考虑VSG构网储能暂态与稳态优化的自适应策略_赵炳洋.pdf

考虑VSG构网储能暂态与稳态优化的自适应策略赵炳洋1，赵波1，胡娟2，张芳1（1.北京信息科技大学自动化学院，北京100192；2.中国电力科学研究院有限公司，北京100192）摘要：虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）型构网储能因其良好的阻尼与惯量支撑特性已被广泛关注，但VSG型构网储能难以抑制有功暂态存在的超调、振荡的同时削减有功稳态偏差，灵活性差。首先建立VSG型构网储能系统有功环的闭环小信号模型，由系统的特征方程、波特图以及根轨迹分析有功指令与电网频率扰动下的系统暂态与稳态特性。接着指出固定参数VSG型构网储能无法兼顾暂态存在的超调、振荡与稳态有功偏差。因此提出一种自适应VSG型构网储能控制策略，所提控制策略确保自适应参数平滑变化，抑制系统超调、振荡的同时，可削减稳态偏差。最后通过MATLAB/Simulink验证了所提控制策略的有效性。关键词：构网储能；虚拟同步发电机；动态优化；稳态优化；自适应控制Adaptive Strategy Considering Transient and Steadystate Optimization of VSGGridforming Energy StorageZHAO Bingyang1，ZHAO Bo1，HU Juan2，ZHANG Fang1（1.School of Automation，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China；2.China Electric PowerResearch Institute，Beijing 100192，China）Abstract:The virtual synchronous generator（VSG）type of grid forming energy storage system has been widely concerned due to its excellent damping and inertia support characteristics.However，VSG type of grid forming energystorage system is difficult to suppress the overshoot and oscillation of active power while reducing the steadystate deviation of active power，resulting in weak flexibility.Firstly，the closed loop smallsignal modeling of the active powerloop of VSG type of grid forming energy storage system is set up.The transient and steady state characteristics of thesystem under active power command and grid frequency disturbance are analyzed by the characteristic equation，Bode diagram and root locus of the system.Furthermore，it is pointed out that VSG type of grid energy storage systemwith fixed parameters cannot balance transient overshoot，oscillation，and steadystate active power deviation.Therefore，an adaptive VSG type of grid forming energy storage control strategy is proposed，which ensures smooth changesin adaptive parameters，suppresses system overshoot and oscillation，and reduces steadystate deviations at the sametime.Finally，the effectiveness of the proposed control strategy is verified through MATLAB/Simulink.Key words:grid forming energy storage；virtual synchronous generator（VSG）；dynamic optimization；steady stateoptimization；adaptive control0引言为实现“双碳”目标，中国的能源体系正在向“清洁、低碳、高效”方向转变1-8。伴随着能源体系的转变，中国的电力系统呈现出高比例可再生能源与高比例电力电子设备的“双高”特征9。“双高”电力系统缺乏支撑能力，为呈现电流源特性的跟网型储能安全稳定运行带来挑战10。电压源外特性、良第59卷第7期：003900472023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：00390047Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.005_收稿日期：20230112；修回日期：20230318基金项目：智能配电台区分布式光伏接入影响机理及柔性群控技术研究(S2226221)。Project Supported by Research on the Influence Mechanism and Flexible Group Control Technology of Distributed PhotovoltaicAccess in Intelligent Transformer Area(S2226221).2023年7月第59卷第7期好弱电网稳定性的VSG型构网储能系统将是“双高”电力系统安全稳定运行的重要保障11文12指出“双高”电力系统的频率安全问题与系统惯量偏低密切相关。文13-15指出VSG通过模拟同步发电机引入的阻尼与虚拟惯量可有效提高电力系统惯量水平。而阻尼与虚拟惯量的引入也使得VSG的动态调节过程存在超调与振荡，恶化了系统的电能质量，严重时威胁系统安全稳定运行。有学者开展对VSG动态特性呈现的超调、振荡现象的研究。文16-18通过在VSG的有功环路中设计前馈通路，改变了系统零极点分布，优化了系统的动态性能。面对电网频率扰动时，由于VSG的有功环特性导致其有功输出与额定值存在稳态偏差，稳态偏差不能过大，需要加以控制19。采用上述方法虽然通过对VSG有功环重新设计抑制了超调与振荡，但并未考虑对稳态偏差的影响，且引入额外控制环路后系统传递函数将发生改变，系统分析与控制难度增加。自适应控制技术将固定阻尼与惯量环节替换自适应阻尼与惯量，无须引入额外的控制环路，通过检测频率波动实现VSG阻尼D与虚拟惯量J的灵活调节，使得VSG型构网储能兼顾不同工况。文20考虑频率变化率实现VSG虚拟惯量J的自适应控制，优化了系统动态过程的超调与振荡，但并未考虑阻尼D对系统动态性能的影响。文21对阻尼D与惯量J进行自适应控制，实现了VSG动态过程的优化，但采用的控制方法是一种棒棒控制，仅能实现控制参数在两个数值中切换。文22设计了指数型自适应函数，可使自适应参数呈指数趋势变化，避免自适应参数的突变，但指数型自适应函数额外引入两个控制系数，加大参数整定难度。文23对比了反正切、指数、棒棒型等不同自适应函数对VSG动态过程的优化效果，但并未考虑稳态偏差的限制效果。目前自适应策略大多针对VSG的动态过程的优化，缺乏对电网频率扰动下VSG稳态偏差的研究。文中建立VSG型构网储能有功环的闭环小信号模型，通过闭环小信号模型得到VSG面对有功和电网频率扰动下的传递函数。由所得传递函数分析了阻尼系数与惯量的选择，以及采用固定参数VSG无法兼顾动、稳态特性的缺陷。文中提出一种自适应VSG型构网储能控制策略，实现动态、稳态性能优化。分析了自适应控制算法的流程与自适应参数的需求。最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了自适应VSG型构网控制策略的有效性。1VSG型构网储能有功响应缺陷1.1 VSG有功闭环小信号模型典型的VSG型构网储能系统并网运行结构示意图见图124。图1中：Udc为直流侧电压，通过VSG将直流电能转化为交流电能再通过LC滤波后进行并网；Lg为电网等效阻抗；Ug为电网电压。图1VSG型构网储能结构示意图Fig.1Structure of VSGVSG控制环路为三环控制结构包括功率环、电压、电流内环。通过采集VSG的输出电压与电流计算得到VSG输出功率。将计算得到的功率作为功率外环的输入量，通过模拟下垂特性与同步发电机的转子方程，VSG的功率环输出电压幅值与相角。通过电压合成环节合成为电压内环参考电压。由电压电流内环和SPWM环节调制出SPWM波驱动电力电子变换器。VSG功率外环包括功率下垂环节、惯性控制环节与阻尼控制环节。有功功率的下垂环节与下垂控制相同其控制方程见式(1)Pm-Pref=-K(-ref)(1)式(1)中：Pm为虚拟转子发出的机械功率；Pref为参考有功功率；K为下垂系数；为虚拟同步机输出40的角频率；ref为参考角频率。VSG引入了模拟同步发电机转子方程的控制环路，控制方程见式(2)|Tm-Te-D(-ref)=JddtTm=PmrefTe=Peref=ddt(2)式(2)中：Tm为机械转矩；Te为电磁转矩；Pe为电磁功率；D为VSG的阻尼系数；J为VSG的虚拟转动惯量；为VSG功角。如图1所示的VSG输出功率见式(3)S=3U0Ig=3U0U0-Ugr-jXs=3U20-U0Ug(cos+jsin)r-jXs(3)式(3)中：U0为滤波电容电压向量；Ug为电网电压向量；r为线路等效电阻；Xs为线路等效电抗，一般线路的等效阻抗会被虚拟阻抗设置为感性也即满足Xsr。简化式(3)，整理得到VSG输出的有功功率表达式见式(4)P=3U0UgsinXs(4)联立式(1)、(2)、(4)，将有功功率、角频率、功角等变量考虑为稳态量叠加小扰动量的形式25，得到的VSG有功环闭环小信号控制框图见图2。图2有功环闭环小信号模型Fig.2Closedloop smallsignal model of the active powercontrol of VSG1.2有功输出响应的超调与振荡由图2可求得有功给定扰动P?ref与VSG输出有功P?e之间的传递函数见式(5)GPe_Pref(s)=P?eP?ref=3UgU0XsJrefs2+(Dref+K)s+3UgU0Xs(5)由式(5)可知P?ref与P?e的传递函数为典型的二阶系统传递函数，其对应的无阻尼振荡频率n与阻尼比见式(6)。当阻尼比=0时，VSG的有功输出响应就会呈现等幅振荡，系统无法正常输出给定功率。当阻尼比01时，VSG的有功输出虽然不存在超调与振荡，但会导致响应速度过慢，无法适应实际工况。|n=3UgU0XsJref=D+K2 3UgU0JrefXs(6)综上VSG的有功输出响应存在超调与振荡现象，系统相对超调量%、调节时间ts与阻尼比、无阻尼振荡频率n见式(7)。结合式(6)可知，VSG的超调与振荡可以通过调节系统的阻尼比与振荡频率改善。|%=e-1-2100%ts3n(7)系统阻尼比、虚拟转动惯量J和阻尼系数D之间的关系见图3。由图3可知，如果要使系统具有合适的阻尼比，虚拟转动惯量J要尽量小，过大的J会减小系统阻尼比，导致系统振