摘" 要: 虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制策略可以為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供慣性,并調(diào)整系統(tǒng)的頻率波動(dòng),然而儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)對(duì)VSG慣量有制約。在模糊控制處理的過(guò)程中,由于輸出調(diào)節(jié)系數(shù)X具有非線性約束的特性,故提出一種計(jì)及儲(chǔ)能約束模糊控制的慣量自適應(yīng)控制策略。該策略能實(shí)現(xiàn)虛擬慣量的自適應(yīng)調(diào)整,使得虛擬慣量可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化;并能定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件,以及控制參數(shù)的設(shè)定范圍。最后基于Simulink平臺(tái)搭建了光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng)的仿真模型,分別在超級(jí)電容器極限充電和極限放電兩種工作狀態(tài)下,從虛擬慣量、VSG輸出有功功率、超級(jí)電容器荷電狀態(tài)和系統(tǒng)輸出頻率4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)情況下具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。與傳統(tǒng)VSG控制策略相比,所提策略的頻率波動(dòng)和輸出功率超調(diào)得到抑制,驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。
關(guān)鍵詞: 虛擬同步發(fā)電機(jī); 儲(chǔ)能荷電狀態(tài); 模糊控制; 自適應(yīng)控制; 虛擬慣量; 非線性約束; 超級(jí)電容器
中圖分類號(hào): TN876?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào): 1004?373X(2024)22?0012?07
Fuzzy VSG inertia adaptive control strategy considering energy storage charge state
Abstract: Virtual synchronous generator (VSG) control strategy can provide inertia for microgrid system to adjust the frequency fluctuation of the system. However, the charging state of the energy storage unit has a constraining for the VSG inertia. In the process of fuzzy control processing, due to the non?linear constraint of the output adjustment coefficient X, an inertia adaptive control strategy considering energy storage constraint fuzzy control is proposed. This strategy can achieve adaptive adjustment of virtual inertia, allowing for dynamic changes in virtual inertia. It can qualitatively analyze the boundary conditions for stable operation of the system, as well as the setting range of control parameters. A simulation model of a photovoltaic energy storage VSG system was built based on the Simulink platform. The virtual inertia, VSG output active power, supercapacitor state of charge, and system output frequency were compared and analyzed under two working states of supercapacitor extreme charging and extreme discharging. The results show that the PV storage VSG system has good stability and dynamic performance under load disturbance. In comparison with the traditional VSG control strategy, the frequency fluctuation and output power overshoot of the proposed strategy are suppressed, which verifies the effectiveness of the proposed control strategy.
Keywords: virtual synchronous generator; energy storage state of charge; fuzzy control; adaptive control; virtual inertia;" nonlinear constraints; supercapacitors
0" 引" 言
近年來(lái),風(fēng)能、光伏等可再生新能源憑借著其清潔和高效等優(yōu)點(diǎn),已然在各個(gè)國(guó)家得到了快速的發(fā)展[1]。然而,光伏大規(guī)模的并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)給電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響。一方面,由于光伏出力的間歇性、隨機(jī)性、波動(dòng)性以及電網(wǎng)頻率及功率擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致逆變器的輸出功率出現(xiàn)超調(diào)或者振蕩,導(dǎo)致較大的功率沖擊[2];另一方面,常規(guī)的光伏并網(wǎng)逆變器由于其存在低慣量和弱阻尼的缺點(diǎn),其大量接入電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)整體的慣量和阻尼不足,很難為電網(wǎng)提供足夠的電壓支撐和頻率調(diào)節(jié)能力,從而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[3]。
為此,國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者提出了一種新的逆變器控制技術(shù)——虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator, VSG)技術(shù)。其結(jié)合了下垂控制的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程和阻尼特性,使原本不具有慣量和阻尼的電力電子設(shè)備具有與同步發(fā)電機(jī)類似的頻率和電壓調(diào)節(jié)特性,同時(shí)還為系統(tǒng)提供慣量和阻尼[4]。目前,對(duì)VSG的研究主要集中在自適應(yīng)慣性控制、功率解耦、參數(shù)整定分析、頻率優(yōu)化等方面。文獻(xiàn)[5?7]提出了一種基于慣性自適應(yīng)的VSG控制策略,通過(guò)對(duì)并網(wǎng)逆變器參數(shù)的連續(xù)平滑調(diào)節(jié),可以抑制并網(wǎng)逆變器輸出功率和頻率的波動(dòng)。文獻(xiàn)[8]提出了基于徑向基函數(shù)(RBF)的VSG虛擬慣量和動(dòng)態(tài)阻尼補(bǔ)償自適應(yīng)控制策略,實(shí)現(xiàn)了參數(shù)之間的解耦,使得系統(tǒng)的阻尼隨著系統(tǒng)頻率的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。文獻(xiàn)[9]提出一種優(yōu)化VSG慣量和阻尼的自適應(yīng)控制策略,在虛擬慣量控制中引入雙曲正弦函數(shù)優(yōu)化慣量,改善小干擾穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[10]提出一種基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)虛擬同步阻抗的VSG功率解耦策略,能夠動(dòng)態(tài)地消除VSG功率環(huán)路之間的耦合,而且可以進(jìn)一步提高VSG功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 總體而言,盡管目前的控制策略在提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性方面取得了一定進(jìn)展,但其忽略了儲(chǔ)能單元自身充放電特性對(duì)系統(tǒng)虛擬慣量的制約效應(yīng),因此在實(shí)際工程應(yīng)用中缺乏實(shí)用性。
為了解決這些問(wèn)題,考慮直流側(cè)儲(chǔ)能特性的VSG控制策略已經(jīng)成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]提出一種計(jì)及儲(chǔ)能約束的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)VSG慣量阻尼自適應(yīng)控制策略,可確定阻尼系數(shù)取值,減小直流母線電壓跌落,優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[12]提出一種具有靈活的虛擬慣量和阻尼系數(shù)的控制策略,優(yōu)化儲(chǔ)能單元以支持頻率穩(wěn)定,還可以有效地利用儲(chǔ)能。文獻(xiàn)[13]提出一種基于模糊控制的鋰離子電池儲(chǔ)能在微電網(wǎng)的充放電控制技術(shù)??紤]到可用功率、負(fù)載需求和電池荷電狀態(tài)(SOC),所提出的方案能夠使儲(chǔ)能在安全工作區(qū)域內(nèi)充電或放電,但是沒(méi)有針對(duì)慣量調(diào)控。文獻(xiàn)[14]提出了應(yīng)用模型預(yù)測(cè)控制(MPC)對(duì)儲(chǔ)能變流器VSG的輸入功率進(jìn)行自適應(yīng)控制,可以提升系統(tǒng)的慣性,能夠進(jìn)一步改善擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)VSG的虛擬慣量和阻尼系數(shù)的綜合取值范圍,分析綜合取值區(qū)域的變化情況,有助于提高VSG的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。前述研究在多個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了改進(jìn),然而未充分考慮儲(chǔ)能單元自身荷電狀態(tài)對(duì)調(diào)整虛擬慣量的制約影響,這不利于提升儲(chǔ)能控制技術(shù)的工程實(shí)用性。
綜上所述,為了提高儲(chǔ)能VSG控制系統(tǒng)的有功功率以及頻率的穩(wěn)定性,本文提出一種計(jì)及儲(chǔ)能約束的模糊VSG慣量自適應(yīng)控制策略,實(shí)現(xiàn)了虛擬慣量的自適應(yīng)調(diào)整,使得虛擬慣量H可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,減少了超級(jí)電容器有功功率的變化,避免了超級(jí)電容器過(guò)充過(guò)放,延長(zhǎng)了超級(jí)電容器的使用壽命。首先根據(jù)超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài),提出一種模糊控制的SOC?VSG控制策略,之后定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件以及控制參數(shù)的設(shè)定范圍。最后,基于Simulink仿真平臺(tái)搭建了光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng)的仿真模型,分別在超級(jí)電容器極限充電和極限放電兩種工作狀態(tài)下,選取虛擬慣量H、VSG輸出有功功率P、超級(jí)電容器SOC狀態(tài)以及系統(tǒng)輸出頻率f四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性。
1" 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)VSG控制策略
本文以光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng)為研究對(duì)象,包含儲(chǔ)能單元、光伏陣列、逆變器及LCL濾波器。其中,VSG算法通過(guò)檢測(cè)功率生成指令電壓。儲(chǔ)能部分具備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙向能量流動(dòng)的功能,為系統(tǒng)提供高效的能量管理,為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供慣性和功率支持;光伏陣列單元通過(guò)最大功率跟蹤器連接到直流母線上,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的功率輸出。
光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
此外,由于鋰電池存在一定缺點(diǎn),不能抑制系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)振蕩以及生產(chǎn)成本過(guò)高,因此本文主要采用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能元件,其功率密度遠(yuǎn)高于鋰電池;同時(shí)鋰電池有循環(huán)壽命相對(duì)更長(zhǎng)、效應(yīng)更快以及能穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的優(yōu)點(diǎn)。
本文主要對(duì)VSG的有功?頻率控制環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)同步發(fā)電機(jī)(SG)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,有功?頻率控制可以表示為:
式中:H為虛擬慣量;[ω]和[ω0]分別為VSG單元輸出和電網(wǎng)的角頻率;D為阻尼系數(shù);Pref為參考的有功功率;P為VSG實(shí)際輸出的有功功率。由式(1)可得有功?頻率環(huán)節(jié)的控制框圖,如圖2所示。
然而,傳統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)控制方法并未充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中的約束。當(dāng)超級(jí)電容器運(yùn)行到極限臨界狀態(tài)時(shí),應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的虛擬慣量,以適度改變超級(jí)電容器的功率輸出,從而緩解過(guò)度充放電對(duì)超級(jí)電容器的潛在損害。
2" 改進(jìn)的VSG控制策略
2.1" 超級(jí)電容SOC影響下的虛擬慣量控制策略
SOC是用于反映儲(chǔ)能單元的剩余容量的物理量,其數(shù)值過(guò)高或過(guò)低均可能對(duì)超級(jí)電容器的充放電性能和壽命產(chǎn)生不良影響[16]。此外,當(dāng)超級(jí)電容器運(yùn)行到接近充放電的極限時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)虛擬慣量來(lái)調(diào)整超級(jí)電容器的功率輸出。這有助于避免超級(jí)電容器出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放的情況,從而改善儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,并延長(zhǎng)超級(jí)電容器的使用壽命。
用超級(jí)電容器SOC來(lái)表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài),將其劃分為:
式中:[a]為超級(jí)電容器放電極限值;[b]為充電極限值。
根據(jù)上述傳統(tǒng)的VSG控制策略,本文提出一種模糊控制的SOC?VSG控制策略,二者基本原理相同,但是模糊控制的SOC?VSG控制策略的虛擬慣量H會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)變化,而傳統(tǒng)的VSG控制策略的虛擬慣量不會(huì)發(fā)生變化,是恒定值。由于超級(jí)電容器在過(guò)充或過(guò)放狀態(tài)下會(huì)嚴(yán)重影響超級(jí)電容器的使用壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性,因此本文提出模糊控制的SOC?VSG策略,可以根據(jù)超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)來(lái)改變虛擬慣量的值,可自動(dòng)調(diào)節(jié)虛擬慣量H,減少超級(jí)電容器有功功率的變化,避免超級(jí)電容器過(guò)充過(guò)放。由式(1)可以得到有功功率、角頻率和虛擬慣量的關(guān)系[17],當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),可將其簡(jiǎn)化為:
式中[ΔP]為有功功率的變化量。鑒于頻率變化量在短時(shí)間內(nèi)保持恒定,所以虛擬慣量H的變化會(huì)使得[ΔP]也發(fā)生變化。當(dāng)超級(jí)電容器運(yùn)行到接近充放電的臨界狀態(tài)時(shí),為了減輕超級(jí)電容器過(guò)度充放電所帶來(lái)的損害,虛擬慣量H需要調(diào)整至盡可能小的值。在這種情況下,有功功率的變化量也會(huì)相應(yīng)減小。由此,可以根據(jù)超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)SOC實(shí)現(xiàn)虛擬慣量H的自適應(yīng)控制。
此外,由于反正切函數(shù)的值域受限于一定范圍,工程實(shí)際中可以起到限制幅值的作用,因此,本文采用反正切函數(shù)擬合并結(jié)合實(shí)際工況,得到式(4)來(lái)表示SOC作用下虛擬慣量H。
式中:參數(shù)k1和k2是虛擬慣量控制參數(shù);H0為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的標(biāo)稱慣量;X是調(diào)節(jié)系數(shù)。由于反正切函數(shù)的應(yīng)用,該策略降低了虛擬慣量H,進(jìn)而減小了有功功率的變化量,從而降低了超級(jí)電容器的輸出,且超級(jí)電容器過(guò)度充放電越嚴(yán)重,H減少得越多,控制效果越好。與保持恒定慣量VSG的控制策略相比,改進(jìn)的策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬慣量H的自適應(yīng)控制,進(jìn)而可以優(yōu)化超級(jí)電容器的運(yùn)行狀態(tài)。
本文提出一種基于模糊控制的SOC?VSG控制策略,用來(lái)計(jì)算變化的虛擬慣量H的值。其基本思想是:儲(chǔ)能的SOC狀態(tài)和角頻率變化量[Δω]作為模糊控制的儲(chǔ)能SOC調(diào)節(jié)的輸入,儲(chǔ)能SOC調(diào)節(jié)策略將根據(jù)SOC不同工況輸出一個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)X來(lái)改變虛擬慣量的大小,通過(guò)調(diào)節(jié)虛擬慣量的大小以調(diào)節(jié)超級(jí)電容器的有功功率的變化,采用模糊控制器可以實(shí)現(xiàn)虛擬慣量的自適應(yīng)調(diào)整?;谀:刂频膬?chǔ)能SOC調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
2.2" 儲(chǔ)能模糊控制
鑒于儲(chǔ)能輸出的調(diào)節(jié)系數(shù)X是一個(gè)變化值,呈非線性特性,而模糊控制在處理此類問(wèn)題上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。此外,也因?yàn)槟:刂破鞑幌衿渌目刂萍夹g(shù)那么復(fù)雜,速度更快,省去了額外的傳感元件,不需要額外的深度放電和過(guò)充電保護(hù),并且不需要數(shù)學(xué)計(jì)算而易于實(shí)現(xiàn)[18]。因此,本文選擇模糊控制來(lái)控制超級(jí)電容器的充放電。模糊控制的輸入和輸出模糊集用7個(gè)量表示:{NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL},即{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},模糊集是指“中間三角形、兩端梯形”的隸屬度形狀的集合。本文解模糊方法采用重心法。制定的模糊規(guī)則如表1所示。設(shè)置模糊規(guī)則輸出的調(diào)節(jié)系數(shù)為X,輸出域設(shè)置為[0,1]。為了維持直流母線電壓的穩(wěn)定性,引入了具有非線性逼近特性的模糊控制,從而能夠顯著降低頻率超調(diào),并改善系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性[19]。
模糊控制器的設(shè)計(jì)包括三個(gè)關(guān)鍵部分,即模糊化、模糊推理和解模糊。下面將對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。
2.2.1" 模糊化
在儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的模糊控制器中,有兩個(gè)輸入變量[Δω]和SOC。對(duì)于變量[Δω],主要采用三角形隸屬函數(shù)來(lái)進(jìn)行模糊化處理,將輸入變量分為5個(gè)等級(jí):NL(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、ZO(零)、PS(正?。L(正大)。這些輸入變量的隸屬度函數(shù)如圖4所示。另一個(gè)輸入是儲(chǔ)能SOC,其取值范圍是[0,1],主要使用三角形、梯形和Z型隸屬度函數(shù),根據(jù)不同工況將其分為7個(gè)等級(jí):NL(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZO(零)、PS(正?。M(正中)、PL(正大),如圖5所示。
儲(chǔ)能SOC調(diào)節(jié)系數(shù)X的取值范圍也在[0,1],主要采用三角形和Z型隸屬度函數(shù),將其分為7個(gè)等級(jí):NL(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)?。?、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)。
調(diào)節(jié)系數(shù)X隸屬度函數(shù)如圖6所示。
2.2.2" 模糊推理
1) 當(dāng)SOC處于較高區(qū)間時(shí),表示儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的能量相對(duì)充足,適宜對(duì)VSG系統(tǒng)進(jìn)行放電。若[Δω]的絕對(duì)值較大且小于0,表明VSG系統(tǒng)功率存在較大缺值。為防止VSG系統(tǒng)功率急劇下降造成系統(tǒng)頻率波動(dòng),需要依賴儲(chǔ)能單元輸出功率以補(bǔ)充VSG系統(tǒng)的功率。在此情況下,采用較大的調(diào)節(jié)系數(shù)X來(lái)減小虛擬慣量H的值,從而使SOC下降到正常區(qū)間。
2) 當(dāng)SOC處于較低區(qū)間時(shí),表示儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的能量相對(duì)不足,適宜對(duì)VSG系統(tǒng)進(jìn)行充電。若[Δω]的絕對(duì)值較大且大于0,表明VSG系統(tǒng)功率出現(xiàn)相當(dāng)大的過(guò)剩,此時(shí)需要儲(chǔ)能單元吸收過(guò)剩的功率以避免VSG功率的急劇上升。在這種情況下,也可采用較大的調(diào)節(jié)系數(shù)X來(lái)增加虛擬慣量H的值,從而使SOC增加到正常區(qū)間。
3) 當(dāng)SOC處于較低區(qū)間時(shí),若[Δω]的絕對(duì)值較大且小于0,此時(shí)宜采用較小的調(diào)節(jié)系數(shù)X來(lái)增加虛擬慣量H的值,從而使SOC增加到正常區(qū)間。
4) 當(dāng)SOC處于較高區(qū)間,若[Δω]的絕對(duì)值較大且大于0,此時(shí)宜采用較小的調(diào)節(jié)系數(shù)X來(lái)減小虛擬慣量H的值,從而使SOC下降到正常區(qū)間。
基于這種調(diào)節(jié)規(guī)律,結(jié)合輸入和輸出隸屬度函數(shù),得到的模糊規(guī)則如表1所示。
2.2.3" 解模糊
本文采用重心法解模糊,最后可以得到SOC的調(diào)節(jié)系數(shù)X的取值。模糊邏輯推理結(jié)果如圖7所示。
3" 穩(wěn)定邊界及參數(shù)設(shè)定
3.1" 穩(wěn)定邊界
針對(duì)式(3)中有功功率、頻率變化率和虛擬慣量的關(guān)系,隨著虛擬慣量的增大,系統(tǒng)的頻率變化率將相應(yīng)減小。然而,若虛擬慣量過(guò)大,超出臨界值,將顯著減緩系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,增加系統(tǒng)超調(diào)量,并引發(fā)一定幅度的振蕩,在極端情況下可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,甚至發(fā)生崩潰。因此,對(duì)虛擬慣量的調(diào)整范圍需要進(jìn)行嚴(yán)格約束,即需要確定虛擬慣量的上限值。
式中:[Hmax]為設(shè)置的虛擬慣量最大值,系統(tǒng)的運(yùn)行受到超級(jí)電容器容量的限制,持續(xù)處于功率極限狀態(tài)可能對(duì)設(shè)備的壽命造成不利影響;[Δω]和[Δf]分別是角頻率與頻率的偏差值;[ΔPmax]為瞬時(shí)功率變化的最大值。
此外,從系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的角度考慮,若虛擬慣量設(shè)定過(guò)小,將導(dǎo)致系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)慣性減小。由式(3)知,虛擬慣量減小將使系統(tǒng)頻率變化率增大,這可能導(dǎo)致系統(tǒng)的抗干擾能力下降,因此也需要設(shè)定最小慣量來(lái)確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。綜上所述,邊界限制條件對(duì)于系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,表示為:
[Hmin≤H≤Hmax] (6)
3.2" 參數(shù)設(shè)定
根據(jù)式(4)所設(shè)計(jì)的模糊控制的SOC?VSG控制策略,參數(shù)k1和k2以及調(diào)節(jié)系數(shù)X直接決定了虛擬慣量H的大小,所以參數(shù)k1和k2以及調(diào)節(jié)系數(shù)X的設(shè)定會(huì)直接影響本文所提控制策略的效果。參數(shù)k1主要決定虛擬慣量的取值范圍,因此設(shè)定k1時(shí)必須充分考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行邊界,即滿足式(6)中的約束條件。參數(shù)k2主導(dǎo)著虛擬慣量的變化速率,隨著參數(shù)k2的增大,虛擬慣量在臨界運(yùn)行點(diǎn)的變化速率相應(yīng)增加,從而更為有效地調(diào)控虛擬慣量的數(shù)值,因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)H大小的快速調(diào)節(jié)。此外,設(shè)定參數(shù)k2時(shí),也需要確保其處于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行邊界內(nèi),因此需要在穩(wěn)定運(yùn)行邊界以內(nèi)盡量選擇較大的數(shù)值。調(diào)節(jié)系數(shù)X的取值見(jiàn)圖7模糊邏輯推理的結(jié)果,均在穩(wěn)定范圍內(nèi)。
4" 仿真驗(yàn)證與分析
為驗(yàn)證所提策略的有效性,本文基于Simulink仿真平臺(tái)建立了光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng)。在搭建的光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng)中,設(shè)置光伏側(cè)額定輻射照度為1 000 W/m2,超級(jí)電容器額定電壓為260 V,直流母線電壓為500 V,交流母線額定電壓為380 V,系統(tǒng)仿真參數(shù)見(jiàn)表2。
為了驗(yàn)證分析的可靠性,將模糊控制SOC?VSG策略與傳統(tǒng)的VSG控制策略作比較。仿真結(jié)果包含虛擬慣量H、VSG輸出功率P、超級(jí)電容器輸出SOC以及系統(tǒng)輸出頻率f的曲線。其中:若P大于0,表示超級(jí)電容器放電;若P小于0,則表示超級(jí)電容器充電。
工況1:虛擬慣量控制策略在3 s時(shí)啟動(dòng)。為了模擬超級(jí)電容器充電極限條件,SOC初始狀態(tài)為0.246 2,5 s時(shí),突然切除20 kW的負(fù)載。超級(jí)電容充電狀態(tài)如圖8所示。
從圖8可以看出,當(dāng)超級(jí)電容器工作在充電狀態(tài)下,相應(yīng)的模糊控制SOC?VSG策略會(huì)使虛擬慣量隨著SOC的增加而逐漸減小,且虛擬慣量的變化明顯比傳統(tǒng)VSG控制的變化更為顯著。此外,超級(jí)電容器由極限充電狀態(tài)過(guò)渡到正常狀態(tài)下,模糊控制SOC?VSG策略超級(jí)電容器比傳統(tǒng)的VSG控制策略更早時(shí)間進(jìn)入了安全運(yùn)行狀態(tài)(SOC=0.25),相比傳統(tǒng)VSG控制,減少了超級(jí)電容器的損耗,因此可以延長(zhǎng)超級(jí)電容器的使用壽命,而且SOC上升相對(duì)比較平緩。采用了模糊控制SOC?VSG策略VSG輸出的有功功率比傳統(tǒng)的VSG控制策略輸出的有功功率振蕩明顯更小,有功響應(yīng)能更快達(dá)到穩(wěn)定。采用模糊控制SOC?VSG策略VSG輸出的頻率比傳統(tǒng)的VSG控制策略輸出的頻率振蕩變化明顯更小,曲線也更平滑,提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。因此,本文介紹的模糊控制SOC?VSG策略有助于改善超級(jí)電容器的運(yùn)行狀態(tài),從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
工況2:虛擬慣量控制策略在3 s時(shí)啟動(dòng)。SOC的初始值設(shè)置為0.755,5 s后,突然投入負(fù)荷20 kW。超級(jí)電容器放電狀態(tài)如圖9所示。
從圖9可以看出,當(dāng)超級(jí)電容器工作在放電狀態(tài)下,模糊控制SOC?VSG策略對(duì)應(yīng)的虛擬慣量隨著SOC的下降而減小,且虛擬慣量比傳統(tǒng)VSG控制的變化更明顯。此外,超級(jí)電容器由極限放電狀態(tài)過(guò)渡到正常狀態(tài)下,模糊控制SOC?VSG策略超級(jí)電容器比傳統(tǒng)的VSG控制策略更早地進(jìn)入了安全運(yùn)行狀態(tài)(SOC=0.75),有效減少了超級(jí)電容器的損耗,因此延長(zhǎng)了超級(jí)電容器的使用壽命,而SOC下降相對(duì)平緩。采用模糊控制SOC?VSG策略可使VSG輸出的有功功率波動(dòng)明顯減少,響應(yīng)速度更快,更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。負(fù)載受到干擾時(shí),相較于傳統(tǒng)的VSG控制策略,模糊控制SOC?VSG策略下VSG輸出的頻率變化更小,曲線更為平滑,有效提升了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性及抗干擾性。因此,本文提出的模糊控制SOC?VSG策略改善了超級(jí)電容器的運(yùn)行狀況,進(jìn)而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
5" 結(jié)" 論
本文基于光伏儲(chǔ)能VSG系統(tǒng),提出一種基于模糊控制的SOC?VSG控制策略,用來(lái)計(jì)算變化的虛擬慣量H的值。該策略具有調(diào)節(jié)虛擬慣量大小的能力,并能減少超級(jí)電容器有功功率的波動(dòng),在超級(jí)電容器由極限充放電狀態(tài)過(guò)渡到正常運(yùn)行狀態(tài)下,能夠優(yōu)化超級(jí)電容器運(yùn)行狀況,有效延長(zhǎng)超級(jí)電容器使用壽命。文章還定性分析了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件和設(shè)定控制參數(shù)的選取范圍。仿真結(jié)果表明,本文所提出的模糊控制SOC?VSG策略相較于傳統(tǒng)VSG控制策略更為有效,能夠使超級(jí)電容器提前進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài),確保VSG系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)提升了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性;此外,采用模糊控制SOC?VSG策略也實(shí)現(xiàn)了虛擬慣量的自適應(yīng)調(diào)整。
參考文獻(xiàn)
[1] 周孝信,魯宗相,劉應(yīng)梅,等.中國(guó)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(29):4999?5008.
[2] 陳煒,艾欣,吳濤,等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響研究綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(2):26?32.
[3] 文云峰,楊偉峰,林曉煌.低慣量電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析與控制研究綜述及展望[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2020,40(9):211?222.
[4] 張赟寧,謝永輝,張磊,等.自適應(yīng)調(diào)節(jié)有功功率偏差的虛擬同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2024,28(8):104?114.
[5] 于晶榮,孫文,于佳琪,等.基于慣性自適應(yīng)的并網(wǎng)逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2022,50(4):137?144.
[6] CUI F, ZHANG B. Adaptive control strategy for moment of inertia and damping coefficient of virtual synchronous generator [C]// 2022 4th International Conference on Power and Energy Technology (ICPET). [S.l.]: IEEE, 2022: 193?197.
[7] SHI Q, DU C, SUN Y, et al. An improved adaptive inertia and damping combination control of virtual synchronous generator [C]// 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Toronto, ON, Canada: IEEE, 2021: 1?6.
[8] 張子星,趙晉斌,曾志偉,等.基于RBF的VSG虛擬慣量和動(dòng)態(tài)阻尼補(bǔ)償自適應(yīng)控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2024,52(2):155?164.
[9] 楊效,曾成碧,苗虹,等.優(yōu)化虛擬同步發(fā)電機(jī)慣量和阻尼的自適應(yīng)控制策略[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2023,44(11):495?504.
[10] 張林,張海波,蔣維勇,等.基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)虛擬同步阻抗的虛擬同步機(jī)功率解耦策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2024,44(15):6010?6023.
[11] 馬燕峰,李鑫,趙書強(qiáng).考慮儲(chǔ)能約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)VSG參數(shù)自適應(yīng)控制策略[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2024,51(4):57?68.
[12] UTKARSHA P, NAIDU N K S, SIVAPRASAD B, et al. A flexible virtual inertia and damping control strategy for virtual synchronous generator for effective utilization of energy storage [J]. IEEE access, 2023(2): 24?36.
[13] FAISAL M, HANNAN M A, KER P J, et al. Fuzzy?based charging?discharging controller for lithium?ion battery in microgrid applications [J]. IEEE transactions on industry applications, 2021, 57(4): 4187?4195.
[14] 倪澤龍,林鈺鈞,王治濤,等.基于模型預(yù)測(cè)的虛擬同步機(jī)控制儲(chǔ)能調(diào)頻研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2022,50(14):85?93.
[15] 李吉祥,趙晉斌,屈克慶,等.考慮SOC特性的微電網(wǎng)VSG運(yùn)行參數(shù)邊界分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2018,42(5):1451?1457.
[16] 孟建輝,彭嘉琳,王毅,等.考慮儲(chǔ)能荷電狀態(tài)及頻率恢復(fù)特性的改進(jìn)型靈活虛擬慣性控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2020,40(6):100?107.
[17] 李怡,李永麗,李松,等.基于VSG的光伏及混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配與虛擬慣性控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2023,43(7):27?34.
[18] 劉英培,周素文,梁海平,等.光儲(chǔ)直流配電網(wǎng)靈活虛擬慣性控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2021,41(5):107?113.
[19] HUANG Y, Lü Q, ZHANG Z, et al. Fuzzy adaptive control of virtual synchronous generator based on constraints of discharge characteristics of energy storage batteries [C]// 2022 3rd International Conference on Advanced Electrical and Energy Systems. Lanzhou: IEEE, 2022: 373?378.
[20] PENG J, MENG J, WANG Y, et al. Research on virtual synchronous generator control strategy based on the battery state of charge [C]// 2019 IEEE Innovative Smart Grid Technologies?Asia. Chengdu: IEEE, 2019: 2016?2020.
[21] 邢東峰,田銘興.虛擬同步發(fā)電機(jī)頻率特性與儲(chǔ)能設(shè)備容量及充放電特性的關(guān)系[J].電網(wǎng)技術(shù),2021,45(9):3582?3593.
[22] LONG B, LIAO Y, CHONG K T, et al. Enhancement of frequency regulation in AC microgrid: a fuzzy?MPC controlled virtual synchronous generator [J]. IEEE transactions on smart grid, 2021, 12(4): 3138?3149.