CN111682586B - 基于改进型sogi-fll的储能变换器虚拟惯量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进型SOGI‑FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，其主要针对储能变换器采用二阶广义积分器‑锁频环SOGI‑FLL检测电网频率微分信号的惯量模拟策略，易受电网电压中直流分量干扰而存在基频纹波的问题。具体的，该控制方法将频率自适应的复数带通滤波器CBF嵌入至SOGI‑FLL的控制回路中以构成CBF‑ISOGI‑FLL，实现电网频率微分信号的准确评估，并将电网频率微分信号直接应用于储能变换器的虚拟惯量控制方法中，因此，本发明所提出的实现方法既能避免电网频率微分运算所带来的谐波放大的问题，又能抑制电网电压中所含直流分量扰动对虚拟惯量响应性能的影响，有效地提高了系统的频率稳定性，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

基于改进型SOGI-FLL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改进型SOGI-FLL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

风电、光伏等可再生能源通过快速功率变换器接口并入电网，通常缺少机械旋转部件，无法给电网提供相应的惯量支撑，导致电网的等效惯量大幅减小，使电网的安全和可靠运行面临严峻挑战。电网的等效惯量降低将会引起电网的频率幅值偏差加大及其频率变化率加快的稳定性问题。为了提高电网频率安全水平，迫切需要对快速功率变换器的常规控制策略加以研究与改进，即将惯量模拟策略引入到其控制策略中，以提升高渗透率电网的等效惯量。

目前，已公开报道的基于频率微分原理的虚拟惯量模拟策略主要分为基于锁相环(Phase Locked Loop，PLL)频率微分运算、PLL频率动态调节直流电压与二阶广义积分器-锁频环(Second Order Generalized Integrator-Based Frequency Locked Loop，SOGI-FLL)三种。

题为“Inertia emulation in AC/DC interconnected power systems usingderivative technique considering frequency measurement effects”，E.Rakhshani,P.Rodriguez,《IEEE Transactions on Power Systems》，2017，32(5)，3338-3351(“考虑频率微分测量延时的交直流互联电力系统虚拟惯量控制技术”，《IEEE学报-电力系统期刊》2017年第32卷第5期第3338～3351页)的文章，该文提出将PLL检测的电网频率进行微分运算并通过一阶低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)后，将滤波结果直接加在功率变换器的电流参考指令上，实现惯量模拟，但微分运算易引入谐波且滤波环节会带入控制延时。

题为“Distributed power system virtual inertia implemented by grid-connected power converters”，J.Fang,H.Li,Y.Tang,et al，《IEEE Transactions onPower Systems》，2018,33(10):8488–8499(“并网电源转换器实现的分布式电源系统虚拟惯性”，《IEEE学报-电力系统期刊》2018年第33卷第10期第8488～8499页)的文章，该文提出通过PLL检测的电网频率信号动态调节功率变换器直流侧电容电压的方法完成惯量模拟，避免了频率微分运算所引入的谐波放大问题，但仅适用于直流侧电容电压可调的功率变换器场景。

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，该文提出利用SOGI-FLL检测电网频率微分信号，并将检测结果用于调节功率变换器的电流指令，以完成惯量模拟，也消除了频率微分运算所带来的不利影响，但SOGI-FLL检测的电网频率微分信号易受电网电压中直流分量干扰而存在大量的基频纹波，进而影响惯量模拟的响应性能。

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直流分量干扰而存在基频纹波的问题，从而导致现有储能变换器并网系统的频率稳定性较差。

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，针对高渗透率可再生能源并网运行系统、系统的等效惯量减少所引起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改进型SOGI-FLL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：

一种基于改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，主要包括以下步骤：

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_αβ，再经基于复数带通滤波器的交叉解耦网络控制方程得到电网电压直流扰动分量解耦后的αβ分量U_αβ1；

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压直流扰动分量解耦后的αβ分量U_αβ1，经二阶广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dα、U_qα与U_dβ、U_qβ，再经过做差运算方程得到电网电压的α轴与β轴误差分量U_α3、U_β3；

步骤4，根据步骤3中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴分量U_qα、U_qβ、电网电压的α轴与β轴误差分量U_α3、U_β3和储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过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5，根据步骤4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6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤5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7，根据步骤6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8，先根据步骤7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。

进一步地，在步骤2中，基于复数带通滤波器的交叉解耦网络控制方程为：

U_αβ1(s)＝U_αβ(s)-U_{αβ_dc}(s)，

/>

式中，ω_g为电网的角频率，ω_p为复数带通滤波器的截止频率，U_αβ2为电网电压的αβ分量U_αβ在两相静止坐标系下的基波分量，其由复数带通滤波器检测得到，U_{αβ_dc}为电网电压的α轴与β轴中包含的直流分量，其由一阶低通滤波器检测得到，s为拉普拉斯算子。

进一步地，在步骤3中，二阶广义积分器控制方程式为：

式中，ω_g为电网的角频率，K_p为二阶广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子；

做差运算方程式为：

U_α3(s)＝U_α1(s)-U_dα(s)，

U_β3(s)＝U_β1(s)-U_dβ(s)。

进一步地，在步骤4中，锁频环控制方程式为：

式中，K_i为二阶广义积分器的积分系数。

进一步地，在步骤5中，虚拟惯量控制方程式为：

式中，H为惯量时间常数。

进一步地，在步骤6中，有功电流计算方程式为：

进一步地，在步骤7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。

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改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，该控制方法是利用改进型SOGI-FLL实现电网频率微分信号的准确评估，并在此基础上利用此微分信号完成虚拟惯量控制，其中，该改进型SOGI-FLL是将具有频率自适应能力的复数带通滤波器(Complex Bandpass Filter，CBF)嵌入至SOGI-FLL的控制回路中形成基于复数带通滤波器的改进型SOGI-FLL(Complex Bandpass Filter Based Improved SOGI-FLL，CBF-ISOGI-FLL)，从而增强SOGI-FLL抑制电网电压中直流分量扰动的能力，因此，应用本发明的虚拟惯量控制方法后，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、直流分量等扰动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是改进型SOGI-FLL的基本控制框图。

图3是虚拟惯量控制的基本结构图。

图4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改进型SOGI-FLL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_αβ，再经基于复数带通滤波器的交叉解耦网络控制方程得到电网电压直流扰动分量解耦后的αβ分量U_αβ1。

其中，基于复数带通滤波器的交叉解耦网络控制方程为：

U_αβ1(s)＝U_αβ(s)-U_{αβ_dc}(s)，

式中，ω_g为电网的角频率，ω_p为复数带通滤波器(CBF)的截止频率，U_αβ2为电网电压的αβ分量U_αβ在两相静止坐标系下的基波分量，其由复数带通滤波器检测得到，U_{αβ_dc}为电网电压的α轴与β轴中包含的直流分量，其由一阶低通滤波器(LPF)检测得到，s为拉普拉斯算子。

在本实施例中，ω_p取值越小，基于复数带通滤波器的交叉解耦网络的响应速度越慢而系统的阻尼特性越好；ω_p取值越大，基于复数带通滤波器的交叉解耦网络的响应速度越快而系统的阻尼特性越差，即抑制系统振荡的能力越弱。鉴于此结论，为了最优折中系统的响应速度与系统阻尼之间的关系，文中将ω_p设置为30πrad/s。

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压直流扰动分量解耦后的αβ分量U_αβ1，经二阶广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dα、U_qα与U_dβ、U_qβ，再经过做差运算方程得到电网电压的α轴与β轴误差分量U_α3、U_β3。

其中，二阶广义积分器控制方程式为：

式中，ω_g为电网的角频率，K_p为二阶广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。

在本实施例中，SOGI-FLL的输入频率与输出频率之间的传递函数是一个典型二阶系统，SOGI-FLL的响应性能主要由K_p决定，即K_p越大其动态响应速度越快，而谐波抑制能力越弱，反之亦然。因此，将K_p设置成

以最佳折中其响应速度和谐波抑制能力之间的关系。

做差运算方程式为：

U_α3(s)＝U_α1(s)-U_dα(s)，

U_β3(s)＝U_β1(s)-U_dβ(s)。

步骤4，根据步骤3中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴分量U_qα、U_qβ、电网电压的α轴与β轴误差分量U_α3、U_β3和储能变换器给定的角频率指令ω_ref，经过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。

其中锁频环控制方程式为：

式中，K_i为二阶广义积分器的积分系数。

在本实施例中，K_i能够用K_p来表示，即可得到

其中，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，储能变换器的角频率采用额定频率为50Hz时对应的角频率，即ω_ref＝314.1593rad/s，当取值/>

时，则有K_i＝0.128。

根据以上控制可以得到本发明改进型SOGI-FLL的基本结构控制框图，具体如图2所示。

步骤5，根据步骤4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6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤5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7，根据步骤6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8，先根据步骤7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3所示。

为了验证所提CBF-ISOGI-FLL方案在检测电网频率微分信号方面的可行性与优越性，本发明利用Matlab/Simulink软件搭建了仿真平台，并在仿真平台上分别应用本发明所提出的CBF-ISOGI-FLL角频率微分信号检测方法和二阶广义积分器-锁频环SOGI-FLL角频率微分信号检测方法，仿真的具体工况为，三相电网电压的频率在0.5s时以1Hz/s速率上升并在0.8s时恢复，且电网A、B与C相电压中分别含有0.01p.u、-0.01p.u与0.01p.u的直流分量，依据上述工况得到仿真图图4，在图4中，SOGI-FLL所指向的细实线为采用本发明前的仿真波形图，具体是采用二阶广义积分器-锁相环方法后检测到的角频率微分信号的动态响应仿真波形图，CBF-ISOGI-FLL所指向的粗实线为采用本发明后的仿真波形图，具体是采用本发明后检测到的角频率微分信号的动态响应仿真波形图。

由图4可看出，粗实线所形成的曲线较细实线所形成的曲线平稳，也就是说，CBF-ISOGI-FLL相较于SOGI-FLL方案在电网包含直流分量扰动的工况下，具有更优越的直流分量抑制能力，即本发明的CBF-ISOGI-FLL可以消除直流分量的干扰，能够准确检测电网频率微分信号，对比例SOGI-FLL的检测结果中却包含大量的基频脉动分量。

由此可知，本发明在电网电压包含直流分量且频率快速变化的过程中，由于本发明将频率自适应的复数带通滤波器嵌入至SOGI-FLL的控制回路中构成ISOGI-FLL准确评估电网频率微分信号，并在此基础上将电网频率微分信号直接应用于储能变换器的虚拟惯量实现方法中，避免了系统频率微分运算所带来的谐波放大，又抑制了电网电压中所含直流分量、谐波分量等扰动对虚拟惯量实现的影响，从而保证了储能变换器向电网提供谐波含量更少、响应性能更优的虚拟惯量支撑。

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)

1.一种基于改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

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_αβ，再经基于复数带通滤波器的交叉解耦网络控制方程得到电网电压直流扰动分量解耦后的αβ分量U_αβ1；

其中，基于复数带通滤波器的交叉解耦网络控制方程为：

U_αβ1(s)＝U_αβ(s)-U_{αβ_dc}(s)，

式中，ω_g为电网的角频率，ω_p为复数带通滤波器的截止频率，U_αβ2为电网电压的αβ分量U_αβ在两相静止坐标系下的基波分量，其由复数带通滤波器检测得到，U_{αβ_dc}为电网电压的α轴与β轴中包含的直流分量，其由一阶低通滤波器检测得到，s为拉普拉斯算子；

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压直流扰动分量解耦后的αβ分量U_αβ1，经二阶广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量U_dα、U_qα与U_dβ、U_qβ，再经过做差运算方程得到电网电压的α轴与β轴误差分量U_α3、U_β3；

步骤4，根据步骤3中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴分量U_qα、U_qβ、电网电压的α轴与β轴误差分量U_α3、U_β3和储能变换器给定的角频率指令ωre_f，经过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5，根据步骤4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6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量U_gd和步骤5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7，根据步骤6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8，先根据步骤7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所述的基于改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，在步骤3中，二阶广义积分器控制方程式为：

/>

式中，ω_g为电网的角频率，K_p为二阶广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子；

做差运算方程式为：

U_α3(s)＝U_α1(s)-U_dα(s)，

U_β3(s)＝U_βl(s)-U_dβ(s)。

3.根据权利要求1所述的基于改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，在步骤4中，锁频环控制方程式为：

式中，K_i为二阶广义积分器的积分系数。

4.根据权利要求1所述的基于改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，在步骤5中，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所述的基于改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，在步骤6中，有功电流计算方程式为：

6.根据权利要求1所述的基于改进型SOGI-FLL的储能变换器虚拟惯量控制方法，其特征在于，在步骤7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。

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