CN110943632A - 基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法 - Google Patents

Abstract

针对基于频率微分运算的虚拟惯量控制方案易受系统电压中所包含的谐波、直流分量及间谐波分量等干扰的问题，本发明公开了一种基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法。该控制方法将基于二阶广义积分器原理的频率自适应滤波器加入至二阶广义积分器‑锁频环的控制回路中形成级联广义积分器‑锁频环准确评估系统频率微分信号的控制方法，并将系统频率微分信号直接应用于虚拟惯量控制方案中，因此，本发明所提出的控制方法既能避免系统频率微分运算所引入的谐波放大的问题，又能抑制电网电压中所含谐波、直流分量及间谐波分量等扰动对虚拟惯量控制的影响，本发明可以广泛地应用于储能变换器并网运行的系统中。

Description

基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，适用于需要并网运行的储能变换器。

背景技术

近年来，可再生能源通过快速功率变换器接口接入电网受到广泛关注，但往往会引起电网等效惯量减小的频率稳定性问题。系统惯量缺失易引发两类频率稳定性问题，一类是系统的频率变化率不断加快，另一类是系统的频率偏差逐渐增大。一方面，过高的频率变化率容易引起系统内的发电机组发生滑极和保护性跳闸，另一方面，过大的频率偏差易导致系统发生低频减载、连锁故障甚至大规模停电等事故。为了保持或提升电力系统的频率稳定性，必须对功率变化器的控制策略加以改进，以提升系统的惯量支撑能力。

为此，人们做了各种研究，如题为“VSG-Based Dynamic Frequency SupportControl for Autonomous PV-Diesel Microgrids”，SHI Rongliang，ZHANG Xing，《Energies》，2018，11(7)，1814-1829(“基于虚拟同步发电机的光储柴独立微电网动态频率支撑控制方法”，《能源学报》2018年第11卷第7期第1814～1829页)的文章；该文提出了通过模拟同步发电机的摇摆方程实现虚拟惯量控制，但该算法需对功率变换器控制系统进行根本性的改变，且处于技术发展初期，缺乏与大电网互联的实践经验。

题为“Modeling and design of df/dt-based inertia control for powerconverters”，Daniel Duckwitz,Boris Fischer,《IEEE Journal of Emerging andSelected Topics in Power Electronics》，2017，5(4)，1553-1564(“基于df/dt的功率变换器惯性控制的建模与设计”，《IEEE电力电子新兴与精选主题期刊》2017年第5卷第42期第1553～1564页)的文章；该文提出了一种基于锁相环频率直接进行微分运算的虚拟惯量控制策略以提升系统的等效惯量，但易引起谐波放大的问题且滤波延时环节制约了虚拟惯量的响应速度。

题为“Distributed power system virtual inertia implemented by grid-connected power converters”，J.Fang，H.Li，Y.Tang，et al，《IEEE Transactions onPower Electronics》，2018，33(10)，8488–8499(“基于并网型功率变换器的分布式电力系统虚拟惯量控制技术”，《IEEE学报-电力电子期刊》2018年第33卷第10期第8488～8499页)的文章；该文提出了一种通过锁相环频率动态调节直流电压的虚拟惯量控制策略，避免了频率微分运算，但仅适用于直流侧电压可调的功率变换器。

题为“Frequency derivative-based inertia enhancement by grid-connectedpower converters with a frequency-locked-loop”，Fang J，Zhang R，Li H，et al，《IEEE Transactions on Smart Grid》，2019，10(5)，4918-4927(“基于锁频环的并网功率变换器频率微分型虚拟惯量控制策略”，《IEEE学报-智能电网期刊》2019年第10卷第5期第4918～4927页)的文章；该文提出了一种基于二阶广义积分器-锁频环评估频率微分信号的虚拟惯量实现方法，避免了频率微分运算，但频率微分信号易受电网电压中的直流分量、谐波与间谐波等影响而存在纹波。

由上可知，现有技术均未能解决储能变换器的虚拟惯量控制策略易受电网电压中所包含的谐波、直流分量及间谐波分量等干扰，引入的谐波放大而导致储能变换器并网电流质量与运行稳定性变差的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对可再生能源并网运行系统、系统的等效惯量减少带来的系统频率变化率与幅值偏差增大的问题，提供一种既能减小系统频率变化率、又能减小系统频率幅值偏差的基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，主要步骤如下：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流i_la、i_lb、i_lc和电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd、U_gq和电网的相角θ_g，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ，再经级联广义积分器的前级广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的αβ分量U_gα1、U_gβ1；

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压滤波后的αβ分量U_gα1、U_gβ1和储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过级联广义积分器的后级广义积分器控制方程得到电网电压的α轴与β轴正交分量U_dα、U_qα与U_dβ、U_qβ，再经锁频环控制方程得到电网的角频率ω_g和角频率微分信号dω_g/dt；

步骤4，根据步骤3中得到的电网角频率微分信号dω_g/dt和储能变换器给定的有功功率指令P₀，经过虚拟惯量控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令P_ref；

步骤5，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤4中得到的参考有功功率指令P_ref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令I_dref；

步骤6，根据步骤5中得到的参考有功电流指令I_dref、给定的无功电流指令I_qref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq，通过电流控制方程得到控制信号U_d、U_q；

步骤7，先根据步骤6中得到的控制信号U_d、U_q，以及步骤1中得到的电网相角θ_g，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c生成储能变换器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

优选地，步骤2中的级联广义积分器的前级广义积分器控制方程式为：

式中，ω_g为电网的角频率，K_p1为前级广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤3中的级联广义积分器的后级广义积分器控制方程式为：

式中，K_p为后级广义积分器的比例系数，s为拉普拉斯算子；

锁频环控制方程式为：

式中，K_i为后级广义积分器的积分系数。

优选地，步骤4中的虚拟惯量控制方程式为：

式中，H为惯量时间常数。

优选地，步骤5中的有功电流计算方程式为：

优选地，步骤6中的电流控制方程式为：

式中，k_pc为比例控制系数，k_ic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的一种基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，其利用级联广义积分器实现频率微分信号评估，并在此基础上利用此微分信号实现虚拟惯量，因此，在储能变换器并网运行的情况下，既能避免频率微分运算所引入的谐波放大，又能抑制电网电压中包含的谐波、直流分量及间谐波分量等干扰对虚拟惯量控制的影响，为电网提供惯量支撑，从而有效地提高了系统的频率稳定性。

附图说明

图1是本发明所采用的储能变换器拓扑结构图。

图2是本发明前级广义积分器和后级广义积分器的通用基本结构图。

图3是级联广义积分器-锁频环的基本控制框图。

图4是虚拟惯量控制的基本结构图。

图5是储能变换器采用本发明前、后的仿真波形对比图。

具体实施方式

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明，具体如下：

本发明所采用的拓扑结构如图1所示，本实施例的有关参数设置如下：直流母线电压U_dc为550V，输出交流线电压有效值为380V/50Hz，额定容量为100kVA，储能变换器桥臂侧滤波电感为L＝0.56mH，储能变换器滤波电容为C＝90uF，隔离变压器为100kVA 270V/400V的Dyn11型变压器。

参见图1，本发明所提出的一种基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法依照以下步骤进行：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流i_la、i_lb、i_lc和电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd、U_gq和电网的相角θ_g，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq。

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ，再经级联广义积分器的前级广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的αβ分量U_gα1、U_gβ1，其中，级联广义积分器的前级广义积分器控制方程式为：

式中，ω_g为电网的角频率，K_p1为前级广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。

在本实施例中，前级广义积分器为二阶广义积分器，其设置的目的在于得到与电网电压同幅值同相位的基波成分，并将该基波成分作为后级广义积分器的输入，在本实施例中，当取值

时，前级广义积分器系统中的阻尼系数等于

以最优折中了前级广义积分器提取电网电压基波成分的滤波能力与稳态时间。

根据以上控制可以得到本发明二阶广义积分器的基本结构图，具体如图2所示。

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压滤波后的αβ分量U_gα1、U_gβ1和储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过级联广义积分器的后级广义积分器控制方程得到电网电压的α轴与β轴正交分量U_dα、U_qα与U_dβ、U_qβ，再经锁频环控制方程得到电网的角频率ω_g和角频率微分信号dω_g/dt。

其中，级联广义积分器的后级广义积分器控制方程式为：

式中，K_p为后级广义积分器的比例系数，s为拉普拉斯算子。在本实施例中，后级广义积分器亦为二阶广义积分器，其基本结构图同前级广义积分器，具体详见图2，为了最优折中级联广义积分器中的后级广义积分器提取电网电压基波成分的滤波能力与稳态时间，取

锁频环控制方程式为：

式中，K_i为后级广义积分器的积分系数。

在本实施例中，储能变换器角频率采用额定频率为50Hz时对应的角频率，即ω_ref＝314.1593rad/s，储能变换器相电压幅值U_g采用额定电压为380V时对应的数值，即U_g＝311V，系统阻尼系数ζ推荐设置为

以最佳权衡系统的超调量与稳定时间，而K_i可表示为

根据以上控制可以得到本发明级联广义积分器-锁频环的基本结构控制框图，具体如图3所示。

步骤4，根据步骤3中得到的电网角频率微分信号dω_g/dt和储能变换器给定的有功功率指令P₀，经过虚拟惯量控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令P_ref；其中，虚拟惯量控制方程式为：

式中，H为惯量时间常数。

储能变换器的惯量时间常数可根据传统同步发电机的惯量时间常数来选择，取值范围为4s至12s，推荐为4s，故在本实施例中，惯量时间常数取值为H＝4s。

步骤5，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤4中得到的参考有功功率指令P_ref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令I_dref；其中，有功电流计算方程式为：

步骤6，根据步骤5中得到的参考有功电流指令I_dref、给定的无功电流指令I_qref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq，通过电流控制方程得到控制信号U_d、U_q；其中，电流控制方程式为：

式中，k_pc为比例控制系数，k_ic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

在上述电流控制方程中，其参数主要考虑控制系统的电流跟踪特性和动稳态性能，因此，在本实施例中，取k_pc＝0.93，k_ic＝0.4。

步骤7，先根据步骤6中得到的控制信号U_d、U_q，以及步骤1中得到的电网相角θ_g，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c生成储能变换器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

根据以上控制可以得到本发明虚拟惯量控制的基本结构图，具体如图4所示。

图5是储能变换器采用本发明前、后的仿真波形对比图。其中，图5右侧为采用本发明前的仿真波形对比图，其具体是采用锁相环频率直接微分运算方法后2台储能变换器有功功率阶跃50kW的动态响应仿真波形图；图5左侧为采用本发明后的仿真波形对比图，其具体是采用本发明后2台储能变换器有功功率阶跃50kW的动态响应仿真波形图。图中，P_ESC1表示第一台储能变换器的输出有功功率，P_ESC2表示第二台储能变换器的输出有功功率。

由图5可看出，本发明在有功功率阶跃的过程中，由于本发明将基于二阶广义积分器原理的频率自适应滤波器加入至二阶广义积分器-锁频环的控制回路中形成级联广义积分器-锁频环准确评估系统频率微分信号的控制方法，并在此基础上将系统频率微分信号直接应用于虚拟惯量控制中，避免了系统频率微分运算所引入的谐波放大，又抑制了电网电压中所含谐波、直流分量及间谐波分量等扰动对虚拟惯量控制的影响，从而保证了储能变换器向电网提供谐波含量少、动态响应快的虚拟惯量支撑。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (6)

1.一种基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，主要步骤如下：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流i_la、i_lb、i_lc和电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量U_gd、U_gq和电网的相角θ_g，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压u_ga、u_gb、u_gc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量U_gα、U_gβ，再经级联广义积分器的前级广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的αβ分量U_gα1、U_gβ1；

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压滤波后的αβ分量U_gα1、U_gβ1和储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过级联广义积分器的后级广义积分器控制方程得到电网电压的α轴与β轴正交分量U_dα、U_qα与U_dβ、U_qβ，再经锁频环控制方程得到电网的角频率ω_g和角频率微分信号dω_g/dt；

步骤4，根据步骤3中得到的电网角频率微分信号dω_g/dt和储能变换器给定的有功功率指令P₀，经过虚拟惯量控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令P_ref；

步骤5，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤4中得到的参考有功功率指令P_ref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令I_dref；

步骤6，根据步骤5中得到的参考有功电流指令I_dref、给定的无功电流指令I_qref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_ld、I_lq，通过电流控制方程得到控制信号U_d、U_q；

步骤7，先根据步骤6中得到的控制信号U_d、U_q，以及步骤1中得到的电网相角θ_g，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c，再由三相桥臂电压控制信号U_a、U_b、U_c生成储能变换器逆变桥开关管的SVPWM控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，步骤2中的级联广义积分器的前级广义积分器控制方程式为：

式中，ω_g为电网的角频率，K_p1为前级广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，步骤3中的级联广义积分器的后级广义积分器控制方程式为：

式中，K_p为后级广义积分器的比例系数，s为拉普拉斯算子；

锁频环控制方程式为：

式中，K_i为后级广义积分器的积分系数。

4.根据权利要求1所述的基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，步骤4中的虚拟惯量控制方程式为：

式中，H为惯量时间常数。

5.根据权利要求1所述的基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，步骤5中的有功电流计算方程式为：

6.根据权利要求1所述的基于级联广义积分器的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，步骤6中的电流控制方程式为：

式中，k_pc为比例控制系数，k_ic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

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