CN112217224A - 一种直流微电网的灵活虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流微电网的灵活虚拟同步发电机控制方法，包括信号测量、设计灵活虚拟惯性系数、计算直流母线电压参考值、电压电流双闭环控制、计算占空比以及脉冲调制等步骤。本发明通过电网与储能单元为缺乏惯性的直流微网提供有力的惯性支持，抑制直流母线电压因系统功率抖动引起的剧烈波动现象，从而提高电能质量，增强系统安全运行的稳定性；所构建灵活虚拟惯性的控制回路采用一阶惯性环节代替高通滤波器，避免引入高频干扰；此外采用灵活虚拟同步发电机控制，有力的将虚拟惯性与直流电压变化率建立起联系，可为直流微网提供灵活可调的惯性支持。

Description

一种直流微电网的灵活虚拟同步发电机控制方法

技术领域

本发明涉及供配电技术领域，尤其涉及一种直流微电网蓄电池侧双向DC-DC换流器以及电网侧电压源型换流器的灵活虚拟同步发电机控制方法，属于供电控制技术领域。

背景技术

化石燃料储备的衰减以及环境问题的日益凸显，促进了分布式发电技术的迅速发展。直流微电网作为分布式能源供电的一种有效途径，不存在频率和功角稳定性、无功环流等问题，具有可控性与可靠性高的优点，拥有着广阔的应用前景。直流微电网中，分布式发电单元、负荷等，一般通过电力电子变流器接入。然而换流器主导的直流网络由于缺乏惯性，使直流母线电压面对微源、负荷的功率波动极为敏感，严重时会引起直流母线电压的剧烈波动，危害直流微电网的安全稳定运行。针对直流微电网缺少惯性的问题，国内外学者展开了深入的研究，并提出了一些关于增强直流微电网惯性的控制策略。

传统电网中的同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，且能自治运行并参与电网电压和频率调节。鉴于其天然的友好并网性，若能通过优化变流器的控制策略，使配备适量储能装置的分布式逆变电源也模拟出与同步发电机相似的运行外特性，即虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术，可有效缓解大规模可再生能源并网对电网的冲击。基于这一思路，VSG技术在分布式电源并网研究中得到了诸多学者的青睐。若是将VSG技术应用于电源侧来增强直流微电网的惯性与阻尼，不仅有效可以缓解负荷突变给直流微电网带来的冲击，而且还可以抑制直流母线电压的波动，从而增强系统安全运行的稳定性。此外，若是将直流电压变化率与虚拟惯性时间常数建立起联系，利用虚拟惯量灵活可调的优势，使虚拟惯量根据系统的动态情况进行自适应调节，将会进一步改善直流电压的质量，这对促进直流微电网的快速健康发展具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种直流微电网储能单元DC-DC换流器以及并网换流器的灵活虚拟同步发电机控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种直流微电网的灵活虚拟同步发电机控制方法，建立直流微电网：所述直流微电网包含分布式发电(风机、光伏)单元、储能单元与负荷(直流/交流负载)单元，所述分布式发电单元、储能单元与负荷单元分别通过相应的电力电子换流器与直流母线相连，此外交流主网通过并网换流器与直流母线相连；所述系统包含的分布式发电单元、储能单元、负荷单元与交流主网均包含换流器、测量元件以及控制系统；所述控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，其输出端与相应的换流器输入端相连；所述系统中还包含直流/交流测量元件，直流测量元件包括分布式发电单元、储能单元、负荷单元以及交流主网的直流母线侧电压传感器和电流传感器与光伏单元、储能单元、直流负荷单元侧电压传感器和电流传感器，交流测量元件包括风机单元、交流主网以及交流负载侧电压传感器和电流传感器；包括以下步骤：

步骤1：信号测量：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流微电网中的直流母线电压u_dc、储能单元中DC-DC换流器的输出电流i_dcB、储能元件的输出电流i_bat、储能元件的端口电压u_bat以及交流主网中并网换流器的输出电流i_dcG、交流主网的三相交流电压u_gj(j＝a，b，c)、交流主网的三相交流电流i_gj(j＝a，b，c)，交流侧三相电压电流通过dq变换得到相应的dq轴分量u_gd、u_gq、i_gd、i_gq；

步骤2：计算灵活虚拟惯性系数：将电压变化率以差值形式引入虚拟惯性系数中，得到灵活虚拟惯性系数的表达式：

式中，C_vir为灵活虚拟惯性系数值，C_vir0为虚拟惯性系数的稳态值，u_dcN为直流母线电压的额定值，u_dc为直流母线电压，k为改进直流母线电压变化率的相关系数，T为时间常数，N为直流母线电压变化率的阈值，通过引入阈值的方法来避免虚拟惯性时间常数频繁的变换，保证了系统的稳定正常运行；

步骤3：计算直流母线电压参考值：根据加入灵活虚拟惯性系数的虚拟同步发电机控制方程计算虚拟同步发电机控制下的直流母线参考值：

式中，u_dc ^*为直流母线电压的参考值，k_droop为下垂系数，k_D为阻尼系数，i_dc为换流器直流侧输出电流；

步骤4：电压电流双闭环控制：蓄电池侧换流器采用双闭环结构，外环采用灵活虚拟同步发电机控制以及PI控制，使直流母线实测电压u_dc跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值u_dc ^*，并得到蓄电池侧电流的参考值i_bat ^*，内环采用PI控制使蓄电池侧实测电流i_bat跟踪i_bat ^*；交流主网侧换流器采用双闭环结构，外环采用灵活虚拟同步发电机控制以及PI控制，使直流母线实测电压u_dc跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值u_dc ^*，并得到交流主网侧d轴电流的参考值i_gd ^*，内环电流控制采用dq解耦控制、功率因数控制以及PI控制，使交流主网侧实测d轴电流i_gd跟踪i_gd ^*，q轴电流i_gq跟踪参考值i_gq ^*；

步骤5：计算占空比：根据一个开关周期内的电压平均方程，计算蓄电池侧占空比d：

式中，L_b、R_b分别为蓄电池侧的电感和寄生电阻；

根据一个开关周期内的电压平均方程，计算交流主网侧调制比m_d、m_q：

式中，L_g、R_g分别为滤波器的电感和寄生电阻，i_gd、i_gq分别为d、q坐标下电感电流(即实测电流)，e_d、e_q分别为d、q坐标下电网电压，m_d、m_q分别为d、q坐标下调制比，ω为同步旋转角频率；

步骤6：脉冲调制：根据占空比d，对蓄电池侧换流器的开关管进行PWM调制控制，根据调制比m_d、m_q得到并网换流器侧交流电压参考值u_gd ^*、u_gq ^*，dq坐标系下的参考值u_gd ^*、u_gq ^*通过dq反变换得到abc坐标系下的交流电压参考值u_ga ^*、u_gb ^*、u_gc ^*，根据abc坐标下的交流电压参考值对交流主网侧换流器的开关管进行SPWM调制控制。

附图说明

图1是本发明的计算流程框图；

图2是直流微电网结构示意图；

图3是储能单元DC-DC换流器的灵活虚拟同步发电机控制原理框图；

图4是交流电网电压源型换流器的灵活虚拟同步发电机控制原理框图。

具体实施方式

实施例1：

一种直流微电网的灵活虚拟同步发电机控制方法，建立直流微电网：所述直流微电网如图1所示包含分布式发电(风机、光伏)单元、储能单元与负荷(直流/交流负载)单元，所述分布式发电单元、储能单元与负荷单元分别通过相应的电力电子换流器与直流母线相连，此外交流主网通过并网换流器与直流母线相连；所述系统包含的分布式发电单元、储能单元、负荷单元与交流主网均包含换流器、测量元件以及控制系统；所述控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，其输出端与相应的换流器输入端相连；所述系统中还包含直流/交流测量元件，直流测量元件包括分布式发电单元、储能单元、负荷单元以及交流主网的直流母线侧电压传感器和电流传感器与光伏单元、储能单元、直流负荷单元侧电压传感器和电流传感器，交流测量元件包括风机单元、交流主网以及交流负载侧电压传感器和电流传感器；包括以下步骤：

步骤1：信号测量：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流微电网中的直流母线电压u_dc、储能单元中DC-DC换流器的输出电流i_dcB、储能元件的输出电流i_bat、储能元件的端口电压u_bat以及交流主网中并网换流器的输出电流i_dcG、交流主网的三相交流电压u_gj(j＝a，b，c)、交流主网的三相交流电流i_gj(j＝a，b，c)，交流侧三相电压电流通过dq变换得到相应的dq轴分量u_gd、u_gq、i_gd、i_gq；

步骤2：计算灵活虚拟惯性系数：将电压变化率以差值形式引入虚拟惯性系数中，得到灵活虚拟惯性系数的表达式：

式中，C_vir为灵活虚拟惯性系数值，C_vir0为虚拟惯性系数的稳态值，u_dcN为直流母线电压的额定值，u_dc为直流母线电压，k为改进直流母线电压变化率的相关系数，T为时间常数，N为直流母线电压变化率的阈值，通过引入阈值的方法来避免虚拟惯性时间常数频繁的变换，保证了系统的稳定正常运行；

步骤3：计算直流母线电压参考值：根据加入灵活虚拟惯性系数的虚拟同步发电机控制方程计算虚拟同步发电机控制下的直流母线参考值：

式中，u_dc ^*为直流母线电压的参考值，k_droop为下垂系数，k_D为阻尼系数，i_dc为换流器直流侧输出电流；

步骤4：电压电流双闭环控制：蓄电池侧换流器采用双闭环结构，外环采用灵活虚拟同步发电机控制以及PI控制，使直流母线实测电压u_dc跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值u_dc ^*，并得到蓄电池侧电流的参考值i_bat ^*，内环采用PI控制使蓄电池侧实测电流i_bat跟踪i_bat ^*；交流主网侧换流器采用双闭环结构，外环采用灵活虚拟同步发电机控制以及PI控制，使直流母线实测电压u_dc跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值u_dc ^*，并得到交流主网侧d轴电流的参考值i_gd ^*，内环电流控制采用dq解耦控制、功率因数控制以及PI控制，使交流主网侧实测d轴电流i_gd跟踪i_gd ^*，q轴电流i_gq跟踪参考值i_gq ^*；

步骤5：计算占空比：根据一个开关周期内的电压平均方程，计算蓄电池侧占空比d：

式中，L_b、R_b分别为蓄电池侧的电感和寄生电阻；

根据一个开关周期内的电压平均方程，计算交流主网侧调制比m_d、m_q：

式中，L_g、R_g分别为滤波器的电感和寄生电阻，i_gd、i_gq分别为d、q坐标下电感电流(即实测电流)，e_d、e_q分别为d、q坐标下电网电压，m_d、m_q分别为d、q坐标下调制比，ω为同步旋转角频率；

步骤6：脉冲调制：根据占空比d，对蓄电池侧换流器的开关管进行PWM调制控制，根据调制比m_d、m_q得到并网换流器侧交流电压参考值u_gd ^*、u_gq ^*，dq坐标系下的参考值u_gd ^*、u_gq ^*通过dq反变换得到abc坐标系下的交流电压参考值u_ga ^*、u_gb ^*、u_gc ^*，根据abc坐标下的交流电压参考值对交流主网侧换流器的开关管进行SPWM调制控制。

Claims (1)

1.一种直流微电网的灵活虚拟同步发电机控制方法，所述直流微电网包含分布式发电(风机、光伏)单元、储能单元与负荷(直流/交流负载)单元，所述分布式发电单元、储能单元与负荷单元分别通过相应的电力电子换流器与直流母线相连，此外交流主网通过并网换流器与直流母线相连；所述系统包含的分布式发电单元、储能单元、负荷单元与交流主网均包含换流器、测量元件以及控制系统；所述控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，其输出端与相应的换流器输入端相连；所述系统中还包含直流/交流测量元件，直流测量元件包括分布式发电单元、储能单元、负荷单元以及交流主网的直流母线侧电压传感器和电流传感器与光伏单元、储能单元、直流负荷单元侧电压传感器和电流传感器，交流测量元件包括风机单元、交流主网以及交流负载侧电压传感器和电流传感器；

其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：信号测量：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流微电网中的直流母线电压u_dc、储能单元中DC-DC换流器的输出电流i_dcB、储能元件的输出电流i_bat、储能元件的端口电压u_bat以及交流主网中并网换流器的输出电流i_dcG、交流主网的三相交流电压u_gj(j＝a，b，c)、交流主网的三相交流电流i_gj(j＝a，b，c)，交流侧三相电压电流通过dq变换得到相应的dq轴分量u_gd、u_gq、i_gd、i_gq；

步骤2：计算灵活虚拟惯性系数：将电压变化率以差值形式引入虚拟惯性系数中，得到灵活虚拟惯性系数的表达式：

式中，C_vir为灵活虚拟惯性系数值，C_vir0为虚拟惯性系数的稳态值，u_dcN为直流母线电压的额定值，u_dc为直流母线电压，k为改进直流母线电压变化率的相关系数，T为时间常数，N为直流母线电压变化率的阈值，通过引入阈值的方法来避免虚拟惯性时间常数频繁的变换，保证了系统的稳定正常运行；

步骤3：计算直流母线电压参考值：根据加入灵活虚拟惯性系数的虚拟同步发电机控制方程计算虚拟同步发电机控制下的直流母线参考值：

式中，u_dc ^*为直流母线电压的参考值，k_droop为下垂系数，k_D为阻尼系数，i_dc为换流器直流侧输出电流；

步骤4：电压电流双闭环控制：蓄电池侧换流器采用双闭环结构，外环采用灵活虚拟同步发电机控制以及PI控制，使直流母线实测电压u_dc跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值u_dc ^*，并得到蓄电池侧电流的参考值i_bat ^*，内环采用PI控制使蓄电池侧实测电流i_bat跟踪i_bat ^*；交流主网侧换流器采用双闭环结构，外环采用灵活虚拟同步发电机控制以及PI控制，使直流母线实测电压u_dc跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值u_dc ^*，并得到交流主网侧d轴电流的参考值i_gd ^*，内环电流控制采用dq解耦控制、功率因数控制以及PI控制，使交流主网侧实测d轴电流i_gd跟踪i_gd ^*，q轴电流i_gq跟踪参考值i_gq ^*；

步骤5：计算占空比：根据一个开关周期内的电压平均方程，计算蓄电池侧占空比d：

式中，L_b、R_b分别为蓄电池侧的电感和寄生电阻；

根据一个开关周期内的电压平均方程，计算交流主网侧调制比m_d、m_q：

式中，L_g、R_g分别为滤波器的电感和寄生电阻，i_gd、i_gq分别为d、q坐标下电感电流(即实测电流)，e_d、e_q分别为d、q坐标下电网电压，m_d、m_q分别为d、q坐标下调制比，ω为同步旋转角频率；

步骤6：脉冲调制：根据占空比d，对蓄电池侧换流器的开关管进行PWM调制控制，根据调制比m_d、m_q得到并网换流器侧交流电压参考值u_gd ^*、u_gq ^*，dq坐标系下的参考值u_gd ^*、u_gq ^*通过dq反变换得到abc坐标系下的交流电压参考值u_ga ^*、u_gb ^*、u_gc ^*，根据abc坐标下的交流电压参考值对交流主网侧换流器的开关管进行SPWM调制控制。

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