倪澤龍，林鈺鈞，王治濤，許振宇，陳 霞

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

倪澤龍1，林鈺鈞1，王治濤2，許振宇1，陳 霞1

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；2.華潤(rùn)電力(宜昌)有限公司，湖北 宜昌 443000)

儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)(Virtual Synchronous Generator, VSG)控制接入電網(wǎng)能夠有效提升未來(lái)高比例可再生能源與高比例電力電子設(shè)備的“雙高”電力系統(tǒng)的慣性，抑制系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)時(shí)的頻率波動(dòng)。以調(diào)頻為控制目標(biāo)，應(yīng)用模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control, MPC)對(duì)儲(chǔ)能變流器VSG的輸入功率進(jìn)行自適應(yīng)控制，能夠進(jìn)一步改善擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)。通過(guò)建立儲(chǔ)能變流器VSG的預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)了關(guān)于頻率增量與輸入功率加權(quán)平方和的代價(jià)函數(shù)。通過(guò)二次規(guī)劃計(jì)算出最優(yōu)控制序列，對(duì)VSG有功功率輸入值進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正。結(jié)果表明，該方法可以提升系統(tǒng)慣性，有效抑制功率波動(dòng)時(shí)的最大頻率偏移與最大頻率變化率。相比于傳統(tǒng)控制方法，系統(tǒng)頻率變化率得到了有效的改善。

虛擬同步發(fā)電機(jī)；模型預(yù)測(cè)控制；調(diào)頻

0 引言

近年來(lái)，分布式可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用引起了廣泛關(guān)注，大量分布式電源通過(guò)不同類(lèi)型的變流器連接到配電網(wǎng)絡(luò)或微電網(wǎng)中?；谙麓箍刂频碾妷盒妥兞髌饔捎谄涓咝У墓β史峙湫阅埽玫搅藦V泛應(yīng)用[1-4]。然而，基于下垂控制的分布式可再生能源機(jī)組與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)相比，既沒(méi)有動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)，也不提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐。因而隨著非同步可再生能源滲透率增加，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性下降[5-8]。

為了解決下垂控制帶來(lái)的系統(tǒng)慣量缺失問(wèn)題，有學(xué)者提出在功率變換器的控制方法中運(yùn)用模擬同步機(jī)的慣性特性與阻尼特性的方案，從而補(bǔ)償系統(tǒng)慣性，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這時(shí)候的變流器成為虛擬同步機(jī)(Virtual Synchronous Generator, VSG)，對(duì)應(yīng)的控制方法稱(chēng)為虛擬同步機(jī)控制[9]。學(xué)者利用VSG這一概念完成了許多工作。文獻(xiàn)[10]通過(guò)引進(jìn)頻率積分反饋回路，補(bǔ)償微網(wǎng)頻率的偏差，實(shí)現(xiàn)功率按比例分配，改善了VSG的調(diào)頻性能。文獻(xiàn)[11]引入了零起升壓環(huán)節(jié)，將VSG控制策略應(yīng)用到微電網(wǎng)黑啟動(dòng)中，避免在切換控制模式時(shí)導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗。特別地，在工程上，儲(chǔ)能通常通過(guò)變流器接入電網(wǎng)，同樣存在慣量缺失問(wèn)題[12]，所以VSG控制在儲(chǔ)能控制方面得到了諸多應(yīng)用。文獻(xiàn)[13]利用VSG控制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與傳統(tǒng)機(jī)組聯(lián)合供電，并兼顧SOC與頻率控制，通過(guò)自適應(yīng)控制調(diào)整其權(quán)重分配。文獻(xiàn)[14]通過(guò)VSG控制實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)能并聯(lián)運(yùn)行，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動(dòng)的調(diào)頻調(diào)壓策略。文獻(xiàn)[15]提出了適用于光儲(chǔ)并網(wǎng)的VSG控制方案，使得光儲(chǔ)并聯(lián)模塊具有同步機(jī)的外特性，并且儲(chǔ)能能夠有效平抑光伏出力波動(dòng)。

但是，當(dāng)系統(tǒng)頻率變化過(guò)大或過(guò)快時(shí)，上述傳統(tǒng)VSG控制均不能保證較好的頻率響應(yīng)，頻率偏移與頻率變化率(Rate of Change of Frequency, ROCOF)都有可能過(guò)大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。其根本原因在于，控制只依靠VSG自身的響應(yīng)，而缺乏實(shí)時(shí)控制與補(bǔ)償。針對(duì)上述問(wèn)題，目前最常見(jiàn)的解決辦法是自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬慣量系數(shù)[16]和虛擬阻尼系數(shù)[17]。文獻(xiàn)[16]提出了VSG的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制方案，在擾動(dòng)剛發(fā)生時(shí)提高，以此降低ROCOF；在頻率恢復(fù)時(shí)降低，加快頻率恢復(fù)速度。文獻(xiàn)[17]提出了一種在線感知電網(wǎng)強(qiáng)度并以此自適應(yīng)優(yōu)化虛擬阻尼系數(shù)的方法，調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)頻率偏差盡量小且不失穩(wěn)(系統(tǒng)阻尼比接近0.707)，優(yōu)化VSG的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)的方法存在其局限性：其一，自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)存在延遲，當(dāng)擾動(dòng)過(guò)快、過(guò)大時(shí)，無(wú)法從根本上解決擾動(dòng)發(fā)生瞬間ROCOF過(guò)大的問(wèn)題，危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定；其二，自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)方法不是在VSG控制的基礎(chǔ)上補(bǔ)償有功缺額，而是直接改變控制系統(tǒng)中的參數(shù)大小，即不具有即插即用功能，在自適應(yīng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，很難直接去掉該環(huán)節(jié)從而排除故障，增大了系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)。所以，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要類(lèi)似于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法，生成實(shí)時(shí)的最優(yōu)控制函數(shù)()以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)控制效果的目的。目前在逆變器控制中常見(jiàn)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制有H-∞控制[18]、諧振優(yōu)化控制[19]、模型預(yù)測(cè)控制[20-24](Model Predictive Control, MPC)等等。MPC通過(guò)預(yù)測(cè)控制效果，調(diào)節(jié)控制輸入，達(dá)到更快、更穩(wěn)定地追蹤控制目標(biāo)的效果[20]。由于其可以提高閉環(huán)性能，魯棒性好，近年來(lái)在分布式發(fā)電控制與儲(chǔ)能控制中得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[21]在儲(chǔ)能三相兩電平VSC換流器的控制中應(yīng)用了VSG外環(huán)、MPC功率預(yù)測(cè)內(nèi)環(huán)控制策略，改善了在離網(wǎng)、并網(wǎng)時(shí)的控制效果。文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了針對(duì)電池儲(chǔ)能MMC的混合型模型預(yù)測(cè)控制方法，用傳統(tǒng)PI控制處理電流內(nèi)環(huán)，MPC環(huán)節(jié)抑制共模電壓，在降低了運(yùn)算量的同時(shí)保證了控制效果。文獻(xiàn)[23]將MPC算法應(yīng)用到儲(chǔ)能平抑風(fēng)電波動(dòng)的場(chǎng)景中，能夠顯著提升經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[24]涉及MPC算法在儲(chǔ)能型數(shù)字控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)拇鷥r(jià)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流跟蹤效果的改進(jìn)。但是，將MPC運(yùn)用在儲(chǔ)能VSG控制系統(tǒng)中，對(duì)有功功率缺額進(jìn)行補(bǔ)償，并用于平抑火電、風(fēng)電機(jī)組頻率波動(dòng)的研究，目前還未有發(fā)現(xiàn)。

將MPC運(yùn)用到儲(chǔ)能VSG控制系統(tǒng)中，能夠使儲(chǔ)能更快速地對(duì)系統(tǒng)的功率缺額與頻率動(dòng)態(tài)進(jìn)行反應(yīng)[12]。該方法首先建立VSG控制的數(shù)學(xué)模型，然后將該模型轉(zhuǎn)化為預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)未來(lái)變化的預(yù)測(cè)改變輸入量，從而改善動(dòng)態(tài)頻率特性。本文在已有方法的基礎(chǔ)上，考慮了MPC環(huán)節(jié)對(duì)ROCOF的響應(yīng)。由于系統(tǒng)功率不平衡時(shí)，ROCOF的增大應(yīng)先于頻率偏移，所以對(duì)ROCOF進(jìn)行響應(yīng)可以對(duì)頻率實(shí)現(xiàn)更迅速的調(diào)節(jié)?；诖四Ｐ停刂破骺梢暂^準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)變化趨勢(shì)，并在使代價(jià)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的情況下產(chǎn)生最優(yōu)控制序列，對(duì)VSG的功率缺額進(jìn)行補(bǔ)償，改善系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法在火儲(chǔ)系統(tǒng)與火-風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)中良好的控制效果。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與VSG控制介紹

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文研究的對(duì)象是由火力發(fā)電機(jī)組、雙饋風(fēng)機(jī)、負(fù)荷與儲(chǔ)能組成的孤島運(yùn)行的交流微電網(wǎng)。

圖1 孤島運(yùn)行微電網(wǎng)示意圖

圖1中，火力發(fā)電機(jī)組的出力由勵(lì)磁器、調(diào)節(jié)器控制。雙饋風(fēng)機(jī)的控制方法可參照文獻(xiàn)[25]；本文研究的MPC-VSG控制方法應(yīng)用在儲(chǔ)能的變換器上。

1.2 VSG控制基本原理

圖2為儲(chǔ)能變流器VSG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[16]。其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以是單一儲(chǔ)能或復(fù)合儲(chǔ)能，其通過(guò)DC/DC變換接入統(tǒng)一的直流母線，再通過(guò)VSG控制的DC/AC變換器變換到交流側(cè)。

圖2 儲(chǔ)能變流器VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 傳統(tǒng)VSG控制框圖

由圖3可得VSG的頻率特性為

為直觀說(shuō)明，視電壓電流內(nèi)環(huán)與PWM環(huán)節(jié)的時(shí)間尺度足夠小，頻率控制迅速，則

則式(1)可化為

綜上所述，VSG的缺點(diǎn)在于依靠系統(tǒng)自身的響應(yīng)，而缺乏實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化。VSG的數(shù)學(xué)模型比較清晰，容易獲得其預(yù)測(cè)模型，所以其適合于使用MPC方法進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化，生成最佳控制序列，對(duì)其進(jìn)行有功缺額的補(bǔ)償。下文將介紹運(yùn)用MPC對(duì)VSG進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，即MPC-VSG控制方法。

2 MPC-VSG控制介紹

MPC-VSG控制框圖如圖4所示。

圖4 MPC-VSG控制框圖

圖4在傳統(tǒng)VSG控制框圖中引入了MPC環(huán)節(jié)。其中m為輸入機(jī)械功率，MPC為有功功率補(bǔ)償。

由于有功功率補(bǔ)償MPC的作用，式(3)變?yōu)?/p>

2.1 預(yù)測(cè)模型的建立

模型預(yù)測(cè)控制首先需要建立被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)VSG的頻率特性可以得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程[21]為

輸出方程為

對(duì)式(5)進(jìn)行離散化后得到

式中

“Δ物理量()”表示該量在第步的增量(increment)，即

由于工程上“物理量相對(duì)于其額定值的偏移量(error)”也常用“Δ物理量”表示，故本文將后者符號(hào)表示為“物理量error”，如頻率偏移error，以示區(qū)別。

即

這樣就得到了VSG的預(yù)測(cè)模型。

以3步預(yù)測(cè)為例，預(yù)測(cè)方程為

式中

2.2 代價(jià)函數(shù)

圖5 負(fù)載突變下的ROCOF

圖5中，紅線比藍(lán)線減少約34%頻率偏移，但ROCOF幾乎無(wú)改善。而且ROCOF的出現(xiàn)順序要早于頻率偏移，如果在代價(jià)函數(shù)里考慮ROCOF，理論上可以對(duì)頻率變化產(chǎn)生更迅速的反應(yīng)。

即

約束條件為

用矩陣形式表達(dá)為

約束條件為

優(yōu)化模型為

由于該代價(jià)函數(shù)(22)為二次型凸函數(shù)，其不等式約束函數(shù)(23)也為凸函數(shù)，故該優(yōu)化問(wèn)題是凸二次型優(yōu)化問(wèn)題，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，用Matlab自帶quadprog函數(shù)就可以得到全局最優(yōu)解。若二次型優(yōu)化無(wú)解，通常是預(yù)測(cè)模型的參數(shù)病態(tài)，導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)矩陣(15)及控制矩陣(16)、(17)奇異，可以通過(guò)優(yōu)化預(yù)測(cè)模型解決。若模型上已經(jīng)無(wú)法再修改，則需要在算法上進(jìn)行改進(jìn)。比較常見(jiàn)的方法是松弛變量法，通過(guò)在優(yōu)化目標(biāo)中加入松弛因子，保證在每個(gè)優(yōu)化時(shí)步內(nèi)找到一個(gè)次優(yōu)的可行解[26]。

圖6 MPC-VSG控制流程圖

3 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證前述理論分析的正確性與MPC-VSG方案的可行性，利用PSCAD/EMTDC搭建如圖1所示的仿真模型，參數(shù)詳見(jiàn)表1與表2所示?？紤]火電-儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)與火電-風(fēng)電-儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)兩種應(yīng)用場(chǎng)景，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)的DFIG模型。

表1 同步發(fā)電機(jī)參數(shù)

表2 VSG控制參數(shù)

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

火電機(jī)組參數(shù)如表1所示，VSG控制參數(shù)如表2所示。文獻(xiàn)[25]中的DFIG模型額定容量為1.5 MVA，但由于本文考慮的是規(guī)模小的孤島微電網(wǎng)，所以將其等比例縮放至額定容量為1.5 kVA，額定線電壓有效值保持690 V不變，其他系統(tǒng)參數(shù)均取標(biāo)幺值，故與其相同。

3.2 不同控制方法效果比較

3.2.1場(chǎng)景1：火電-儲(chǔ)能系統(tǒng)

火-儲(chǔ)系統(tǒng)由額定容量為20 kVA的火電機(jī)組與額定容量為2 kVA的儲(chǔ)能單元并聯(lián)向負(fù)荷供電，如圖7所示。當(dāng)= 2.0 s時(shí)，負(fù)荷突增1 kW，比較不同控制方法下的控制效果。

圖7 火-儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于本文所提方法優(yōu)化目標(biāo)為頻率增量Δ，所以理論上首先對(duì)頻率變化率ROCOF產(chǎn)生影響。如圖8所示，“VSG”、“傳統(tǒng)MPC-VSG方法”、“所提方法”曲線分別代表傳統(tǒng)VSG控制方法、傳統(tǒng)MPC-VSG方法、本文所提方法的頻率響應(yīng)?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)VSG方法與傳統(tǒng)MPC-VSG方法的最大ROCOF分別達(dá)到了約0.9 Hz/s和0.75 Hz/s，說(shuō)明傳統(tǒng)MPC-VSG方法對(duì)ROCOF幾乎沒(méi)有改善作用，而本文所提方法將最大ROCOF降至0.25 Hz/s以下，降低了約72.2%。

圖8 負(fù)載突變下的ROCOF

由圖9可以看出，最大頻率偏移約為0.49 Hz、0.33 Hz、0.28 Hz，因此本文所提方法同樣改善了頻率偏移。

圖9 負(fù)載突變下的系統(tǒng)頻率

綜上所述，本文所提方法對(duì)ROCOF與頻率偏移均產(chǎn)生有效改善作用。

圖10 MPC輸出功率

3.2.2場(chǎng)景2：火電-風(fēng)電-儲(chǔ)能系統(tǒng)

火-風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)由額定容量為20 kVA的火電機(jī)組、額定容量為2 kVA的儲(chǔ)能單元與額定容量為1.5 kVA的DFIG并聯(lián)向負(fù)荷供電，如圖11所示。

圖11 火-風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DFIG的風(fēng)速條件、輸出有功功率分別如圖12和圖13所示。

圖12 雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)速條件

圖13 雙饋風(fēng)機(jī)的輸出有功功率

根據(jù)圖14，傳統(tǒng)MPC-VSG方法雖然可以有效抑制頻率偏移，但是其頻率波動(dòng)與傳統(tǒng)VSG方法幾乎同步，而本文所提方法則可以有效地減少頻率波動(dòng)的次數(shù)。其原因在于本文所提方法的控制指標(biāo)為頻率變化率，等效于提升了系統(tǒng)慣性，慣性的增大使得頻率波動(dòng)次數(shù)有效減少。

圖14 負(fù)載突變下的系統(tǒng)頻率

圖15為不同控制方法下負(fù)載突變時(shí)的ROCOF對(duì)比圖?？梢钥闯霰疚乃岱椒軌蛴行б种芌OCOF，最大ROCOF可比傳統(tǒng)MPC-VSG方法降低約50%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提控制方法的有效性。

圖15 負(fù)載突變下的ROCOF

圖16為MPC環(huán)節(jié)輸出功率MPC的對(duì)比圖?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)MPC-VSG方法的功率補(bǔ)償以盡快消除頻率偏移為目標(biāo)，所以MPC的波峰、波谷與頻率波形同步。本文所提方法的MPC環(huán)節(jié)通過(guò)ROCOF的變化，代入式(4)計(jì)算得到有功缺額，并進(jìn)行功率補(bǔ)償。所以其MPC曲線與系統(tǒng)有功功率缺額的波形同步。

圖16 MPC輸出功率

4 結(jié)論

本文針對(duì)儲(chǔ)能變流器VSG的調(diào)頻作用，推導(dǎo)了 VSG的頻率特性，通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制對(duì)VSG的頻率動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了優(yōu)化。得到的主要結(jié)論如下：

1) 通過(guò)VSG的數(shù)學(xué)模型離散化可以得到預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而在預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)變化的基礎(chǔ)上根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)改變控制量的大小，可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

2) 對(duì)ROCOF進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)可以達(dá)到改善頻率偏移的作用，而且ROCOF比頻率偏移先產(chǎn)生，所以本文提出的MPC-VSG方法可更迅速地對(duì)系統(tǒng)有功缺額進(jìn)行補(bǔ)償，從而減緩頻率的變化。

3) 本文主要研究對(duì)象為單個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，下一步可以重點(diǎn)研究多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的MPC-VSG控制效果，提出多儲(chǔ)能協(xié)同控制的調(diào)頻策略，從而有效提升高比例新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1] JIN Z, MENG L, GUERRERO J M, et al. Hierarchical control design for a shipboard power system with DC distribution and energy storage aboard future more-electric ships[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2018, 14(2): 703-714.

[2] ROCABERT J, LUNA A, BLAABJERG F, et al. Control of power converters in AC microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4734-4749.

[3] 劉青, 張彤鈺, 田艷軍. 直流配電網(wǎng)光伏變流器柔性出力自適應(yīng)分段下垂控制[J]. 電力建設(shè), 2021, 42(10):60-70.

LIU Qing, ZHANG Tongyu, TIAN Yanjun. Adaptive segmented droop control for flexible output of photovoltaic converter in DC distribution network[J]. Electric Power Construction, 2021, 42(10): 60-70.

[4] LOU G, GU W, LU X, et al. Distributed secondary voltage control in islanded microgrids with consideration of communication network and time delays[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2020, 11(5): 3702-3715.

[5] 曾正, 李輝, 冉立. 交流微電網(wǎng)逆變器控制策略述評(píng)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(9): 142-151.

ZENG Zheng, LI Hui, RAN Li. Comparison on control strategies of inverters in AC microgrids[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(9): 142-151.

[6] 陳雪梅, 陸超, 韓英鐸. 電力系統(tǒng)頻率問(wèn)題淺析與頻率特性研究綜述[J]. 電力工程技術(shù), 2020, 39(1): 1-9.

CHEN Xuemei, LU Chao, HAN Yingduo. Review of power system frequency problems and frequency dynamic characteristics[J]. Electric Power Engineering Technology, 2020, 39(1): 1-9.

[7] 趙晉泉, 湯建軍, 吳迪, 等. 直流饋入受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓與頻率穩(wěn)定緊急協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(22): 45-53.

ZHAO Jinquan, TANG Jianjun, WU Di, et al. Emergency coordination control strategy for transient voltage and transient frequency stability in HVDC infeed receiving-end power grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(22): 45-53.

[8] 張健, 李天慧, 馬剛, 等. 基于智能負(fù)載的光伏并網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定方法研究[J]. 智慧電力, 2020, 48(10): 52-57.

ZHANG Jian, LI Tianhui, MA Gang, et al. Voltage and frequency stabilization method for grid-connected photovoltaic system based on smart load[J]. Smart Power, 2020, 48(10): 52-57.

[9] 鐘慶昌. 虛擬同步機(jī)與自主電力系統(tǒng)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(2): 336-349.

ZHONG Qingchang. Virtual synchronous machines and autonomous power systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 336-349.

[10] 孫亮, 楊曉飛, 孫立國(guó), 等. 基于改進(jìn)虛擬同步發(fā)電機(jī)的多逆變器頻率無(wú)差控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(11): 18-27.

SUN Liang, YANG Xiaofei, SUN Liguo, et al. Frequent deviation-free control for microgrid multi-inverters based on improving a virtual synchronous generator[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(11): 18-27.

[11] 付華, 劉公權(quán), 齊晨飛, 等. 計(jì)及微電網(wǎng)黑啟動(dòng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(14): 59-68.

FU Hua, LIU Gongquan, QI Chenfei, et al. Frequency regulation strategy of a virtual synchronous generator-based microgrid considering the black start process[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(14): 59-68.

[12] LONG B, LIAO Y, CHONG K T, et al. MPC-controlled virtual synchronous generator to enhance frequency and voltage dynamic performance in islanded microgrids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2021, 12(2): 953-964.

[13] 胡超, 張興, 石榮亮, 等. 獨(dú)立微電網(wǎng)中基于自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)的VSG協(xié)調(diào)控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(2): 516-525.

HU Chao, ZHANG Xing, SHI Rongliang, et al. VSG coordinated control based on adaptive weight factors in islanded microgrids[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 516-525.

[14] 李旭, 羅嘉, 丁勇, 等. 輔助重型燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動(dòng)的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)控制技術(shù)及其應(yīng)用[J/OL]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào): 1-13[2021-10-11]. DOI: 10.13334/j.0258-8013. pcsee.210073.

LI Xu, LUO Jia, DING Yong, et al. Control technology and application of large-scale energy storage system assisting black start of heavy duty gas turbine[J/OL]. Proceedings of the CSEE: 1-13[2021-10-11]. DOI: 10. 13334/j.0258-8013.pcsee.210073.

[15] 高建瑞, 李國(guó)杰, 汪可友, 等. 考慮儲(chǔ)能充放電功率限制的并網(wǎng)光儲(chǔ)虛擬同步機(jī)控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(4): 134-150.

GAO Jianrui, LI Guojie, WANG Keyou, et al. Control of grid-connected PV-battery virtual synchronous machine considering battery charging/discharging power limit[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(4): 134-150.

[16] 李德勝, 李國(guó)策, 劉博. 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)的V2G系統(tǒng)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(7): 127-133.

LI Desheng, LI Guoce, LIU Bo. Research on V2G system based on virtual synchronous generator control technology[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(7): 127-133.

[17] 張騫, 李征, 蔡旭, 等. 一種電網(wǎng)強(qiáng)度在線感知的自適應(yīng)虛擬同步控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(21): 117-125.

ZHANG Qian, LI Zheng, CAI Xu, et al. An adaptive VSG control strategy based on online grid impedance measurements[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(21): 117-125.

[18] 王雨虹, 張威, 韓冰, 等. 基于LMI的永磁同步電機(jī)魯棒H∞自補(bǔ)償滑?？刂芠J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(5): 81-90.

WANG Yuhong, ZHANG Wei, HAN Bing, et al. Robust H∞ self-compensation sliding mode control of a permanent magnet synchronous motor based on linear matrix inequality[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(5): 81-90.

[19] 全相軍, 竇曉波, 龍昌明, 等. 逆變器電壓復(fù)變量諧振優(yōu)化控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(15): 4214-4224.

QUAN Xiangjun, DOU Xiaobo, LONG Changming, et al. Optimal design for inverters based on complex variable resonant controllers[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(15): 4214-4224.

[20] 王明捐, 劉友波, 高紅均, 等. 計(jì)及運(yùn)行成本風(fēng)險(xiǎn)的主動(dòng)配電網(wǎng)兩階段隨機(jī)模型預(yù)測(cè)控制[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2020, 36(11): 8-18.

WANG Mingjuan, LIU Youbo, GAO Hongjun, et al. A two-stage stochastic model predictive control strategyfor active distribution network considering operation cost risk[J]. Power System and Clean Energy, 2020, 36(11): 8-18.

[21] 尹山, 董建園. 基于VSG_MPC的儲(chǔ)能換流器調(diào)頻控制策略[J]. 電源技術(shù), 2021, 45(2): 249-254.

YIN Shan, DONG Jianyuan. Frequency modulation control strategy of energy storage converter based on VSG_MPC[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2021, 45(2): 249-254.

[22] 李楠, 高峰. 電池儲(chǔ)能型模塊化多電平變換器的混合模型預(yù)測(cè)控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(14): 165-174.

LI Nan, GAO Feng. A hybrid model predictive control method for modular multilevel converter of battery energy storage system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(14): 165-174.

[23] 孫玉樹(shù), 張國(guó)偉, 唐西勝, 等. 風(fēng)電功率波動(dòng)平抑下的MPC雙儲(chǔ)能控制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(3): 571-578.

SUN Yushu, ZHANG Guowei, TANG Xisheng, et al. Research on MPC and dual energy storage control strategies with wind power fluctuation mitigation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 571-578.

[24] 方番, 李媛, 肖先勇, 等. 儲(chǔ)能型準(zhǔn)Z源逆變器的有限集模型預(yù)測(cè)控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(7): 2133-2143.

FANG Fan, LI Yuan, XIAO Xianyong, et al. An finite control set-model predictive control for energy-stored quasi-z-source inverters[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(7): 2133-2143.

[25] 周鑫. 含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制若干問(wèn)題研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2017.

ZHOU Xin. Research on several issues of power system security and stability control with large scale wind power integration[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2017.

[26] 龔建偉, 姜巖, 徐威. 無(wú)人駕駛車(chē)輛模型預(yù)測(cè)控制[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2014.

Research on frequency regulation of VSG controlled energy storages based on model predictive control

NI Zelong1, LIN Yujun1, WANG Zhitao2,XU Zhenyu1,CHEN Xia1

(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China; 2. China Resources (Holdings) Co., Ltd. (Yichang), Yichang 443000, China)

Virtual synchronous generator (VSG)-controlled energy storage can enhance the inertia of power systems which have a high proportion of renewable energy and power electronic devices, and suppress frequency fluctuation during disturbance. Model predictive control (MPC) can be used to adaptively control the input power of VSG-controlled energy storage to improve the frequency response further. By establishing the prediction model of VSG-controlled energy storage, the cost function of the weighted sum of frequency and input power is designed. The optimal control sequence is computed by quadratic programming to modify the VSG input power. The results show that this method can effectively increase system inertia, suppress the maximum frequency deviation and rate of change of frequency during a load disturbance. The rate of change of frequency is effectively improved compared with existing control methods.

virtual synchronous generator; model predictive control; frequency regulation

10.19783/j.cnki.pspc.211270

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51821005)；國(guó)家電網(wǎng)有限公司總部科技項(xiàng)目資助(5419-202199551A-0-5-ZN)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51821005).

2021-09-14；

2021-11-15

倪澤龍(2000—)，男，本科生，研究方向?yàn)閮?chǔ)能控制技術(shù)；E-mail: 1079400611@qq.com

林鈺鈞(1998—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)閮?chǔ)能集群運(yùn)行與控制技術(shù)。E-mail: yjlin20@hust.edu.cn

(編輯 周金梅)