一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法及系统

本发明属于分布式电源运行控制，具体涉及一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法及系统。

背景技术：

1、分布式可再生能源高比例接入电网运行带来了惯性和阻尼降低等问题，严重威胁了电网的安全稳定运行。因此，为改善分布式电源的运行特性，提升电网的频率运行稳定性，虚拟同步发电机技术应用而生。相较于无惯性、弱惯性的下垂、pq等分布式电源控制技术，虚拟同步发电机控制技术通过模拟同步电机的转子方程可实现对电网的额外惯量及阻尼支撑，使分布式电源具备良好的动态运行特性。但考虑到实际应用中电网系统惯量的时变性、未知性以及多维耦合性，传统虚拟同步发电机技术在实际电网中的应用，由于无法知晓合适的惯量和阻尼补偿值，通常难以获取与理论相同的频率波动抑制效果。电网运行频率仍然可能会因新能源的快速波动而产生超限、越限等不安全运行情况。因此，亟需提出一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法以及系统，以提升频率的准确控制效果。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法及系统，解决了现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法，包括以下步骤：

4、依据大信号建模与理论，建立虚拟同步发电机频率动态控制模型；

5、建立强制约束控制模型，并以此对虚拟同步发电机频率动态控制模型进行形式重塑，确定虚拟同步发电机的控制输入项；

6、基于重塑后的虚拟同步发电机频率动态控制模型和控制输入项，通过引入激活函数，设计具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法；

7、利用微分方程求解所述具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法，得到强制频率约束功能理论分析模型，来对虚拟同步发电机的强制频率约束功能进行理论验证分析，完成闭环控制。

8、进一步地，所述虚拟同步发电机频率动态控制模型为：

9、

10、式中，ω为虚拟同步发电机的输出角速度；j为虚拟惯量；d为阻尼系数；ωn为角速度额定值；△ωref为角速度输入调整量；pm为机械功率；p为有功功率输出；pref为有功功率参考输入；kω为角速度下垂增益系数。

11、进一步地，所述强制约束控制模型为：

12、

13、式中，x是被控状态，被控状态的导数，其初始状态应满足-xmax<x(0)<xmax；k是控制增益；u是控制输入，应满足-xmax<u<xmax；-xmax和xmax表示被控状态x所允许的运行范围下限和上限。

14、进一步地，重塑后的虚拟同步发电机频率动态控制模型为：

15、

16、式中，uref为辅助控制输入状态，为虚拟同步发电机的输出角速度的导数。进一步地，所述具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法为：

17、uref＝-ωmaxtanh[kp(ω-ωn)+ki∫(ω-ωn)dt]

18、式中，-ωmax表示虚拟同步发电机被控状态ω所允许的运行范围下限；kp和ki为比例和积分控制系数。

19、进一步地，所述强制频率约束功能理论分析模型为：

20、

21、式中，ω(t)为当前时刻运行角频率；ω(0)为角频率初始值，α为积分状态。

22、一种虚拟同步发电机频率强制约束控制系统，包括：

23、模型计算模块：面向短时频率动态控制需求，依据大信号建模与理论，构建虚拟同步发电机频率动态控制模型；

24、模型重塑模块：基于强制约束控制模型，对虚拟同步发电机动态控制模型进行形式重塑，确定虚拟同步发电机的控制输入项；

25、频率强制约束控制执行模块：基于重塑后的虚拟同步发电机频率动态控制模型和控制输入项，通过引入激活函数，设计具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法；

26、以及，验证模块：利用微分方程求解具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法，得到强制频率约束功能理论分析模型，来对虚拟同步发电机的强制频率约束功能进行理论验证分析，完成闭环控制。

27、一种计算机存储介质，存储有可读程序，当程序运行时，能够执行上述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法。

28、一种电子设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

29、所述存储器用于存放至少一条可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行上述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法对应的操作。

30、一种计算机程序产品，包括计算机指令，所述计算机指令指示计算设备执行上述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法对应的操作。

31、本发明的有益效果：

32、1、本发明提出的虚拟同步发电机频率强制约束控制方法能够在电网惯量、阻尼特征未知的情况下实现准确的频率约束控制，避免频率超限运行；能够解决常规虚拟同步发电机仅能进行惯性支撑而难以准确限定频率约束范围的问题，更加适用于各类电网实际工程实践，特别适用于高比例分布式电源接入的功率快速波动地区。

33、2、本发明提供的频率强制约束控制方法通过构建约束控制模型并引入激活函数来实现严格限制虚拟同步发电机的控制输入量，由此实现对虚拟同步发电机出口频率的准确、不越限控制；因此，所提供的方法更能避免因电网功率快速波动引起的频率超调、超限运行问题发生，突破虚拟同步发电机控制技术仅能定量提升惯性、阻尼而无法定量限定频率的问题，进一步拓展虚拟同步发电机技术的应用灵活性、准确性和可靠性。

技术特征：

1.一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法，其特征在于，所述虚拟同步发电机频率动态控制模型为：

3.根据权利要求2所述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法，其特征在于，所述强制约束控制模型为：

4.根据权利要求3所述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法，其特征在于，重塑后的虚拟同步发电机频率动态控制模型为：

5.根据权利要求4所述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法，其特征在于，所述具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法为：

6.根据权利要求5所述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法，其特征在于，所述强制频率约束功能理论分析模型为：

7.一种虚拟同步发电机频率强制约束控制系统，其特征在于，包括：

8.一种计算机存储介质，存储有可读程序，其特征在于，当程序运行时，能够执行权利要求1-6任一项所述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法。

9.一种电子设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

10.一种计算机程序产品，包括计算机指令，所述计算机指令指示计算设备执行如权利要求1-6中任一所述的一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法对应的操作。

技术总结本发明公开一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法及系统，属于分布式电源运行控制技术领域；一种虚拟同步发电机频率强制约束控制方法包括：依据大信号建模与理论，建立虚拟同步发电机频率动态控制模型；建立强制约束控制模型，并以此对虚拟同步发电机频率动态控制模型进行形式重塑，确定虚拟同步发电机的控制输入项；基于重塑后的虚拟同步发电机频率动态控制模型和控制输入项，通过引入激活函数，设计具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法；利用微分方程求解所述具备强制频率运行范围约束的虚拟同步发电机控制算法，得到强制频率约束功能分析模型，对虚拟同步发电机的强制频率约束功能进行理论验证分析，完成闭环控制。技术研发人员：张从越,窦晓波,刘康礼,陈鹏,赵剑锋,吕永青受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23