本发明属于调频逆变器领域，应用于孤岛运行的微电网中，具体来讲为一种改进型VSG二次调频控制器及控制方法。
背景技术：
微电网一般由多台逆变器和负荷组成，仿照同步发电机的原理，微电网内的每台VSG也需要配置虚拟调速器才能进行频率控制，利用控制算法模拟同步发电机的调速器，将调速器的数学模型引入到控制环中，实现调速器功能，从而可进行一次调频工作。
传统电力系统的一次调频及二次调频原理如图1所示。
图1中，PG为发电机的功频静态特性曲线，PL为负荷的频率静态特性曲线。初始时刻运行在O点，当系统负荷增加ΔPL0后，负荷的频率静态特性曲线变为PL，由于在负荷突增的瞬间，发电机的输出功率不能突变，因此会造成发电机转速下降，转速下降则会因其系统的频率下降，在频率下降的同时，差生的频率偏差使发电机的调速器开始参与调节，发电机由调速器的参与，进行一次调频，输出功率增加，同时负荷功率因其本身的调节效应而减少，此时达到一个新的平衡，新的平衡运行点移至O’点。
若一次调频不能满足频率的稳定，则发电机会进行二次调频，二次调频由调频器作用，使PG上升至PG’，新的平衡运行点也随之转移至O”点，由图1可见，ΔPL0可表示为：
（1）
取频率的上升方向为正，则KG为发电机的功频特性系数，表示频率变化时发电机输出的功率变化量；KL为负荷的频率调节效应系数，表示负荷随频率的变化程度。ΔPG0为发电机进行二次调频多发出的功率。为发电机一次调频的功率增量。为由负荷本身的调节效应产生的变化量。
发电机的二次调频相当于增加了发电机的出力ΔPG0，在输出功率增加的情况下，频率的偏差量自然会逐渐减小。由图1中PG”可见，当时，系统频率偏差为0，频率将恢复至额定频率，这样就实现了无差调频。
当经过发电机一次调频，频率下降并运行至第一个平衡点点时，发电机二次调频可使平衡点移至点或A点。经过发电机的二次调频，总出力依旧不变，但可调逆变器的出力会因二次调频而增加，这样在VSG控制下的多台逆变器的功率分配会有所改变。假设一个微电网中有b个逆变器，若选定其中一个作为可调逆变器，则可调逆变器的输出功率可表示为：
（2）
微电网一般由多台逆变器和负荷组成，仿照同步发电机的原理，微电网内的每台VSG也需要配置虚拟调速器才能进行频率控制，利用控制算法模拟同步发电机的调速器，将调速器的数学模型引入到控制环中，实现调速器功能，从而可进行一次调频工作。微电网工作在孤岛模式时，没有大电网的频率支撑，在孤岛运行模式下，微电网的频率只能由逆变器自身来完成调节，这就需要将额定频率作为调速器的输入频率，如图2所示。当微网内出现微小突变负荷时，频率会发生变化，在微网内各VSG的调速器协调控制下，实现新的功率平衡点，稳定系统频率，相当于电力系统的一次调频。图2中，为调频系数，为额定有功功率，LTP为限幅环节。
为保证频率在正常范围内，正如同传统电力系统中同步发电机组的一次调频一样，在VSG控制下的一次调频阶段，各台逆变器的输出功率将按照容量比例分配出力。由图2可得，VSG在稳态时与同步发电机一样，各台VSG承担的负荷增量正比于它们的容量。
微电网工作在孤岛模式时，没有大电网的频率支撑，在孤岛运行模式下，微电网的频率只能由逆变器自身来完成调节，这就需要将额定频率 作为调速器的输入频率。当微网内出现微小突变负荷时，频率会发生变化，在微网内各VSG的调速器协调控制下，实现新的功率平衡点，稳定系统频率，相当于电力系统的一次调频。而传统VSG频并没有改变调频逆变器的稳态输出功率，属于有差调节，当负荷或发电功率波动大时，采用一次调频按额定功率比例输出功率，易造成频率的越限。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种改进型VSG二次调频控制器及控制方法，解决传统VSG频并没有改变调频逆变器的稳态输出功率，属于有差调节，当负荷或发电功率波动大时，采用一次调频按额定功率比例输出功率，易造成频率的越限。
本发明是这样实现的， VSG频并没有改变调频逆变器的稳态输出功率，属于有差调节，当负荷或发电功率波动大时，采用一次调频按额定功率比例输出功率，将可能造成频率的越限，这时就需要采用二次调频控制，根据偏差，实时调节各逆变器输出功率，重新确定功率平衡点，保证系统的频率质量。
为了令基于VSG的调频逆变器除具有一次调频功能外还具备二次调频功能，故而基于VSG，对VSG控制进行改进，本专利提出的改进VSG二次调频是将积分器引入到VSG的功频控制环路（输出量为功角θ，给定值输入是输入的VSG有功功率，负反馈是通过VSG输出的有功功率对进行跟踪比较，通过虚拟转动惯量J与积分器算法来模拟同步发电机使无限的接近给定量，用所输出的功角θ来控制频率，即为功角控制频率。），和虚拟阻尼D共同组成一个PI控制器，令额定角频率作为参考量，通过PI控制实现减小干扰额定角频率的输出量，这样就可间接使输入功率与输出功率匹配，最终达到调频效果。如图3所示。是VSG的输入的有功功率，表示VSG的输出的有功功率，是VSG的角频率，是额定角频率，是VSG输出的功角，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼。SVPWM：模拟可调频的正弦波电源。
本发明对传统VSG进行改进使其获得二次调频功能。提出的改进VSG二次调频是将积分器引入到VSG的功频控制环路，和虚拟阻尼D共同组成一个PI控制器，令额定角频率作为参考量，通过PI控制实现减小干扰额定角频率的输出量，这样就可间接使输入功率与输出功率匹配，最终达到调频效果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
这个改进VSG的二次调频控制仅在调频逆变器中使用，方法简单，原理易懂，主要需要攻克的是的取值问题，在确定的取值之前，应先建立小信号等效模型，判断引入是否影响VSG控制的稳定性，只有在判断结果为不影响VSG稳定性时，才能做进一步的研究。图4为孤岛模式下逆变器的等效电路。图4为孤岛模式下微电网逆变器的等效电路模型，其中，逆变器输出电压设为，设线路阻抗与负载阻抗之和为R+jX，设逆变器输出的视在功率为S=P+jQ，根据图4可得有功功率及无功功率的表达式为：
（3）
针对静态工作点（，）处的扰动和所引发的VSG的输出功率偏差，本专利主要研究频率方面的调控，为了方便分析，只对有功功率部分进行后续研究，忽略无功功率部分，因而对逆变器输出有功功率表达式（4）进行线性化并简化表示为：
（4）
式（4）中的、分别为有功功率-频率及有功功率-电压之间对应的增益系数。为进一步简化分析，可将有功功率和无功功率看成近似解耦，可得到孤岛模式下有功功率部分的小信号等效模型如图5所示。根据图5中的小信号等效模型，可以求出针对角频率-的开环传递函数为：
（5）
式（5）的闭环特征方程为：
（6）
若想实现二次调频功能，则≠0，因而当≠0 且J 和D均为确定的常数时，此时式（6）中，以作为开环增益的等效开环传递函数为：
（7）
表1给出了VSG 控制系统的参数设置，本专利中选取J=0.5，D=20
通过MATLAB平台进行小信号稳定分析，由式（7）得到的根轨迹如图6所示。从图6可以看出，求解出的特征根均位于虚轴组左侧，并且是一对共轭复根，根据利用根轨迹的稳定性分析，在无正实根的情况下，的引入不会影响原VSG控制的稳定性。
确定对VSG控制的原有稳定性无影响后，接下来就可以确定的取值范围。在复频域内，由于干扰额定角频率的输出量在复频域内的低频段，因此式（5）的环路增益可以进一步简化如下：
（8）
首先，参数的加入，需要保证角频率的开环传递函数的环路增益满足减小条件，这就要求环路增益必须小于1。故令式（8）小于1即可确定的取值下限。然后借助MATLAB平台，制作在不同的三种取值下，系统角频率的开环传递函数对应的伯德图，如图7所示，从图7可看出，随着的增大，系统在低频段对干扰额定角频率的输出量的衰减能力不断增强，但根据实际情况分析，若的取值过大，会导致干扰额定角频率的输出量过快减小，可能会引发微电网的频率失步，因此，为保证微电网频率的稳定，本专利选取在环路增益为0.1时确定的取值上限，在此取值范围内，改进的VSG二次调频控制既可对干扰额定角频率的输出量进行衰减，保障输出角频率接近额定角频率，同时又能保证对同步发电机的模拟。
基于虚拟同步发电机的频率控制方法设计
通过改进VSG控制，在VSG控制的前提下实现二次调频功能，但是并不是所有的逆变器都可以担任二次调频任务，例如在风光储型微电网中，风、光等可再生能源因此存在间歇性和波动性，故而光伏逆变器和风力发电逆变器只能在始终基于VSG控制负责一次调频，只能选用储能逆变器来作为调频逆变器，因为储能的电能来源不是自然资源，在电量充足的情况下，不存在间歇性的问题，其输出可控性较好。本专利在改进VSG控制的基础上设计了频率控制方法，主要就是在积分器的输入端增加一个开关用以切换传统VSG和改进VSG，即一次调频和二次调频功能的切换，通过测量微电网的实时频率并与频率允许范围比较，在频率未超出允许范围时，储能VSG运行于一次调频，当频率越限且保持0.5s时，储能VSG自动切换至二次调频模式，为离网运行的微电网提供频率支撑，如图8所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明属于调频逆变器领域，应用于孤岛运行的微电网中，具体来讲为一种改进型VSG二次调频控制器及控制方法。
背景技术：
微电网一般由多台逆变器和负荷组成，仿照同步发电机的原理，微电网内的每台VSG也需要配置虚拟调速器才能进行频率控制，利用控制算法模拟同步发电机的调速器，将调速器的数学模型引入到控制环中，实现调速器功能，从而可进行一次调频工作。
传统电力系统的一次调频及二次调频原理如图1所示。
图1中，PG为发电机的功频静态特性曲线，PL为负荷的频率静态特性曲线。初始时刻运行在O点，当系统负荷增加ΔPL0后，负荷的频率静态特性曲线变为PL，由于在负荷突增的瞬间，发电机的输出功率不能突变，因此会造成发电机转速下降，转速下降则会因其系统的频率下降，在频率下降的同时，差生的频率偏差使发电机的调速器开始参与调节，发电机由调速器的参与，进行一次调频，输出功率增加，同时负荷功率因其本身的调节效应而减少，此时达到一个新的平衡，新的平衡运行点移至O’点。
若一次调频不能满足频率的稳定，则发电机会进行二次调频，二次调频由调频器作用，使PG上升至PG’，新的平衡运行点也随之转移至O”点，由图1可见，ΔPL0可表示为：
（1）
取频率的上升方向为正，则KG为发电机的功频特性系数，表示频率变化时发电机输出的功率变化量；KL为负荷的频率调节效应系数，表示负荷随频率的变化程度。ΔPG0为发电机进行二次调频多发出的功率。为发电机一次调频的功率增量。为由负荷本身的调节效应产生的变化量。
发电机的二次调频相当于增加了发电机的出力ΔPG0，在输出功率增加的情况下，频率的偏差量自然会逐渐减小。由图1中PG”可见，当时，系统频率偏差为0，频率将恢复至额定频率，这样就实现了无差调频。
当经过发电机一次调频，频率下降并运行至第一个平衡点点时，发电机二次调频可使平衡点移至点或A点。经过发电机的二次调频，总出力依旧不变，但可调逆变器的出力会因二次调频而增加，这样在VSG控制下的多台逆变器的功率分配会有所改变。假设一个微电网中有b个逆变器，若选定其中一个作为可调逆变器，则可调逆变器的输出功率可表示为：
（2）
微电网一般由多台逆变器和负荷组成，仿照同步发电机的原理，微电网内的每台VSG也需要配置虚拟调速器才能进行频率控制，利用控制算法模拟同步发电机的调速器，将调速器的数学模型引入到控制环中，实现调速器功能，从而可进行一次调频工作。微电网工作在孤岛模式时，没有大电网的频率支撑，在孤岛运行模式下，微电网的频率只能由逆变器自身来完成调节，这就需要将额定频率作为调速器的输入频率，如图2所示。当微网内出现微小突变负荷时，频率会发生变化，在微网内各VSG的调速器协调控制下，实现新的功率平衡点，稳定系统频率，相当于电力系统的一次调频。图2中，为调频系数，为额定有功功率，LTP为限幅环节。
为保证频率在正常范围内，正如同传统电力系统中同步发电机组的一次调频一样，在VSG控制下的一次调频阶段，各台逆变器的输出功率将按照容量比例分配出力。由图2可得，VSG在稳态时与同步发电机一样，各台VSG承担的负荷增量正比于它们的容量。
微电网工作在孤岛模式时，没有大电网的频率支撑，在孤岛运行模式下，微电网的频率只能由逆变器自身来完成调节，这就需要将额定频率 作为调速器的输入频率。当微网内出现微小突变负荷时，频率会发生变化，在微网内各VSG的调速器协调控制下，实现新的功率平衡点，稳定系统频率，相当于电力系统的一次调频。而传统VSG频并没有改变调频逆变器的稳态输出功率，属于有差调节，当负荷或发电功率波动大时，采用一次调频按额定功率比例输出功率，易造成频率的越限。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种改进型VSG二次调频控制器及控制方法，解决传统VSG频并没有改变调频逆变器的稳态输出功率，属于有差调节，当负荷或发电功率波动大时，采用一次调频按额定功率比例输出功率，易造成频率的越限。
本发明是这样实现的， VSG频并没有改变调频逆变器的稳态输出功率，属于有差调节，当负荷或发电功率波动大时，采用一次调频按额定功率比例输出功率，将可能造成频率的越限，这时就需要采用二次调频控制，根据偏差，实时调节各逆变器输出功率，重新确定功率平衡点，保证系统的频率质量。
为了令基于VSG的调频逆变器除具有一次调频功能外还具备二次调频功能，故而基于VSG，对VSG控制进行改进，本专利提出的改进VSG二次调频是将积分器引入到VSG的功频控制环路（输出量为功角θ，给定值输入是输入的VSG有功功率，负反馈是通过VSG输出的有功功率对进行跟踪比较，通过虚拟转动惯量J与积分器算法来模拟同步发电机使无限的接近给定量，用所输出的功角θ来控制频率，即为功角控制频率。），和虚拟阻尼D共同组成一个PI控制器，令额定角频率作为参考量，通过PI控制实现减小干扰额定角频率的输出量，这样就可间接使输入功率与输出功率匹配，最终达到调频效果。如图3所示。是VSG的输入的有功功率，表示VSG的输出的有功功率，是VSG的角频率，是额定角频率，是VSG输出的功角，J为虚拟转动惯量，D为虚拟阻尼。SVPWM：模拟可调频的正弦波电源。
本发明对传统VSG进行改进使其获得二次调频功能。提出的改进VSG二次调频是将积分器引入到VSG的功频控制环路，和虚拟阻尼D共同组成一个PI控制器，令额定角频率作为参考量，通过PI控制实现减小干扰额定角频率的输出量，这样就可间接使输入功率与输出功率匹配，最终达到调频效果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
这个改进VSG的二次调频控制仅在调频逆变器中使用，方法简单，原理易懂，主要需要攻克的是的取值问题，在确定的取值之前，应先建立小信号等效模型，判断引入是否影响VSG控制的稳定性，只有在判断结果为不影响VSG稳定性时，才能做进一步的研究。图4为孤岛模式下逆变器的等效电路。图4为孤岛模式下微电网逆变器的等效电路模型，其中，逆变器输出电压设为，设线路阻抗与负载阻抗之和为R+jX，设逆变器输出的视在功率为S=P+jQ，根据图4可得有功功率及无功功率的表达式为：
（3）
针对静态工作点（，）处的扰动和所引发的VSG的输出功率偏差，本专利主要研究频率方面的调控，为了方便分析，只对有功功率部分进行后续研究，忽略无功功率部分，因而对逆变器输出有功功率表达式（4）进行线性化并简化表示为：
（4）
式（4）中的、分别为有功功率-频率及有功功率-电压之间对应的增益系数。为进一步简化分析，可将有功功率和无功功率看成近似解耦，可得到孤岛模式下有功功率部分的小信号等效模型如图5所示。根据图5中的小信号等效模型，可以求出针对角频率-的开环传递函数为：
（5）
式（5）的闭环特征方程为：
（6）
若想实现二次调频功能，则≠0，因而当≠0 且J 和D均为确定的常数时，此时式（6）中，以作为开环增益的等效开环传递函数为：
（7）
表1给出了VSG 控制系统的参数设置，本专利中选取J=0.5，D=20
通过MATLAB平台进行小信号稳定分析，由式（7）得到的根轨迹如图6所示。从图6可以看出，求解出的特征根均位于虚轴组左侧，并且是一对共轭复根，根据利用根轨迹的稳定性分析，在无正实根的情况下，的引入不会影响原VSG控制的稳定性。
确定对VSG控制的原有稳定性无影响后，接下来就可以确定的取值范围。在复频域内，由于干扰额定角频率的输出量在复频域内的低频段，因此式（5）的环路增益可以进一步简化如下：
（8）
首先，参数的加入，需要保证角频率的开环传递函数的环路增益满足减小条件，这就要求环路增益必须小于1。故令式（8）小于1即可确定的取值下限。然后借助MATLAB平台，制作在不同的三种取值下，系统角频率的开环传递函数对应的伯德图，如图7所示，从图7可看出，随着的增大，系统在低频段对干扰额定角频率的输出量的衰减能力不断增强，但根据实际情况分析，若的取值过大，会导致干扰额定角频率的输出量过快减小，可能会引发微电网的频率失步，因此，为保证微电网频率的稳定，本专利选取在环路增益为0.1时确定的取值上限，在此取值范围内，改进的VSG二次调频控制既可对干扰额定角频率的输出量进行衰减，保障输出角频率接近额定角频率，同时又能保证对同步发电机的模拟。
基于虚拟同步发电机的频率控制方法设计
通过改进VSG控制，在VSG控制的前提下实现二次调频功能，但是并不是所有的逆变器都可以担任二次调频任务，例如在风光储型微电网中，风、光等可再生能源因此存在间歇性和波动性，故而光伏逆变器和风力发电逆变器只能在始终基于VSG控制负责一次调频，只能选用储能逆变器来作为调频逆变器，因为储能的电能来源不是自然资源，在电量充足的情况下，不存在间歇性的问题，其输出可控性较好。本专利在改进VSG控制的基础上设计了频率控制方法，主要就是在积分器的输入端增加一个开关用以切换传统VSG和改进VSG，即一次调频和二次调频功能的切换，通过测量微电网的实时频率并与频率允许范围比较，在频率未超出允许范围时，储能VSG运行于一次调频，当频率越限且保持0.5s时，储能VSG自动切换至二次调频模式，为离网运行的微电网提供频率支撑，如图8所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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