CN105305410A

CN105305410A - 一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法

Info

Publication number: CN105305410A
Application number: CN201510672018.0A
Authority: CN
Inventors: 刘召杰; 陆健; 陈冉; 庄黎明
Original assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Current assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: CN105305410B

Abstract

本发明涉及一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法，用于直流配电系统中的多变流器并联控制，包括以下步骤：1)获取直流配电系统的电力参数，建立电压外环和电容电流内环的双闭环控制器，并建立直流配电系统下垂控制模型；2)在直流配电系统下垂控制模型中，在双闭环控制器中的变流器输出电流与变流器参考电压信号间引入虚拟阻抗Z_D(s)作为负反馈，并获取等效输出阻抗Z_ov(s)；3)通过设定不同虚拟阻抗Z_D(s)的值，使得多条线路对应的等效输出阻抗Z_ov(s)相等，从而将直流配电系统中多条线路的输出功率和功率分配平均化。与现有技术相比，本发明具有抑制震荡、算法简单、成本低等优点。

Description

一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子、直流配电、储能控制系统以及电能质量领域，尤其是涉及一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法。

背景技术

直流配电系统将各种新能源发电系统整合起来，然后以一个统一接口接入直流配电系统。这样的组网形式可以减弱分布式电源的随机性和间歇性造成的不利影响，更好的接纳可再生能源。但是为了平抑风电、光伏等分布式能源的波动性，需要增加储能系统来维持直流配电系统稳定运行。

储能变流器多采用下垂控制策略，各个储能装置的变流器只需要本地信息进行控制，独立调节自身的电压和频率。不需要与其他储能装置进行通讯，具有完全冗余，供电可靠性高的特点。采用下垂控制的储能系统，在孤岛运行时，能维持电压和频率稳定，在并网运行时相当于PQ控制的分布式电源，并且在运行模式切换时不需要进行控制方法的切换。由于这些优点，下垂控制策略受到广泛应用。

针对低压微网线路呈现阻性的特点，传统下垂控制策略采用P-E和Q-f的方式，但是由于各储能装置与PCC点线路长度的不同和变流器本身的参数差异会造成储能变流器输出功率不均分，引起电流环流，造成效率下降。而传统下垂控制中的P-E和Q-f的控制方式没有考虑电阻和电抗的耦合作用，非解耦控制会造成功率振荡的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抑制震荡、算法简单、成本低的直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法，用于直流配电系统中的多变流器并联控制，包括以下步骤：

1)获取直流配电系统的电力参数，建立电压外环和电容电流内环的双闭环控制器，并建立直流配电系统下垂控制模型；

2)在直流配电系统下垂控制模型中，在双闭环控制器中的变流器输出电流与变流器参考电压信号间引入虚拟阻抗Z_D(s)作为负反馈，并获取等效输出阻抗Z_ov(s)；

3)通过设定不同虚拟阻抗Z_D(s)的值，使得多条线路对应的等效输出阻抗Z_ov(s)相等，从而将直流配电系统中多条线路的输出功率和功率分配平均化。

所述的步骤1)中的电压外环和电容电流内环的双闭环控制模型的传递函数为：

\begin{matrix} V_{0} = \frac{K_{i} K_{P W M} ({sK}_{v p} + K_{v i})}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}} V_{r e f} \\ - \frac{L_{f} s^{2}}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}} I_{0} \end{matrix}

将电压传递函数表达为含内阻抗电压源的形式为：

V₀＝G(s)·V_ref-Z₀(s)·I₀

其中，K_i为电流环比例放大系数，K_PWM为变流器增益，K_vi和K_vp为PI调节器的系数，L_f为滤波电感，C_f为滤波电容，V_ref为电压参考信号，V₀为变流器输出电压，I₀为变流器输出电流，s为复变参量，G(s)为电压增益，Z₀(s)为输出阻抗。

所述的步骤2)中的等效输出阻抗Z_ov(s)的表达式为：

Z_ov(s)＝G(s)Z_D(s)+Z₀(s)

Z_D(s)＝R_D

即：

Z_{o v} (s) = \frac{K_{i} K_{P W M} ({sK}_{v p} + K_{v i}) R_{D} + L_{f} s^{2}}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}}

其中，G(s)为电压增益，Z₀(s)为输出阻抗，Z_D(s)为虚拟阻抗，R_D为虚拟阻抗阻值，

所述的步骤3)中使得直流配电系统中的多个变流器输出功率平均化具体包括以下步骤：

31)分别获取储能系统中的每条线路的线路阻抗以及滤波电感和电容值；

32)计算每条线路的线路阻抗以及滤波电感和电容值的差值；

33)对每条线路通过结合差值设定不同阻值的虚拟阻抗Z_D(s)，使它们的等效输出阻抗Z_ov(s)相等，并进行自适应虚拟阻抗下垂控制，从而使多个变流器输出功率和功率分配平均。

所述的步骤3)中的自适应虚拟阻抗下垂控制的表达式为：

\{\begin{matrix} E = E^{*} - m P \\ ω = ω^{*} + n Q \\ R_{D} = {R_{D}}^{*} + K_{R} P \end{matrix}

其中，K_R为虚拟阻抗的比例系数，为有功空载时的虚拟电阻，P为变流器输出有功功率，Q为变流器输出无功功率，m、n为常数，ω为变流器的相角，ω^*为变流器的相角参考值，E为变流器的电压，E^*为变流器的电压参考值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过虚拟阻抗的引入，控制等效输出阻抗，抑制功率振荡，有效的消除线路长度不同造成的功率分配不均，减弱变流器参数不一致造成的功率分配不均。

2、本发明控制算法简单，无需增加硬件成本。

3、本发明可以实现有效减少分布式电源在孤岛与并网模式下的切换所带来的振荡，并且能够应用于多台储能变流器并联运行的情况。

附图说明

图1为储能变流器并联控制示意图。

图2为电压外环和电容电流内环控制结构图.

图3为功率和虚拟阻抗控制环结构图。

图4为自适应虚拟阻抗下垂控制的仿真结果，其中图(4a)为DG1和DG2输出有功功率的仿真结果，图(4b)为DG1和DG2输出无功功率的仿真结果，图(4c)为母线电压的仿真结果，图(4d)为系统频率的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

本专利的自适应虚拟阻抗控制策略应用于储能系统中的多变流器并联控制中。多个储能装置通过变流器并联运行，以两台储能变流器并联运行为例，控制示意图如图1所示。DG1和DG2为两台储能装置，接口装置为基于IGBT的PWM变流器，滤波器为LC型。对变流器输出电压V_o，输出电流I_o和电容电流I_C进行采样，采样结果送到DSP控制板，DSP经过控制算法，输出IGBT开关信号，经过驱动放大，控制IGBT的通断，实现对输出电压的控制。储能装置DG1和DG2分别通过线路1和线路2与公共母线PCC点相连，线路1的阻抗Z_line1＝R_line1+jX_line1，线路2的阻抗Z_line2＝R_line2+jX_line2。

一、通过对参考电压的控制，引入虚拟阻抗。

对于变流器的控制，这里采用电压外环和电容电流内环的双闭环控制，可以使变流器的输出特性很硬，有利于系统的电压稳定。双闭环控制的结构框图如图2所示。其中i_L、i_C为滤波电感电流和电容电流；v_o、i_o为输出电压电流；滤波电容为C_f，滤波电感为L_f；V_ref为电压参考信号。电压外环采用PI调节器，PI调节器的输出作为电容电流的参考值，电容电流内环采用比例调节器，以提高响应速度。

电压外环的传递函数为：

\begin{matrix} V_{o} = \frac{K_{i} K_{P W M} ({sK}_{v p} + K_{v i})}{L_{f} C_{f} s^{2} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}} V_{r e f} \\ - \frac{L_{f} s^{2}}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}} I_{o} \end{matrix} - - - (1)

将电压传递函数表达为含内阻抗电压源的形式为：

V_o＝G(s)·V_ref-Z_o(s)·I_o(2)

式中：G(s)为电压增益，Z_o(s)为输出阻抗。

通过控制参考电压V_ref，引入虚拟阻抗Z_D(s)，设计等效输出阻抗。令

V_ref＝V_o ^*-Z_D(s)·I_o(3)

将式(3)代入式(2)，得电压环传递函数为：

V_o＝G(s)V_ref-Z_o(s)I_o＝G(s)V_o ^*-G(s)Z_D(s)I_o-Z_o(s)I_o

＝G(s)V_o ^*-(G(s)Z_D(s)+Z_o(s))I_o(4)

对比式(2)和式(4)，得到等效输出阻抗

Z_ov(s)＝G(s)Z_D(s)+Z_o(s)(5)

在式(5)中，Z_o(s)远小于G(s)Z_D(s)，虚拟阻抗Z_D(s)在输出阻抗中占主导作用。通过虚拟阻抗Z_D(s)的控制，改变参考电压的值，就可以控制等效输出阻抗的大小。

在低压微网中，为了使输出阻抗呈现阻性，令虚拟阻抗Z_D(s)＝R_D，得到等效输出阻抗：

Z_{o v} (s) = \frac{K_{i} K_{P W M} ({sK}_{v p} + K_{v i}) R_{D} + L_{f} s^{2}}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}} - - - (6)

引入虚拟阻抗后，变流器的输出阻抗呈阻性，幅值主要由虚拟阻抗R_D的值确定。X/R越大，越容易出现系统振荡或不稳定，引入虚拟电阻后，X/R减小，可以减弱非解耦控制造成的振荡，系统运行更加稳定。

二、通过设置虚拟阻抗的大小，抵消线路长度不同造成的功率不均。

在微网的储能系统中，两台储能装置的地理位置可能不同，导致两条线路的阻抗Z_line1和Z_line2的不同，例如Z_line1＝Z_line2+ΔZ_line。线路阻抗大小的不同就会造成输出功率不均的现象。本专利中，采用通过虚拟阻抗大小的设置，来抵消两条线路阻抗的不同。可以令Z_D2＝Z_D1+ΔZ_line。在计算参考电压时，计及不同的虚拟阻抗，以此来抵消线路长度不同造成的影响。

三、通过虚拟阻抗的自适应调节，来减弱变流器参数不一致造成的功率分配不均。

由于储能变流器的滤波电感电容以及IGBT参数的不一致，也会造成功率分配不均的现象。为了抑制变流器参数不一致造成的功率不均，本专利采用自适应虚拟阻抗的控制方法。储能变流器的自适应虚拟阻抗控制表达式，如式(7)所示：

\{\begin{matrix} E = E^{*} - m P \\ ω = ω^{*} + n Q \\ R_{D} = {R_{D}}^{*} + K_{R} P \end{matrix} - - - (7)

式中K_R为虚拟阻抗的比例系数，R*D为有功空载时的虚拟电阻。控制框图如图3所示，根据下垂控制表达式，由变流器输出的P、Q计算电压参考值v_o*，减去输出电流i_o在虚拟电阻R_D上的压降，得到变流器最终的参考信号v_ref。

引入虚拟阻抗作为功率输出的负反馈，当系统出现功率分配不均时，输出阻抗会自动调节，根据虚拟阻抗的表达式，将输出功率大的变流器的输出阻抗增大，可以减少输出功率。将输出功率小的变流器的输出阻抗减小，可以增加其功率输出。这样尽可能减少输出功率的偏差，使功率得到均分。

图4a-4d为两台储能变流器在并网和离网状态下的功率输出和母线电压、系统频率的仿真波形，可以看到低压微网中的两台储能变流器在采用本专利的控制策略时，输出功率得到均分，母线电压和系统频率在并网和离网时，均能保持在正常水平，并离网切换过渡平滑。仿真结果证明了本专利控制策略的有效性。

本发明在储能变流器的电压外环、电容电流内环控制策略中，通过参考电压的控制引入虚拟阻抗，在储能变流器的控制中，引入不同的虚拟阻抗，来抵消线路长度不同造成的功率分配不均，自适应虚拟阻抗的控制策略，根据输出功率的大小，对虚拟阻抗值进行自动调节，减弱由于储能变流器参数不一致造成的功率分配不均，利用虚拟阻抗，对等效输出阻抗进行控制来减弱功率振荡的方法。

Claims

1.一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法，用于直流配电系统中的多变流器并联控制，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中的电压外环和电容电流内环的双闭环控制器的传递函数为：

\begin{matrix} V_{0} = \frac{K_{i} K_{P W M} ({sK}_{v p} + K_{v i})}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}} V_{r e f} \\ - \frac{L_{f} s^{2}}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}} I_{0} \end{matrix}

将电压传递函数表达为含内阻抗电压源的形式为：

V₀＝G(s)·V_ref-Z₀(s)·I₀

3.根据权利要求1所述的一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中的等效输出阻抗Z_ov(s)的表达式为：

Z_ov(s)＝G(s)Z_D(s)+Z₀(s)

Z_D(s)＝R_D

即：

Z_{o v} (S) = \frac{K_{i} K_{P W M} ({sK}_{v p} + K_{v i}) R_{D} + L_{f} s^{2}}{L_{f} C_{f} s^{3} + K_{i} K_{P W M} C_{f} s^{2} + (1 + K_{i} K_{v p} K_{P W M}) s + K_{i} K_{v i} K_{P W M}}

其中，G(s)为电压增益，Z₀(s)为输出阻抗，Z_D(s)为虚拟阻抗，R_D为虚拟阻抗阻值。

4.根据权利要求1所述的一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中使得直流配电系统中的多个变流器输出功率平均化具体包括以下步骤：

32)计算每条线路的线路阻抗以及滤波电感和电容值的差值；

5.根据权利要求4所述的一种直流配电系统储能装置自适应虚拟阻抗下垂控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中的自适应虚拟阻抗下垂控制的表达式为：

\{\begin{matrix} E = E^{*} - m p \\ ω = ω^{*} + n Q \\ R_{D} = R_{D}^{*} + K_{R} P \end{matrix}