虚拟同步机自适应控制方法及装置与流程

本发明属于新能源并网控制，具体地涉及一种虚拟同步机自适应控制方法、一种虚拟同步机自适应控制装置、一种电子设备及一种机器可读存储介质。

背景技术：

1、在双碳目标的驱动下，风、光等新能源电源的主体化趋势日益明显。目前主流的风电和光伏发电系统均依赖于电力电子并网变换器接入电网，因此逆变器的控制是微电网控制的核心。常用的逆变器控制策略主要采用恒压恒频（v/f）控制、恒功率（p/q）控制、下垂控制和虚拟同步机控制等。恒压恒频控制通过控制逆变器使其以额定的频率和电压进行输出，可以等效为电压源，对外表现出低阻抗，不适合并联运行。恒功率控制通过外环的功率环和内环的电流环控制逆变器使其始终随给定的功率输出，可以等效为电流源，对外表现出高阻抗。此外，恒压恒频控制和恒功率控制并不具有同步发电机的特性。下垂控制是将同步发电机的并网控制策略引入控制系统，然后结合逆变器的功率输出特性，得到下垂控制的基本原理。虚拟同步机控制技术能够让并网变换器自主构建交流电压的幅值和频率，相关研究指出，通过构网型控制，能够实现100%新能源并网。相比于传统的功率解耦矢量控制技术而言，虚拟同步控制不仅可以更好地实现对电网频率以及近区电压的主动快速支撑，而且在弱网稳定运行能力方面也有显著优势。

2、现阶段，由于典型的虚拟同步机的控制环节参数固定，固定的控制环节参数在应对过快频率变化等情况时会出现无法及时响应或是响应不足的问题，由此可见，为实现新能源并网系统的稳定，控制环节参数的自适应调整至关重要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种虚拟同步机自适应控制方法、一种虚拟同步机自适应控制装置、一种电子设备及一种机器可读存储介质，用以克服固定的控制环节参数在应对过快频率变化等情况时无法及时响应或响应不足的缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明实施例的第一方面提供一种虚拟同步机自适应控制方法，所述方法包括：

3、根据电网实时频率和频率参考值确定频率偏移特征；

4、将与频率偏移特征具有相关性的虚拟同步机控制系统性能指标作为适应度函数，构建出控制参数优化模型；

5、根据所述频率偏移特征、或结合所述频率偏移特征和采集到的并网点d轴电压求取控制参数优化模型的最优解，以输出虚拟同步机控制系统有功控制环节的控制参数、或输出虚拟同步机控制系统有功控制环节和电压控制环节的控制参数；

6、将所述控制参数应用于虚拟同步机控制系统，以改变网侧的构网型变流器的输出；

7、其中，有功控制环节的控制参数包括虚拟转动惯量和阻尼系数，电压控制环节的控制参数包括电压控制环节内pi控制器的比例系数和积分系数。

8、可选的，在求取控制参数优化模型的最优解时，根据虚拟同步机的输出频率振荡特性和所述频率偏移特征构建惩罚项，并将该惩罚项引入控制参数优化模型的目标函数，得到各个频率振荡区间虚拟转动惯量和阻尼系数的自适应控制函数。

9、可选的，所述频率偏移特征包括频率变化量、频率相对于时间的一阶导数和频率相对于时间的二阶导数。

10、可选的，所述虚拟转动惯量的自适应控制函数为：

11、；

12、其中，表示虚拟转动惯量，表示虚拟同步机控制系统初始未受扰动时的虚拟转动惯量，表示考虑系统稳定时虚拟转动惯量的最大取值，表示考虑系统稳定时虚拟转动惯量的最小取值，表示虚拟转动惯量自适应策略启动的阈值，表示以频率变化量、频率相对于时间的一阶导数和频率相对于时间的二阶导数作为输入变量的虚拟转动惯量惩罚项。

13、可选的，所述虚拟转动惯量惩罚项通过下式计算：

14、=；

15、其中，表示虚拟同步机控制系统受扰动时的虚拟转动惯量调节系数，、和均为比例调节系数，为虚拟转动惯量的指数调节系数。

16、可选的，所述阻尼系数的自适应控制函数为：

17、；

18、其中，表示阻尼系数，表示虚拟同步机控制系统初始未受扰动时的阻尼系数，表示考虑系统稳定时阻尼系数的最大取值，表示考虑系统稳定时阻尼系数的最小取值，表示阻尼系数自适应策略启动的阈值，表示以频率变化量、频率相对于时间的一阶导数和频率相对于时间的二阶导数作为输入变量的阻尼系数惩罚项。

19、可选的，所述阻尼系数惩罚项通过下式计算：

20、=；

21、其中，表示虚拟同步机控制系统受扰动时的阻尼系数调节系数，、和均为比例调节系数，为阻尼系数的指数调节系数。

22、可选的，在求取控制参数优化模型的最优解时，根据频率偏移特征和并网点d轴电压构建惩罚项，并将该惩罚项引入控制参数优化模型的目标函数，得到pi控制器的比例系数和积分系数的自适应控制函数。

23、可选的，pi控制器的比例系数和积分系数的自适应控制函数为：

24、；

25、其中，表示pi控制器的比例系数，表示虚拟同步机控制系统初始未受扰动时pi控制器的比例系数，表示pi控制器的积分系数，表示虚拟同步机控制系统初始未受扰动时pi控制器的积分系数，表示并网点的d轴电压，表示频率变化量，表示频率相对于时间的一阶导数，表示频率相对于时间的二阶导数，分别表示求取pi控制器的比例系数和积分系数时设定的系数。

26、可选的，所述虚拟同步机控制系统性能指标包括itae评价指标。

27、可选的，所述适应度函数为：

28、；

29、其中，角频率变化量根据转子运动方程求取得到，并且，表示有功功率参考值或者给定值，表示有功功率测量值，表示电网的角频率参考值，表示电网的频率参考值，表示阻尼系数，表示虚拟转动惯量。

30、可选的，所述控制参数优化模型采用粒子群算法进行最优解的求取。

31、可选的，粒子群算法中采用基于sine函数构造的非线性异步学习因子。

32、可选的，所述非线性异步学习因子中的自我学习因子为自我学习因子的上限值与第一非线性值的差值，所述第一非线性值为第一学习因子变化量与第一调节系数的乘积，所述第一学习因子变化量为自我学习因子的上限值与自我学习因子的下限值的差值再同自我学习因子的上限值的比值，所述第一调节系数根据迭代步的增加而呈现正弦趋势上升；所述非线性异步学习因子中的群体学习因子为群体学习因子的上限值与第二非线性值之和，所述第二非线性值为第二学习因子变化量与第二调节系数的乘积，所述第二学习因子变化量为群体学习因子的上限值与群体学习因子的下限值的差值再同群体学习因子的上限值的比值，所述第二调节系数根据迭代步的增加而呈现正弦趋势上升。

33、可选的，所述自我学习因子表示为：；其中，表示自我学习因子的上限值，表示自我学习因子的下限值，表示当前迭代次数，表示最大迭代次数；

34、所述群体学习因子表示为；其中，表示群体学习因子的上限值，表示群体学习因子的下限值。

35、本发明实施例的第二方面提供一种虚拟同步机自适应控制装置，所述装置包括：

36、频率偏移特征确定模块，用于根据电网实时频率和频率参考值确定频率偏移特征；

37、控制参数优化模型构建模块，用于将与频率偏移特征具有相关性的虚拟同步机控制系统性能指标作为适应度函数，构建出控制参数优化模型；

38、控制参数自适应输出模块，用于根据所述频率偏移特征、或结合所述频率偏移特征和采集到的并网点d轴电压求取控制参数优化模型的最优解，以输出虚拟同步机控制系统有功控制环节的控制参数、或输出虚拟同步机控制系统有功控制环节和电压控制环节的控制参数；

39、自适应控制模块，用于将所述控制参数应用于虚拟同步机控制系统，以改变网侧的构网型变流器的输出；

40、其中，有功控制环节的控制参数包括虚拟转动惯量和阻尼系数，电压控制环节的控制参数包括电压控制环节内pi控制器的比例系数和积分系数。

41、本发明实施例的第三方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明实施例的第一方面所述的虚拟同步机自适应控制方法。

42、本发明实施例的第四方面提供一种机器可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例的第一方面所述的虚拟同步机自适应控制方法。

43、上述技术方案中，将所需自适应调整的有功控制环节的控制参数和/或电压控制环节的控制参数作为待优化的决策变量，以与频率偏移特征具有相关性的虚拟同步机控制系统性能指标作为适应度函数，从而构建出用于虚拟同步机控制系统控制参数最优解求取的控制参数优化模型，并将最优解导入虚拟同步机控制系统中，以改变网侧的构网型变流器的输出，实现对系统工况的快速和有效的响应。相比于控制参数固定的传统惯量支撑而言，虚拟同步机控制系统内控制参数的自适应可调，使得新能源并网系统具有更强的频率支撑能力，从而提升了电网的频率稳定性以及电网频率响应的有效性和快速性。

44、本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。