不變，造成功率不平衡現(xiàn)象，即Pm=P1＞Pe=P0.此時，Δω=(ω-ω0)＞0，＞0，可見，在這個階段，頻率偏差為正，同時，頻率變化率也為正，意味著頻率偏差正在向增大的方向變化，此時，如果頻率變化率絕對值也較大，則通過增加J來減小頻率變化率，抑制頻率(和頻率偏差)的增加.因此，虛擬轉(zhuǎn)動慣量J的調(diào)節(jié)規(guī)律為

式中:J0為虛擬轉(zhuǎn)動慣量初值;=Δf為系統(tǒng)頻率相對于電網(wǎng)頻率的偏離程度;T是為了防止J頻繁調(diào)節(jié)而設(shè)置的虛擬角速度變化率閾值;k1為調(diào)節(jié)系數(shù)，可按式(29)計算.

式中:Δfmax為系統(tǒng)頻率變化的允許閾值，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15945-2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》的規(guī)定[29]:電力系統(tǒng)正常運行情況下，頻率偏差范圍為±0.2 Hz.若微網(wǎng)系統(tǒng)的裝機容量較小時，可以放大余量，可允許頻率偏差值為0.5 Hz，本文設(shè)置Δ|fmax|=0.5 Hz，式(29)中k1的設(shè)置可以保證J最大為Jmax.

虛擬轉(zhuǎn)動慣量J越大，動態(tài)性能越差，且在截至頻率處造成的相角滯后越大，導(dǎo)致系統(tǒng)的相角裕度減小，甚至可能引發(fā)VSG功角的持續(xù)性振蕩.本文增加了輸出速度反饋控制，可以不用J過大調(diào)節(jié)就可以實現(xiàn)較強的頻率調(diào)節(jié)能力，因此，Jmax偏離J0的設(shè)置可比單純采用虛擬轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)的范圍小得多，從而降低儲能容量改變量.

t2-t3階段:Δω ＞0，＜0，虛擬角速度ω處于減速狀態(tài).此時，可以不做調(diào)節(jié)，保持頻率自然趨近期望值便可，但考慮到如果趨近過程中頻率變化率絕對值過大導(dǎo)致振蕩次數(shù)增加，因此，在頻率變化率絕對值過大時，減小虛擬轉(zhuǎn)動慣量J，使得負的(小于0的)角速度變化率向值增大的方向(也是絕對值減小的方向)趨近于0.因此，J的調(diào)節(jié)規(guī)律為

k2為調(diào)節(jié)系數(shù)，取值由式(31)確定:

Jmin不應(yīng)該偏離J0太遠，因為，偏離J0太大將導(dǎo)致較大的角速度變化率阻礙頻率趨穩(wěn).由于輸出速度反饋作用，使得J的調(diào)節(jié)可以很小，對應(yīng)儲能容量的變化量相應(yīng)較小，減小了在標(biāo)稱虛擬轉(zhuǎn)動慣量對應(yīng)的儲能容量基礎(chǔ)上需求的儲能變化量.

t3-t4階段:Δω ＜0，＜0，與t1-t2階段類似，虛擬角速度ω處于加速階段. J的調(diào)節(jié)方式與t1-t2階段一致.

t4-t5階段:Δω ＜0，＞0，類似于t2-t3階段的控制要求，J的調(diào)節(jié)方式與t2-t3階段一致.

下面分析阻尼的參數(shù)自適應(yīng)規(guī)律.暫態(tài)調(diào)節(jié)過程中，為了保證系統(tǒng)功率不出現(xiàn)明顯超調(diào)，同時，縮短暫態(tài)調(diào)節(jié)時間，設(shè)置系統(tǒng)阻尼ζ=1.1，對應(yīng)速度反饋系數(shù)Kt的計算可由式(9)(12)(15)得到.但應(yīng)注意以下兩種情況:

第1種情況:當(dāng)系統(tǒng)頻率變化大于頻率閾值，即|Δf|＞Δfmax=0.5 Hz時，為了抑制頻率增長，設(shè)置頻率變化率=0，根據(jù)式(27)可計算:

第2種情況:當(dāng)系統(tǒng)頻率變化在安全閾值內(nèi)時，即|Δf|≤Δfmax=0.5 Hz，如果＞T說明頻率波動較大，采用速度反饋系數(shù)增大系統(tǒng)阻尼，設(shè)置ζ=1.3使系統(tǒng)頻率盡快平穩(wěn).

綜上所述，本文提出的VSG參數(shù)自適應(yīng)控制規(guī)律如下:

如果Δω ＜2πΔfmax，

Kt的計算可由式(9)(12)(15)得到，其中系統(tǒng)阻尼的選擇如式(34):

否則，如果Δω ＞2πΔfmax:

經(jīng)過上述各階段調(diào)控后，系統(tǒng)功率達到新的平衡狀態(tài).

3.3 VSG參數(shù)自適應(yīng)穩(wěn)定性分析

加入輸出速度反饋控制后，系統(tǒng)閉環(huán)傳函如式(13)所示，可得系統(tǒng)特征根為

又因為Jω0＞0，所以s1，2在s平面的分布主要由分子決定.如系統(tǒng)穩(wěn)定，則參數(shù)A ＞0，即Dpω0+＞0，可得

顯然，自適應(yīng)控制過程中J ＞0可以得到保證，而Kt的取值有兩種情況分析如下:

a) Δω ≤2πΔfmax時，

系統(tǒng)滿足穩(wěn)定條件;

b) Δω ＞2πΔfmax時，

根據(jù)阻尼下垂系數(shù)Dp的定義[2-3]:

其中Pe0表示擾動前的VSG功率.

根據(jù)式(1)和式(5)得

若滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件，則有

將上述不等式右邊移到左邊，同時將等式(40)代入，得到

注意到本情況是系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動越限時的控制，此時有兩種情況:第1種情況是系統(tǒng)頻率正向超過額定閾值，此時有

由式(44)可知，式(43)分母大于0，不等式(43)只要其分子多項式大于0即可，將式(41)代入(43)分子多項式，得到分子多項式大于零的條件是

上式第2項和第3項抵消，于是得到穩(wěn)定條件為

由式(44)可見，上式恒成立，即此時系統(tǒng)穩(wěn)定.

另外一種情況，當(dāng)頻率小于額定值越限時，式(44)中所有大于號變?yōu)樾∮谔?，類似推?dǎo)可以得到相同結(jié)論，至此，參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程中的穩(wěn)定性得到證明.

相較于傳統(tǒng)的恒定阻尼和恒定虛擬轉(zhuǎn)動慣量控制來說，系統(tǒng)不能瞬時從初始點變化到新的平衡點，當(dāng)加速面積超過減速面積時，就會發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)[7].自適應(yīng)控制針對系統(tǒng)暫態(tài)不同階段的響應(yīng)特點，提出了分階段實時調(diào)控的控制策略，不僅提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，增強了系統(tǒng)魯棒性，同時，提高了系統(tǒng)動態(tài)性能.本文提出的自適應(yīng)控制策略特點是:一方面，通過速度反饋控制使系統(tǒng)阻尼調(diào)節(jié)不再僅依賴于阻尼下垂系數(shù)Dp和虛擬轉(zhuǎn)動慣量J的大范圍調(diào)節(jié)，抑制了系統(tǒng)功率超調(diào)，同時，縮短了暫態(tài)調(diào)節(jié)時間;另一方面，通過速度反饋系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)限制了動態(tài)過程中系統(tǒng)頻率變化閾值，有效避免了VSG動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，因頻率變化越限而脫網(wǎng).

4 實驗驗證

為了驗證上述理論分析的正確性，實驗室搭建了搭建了TMS320F28335數(shù)字控制器為核心的三相逆變器樣機，逆變器輸出通過變壓器與電網(wǎng)相連，樣機參數(shù)如表1所示.開關(guān)管選用IGBT模塊FF150R12RT4，開關(guān)管驅(qū)動芯片選用1EDI60I12AF，逆變器側(cè)電感電流信號通過電流霍爾CSNE151-100采樣，電容電壓及電網(wǎng)電壓信號通過電壓霍爾HNV025 A采樣，實驗裝置如圖6所示.實驗控制周期為200 μs，逆變器開關(guān)頻率為10 kHz.

圖6 實驗平臺Fig.6 Experiment platform

實驗設(shè)置:VSG系統(tǒng)初始有功功率為157 W、無功功率為0 var，6 s時，有功功率變?yōu)?00 W，無功功率保持不變，實驗結(jié)果，如圖7-9所示.其中:J自適應(yīng)控制為文獻[8-9]的方法;Dp自適應(yīng)控制為文獻[13]的方法;J和Dp參數(shù)自適應(yīng)控制為文獻[16]的方法.

圖7 VSG不同控制策略的功率響應(yīng)Fig.7 VSG power responses of different control methods

圖8 VSG不同控制策略的頻率響應(yīng)Fig.8 VSG frequency responses of different control methods

圖9 VSG不同控制策略的參數(shù)調(diào)節(jié)曲線Fig.9 Parameter adjustment curve of different control strategies

圖7和圖8是本文方法和現(xiàn)有各種方法調(diào)節(jié)過程和穩(wěn)態(tài)的功率變化和頻率變化曲線.從實驗結(jié)果可知，J/Dp恒定的方法在功率波動時，暫態(tài)過程功率超調(diào)高達50%，調(diào)節(jié)時間1.5 s，且系統(tǒng)頻率瞬時超出安全工作限定的0.5 Hz，導(dǎo)致VSG脫網(wǎng)，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定.采用J自適應(yīng)控制，系統(tǒng)頻率波動和功率超調(diào)在一定程度上得到改善，但功率超調(diào)依然明顯，同時由圖9(a)可見，采用J單獨調(diào)節(jié)，J的變化范圍較大;采用Dp自適應(yīng)控制，當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)頻率超過閾值時，增大阻尼下垂系數(shù)Dp限制頻率波動，圖9(b)中可見這種方法對應(yīng)的Dp快速振動，不利于實際調(diào)節(jié);采用J和Dp同時自適應(yīng)調(diào)節(jié)，性能有所改善，但仍存在上述問題，相對于本文方法，其動態(tài)響應(yīng)時間長，且J/Dp調(diào)節(jié)的瞬時值也較大.采用本文的控制方法，系統(tǒng)工作在過阻尼狀態(tài)，功率超調(diào)得到抑制，同時，系統(tǒng)頻率波動范圍被限制在0.5 Hz范圍內(nèi)，且能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定，改善了系統(tǒng)暫態(tài)過程.

圖9為對比的幾種方法參數(shù)的調(diào)節(jié)曲線，其中子圖(a)為3種需要調(diào)節(jié)J的方法對應(yīng)的J的變化曲線，子圖(b)為Dp，J/Dp自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)過程中Dp變化曲線，子圖(c)為本文方法輸出速度反饋系數(shù)Kt的變化曲線.由子圖(a)可知，為了限制頻率閾值，J自適應(yīng)控制策略需要提供的虛擬轉(zhuǎn)動慣量最大值為0.019，是初值的7.6倍;J/Dp自適應(yīng)控制策略需要提供的虛擬轉(zhuǎn)動慣量最大值也高達0.018;而本文方法需要提供的瞬時虛擬轉(zhuǎn)動慣量峰值僅為0.0056，可見本文自適應(yīng)控制方法需要的虛擬轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)裕量最小，而且調(diào)節(jié)時間明顯縮短;由子圖(b)可見，采用Dp自適應(yīng)控制或J/Dp自適應(yīng)控制策略時，所需的阻尼下垂系數(shù)變化范圍較大，其瞬時最大值為別達到了穩(wěn)態(tài)值(Dp0=0.3)的4和2.8倍，這將對系統(tǒng)提出更高的儲能容量儲備要求;由子圖(c)可見，開始階段系統(tǒng)阻尼維持在ζ=1.1，速度反饋系數(shù)Kt變化趨勢與子圖(a)本文方法中J的變化趨勢一致.當(dāng)系統(tǒng)頻率超過0.5 Hz時，J 減小，Kt增大，根據(jù)式(15)系統(tǒng)阻尼得到了增加，限制了頻率變化超過閾值;隨后，較高的Kt值有效的減弱了頻率的偏離程度，最終，當(dāng)系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)時Kt恢復(fù)為初值.

綜合以上實驗結(jié)果，對比現(xiàn)有3種不同的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法實驗中得到如下結(jié)論:

1) J自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為了動態(tài)過程平穩(wěn)，所需J的瞬時值增大，導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼降低，從而進入欠阻尼狀態(tài)，出現(xiàn)功率超調(diào)，實驗結(jié)果如圖7和圖9(a)所示.

2) Dp自適應(yīng)調(diào)節(jié)，增大Dp可以實現(xiàn)系統(tǒng)過阻尼，但是Dp的增大僅發(fā)生在頻率超過設(shè)定值的時候，一旦頻率降至設(shè)定值內(nèi)則取為初值，調(diào)節(jié)過程如圖9(b)所示，無法保證系統(tǒng)始終處于過阻尼，功率響應(yīng)也存在超調(diào)，如圖7所示.

3) J/Dp自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實驗結(jié)果如圖9(a)和(b)所示，暫態(tài)調(diào)節(jié)過程中J和Dp同時調(diào)節(jié)的過程中無法有效保證系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，從功率響應(yīng)結(jié)果圖7也可得到證實.

本文方法的優(yōu)點是抑制了功率超調(diào)，限制了暫態(tài)頻率變化的閾值，同時具有良好的響應(yīng)速度.

5 結(jié)論

VSG技術(shù)使得利用電力電子變換器接入電網(wǎng)的新能源發(fā)電系統(tǒng)能自主參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性.現(xiàn)有VSG自適應(yīng)控制策略在不考慮儲能限制的條件下，充分利用虛擬轉(zhuǎn)動慣量或阻尼下垂系數(shù)靈活可調(diào)的特點，優(yōu)化暫態(tài)性能，但現(xiàn)有方法仍存在參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)時間長，暫態(tài)超調(diào)大，容易造成VSG脫網(wǎng)的問題.針對這些問題，本文提出一種基于輸出速度反饋的VSG自適應(yīng)控制策略.主要貢獻如下:

1) 采用輸出速度反饋控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼，使系統(tǒng)工作在過阻尼特性下，避免儲能設(shè)備頻繁重復(fù)充放電，同時，避免功率超調(diào)對電力設(shè)備造成不良影響.調(diào)節(jié)過程中限制虛擬轉(zhuǎn)動慣量的調(diào)節(jié)范圍，從而不需要過大的儲能容量儲備就可以達到改善VSG動態(tài)調(diào)節(jié)性能的目的.

2) 分析VSG功角特性曲線和瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程的基礎(chǔ)上得出新的VSG自適應(yīng)控制原則，能夠抑制動態(tài)過程的功率超調(diào)，加快調(diào)節(jié)過程，同時限制了動態(tài)調(diào)整過程中頻率的波動范圍，保證了動態(tài)過程中VSG不會因頻率超限而脫網(wǎng).