CN110571784B - 一种直流供电系统二阶惯性抗扰动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流供电系统二阶惯性抗扰动控制方法，通过类比交流供电系统中虚拟同步发电机的频率—有功控制策略，推理并提出带有二阶惯性的直流供电系统电压—电流控制方法。在新能源侧或电网侧的传输功率发生突变时，本发明方法相较于原有直流供电系统电压—电流控制策略，能够较大程度上衰减直流侧电流扰动量，从而抑制直流母线电压波动。通过分析直流母线电压扰动量与DC/AC变换器的直流侧电流扰动量之间闭环传递函数的阶跃响应，可确定使直流供电系统稳定运行且具备较大惯性的最优化二阶惯性控制系数取值。本发明所提二阶惯性抗扰动控制方法，能有效提高直流供电系统的抗扰性，在大扰动工况下具备更强的二阶惯性以平抑直流母线电压波动。

Description

一种直流供电系统二阶惯性抗扰动控制方法
技术领域
本发明涉及直流供电系统领域，特别是一种直流供电系统二阶惯性抗扰动 控制方法。
背景技术
随着化石能源的不断衰竭和电力电子技术的快速发展，由风电、光伏、燃料 电池等分布式电源构成的直流供电系统受到广泛重视。但直流供电系统本身为小 惯性系统，负荷投切、分布式电源输出功率突变等问题会导致直流母线电压有大 幅波动，影响直流供电系统的安全稳定运行。直流母线电压稳定性是决定电压敏 感性负荷与并网变换器工作性能的关键，因此增强直流供电系统虚拟惯性以平抑 直流母线电压波动具有重大意义。现有文献对直流供电系统虚拟惯性研究较少， 且存在引入高通滤波器造成高频干扰、谐波危害等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种直流供电系 统二阶惯性抗扰动控制方法，增强直流供电系统的惯性，平抑直流母线电压波动。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种直流供电系统二阶 惯性抗扰动控制方法，包括以下步骤：
1)分别对直流母线输出电压瞬时值udc、DC/AC变换器的直流侧电流瞬时 值idc以及其交流侧电流瞬时值io进行采样；
2)利用交流供电系统中虚拟同步发电机的频率—有功控制方程，提出带有 二阶虚拟惯性的直流供电系统的电压—电流惯性控制方程：
Figure BDA0002096540680000011
其中，Iset为直流供电系统的电流额定值，D为电压—电流控制系 数，UdcN为直流母线电压额定值，Cvir为虚拟电容值；
3)利用所述电压—电流惯性控制方程得到DC/AC变换器的电压外环控制 指令值
Figure BDA0002096540680000012
Figure BDA0002096540680000021
其中，s为拉普拉斯变换中的复变量；
4)将直流侧电压瞬时值udc与其电压指令值
Figure BDA0002096540680000022
作差，其差值经电压外环调 节器GPI_v(s)可得到DC/AC变换器交流侧电流指令值io_ref；
5)将DC/AC变换器交流侧电流指令值io_ref与交流侧电流瞬时值io作差， 其差值经电流内环调节器GPI_v(s)得到调制信号来驱动DC/AC变换器工 作。
所提出二阶惯性方法中，虚拟电容值Cvir的取值方法如下：作出在不同Cvir取值下的系统阶跃响应曲线，分析在直流侧电流扰动量Δidc(s)为1的情况下，直 流母线电压扰动量
Figure BDA0002096540680000023
的响应曲线，得到Cvir≥4mF。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明所提出的直流供电系 统二阶虚拟惯性控制方法增强了直流供电系统的惯性，在大扰动工况下能够有效 平抑直流母线电压的波动。
附图说明
图1为直流供电系统结构示意图；
图2为直流供电系统二阶虚拟惯性控制框图；
图3为直流供电系统小信号模型图；
图4为虚拟电容Cvir＝[0.01,0.02,…,0.06]mF时系统阶跃响应曲线；
图5为虚拟电容Cvir＝[1,2,…,6]mF时系统阶跃响应曲线。
具体实施方式
图1为直流供电系统结构示意图，直流供电系统是一种基于直流母线的供 电系统，风电、光伏、储能电池经过协调控制方法接入直流母线，双向DC/AC 变换器可连接交直流供电系统，直流供电系统可带交直流负载。
图2为直流供电系统二阶惯性控制框图，二阶惯性抗扰动控制方法为：
Figure BDA0002096540680000024
所提出二阶惯性抗扰动控制方法具备含有二阶惯性环节的控制系数，使直 流供电系统具有更强的惯性以平抑直流母线电压波动。
本发明通过以下步骤实现直流供电系统二阶惯性抗扰动控制：
1)分别对直流母线输出电压瞬时值udc、DC/AC变换器的直流侧电流瞬时 值idc以及其交流侧电流瞬时值io进行采样；
2)通过类比交流供电系统中虚拟同步发电机的频率—有功控制策略，推 理出直流供电系统的电压—电流虚拟惯性控制策略：
VSG机械方程为：
Figure BDA0002096540680000031
类比到直流供电系统中：
Figure BDA0002096540680000032
其中，Iset为直流供电系统的电流额定值，D为电压—电流控制系 数，UdcN为直流母线电压额定值，Cvir为虚拟电容值，udc为直流母 线输出电压。本实施例中，D＝1。
3)为进一步加强直流供电系统的惯性，提出二阶虚拟惯性控制策略：
Figure BDA0002096540680000033
拉氏变换得：
Figure BDA0002096540680000034
相比于原有直流供电系统电压—电流控制策略：
udc＝UdcN-kn·idc (6)
所提出的二阶虚拟惯性方法，具备含有二阶惯性环节的控制系数。在 直流供电系统发生负荷投切、输出功率突变等大扰动时，具有更强的 惯性以稳定直流母线电压。
4)利用所述电压—电流惯性控制方程得到DC/AC变换器的电压外环控制 指令值
Figure BDA0002096540680000035
Figure BDA0002096540680000036
其中，s为拉普拉斯变换中的复变量；
5)将直流侧电压瞬时值udc与其电压指令值
Figure BDA0002096540680000041
作差，其差值经电压外环调 节器GPI_v(s)可得到DC/AC变换器交流侧电流指令值io_ref；
6)将DC/AC变换器交流侧电流指令值io_ref与交流侧电流瞬时值io作差， 其差值经电流内环调节器GPI_v(s)得到调制信号来驱动DC/AC变换器工 作。
图3为直流供电系统经DC/AC变换器接入交流电网的小信号模型，小信 号模型的建立方法如下：
步骤1：直流供电系统二阶虚拟惯性方程的小信号模型
二阶惯性控制方程如下：
Figure BDA0002096540680000042
通过二阶惯性控制得到DC/AC变换器的电压外环控制指令值
Figure BDA0002096540680000043
将式(8)中的状态量写成稳态量与扰动量之和：
udc＝Udc+Δudc、idc＝Idc+Δidc (9)
直流母线电压扰动量即DC/AC变换器的电压外环控制指令值扰动量
Figure BDA0002096540680000044
化简得：
Figure BDA0002096540680000045
拉氏变换得：
Figure BDA0002096540680000046
Figure BDA0002096540680000047
其中，Δidc(s)为DC/AC变换器的直流侧电流扰动量。
步骤2：q轴电流环小信号模型
变流器在dq坐标下的数学模型：
Figure BDA0002096540680000051
其中，ud、uq为电网电压的d、q轴分量，id、iq为DC/AC变换器 交流侧电流的d、q轴分量，ed、eq为变换器交流端电压的d、q轴 分量，R为滤波电感L的等效串联电阻，ωg为电网电压角频率。
电流调节器采用PR控制器：
Figure BDA0002096540680000052
其中，ωo为谐振频率，ωc为截止频率，本实施例中，kpi＝0.1、kri＝1。 则ed、eq的控制方程：
Figure BDA0002096540680000053
其中，
Figure BDA0002096540680000054
为d、q轴电流指令值。
联立式(13)、(15)得：
Figure BDA0002096540680000055
同理，将式(16)中的状态量写成稳态量与扰动量之和：
id＝Id+Δid、iq＝Iq+Δiq (17)
化简得：
Figure BDA0002096540680000056
拉氏变换得：
Figure BDA0002096540680000061
q轴电流环小信号模型：
Figure RE-GDA0002238446230000062
其中，增益
Figure BDA0002096540680000063
步骤3：电压外环小信号模型
由交直流侧功率平衡：
Figure BDA0002096540680000064
其中，C为直流侧储能电容。
将上式中状态量写成稳态量与扰动量之和：
Figure BDA0002096540680000065
代入式(21)化简并忽略二次扰动量：
Figure BDA0002096540680000066
考虑Ud＝0、Id＝0，式(23)化简为：
Figure BDA0002096540680000067
可知，Δudc(s)可由Δiq(s)、Δuq(s)、Δidc(s)叠加得到：
Figure BDA0002096540680000068
Figure BDA0002096540680000069
其中，Δiq(s)为电压外环控制输出的电流指令扰动量，此后写为
Figure BDA00020965406800000610
电压调节器采用PI控制器：
Figure BDA0002096540680000071
本实施例中，kpv＝0.1、kiv＝5。
通过以上步骤建立小信号模型后，可以确定DC/AC变换器的直流侧电流扰 动量-Δidc(s)到直流母线电压扰动量Δudc(s)之间闭环传递函数。通过分析闭环传 递函数在不同的Cvir取值下的阶跃响应曲线，可以得出Cvir参数对系统稳定性和 惯性的影响，从而得到最优化二阶惯性控制参数取值。
图4为虚拟电容Cvir＝[0.01,0.02,…,0.06]mF时系统阶跃响应曲线，从图中可 以看出，当虚拟电容Cvir取值较小时，DC/AC变换器的直流侧电流扰动量会引 起直流母线电压反复上升回落，震荡的直流母线电压会引起直流供电系统运行不 稳定。
图5为虚拟电容Cvir＝[1,2,…,6]mF时系统阶跃响应曲线，从图中可以看出， 当虚拟电容Cvir取值较大时，直流母线电压扰动量响应较慢，系统具有较大的惯 性以抵抗扰动工况，图中In(4)对应Cvir＝4mF，此时直流电压扰动量Δudc(s)既没 有出现震荡也具有很慢的响应速度，因此设置Cvir≥4mF可以使直流供电系统稳 定运行且具有较大的惯性，在大扰动工况下可以平抑直流母线电压波动。

Claims (2)

1.一种直流供电系统二阶惯性抗扰动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别对直流母线输出电压瞬时值udc、DC/AC变换器的直流侧电流瞬时值idc以及其交流侧电流瞬时值io进行采样；
2)利用交流供电系统中虚拟同步发电机的频率—有功控制方程，提出带有二阶虚拟惯性的直流供电系统的电压—电流惯性控制方程：
Figure FDA0002887888680000011
其中，Iset为直流供电系统的电流额定值，D为电压—电流控制系数，UdcN为直流母线电压额定值，Cvir为虚拟电容值；
3)利用所述电压—电流惯性控制方程得到DC/AC变换器的电压外环控制指令值
Figure FDA0002887888680000012
Figure FDA0002887888680000013
其中，s为拉普拉斯变换中的复变量；
4)将直流母线输出电压瞬时值udc与其电压外环控制指令值
Figure FDA0002887888680000014
作差，其差值经电压外环调节器GPI_v(s)可得到DC/AC变换器交流侧电流指令值io_ref；
5)将DC/AC变换器交流侧电流指令值io_ref与交流侧电流瞬时值io作差，其差值经电流内环调节器GPR_i(s)得到调制信号来驱动DC/AC变换器工作。
2.根据权利要求1所述的直流供电系统二阶惯性抗扰动控制方法，其特征在于，虚拟电容值Cvir的取值方法如下：作出在不同Cvir取值下的系统阶跃响应曲线，分析在直流侧电流扰动量Δidc(s)为1的情况下，直流母线电压扰动量
Figure FDA0002887888680000015
的响应曲线，得到Cvir≥4mF。
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