CN112467789B - 一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法 - Google Patents

一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法，包括：建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程；得到VSG转子运动方程和无功调节表达式；得到混合微电网有功变化量方程；将交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量分别展开为稳态分量及瞬时分量；得到基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程；将基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程引入交直流混合微网AC/DC换流器控制系统中，实现交、直流子网根据自身容量均衡承担负荷，提高AC/DC换流器功率传输性能。本发明在交直流混合微网AC/DC接口变换器控制系统中采用VSG控制，保证AC/DC接口变换器不管工作于整流模式还是逆变模式，功率都可以稳定传输。

Description

一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法，该方法根据交、直流微网功率传输原则，实现混合微网AC/DC换流器虚拟同步机控制的方法。
背景技术
交直流混合微电网由交流子网、直流子网以及AC/DC接口变换器组成，交直流混合微网是未来微网发展的高级形式，综合了交流微电网和直流子网两者的优点，增强了多种不同类型微电源和各类形式的负荷接入微电网系统的灵活性，AC/DC接口变换器作为交流子网、直流子网功率传输介质，不仅需要维持子网之间功率动态平衡，还需要保证整个微电网稳定运行。如何通过控制策略实现AC/DC接口变换器功率稳定传输，是保障交直流混合微电网协调运行的关键。
交直流混合微电网中AC/DC接口变换器通常采用下垂控制，常规下垂控制不具备惯性和阻尼环节，无法维持分布式电源高渗透率混合微电网换流器控制系统稳定。基于此，一种通过模仿传统同步发电机使AC/DC接口变换器具备惯性的控制策略，即虚拟同步机(Virtual Synchronous Generation,VSG)控制策略，受到了业内的广泛关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法，具体在混合微网AC/DC接口变换器控制系统中采用VSG控制，进一步的为了实现交流子网和直流子网的功率实时交换，根据交、直流微网功率传输建立新型AC/DC换流器虚拟同步机控制系统。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法，包括以下步骤：
1)建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程；
2)将步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，在AC/DC换流器控制系统中模拟同步发电机特性，实现换流器虚拟同步机VSG控制，得到VSG转子运动方程和无功调节表达式；
3)以混合微电网中功率从交流侧向直流侧传输为正方向，不考虑AC/DC换流器自身开关损耗，根据交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，得到混合微电网有功变化量方程；
4)将步骤3)交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量分别展开为稳态分量及瞬时分量；
5)将步骤3)混合微电网有功变化量方程和步骤4)交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量展方程引入步骤2)VSG转子运动方程，得到基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程；
6)将步骤5)得到的基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程引入交直流混合微网AC/DC换流器控制系统中，实现交、直流子网根据自身容量均衡承担负荷，提高AC/DC换流器功率传输性能。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程：
Figure BDA0002786339210000021
其中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；E为AC/DC换流器交流侧桥臂电压幅值，Uac为交流侧电压幅值；δ为功角；AC/DC换流器内部参数中，满足Rf＜＜Xf，交流侧功率传输方程简化为：
Figure BDA0002786339210000031
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：将步骤1)AC/DC换流器交流侧功率传输方程，在AC/DC换流器控制系统中模拟同步发电机特性，实现换流器虚拟同步机VSG控制，得到VSG转子运动方程：
Figure BDA0002786339210000032
其中：J为虚拟转动惯量；ω为角频率；Tm、Te、Td分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；Pref为有功功率参考值；Pe有功功率实际输出值；D为虚拟阻尼系数；ω0为额定角频率；在VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得AC/DC换流器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得AC/DC换流器具有抑制电网功率振荡的能力；交直流混合微网AC/DC换流器控制同样具有励磁调节惯性，无功调节表达式为：
Figure BDA0002786339210000033
其中：u为VSG虚拟内电势；U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压之间偏差；kq为无功调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：以混合微电网中功率从交流侧向直流侧传输为正方向，不考虑AC/DC换流器自身开关损耗，根据交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，得到混合微电网有功变化量方程：Pacref-Pac＝Pdc-Pdcref＝ΔP；
其中：Pac为交流子网输出功率实际值；Pacef为交流子网输出功率实际值；Pdc为直流子网输出功率实际值；Pdcref为直流子网输出功率实际值；ΔP为AC/DC换流器互联器功率调节量。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：将步骤3)交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量分别展开为稳态分量及瞬时分量；交流子网中有功出力调节量表示为：
Figure BDA0002786339210000041
其中：kω为交流子网下垂调节系数；kω(ω-ω0)是稳态有功变化量；
Figure BDA0002786339210000042
为虚拟转子惯量吸收或者发出的瞬时有功功率，在虚拟同步机控制中为交流频率提供惯性环节；直流子网中有功出力调节量表示为：
Figure BDA0002786339210000043
其中：kudc为直流子网下垂调节系数；Udc为直流母线电压实际值；Udc0为直流母线电压初始值；kudc(Udc-Udc0)是稳态有功变化量，
Figure BDA0002786339210000044
是直流电容的充放电功率，属于动态功率波动；当交直流混合微电网AC/DC换流器功率调节量无波动，即控制系统稳态运行，交流频率和直流电压达到稳定值，存在：
Figure BDA0002786339210000045
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤3)混合微电网有功变化量方程和步骤4)交流子网、直流子网有功出力调节量展方程引入步骤2)VSG转子运动方程，得到基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程：
Figure BDA0002786339210000046
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：将步骤5)得到的基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程引入交直流混合微网AC/DC换流器控制系统中，实现交、直流子网根据自身容量均衡承担负荷，提高AC/DC换流器功率传输性能。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明在交直流混合微网AC/DC接口变换器控制系统中采用VSG控制，保证AC/DC接口变换器不管工作于整流模式还是逆变模式，功率都可以稳定传输；
2.本发明根据交流子网、直流子网输出功率模型，建立新型AC/DC换流器虚拟同步机控制系统，可以实现交、直流子网根据自身容量均衡承担负荷，提高混合微网AC/DC换流器功率传输性能。
附图说明
图1为交直流混合微网拓扑结构图；
图2为交直流混合微网AC/DC换流器电路拓扑结构图；
图3为交直流混合微网AC/DC换流器VSG控制框图；
图4为基于功率传输原则的交直流混合微网AC/DC换流器VSG控制框图；
图5为交直流混合微网AC/DC换流器仿真模型；
图6为AC/DC换流器整流状态下采用下垂控制和VSG控制得到的有功功率仿真波形；
图7为AC/DC换流器逆变状态下采用下垂控制和VSG控制得到的有功功率仿真波形。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，交流子网、直流子网通过一台或者多台AC/DC换流器相连，交直流混合微网经过电力变压器接入配电网中，该种微网拓扑可应用于分布式电源和负荷较集中的场合
如图2所示，Cdc为直流电容；Rf、Lf、Cf为滤波电路电阻、电感、电容；eabc为换流器交流侧桥臂电压；uabc、iabc为交流侧电压、电流；Zac为线路阻抗。
AC/DC换流器交流侧功率传输方程可表示为：
Figure BDA0002786339210000061
式(1)中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；E为AC/DC换流器交流侧桥臂电压幅值，Uac为交流侧电压幅值；δ为功角。AC/DC换流器内部参数中，通常满足Rf＜＜Xf，则式(1)可简化为：
Figure BDA0002786339210000062
如图3所示，交直流混合微网AC/DC换流器控制系统通过模拟同步发电机特性，实现换流器VSG控制，常规VSG转子运动方程为：
Figure BDA0002786339210000063
式(3)中：J为虚拟转动惯量；ω为角频率；Tm、Te、Td分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；Pref为有功功率参考值；Pe有功功率实际输出值；D为虚拟阻尼系数；ω0为额定角频率。在VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得AC/DC换流器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得AC/DC换流器具有抑制电网功率振荡的能力。交直流混合微网AC/DC换流器控制同样具有励磁调节惯性，无功调节表达式为：
Figure BDA0002786339210000064
式(4)中：u为VSG虚拟内电势；U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压之间偏差；kq为无功调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值。
如图4所示，以混合微电网中功率从交流侧向直流侧传输为正方向，不考虑AC/DC换流器自身开关损耗，交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，混合微电网瞬时有功变化量相同，即：
Pacref-Pac＝Pdc-Pdcref＝ΔP (5)
式(5)中：Pac为交流子网输出功率实际值；Pacef为交流子网输出功率实际值；Pdc为直流子网输出功率实际值；Pdcref为直流子网输出功率实际值；ΔP为AC/DC换流器互联器功率调节量。
交流子网中有功出力调节量可表示为：
Figure BDA0002786339210000071
式(6)中：kω为交流子网下垂调节系数；kω(ω-ω0)是稳态有功变化量。
Figure BDA0002786339210000072
为虚拟转子惯量吸收或者发出的瞬时有功功率，在虚拟同步机控制中为交流频率提供惯性环节。
直流子网中有功出力调节量可表示为：
Figure BDA0002786339210000073
式(7)中：kudc为直流子网下垂调节系数；Udc为直流母线电压实际值；Udc0为直流母线电压初始值。kudc(Udc-Udc0)是稳态有功变化量，
Figure BDA0002786339210000074
是直流电容的充放电功率，属于动态功率波动。
当交直流混合微电网AC/DC换流器功率调节量无波动，即控制系统稳态运行，交流频率和直流电压达到稳定值，存在：
Figure BDA0002786339210000075
将式(5)、式(6)、式(7)引入VSG转子运动方程中，可以得到基于功率传输原则VSG转子运动方程为：
Figure BDA0002786339210000081
式(9)表征交直流混合微网有功动态调节过程中的瞬时功率平衡特性，通过控制交流子网频率和直流子网母线电压可以实现交直流混合微网AC/DC换流器VSG控制。
如图5所示，为了验证本发明所提VSG控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平台搭建交直流混合微网AC/DC换流器仿真模型，仿真参数如表1所示。
表1仿真参数
Figure BDA0002786339210000082
为了验证本发明所提基于功率传输原则的混合微网VSG控制由于传统下垂控制，设定两种仿真工况：1)AC/DC换流器整流运行，在0.5s时刻，直流子网负荷增加40kW，2s时刻40kW负荷切除。2)AC/DC换流器逆变运行，在0.5s时刻，交流子网负荷增加40kW，2s时刻40kW负荷切除。
如图6所示，AC/DC换流器工作于整理模式，0.5s时刻，直流子网负荷增加40kW，交流子网、直流子网各承担20kW的负荷增量，AC/DC换流器流过-20kW有功功率，采用常规下垂控制得到的响应功率出现大范围向下波动，波动范围较大，功率震荡严重，极易造成微电网内部设备脱网。而采用本发明所提基于功率传输原则的VSG控制得到的响应功率波形波动减少很多，波动得到了很好的控制，可更快稳定至功率目标值，解决了功率震荡问题。2s时刻，40kW负荷切除，控制系统响应负荷变化，输出功率上升，采用常规下垂控制得到的响应功率出现大范围向上波动，峰值较高且功率震荡严重，而采用本发明所提基于功率传输原则的VSG控制得到的响应输出功率波形更为平滑，输出功率波形几乎无超调，很快稳定至目标功率，功率震荡趋近于0，调节时间进一步缩短，更适用于混合微电网AC/DC换流器功率控制系统中。
如图7所示，AC/DC换流器工作于逆变模式，0.5s时刻，功率由AC/DC换流器从直流侧向交流侧传输，交流子网负荷增加40kW，交流子网、直流子网各承担20kW的负荷增量，AC/DC换流器流过+20kW有功功率，AC/DC换流器逆变工作状态输出有功功率上升，采用常规下垂控制得到的响应功率出现大范围向上波动，且峰值较高，功率震荡严重，而采用本发明所提基于功率传输原则的VSG控制得到的响应功率波形波动减少很多，峰值相应减少，可更快稳定至功率目标值，解决了功率震荡问题。2s时刻，40kW负荷切除，常规下垂控制得到的响应功率出现大范围向下波动，功率震荡严重，极易造成设备脱网，而采用本发明所提基于功率传输原则的VSG控制得到的响应输出功率波形更为平滑，输出功率波形几乎无超调，很快稳定至目标功率，功率震荡趋近于0。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程：
Figure FDA0004004776990000011
其中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；E为AC/DC换流器交流侧桥臂电压幅值，Uac为交流侧电压幅值；δ为功角；AC/DC换流器内部参数中，满足Rf＜＜Xf，交流侧功率传输方程简化为：
Figure FDA0004004776990000012
2)将步骤1)交直流混合微网AC/DC换流器交流侧功率传输方程，在AC/DC换流器控制系统中模拟同步发电机特性，实现换流器虚拟同步机VSG控制，得到VSG转子运动方程：
Figure FDA0004004776990000013
其中：J为虚拟转动惯量；ω为角频率；Tm、Te、Td分别为VSG机械转矩、电磁转矩、阻尼转矩；Pref为有功功率参考值；Pe有功功率实际输出值；D为虚拟阻尼系数；ω0为额定角频率；在VSG控制系统中，虚拟转动惯量J使得AC/DC换流器在功率和频率调节过程中具有了惯性，阻尼系数D使得AC/DC换流器具有抑制电网功率振荡的能力；交直流混合微网AC/DC换流器控制同样具有励磁调节惯性，无功调节表达式为：
Figure FDA0004004776990000014
其中：u为VSG虚拟内电势；U0为额定电压有效值；Δu为虚拟内电势与额定电压之间偏差；kq为无功调节系数；Qe为无功功率实际输出值；Qref为无功功率参考值；
3)以混合微电网中功率从交流侧向直流侧传输为正方向，不考虑AC/DC换流器自身开关损耗，根据交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量与AC/DC换流器功率调节量相等，得到混合微电网有功变化量方程：Pacref-Pac＝Pdc-Pdcref＝ΔP；
其中：Pac为交流子网输出功率实际值；Pacref为交流子网输出功率参考值；Pdc为直流子网输出功率实际值；Pdcref为直流子网输出功率参考值；ΔP为AC/DC换流器功率调节量；
4)将步骤3)交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量分别展开为稳态分量及瞬时分量；交流子网中有功出力调节量表示为：
Figure FDA0004004776990000021
其中：kω为交流子网下垂调节系数；kω(ω-ω0)是稳态有功变化量；
Figure FDA0004004776990000022
为虚拟转子惯量吸收或者发出的瞬时有功功率，在虚拟同步机控制中为交流频率提供惯性环节；直流子网中有功出力调节量表示为：
Figure FDA0004004776990000023
其中：kudc为直流子网下垂调节系数；Udc为直流母线电压实际值；Udc0为直流母线电压初始值；kudc(Udc-Udc0)是稳态有功变化量，
Figure FDA0004004776990000024
是直流电容的充放电功率，属于动态功率波动；
当交直流混合微电网AC/DC换流器功率调节量无波动，即控制系统稳态运行，交流频率和直流电压达到稳定值，存在：
Figure FDA0004004776990000025
5)将步骤3)混合微电网有功变化量方程和步骤4)交流子网有功出力调节量、直流子网有功出力调节量展开方程引入步骤2)VSG转子运动方程，得到基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程：
Figure FDA0004004776990000026
6)将步骤5)得到的基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程引入交直流混合微网AC/DC换流器控制系统中，实现交、直流子网根据自身容量均衡承担负荷，提高AC/DC换流器功率传输性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率传输原则的混合微网虚拟同步机控制方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：将步骤5)得到的基于功率传输原则的混合微网VSG控制方程引入交直流混合微网AC/DC换流器控制系统中，实现交、直流子网根据自身容量均衡承担负荷，提高AC/DC换流器功率传输性能。
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