CN111478310A - 一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直流配电系统储能系统控制领域，具体涉及一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法。本发明通过获取飞轮储能系统稳态下的下垂系数K₀；功率突变造成直流母线电压波动时，通过滤波器取得瞬时电压变化量δU；然后对变下垂系数进行修正；根据飞轮储能系统功率输出的上下限，约束下垂系数；变化的下垂系数在变流器的外环控制器中控制飞轮储能系统参考功率，同时控制系统转速参考值，经过一个PI控制环节为内环控制器提供电流参考值；内环控制器对系统的输出功率进行控制；利用不断变化的下垂系数控制系统的下垂特性曲线进行摆动，进行自适应控制，以不断减小系统的电压波动；控制系统回到稳定运行状态。

Description

一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法

技术领域

本发明属于直流配电系统储能系统控制领域，具体涉及一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法。

背景技术

现代电力系统中电动汽车、大数据中心等直流负荷日益增长，分布式电源大规模接入，传统的交流配网由于其过多的逆变环节而造成的转换环节多、系统效率低等问题，已经无法满足现代电力系统的发展需求。直流配电网络不存在无功功率的损耗。更少的变流环节使得直流配网更容易消纳分布式电源，降低系统的控制难度、增加系统的供电可靠性。

系统惯性的大小是交直流电网的显著区别之一。传统的交流电力系统中，发电机与电网之间直接进行耦合，发电机较大的旋转动能为交流系统提供了惯性支撑，使其在扰动情况下电网更稳定。而直流配电系统为小惯性系统，直流侧等效电容值较小，此外，其消纳的分布式电源中，光伏发电系统惯性较低，风力发电系统受限于电力电子变换装置的隔离，需要辅以一定的控制策略。造成直流系统在随机负荷及大扰动的情况下，容易引起直流电压突变造成减载运行。因此，利用直流配电网中电机的旋转动能及储能电池提高直流系统的惯性，是直流配电系统中需要解决的问题。

目前，直流配电系统中，风力发电系统可通过MPPT曲线调整，提升系统等效惯性。利用下垂控制策略对储能系统进行控制，也使得直流配电系统的等效惯性进一步提升。针对下垂控制的不同优化策略可以充分发挥储能系统的惯性支撑能力。

飞轮储能是一种基于机电能量转换的储能系统，系统中的旋转动能能够有效为系统提供惯性支撑，此外飞轮系统储能密度高、应用范围广、效率高、寿命长无污染的特点，可以为直流配网更好的消纳分布式电源提供新途径。

发明内容

针对传统控制方法无法充分发挥系统的惯性支撑能力的问题，本发明提供了一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，包括以下步骤：

步骤1，飞轮储能系统稳态时，直流电压变化率为零，获取飞轮储能系统稳态下的下垂系数K₀；

步骤2，当飞轮储能系统发生功率突变，造成直流母线电压波动时，通过滤波器取得瞬时电压变化量δU；代替较难获得的直流母线电压变化率，从而进一步调整飞轮储能系统出力；对于飞轮储能系统而言，其对系统的惯性支撑能力取决于其下垂特性曲线的平缓程度，特性曲线越平缓，飞轮储能系统出力越多，惯性支撑能力越强。

步骤3，对飞轮储能系统的变下垂系数进行修正；

步骤4，根据飞轮储能系统功率输出的上下限，约束下垂系数；

步骤5，变化的下垂系数在变流器的外环控制器中控制飞轮储能系统的参考功率，同时控制系统转速参考值，经过一个PI控制环节为内环控制器提供电流参考值；

步骤6，内环控制器对系统的输出功率进行控制；

步骤7，利用不断变化的下垂系数控制系统的下垂特性曲线进行摆动，进行自适应控制，以不断减小系统的电压波动；

步骤8，系统电压波动变为零，系统的下垂系数变为稳态初始值，系统回到稳定运行状态。

进一步，所述步骤3对飞轮储能系统的变下垂系数进行修正的方法是：根据公式

对飞轮储能系统的变下垂系数进行修正。

进一步，所述步骤3，所述变下垂系数在系统负荷突增或突减时，摆动裕度受到K₀影响，取

其中，k_max表示下垂系数最大值，k_min表示下垂系数最小值，

当k₀＞k_mid时，k₀趋于k_min时的裕度较大，即当系统负荷突然减小或分布式电源输出突然增大时，其系统下垂特性曲线摆幅更大，因而惯性支撑能力更强；

当k₀＜k_mid时，k₀趋于k_max时的裕度较大，即系统负荷突然增大或分布式电源输出突然减小时，惯性支撑能力更强。

再进一步，所述步骤4，下垂系数最大值受到飞轮储能系统转速约束，飞轮储能系统受到转速上限限制，最大功率P_max为:

其中，P为功率，J_F表示飞轮的转动惯量，ω_g为飞轮旋转角速度，max表示最大，t表示时间；即下垂系数限制k≤k_max；飞轮储能系统最低功率限制，存在功率较低时突然增大可能产生的转矩过大问题，则有：P＝Tω_g，P≥P_min，下垂系数受到转速与转矩限制，k≥k_min。

进一步，所述步骤5，变化的下垂系数在变流器的外环控制器中控制飞轮储能系统参考功率的方法是：根据式

控制飞轮储能系统参考功率，其中，

表示直流母线参考电压，U_dc表示直流母线电压，P^*表示稳态时有功功率。

进一步，所述步骤5控制系统转速参考值的方法是：根据式P＝J_Fω_gsω_g控制系统转速参考值，其中s表示拉式算子。

本文首先分析直流配网中虚拟惯性的概念，在此基础上分析飞轮储能系统对于虚拟惯性的支撑作用，同时利用下垂控制对飞轮系统进行控制，提升其对系统的惯性支撑能力。提出新的下垂系数计算函数，通过虚拟惯性和下垂的协同控制改善直流配电网的稳定性。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明对系统的下垂系数进行实时改变，通过下垂特性曲线的不断摆动，控制系统的输出功率。用变下垂系数的虚拟控制方法取代固定的下垂系数，可以有效提高系统的虚拟惯性，减小系统的电压和功率波动。惯性控制策略通过初始斜率的改变，进一步发挥其惯性支撑效果。

本发明中的飞轮储能系统的应用，利用了系统中飞轮的旋转动能，将系统由于功率波动造成的系统电压波动转换为功率波动造成飞轮速度的改变，为系统提供惯性支撑，同时，利用变下垂系数的控制方式，在系统收到扰动时，能够改变飞轮的输出功率，进一步提升系统惯性，使得系统受到扰动时，其电压变化的峰值减小，提升了系统的稳定性，提高了直流配电系统的供电质量。

附图说明

图1系统控制流程图；

图2光储直流配网结构示意图；

图3下垂特性曲线摆动示意图；

图4函数收敛性对比图；

图5下垂系数变化曲线图；

图6飞轮系统控制框图；

图7负荷突增情况下的仿真波形图；

图8负荷突增情况下的仿真波形图；

图9改变k₁时仿真波形图；

图10改变k₁时仿真波形图；

图11改变k₁时仿真波形图；

图12光伏出力突降情况下的仿真波形图；

图13光伏出力突降情况下的仿真波形图；

图14改变k₁时仿真波形图；

图15改变k₁时仿真波形图；

图16改变k₁时仿真波形图。

具体实施方式

系统构成：

包含飞轮储能系统的直流配电网如图2所示，主要由飞轮储能系统、光伏发电系统、负荷部分、并网变流器四部分组成。

飞轮储能系统采用内置无刷交流电机作为内置电机的飞轮储能系统，经AC-DC整流器接入直流母线；光伏发电系统，经双向DC-DC变换器接入直流母线，运行于MPPT模式；并网变流器通过AC-DC变流器G-VSC与大电网相连。直流负荷通过AC-DC变流器与直流母线相连。

系统虚拟惯性特性分析：

直流配电网惯性分析：

在交流系统中，系统的惯性由惯性时间常数H_s表示：

其中，E_k为转子额定转速时储存的动能；S_N为发电机的额定容量；J为转子的转动惯量；ω为转子的机械转速。

直流配电网惯性时间常数定义为额定电压下配电网直流电容存储能量全部释放所需要的时间。直流系统的惯性由惯性时间常数H_d表示：

其中，W_e-i为直流电容C_i的储能，S_N-i为第i个直流电容的额定容量。

直流配网的惯性时间常数正比于直流侧电容，因而增大直流侧的虚拟电容可以增大系统惯性时间常数，其自适应惯性常数H_dc：

其中，C_vir表示虚拟电容。

飞轮储能系统惯性分析：

飞轮储能系统将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮之中，其动能为:

式中，J_F为飞轮的转动惯量；ω_g为飞轮旋转角速度。其能量释放的方式为速度的改变:

式中ω_g1为t时刻的旋转角速度，ω_g0为初始时刻的旋转角速度。

当系统直流侧发生功率失衡导致直流电压扰动时，飞轮储能系统变流器直流侧电容充放电功率为：

式中P_out为直流电容出口侧功率，P_i为直流电容入口侧功率，C_F表示出口测电容值。

飞轮储存或释放的功率为：

暂态扰动过程中，飞轮利用自身动能变化对系统的电压波动进行抑制，不计电机损耗的理想状态下，则直流母线电压变化转化为转速波动。联立可得

对(8)式两边进行积分可得:

式中ω_ga、ω_gb、U_dcb、U_dca分别为a、b时刻的飞轮机械角速度和直流母线电压。取飞轮在b时刻电压额定值情况下的转速为额定转速ω_N，取E_CN为额定电压下电容储存的能量，对上式进行标幺化处理，得：

即

其中，pu表示标幺值下标，由(11)式可得，当改变飞轮的角速度，即在储能系统在功率变化时以不同的转速波动承担功率变化。对式(7)进行拉氏变换得到

P＝J_Fω_gsω_g (12)

由以上分析得：系统受到扰动，因功率的缺额或过剩引起电压变化时，飞轮系统可以通过转速的控制以输出更多的功率对系统的惯性进行支撑。

实施例1

一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，包括以下步骤：

步骤1，飞轮储能系统稳态时，直流电压变化率为零，获取飞轮储能系统稳态下的下垂系数K₀；

在下垂曲线系数函数的选择中，其函数在保证下垂系数不越限制的情况下，满足子区间内为单调函数，且向最值的收敛速度应尽可能的更快，由此可以充分利用控制裕度，为系统提供惯性支撑。此外，在直流母线电压变化率为0时，下垂系数应等于初始值。对双曲正切函数，反正切函数收敛性进行对比如图4所示。相同系数下，双曲正切函数具有更好的收敛性。因此选择双曲正切函数对原下垂系数进行优化，可得新的动态下垂系数：

其中，μ为系数，为保证系统的直流电压变化量不超过限制，其下垂系数不超过其限值。

即新的动态下垂系数：

得到的下垂系数k的随电压变化率的函数图像如图5所示，当电压变化率较大时，其下垂系数k接近于限值，使得系统在保持最佳的惯性调节能力的基础上稳定运行，而下垂系数函数向最值良好的收敛性，使得系统在电压变化率增大时，能迅速的运行在最大惯性能力调节状态下，有效的避免了直流母线电压变化率较小时，系统的惯性调节能力较差的问题。

步骤2，当飞轮储能系统发生功率突变，造成直流母线电压波动时，通过滤波器取得瞬时电压变化量δU；

采用下垂控制时，储能的U-P特性曲线为

当

变化较大时，应使下垂曲线更加平缓从而为系统扰动提供更多功率支撑。

式中k₀为初始状态下的斜率，k₁为变下垂系数函数关系中的比例系数。则有：

取变流器原稳态时直流侧电容输入端功率为P_i，输出端功率为P_out，改变下垂系数后输出功率为P_ir,直流侧输出端功率为P_outr，则有：

P_ir＝P_i+ΔP (21)

其中ΔP表示有功功率变化量，由上式可得

亦即：

式中P_ii为变下垂系数比例常数虚拟出的功率，ΔP₀为原特性曲线下功率的该变量。取等效电容功率为P_vir则有

P_vir＝P_ii+ΔP₀ (24)

由式(25)可看出在电压变化时，改变下垂系数相当于在原直流侧虚拟出等效电容，且由式(22)至式(25)可得，可以通过改变k₁改变变流器对系统的惯性支撑能力。

如图3所示，稳态时，系统运行于A点，当系统负荷突增或分布式电源出力突然减小时。若下垂特性曲线不改变，则系统功率差额逐渐减小至0，运行于B点；当利用式(17)进行下垂特性控制。此时

下垂特性曲线斜率减小，下垂特性曲线沿图示方向摆动，功率差额不断减小，降低了U_dc的下降速度，直至功率差额减小至0时，系统运行至C点达到新的稳态，此时

k＝k₀，下垂曲线斜率返回稳态时的值。同理，当系统负荷突减或分布式电源出力突然增大时，按照相同方法进行控制。

代替较难获得的直流母线电压变化率，从而进一步调整飞轮储能系统出力；对于飞轮储能系统而言，其对系统的惯性支撑能力取决于其下垂特性曲线的平缓程度，特性曲线越平缓，飞轮储能系统出力越多，惯性支撑能力越强。

步骤3，根据公式(15)对飞轮储能系统的变下垂系数进行修正；

当系统受到扰动时，

系统的U-P特性曲线的下垂系数按照函数发生变化，直流母线电压减小时，k₀趋于k_max；直流母线电压增大时，从k₀趋于k_min。当k₀选择不同的值时，对应的下垂系数在增大或减小时的裕度不同，即下垂特性曲线的摆动幅度不同，取

其中，k_max表示下垂系数最大值，k_min表示下垂系数最小值，则当k₀＞k_mid时，k₀趋于k_min时的裕度较大，即当系统负荷突然减小或分布式电源出力突然增大时，其系统下垂特性曲线摆幅更大，因而惯性支撑能力更强；当k₀＜k_mid时，k₀趋于k_max时的裕度较大，即系统负荷突然增大或分布式电源出力突然减小时，惯性支撑能力更强。

步骤4，根据飞轮储能系统功率输出的上下限，约束下垂系数；

对于飞轮系统而言，系统释放或吸收的功率越大，其对直流母线电压的稳定作用越大，但对于飞轮吸收和释放功率时有：

ω_gmin≤ω_g≤ω_gmax (27)

即对于飞轮系统其释放最大功率限制：

k≤k_max (29)

k的选取应当考虑系统直流母线电压的限值。此外，飞轮储能系统的系统功率、转矩T和转速满足关系式：

P＝Tω_g (30)

当飞轮控制系统功率参考值过时,ω_g较低，当下一稳态系统需要较大功率时，由上式可知，其需要的转矩较大，可能会超过其最大转矩。因此系统的功率最小值受转矩受系统最低转速限制。

P≥P_min (31)

k≥k_min (32)

即，系统的下垂特性曲线的斜率最小值受直流母线电压波动限值和系统稳定运行的转速限制。

步骤5，变化的下垂系数在变流器的外环控制器中根据式

控制飞轮储能系统参考功率，同时根据式P＝J_Fω_gsω_g控制系统转速参考值，经过一个PI控制环节为内环控制器提供电流参考值；

步骤6，内环控制器对系统的输出功率进行控制；

步骤7，利用不断变化的下垂系数控制系统的下垂特性曲线进行摆动，进行自适应控制，以不断减小系统的电压波动；

步骤8，系统电压波动变为零，系统的下垂系数变为稳态初始值，系统回到稳定运行状态。

实施例2

仿真分析

为验证本发明提出的惯性策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真软件中搭建了仿真模型，飞轮系统控制策略如图6所示，但在实际控制中，电压变化率很难得到，因此本实施例使直流电压通过滤波器后用电压变化量δU代替电压变化率进行仿真。

仿真模型中，直流母线电压为760V，取该值为基准值，仿真结果中变流器的功率以流向直流侧为正，电压为标幺值。

仿真验证：

一、功率突增仿真

初始状态下，负荷功率约为15kw，U_dc被变流器控制在748V即0.984pu。光伏系统输出功率约为9kw，储能系统输出功率约为5kw。1s时，系统负荷突增为33kw。仿真波形如图7、8所示，取系统电压变化最大值与系统稳定运行时电压的差值百分比作为电压的偏差率，取功率相对于稳态时功率作为功率偏差率。结果如表1所示。

表1负荷突增仿真结果

当系统功率突然增大时，不采用所提惯性控制策略，电压最大偏差量为26.5V，其电压偏差率为3.543％。系统功率最终稳定至11.2kw；当采用所提惯性控制策略且此时k₁＝100时，电压偏差量为20.5V，偏差率为2.741％。功率最大偏差率为11.339％。即当采用所提惯性控制策略后，最大电压偏差降低6V，偏差率降低0.802％。功率偏差降低22.671％。即所提惯性控制策略可以有效提升系统功率变化时的稳定性。

对于所提惯性控制系统而言，改变系数k₁可以改变系统的惯性支撑效果。运行工况相同，其仿真如图9、10、11所示。当k₁＝200时，系统电压最大降为729.5V，其电压偏差率为2.473％。功率最大增至11.71kw，偏差率为4.56％。即在一定范围内系数k₁，亦即增大系统的虚拟惯性。

二、光伏出力下降仿真

初始状态下，负荷功率约为20kW。光伏系统输出功率约为12kw，储能系统输出功率约为7.5kw。1s时，光伏出力突降为4kw。仿真波形如图12、13所示，当系统功率突然减小时，对比两种控制策略其电压偏差率由1.484％降低为1.337％，功率最大偏差量降低了0.577kw。即所提惯性控制策略在系统出力减小时仍能够发挥控制效果。改变k₁所得到的仿真如图14、15、16所示，其电压最大偏差量下降2.6V，功率最大偏差下降0.587kw。即在系统出力减小时，仍能通过改变k₁提升系统的虚拟惯性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，飞轮储能系统稳态时，直流电压变化率为零，获取飞轮储能系统稳态下的下垂系数K₀；

步骤2，当飞轮储能系统发生功率突变，造成直流母线电压波动时，通过滤波器取得瞬时电压变化量δU；

步骤3，对飞轮储能系统的变下垂系数进行修正；

步骤4，根据飞轮储能系统功率输出的上下限，约束下垂系数；

步骤5，变化的下垂系数在变流器的外环控制器中控制飞轮储能系统参考功率，同时控制系统转速参考值，经过一个PI控制环节为内环控制器提供电流参考值；

步骤6，内环控制器对系统的输出功率进行控制；

步骤7，利用不断变化的下垂系数控制系统的下垂特性曲线进行摆动，进行自适应控制，以不断减小系统的电压波动；

步骤8，系统电压波动变为零，系统的下垂系数变为稳态初始值，系统回到稳定运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，其特征在于：所述步骤3对飞轮储能系统的变下垂系数进行修正的方法是：根据公式

对飞轮储能系统的变下垂系数进行修正。

3.根据权利要求1所述的一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，其特征在于：所述步骤3，所述变下垂系数在系统负荷突增或突减时，摆动裕度受到K₀影响，取

其中，k_max表示下垂系数最大值，k_min表示下垂系数最小值，

当k₀＞k_mid时，k₀趋于k_min时的裕度较大，即当系统负荷突然减小或分布式电源输出突然增大时，其系统下垂特性曲线摆幅更大，因而惯性支撑能力更强；

当k₀＜k_mid时，k₀趋于k_max时的裕度较大，即系统负荷突然增大或分布式电源输出突然减小时，惯性支撑能力更强。

4.根据权利要求1所述的一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，其特征在于：所述步骤4，下垂系数最大值受到飞轮储能系统转速约束，飞轮储能系统受到转速上限限制，最大功率为:

其中，P为功率，J_F表示飞轮的转动惯量，ω_g为飞轮旋转角速度，max表示最大，t表示时间；即下垂系数限制k≤k_max；飞轮储能系统最低功率限制，存在功率较低时突然增大可能产生的转矩过大问题，则有：P＝Tω_g，P≥P_min，下垂系数受到转速与转矩限制，k≥k_min。

5.根据权利要求1所述的一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，其特征在于：所述步骤5，变化的下垂系数在变流器的外环控制器中控制飞轮储能系统参考功率的方法是：根据式

控制飞轮储能系统参考功率，其中，

表示直流母线参考电压，U_dc表示直流母线电压，P^*表示稳态时有功功率。

6.根据权利要求1所述的一种基于变下垂系数的直流配网虚拟惯性控制方法，其特征在于：所述步骤5控制系统转速参考值的方法是：根据式P＝J_Fω_gsω_g控制系统转速参考值，其中s表示拉式算子。

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