[发明专利]含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法

权利要求书

1.一种含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：通过构建含有虚拟同步发电机的海岛微电网系统模型，得到系统的微分-代数方程组；利用时域仿真法分析虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网系统频率稳定的影响，获取相应控制参数的变化区间；创建衡量系统扰动后能量不平衡大小的最优二次型目标函数，并利用优化控制理论结合约束条件和目标函数对虚拟同步发电机模型的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行优化设计，实现海岛微电网系统频率稳定性的优化控制；

其包括以下步骤：

步骤S1：构建含有虚拟同步发电机的海岛微电网系统模型，包括柴油发电机、风电机组、光伏发电系统以及电池储能系统；获取系统中各设备的微分-代数方程组；

步骤S2：通过分析虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数对海岛微电网频率稳定性的影响，以及通过时域仿真分析，获取虚拟惯量和虚拟下垂控制系数的变化区间；

步骤S3：构建微电网频率控制的动态优化模型；

步骤S4：采用Dymola/Modelica中的遗传算法优化求解器对动态优化模型进行优化求解，并将所需的参数结果输出；

步骤S5：优化设计虚拟同步发电机的控制参数，实现海岛微电网频率稳定性的优化控制；

在步骤S1中，各设备的微分-代数方程组如下:

柴油发电机的转子运动方程组如下：

其中，为柴油发电机DG的功角的导数，ω_DG为柴油发电机和标准转速的角速度差，为角速度差的导数，ω_e为柴油发电机的电气角速度，P_mDG为柴油发电机的机械功率，T_e为柴油发电机的电磁转矩，D为柴油发电机的阻尼系数，H为柴油发电机的惯性时间常数；

柴油发电机的PSS控制环节方程组如下：

其中，x₁,x₂,x₃为PSS环节引入的状态变量，为PSS环节引入的状态变量的导数，p₄,p₅为PSS环节引入的代数变量，T_n1,T_d1,T_n2,T_d2为常数，Vstab为电力系统稳定器的输出电压；

柴油发电机的调速环节方程组如下：

其中，x_g为调速环节引入的中间状态变量，为调速环节引入的中间状态变量的导数，throttle为调速环节引入的代数变量，P_ref为柴油发电机参考功率，g_a,g_b,g_c为常数；

柴油发电机的励磁环节方程组如下：

其中，V_d1,V_q1分别为d,q轴电压，V_t1为端电压，V_ref为参考电压，V_t2，V_f，E_fd为状态变量，为状态变量的导数，V_A为励磁电压，V_x为中间代数变量，V_A0为常数；

虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程组如下：

其中表示虚拟同步发电机功角的导数，ω_VSG表示虚拟同步发电机的角速度，表示虚拟同步发电机的角速度的导数，P_set表示额定功率，P_mVSG表示虚拟同步发电机的机械功率，ω_b表示基准转速，J,D_p分别代表虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数；

虚拟同步发电机的电压外环的控制方程组如下：

式中：Vd、Vq分别为虚拟同步发电机输出电压的d轴和q分量；Vd_ref、Vq_ref分别为由有功控制与电压控制得到的参考电压的d轴和q分量；Id、Iq为虚拟同步发电机输出电流的d轴和q分量；为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_v、ki_v分别表示电压外环控制的比例环节和积分环节的系数；n和k_ffi表示比例系数；C为电容值；

虚拟同步发电机的电流内环的控制方程组如下：

式中：分别为虚拟同步发电机控制输出参考电压的d轴和q分量；Id_s、Iq_s分别为经过滤波之后电流的d轴和q分量；分别为经过滤波之后参考电流的d轴和q分量；kp_i、ki_i表示电流内环控制的比例环节和积分环节的系数；n和k_ffv为比例系数；L为电感值；

虚拟同步发电机的无功-电压控制环节方程如下：

式中：s表示微分算子；V_m为虚拟同步发电机电压参考值；kp_vac、ki_vac分别表示无功-电压控制环节的比例环节和积分环节的系数；M_fif为无功控制的输出信号；

所述海岛微电网系统的全微分代数方程如下：

其中，f,g分别代表模型的微分函数和代数函数，f由公式(1)-(8)构成，g为微电网的三相潮流方程；x为方程组的状态变量，z为方程组的代数变量，包括节点电压的实部和虚部；

在步骤S2中，将虚拟同步发电机的有功-频率控制环节方程组经过等效变换后如下：

步骤S3构建微电网频率控制动态优化模型过程如下：

设微电网系统有m台柴油发电机，n台虚拟同步发电机，构建动态优化模型：

其中，G为目标函数，ω_DG,i,ω_VSG,j分别表示海岛微电网中第i台柴油发电机的电气角速度、第j台虚拟同步发电机的角速度；J_j,D_pj分别代表第j台虚拟同步发电机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数，J_min，J_max分别代表每台虚拟同步发电机虚拟惯量的下限和上限，D_pmin，D_pmax分别代表每台虚拟同步发电机下垂控制系数的下限和上限；

步骤S5具体包括：对优化模型进行优化求解，使得在约束条件下，目标函数G的值最小，将获得的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数进行输出，并控制系统中每台虚拟同步机的虚拟惯量和虚拟下垂控制系数变更为对应的最优参数。

2.根据权利要求1所述的含高比例可再生能源的海岛微电网频率稳定的优化控制方法，其特征在于：在公式(11)当中：

其中：θ_dg,i,ω_dg,i分别表示第i台柴油发电机的功角和角频率，I_2d,i,I_2q,i为第i台柴油发电机d-q变换过程中的状态变量，V_t2,i,V_f,i,E_fd,i,V_A,i为第i台柴油发电机励磁器中的状态变量，φ为柴油发电机磁链方程状态变量，x_1,i,x_2,i,x_3,i,x_4,i为第i台柴油发电机调速器和PSS环节中引入的状态变量；θ_vsg,j,ω_vsg,j表示第j台虚拟同步发电机的虚拟功角和虚拟角频率，M_f1,j为第j台虚拟同步发电机电压控制环节中的状态变量；下标k表示微电网第k个节点，下标λ表示A、B、C三相，U_{kλ_real},U_{kλ_imag}分别表示第k个节点的第λ相的电压实部和虚部。