CN113507106B - 一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，包括：步骤100，在直流微电网系统中实测直流母线电压，通过包括直流电压变化率的指标得到虚拟电容值；步骤200，选取影响储能单元功率输出的因素作为评价指标，由加权规范矩阵得出评价指标序列和比较序列；步骤300，由同一指标的指标序列与最优值得出各端储能单元的充放电状态下的分辨系数、关联系数以及灰色关联度；步骤400，通过变异系数法得到加权矩阵中的各个元素，对变异系数作归一化处理得到权重系数，并将新的加权矩阵更新输入到步骤200中；步骤500，各端储能单元根据各端储能单元的灰色关联度所占总的灰色关联度的比重，分配各端储能单元的虚拟电容值。
Description
技术领域
本专利属于控制技术领域，具体而言涉及一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法。
背景技术
在高比例可再生能源、高比例电力电子装备的电力系统发展方向中，直流微电网凭借其能量转换环节少、电能损耗小、供电效率高等特点具备广阔的应用前景。但直流微电网自身缺少旋转动能与机械惯性，且直流侧电容较小不足以平抑较大的功率波动，因此直流微电网为小惯性系统。新能源的波动性和随机性、发电设备的低抗扰性和弱支撑性将导致直流母线电压迅速变化，电能质量变差，系统的稳定运行面临着严峻的挑战。
为释放直流微电网的潜在惯性，需在电网直流侧虚拟出数值远大于实际电容的等效电容以增强系统惯性，并使系统具备足够抑制母线电压波动的能力。通常通过某些控制手段改进变流器控制环路，进一步改变变流器与直流系统的交换功率，从而增大直流微电网的惯性支撑能力。
当前对于多端变流器的惯性协调控制较少，某些学者所提多端的惯性协调控制仅通过高通滤波器来实现，暂未考虑各端特性指标对惯性分配的影响。
发明内容
本专利正是基于现有技术的上述需求而提出的，本专利要解决的技术问题是提供一种基于虚拟同步发电机模型的预测平滑切换控制方法，以使得直流微电网中的各个端口各尽所能，协同分配以提高系统惯性水平。
为了解决上述问题，本专利提供的技术方案包括：
提供了一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，包括：步骤100，在直流微电网系统中实测直流母线电压，通过包括直流电压变化率的指标得到虚拟电容值，当所述直流电压变化率超过阈值时，通过对影响虚拟电容值的相关参数的调整，以灵活调节虚拟电容值；步骤200，选取影响储能单元功率输出的因素作为评价指标，建立储能单元的多因素评价矩阵A，并对所述多因素评价矩阵进行无量纲化处理得到矩阵B，矩阵B与权重矩阵C共同作用得到加权规范矩阵，所述权重矩阵为各个指标对应的权重系数组成的矩阵，由所述加权规范矩阵得出评价指标序列和比较序列，所述比较序列由各指标序列的最优值构成；步骤300，由同一指标的指标序列与最优值得出各端储能单元的充放电状态下的分辨系数、关联系数以及灰色关联度；步骤400，通过变异系数法得到加权矩阵中的各个元素，所述变异系数为一项指标的标准差与均值之比，对变异系数作归一化处理得到权重系数，并将新的加权矩阵更新输入到步骤200中；步骤500，各端储能单元根据各端储能单元的灰色关联度所占总的灰色关联度的比重，分配各端储能单元的虚拟电容值。虚拟电容值在多端口变流器中的协同分配，避免惯性分配不合理导致的变流器故障或停运，使各端口达到各尽所能、协同分配的目的。
优选的，通过包括直流电压变化率的指标得到虚拟电容值Cv表示为：
其中，Cv0为固定虚拟电容值，M为直流电压变化率阈值，udc为直流母线电压，k1、k2分别为电压变化的比例系数和指数系数。
优选的，对于虚拟电容值灵活调节的表达式为：C'v＝αCv，其中所得新的虚拟电容值C’v代表系统总的惯性，α为直流微电网虚拟电容调整系数。
优选的，对于储能单元所处的充放电状态的不同，调整系数的表达式也不同，当储能单元处于放电状态时，调整系数用
表示，其中m代表储能单元个数，SNi、soci分别为第i个储能侧变流器的额定容量与荷电状态，soclow为荷电状态最低极限值，socref为荷电状态参考值，当储能单元处于充电状态时，调整系数用
表示，其中sochigh为荷电状态最高极限值。
优选的，对所述矩阵A中的元素的无量纲化处理表示为：
其中，xij表示第i个储能单元单元的第j个指标值。
优选的，所述加权规范矩阵各列为对应各评价指标序列，通过对指标序列与同指标比较序列的比较，对储能单元充放电状态下的分辨系数的计算以及各端储能单元关联系数的计算，得出储能单元的灰色关联度。
优选的，所述变异系数所得到的权重为均值与有效值之比，第j项的变异系数为：
其中
为第j项指标的均值，Sj为第j项指标的标准差。
优选的，对得到的变异系数进行归一化处理，得到的值为权重系数，对变异系数vj进行归一化处理，则第j项指标对应的权重系数表示为：
优选的，所述各端储能单元的虚拟电容值表示为：
其中，C′vi为第i个储能单元的虚拟电容值。
与现有技术相比，本发明各端口达到各尽所能、协同分配，提高直流微电网系统惯性。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于虚拟同步发电机模型的预测平滑切换控制方法的步骤流程图；
图2为本发明的实施例中的直流微电网结构示意图；
图3为本发明的实施例中的多端虚拟电容协同控制流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。
实施例1
本实施例提供了一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，参照图1～图3。
步骤100，在直流微电网系统中实测直流母线电压，通过包括直流电压变化率的指标得到虚拟电容值，当所述直流电压变化率超过阈值时，通过对影响虚拟电容值的参数k1、k2的调整，以灵活调节虚拟电容值。
在本实施例中，所述直流微电网的系统结构图如图2所示，主要由交流电网、风机与光伏等新能源发电电源、交直流负荷、储能装置及各类电力电子变流器构成。其中交流电网侧固态切换开关(solid state transfer switch,SSTS)的开断使得直流微电网既可联网运行，亦可孤岛运行。图中直流微电网通过G-VSC并网逆变器并入交流电网，风机及交流负荷端L1、L2分别经W-VSC和L-VSC电压源型变流器并入公共直流母线，直流负荷L3和L4、光伏及储能端分别经L-DC、PV-DC、B-DC变流器与直流母线相连，PG、PWT、PL、PPV、PB分别代表各端变流器与直流微电网间的交换功率，各变流器直流侧电容用于稳定直流电压。正常工况下风机、光伏处于最大功率跟踪运行模式，储能以恒定电流充放电，交直流负荷为恒功率负荷。
为解决直流微电网低惯性问题、提高母线电压稳定性，可将交流系统中的VSG角频率、电磁功率、虚拟转动惯量分别与直流系统中的直流电压、直流电流、虚拟惯性系数进行类比。关联虚拟惯性与直流电压变化率以提供灵活可调的惯性支撑，惯性控制方程及灵活虚拟电容表达式如下：
idc与i*dc为直流侧电流及其给定值，以流向直流母线为正，udc与U*dc分别为直流母线电压及其参考值，kD代表变流器下垂系数，Cv为虚拟电容值。
直流微电网直流电压变化率等指标所得的虚拟电容大小以Cv表示：
Cv0为固定虚拟电容值，M为直流电压变化率阈值，udc为直流母线电压，k1、k2分别为电压变化的比例系数和指数系数。
电压变化率小于阈值时虚拟电容值恒定，一旦超过阈值即启动惯性控制方案，通过动态调整k1、k2达到灵活调节虚拟电容值、增强系统惯性的目的。
对于包含多储能单元的直流微电网，系统提供的可调虚拟电容值为：
C′v＝αCv
其中所得新的虚拟电容值C’v代表系统总的惯性，α为直流微电网虚拟电容调整系数。
考虑储能端口的各项参数对系统可调惯性的影响，多储能单元所提供的惯性支撑能力以各端储能荷电状态和容量表示，对储能单元的充放电状态进行判断，由判断得到的结果对调整系数α进行计算。
储能放电状态下，调整系数表达式为：
其中m代表储能单元个数，SNi、soci分别为第i个储能侧变流器的额定容量与荷电状态，soclow为荷电状态最低极限值，socref为荷电状态参考值，取值为50％。
储能容量越小或储能荷电状态越小，可放电量越少，则系统整体惯性水平越低，可调惯性越小。
储能充电状态下，调整系数可表示为：
其中sochigh为荷电状态最高极限值。
各端荷电状态越接近阈值上限，所得调整系数越大，直流微电网惯性支撑能力越强，反之知各端荷电状态越接近阈值下限，所得调整系数越小，直流微电网惯性支撑能力越弱。
步骤200，选取影响储能单元功率输出的因素作为评价指标，建立储能单元的多因素评价矩阵A，并对所述多因素评价矩阵进行无量纲化处理得到矩阵B，矩阵B与权重矩阵C共同作用得到加权规范矩阵，所述权重矩阵为各个指标对应的权重系数组成的矩阵，由所述加权规范矩阵得出评价指标序列和比较序列，所述比较序列由各指标序列的最优值构成。
直流微电网多端采用虚拟电容控制下，各端需按照一定的比例协同分配系统总的可调虚拟电容，以充分有效地开发利用储能的潜在惯性，从而进一步增强直流母线电压的抗扰动与系统稳定运行能力。
为使m个储能单元的惯性依据实际工况协调分配，本发明利用灰色关联分析法获取相应的关联系数和关联度，从而根据各端关联度协同分配总的虚拟电容值。惯性潜力较大者使其分配虚拟电容值较大以充分有效地发挥该侧的惯性支撑能力，反之惯性潜力小者使其较少分配虚拟电容以避免荷电状态、输出功率等约束指标量超出允许值，从而使各端口达到各尽所能、协同分配的目的。
储能单元以蓄电池为例，以蓄电池单元各指标大小为依据，用灰色关联度描述其与最优值关系的强弱。考虑影响蓄电池功率输出的因素，选取荷电状态、变流器可调功率、蓄电池输出功率变化率等n个评价指标，则可列写各蓄电池单元下的多因素评价矩阵A为如下形式：
其中元素xij表示第i个蓄电池单元的第j个指标值，i＝1,2，…，m，j＝1,2，…，n。
为减少数据的绝对值差异，对矩阵A进行无量纲化处理，新的矩阵元素为：
A进行无量纲化处理后得到的矩阵B为：
加权矩阵C可描述为：
考虑各指标的权重，得到加权规范矩阵：
其中，ω1，ω2，ωn，分别为第1个指标，第2个指标，第n个指标所对应的权重值。
矩阵Z各列为对应各评价指标序列，为求取关联度还应选取合适的比较序列。
所述比较序列一般由各指标序列的最优值构成，记zoptj为第j个指标中的最优值，如对于蓄电池荷电状态指标，放电状态下需荷电状态较大者应输出功率大，即最终虚拟电容分配系数较大，因此选取各蓄电池单元的荷电状态最大值作为比较序列中该指标最优值，反之充电状态下应选取各蓄电池单元的荷电状态最小值。
同理，变流器可调功率定义为变流器额定容量与输出功率之差，该指标应选取各端最大值作为比较序列的最优值，选取变流器输出功率变化率指标时应选取其最小值作为比较序列最优值。
步骤300，由同一指标的指标序列与最优值得出各端储能单元的充放电状态下的分辨系数、关联系数以及灰色关联度。
根据第j个指标序列与比较序列，计算二者的绝对差值：
Δi(j)＝|zoptj-zij|,i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n
在计算关联系数的过程中，为使荷电状态达到更优的区分效果，本实施例对此分辨系数进行荷电状态指标下的修正。
当蓄电池单元在放电状态下时，分辨系数ρsoc可以描述为：
当蓄电池单元在充电状态下时，分辨系数ρsoc可以描述为：
以放电状态为例，分辨系数ρsoc将随着荷电状态的增大而增大，因此荷电状态越大，所得该侧蓄电池关联系数与较小荷电状态的差距越大，所得分配方案越趋于合理。一般地，荷电状态最小阈值soclow和最大阈值sochigh分别设为10％与90％，系数5π/16可将分辨系数限制在区间[0,1]内。
各端蓄电池关联系数表示为：
其中ρsoc代表分辨系数且有ρsoc∈[0,1]，一般情况下分辨系数越小，关联系数间差异越大，指标的区分能力越强。
计算第i个蓄电池单元的灰色关联度ri如下，各端蓄电池的虚拟电容值将根据此灰色关联度分别按比例分配。
步骤400，通过变异系数法得到加权矩阵中的各个元素，所述变异系数为一项指标的标准差与均值之比，对变异系数作归一化处理得到权重系数，并将新的加权矩阵更新输入到步骤200中。
为充分利用各指标信息，采用变异系数法以有效客观地反映上述n个指标的偏重程度。
变异系数所得权重为均值与有效值之比，首先计算第j项指标的均值与标准差如下式所示：
其中
为第j项指标的均值，Sj为第j项指标的标准差。
第j项的变异系数为：
对变异系数vj进行归一化处理，则第j项指标对应的权重系数表示为：
由权重系数组成权重矩阵C。
步骤500，各端储能单元根据各端储能单元的灰色关联度所占总的灰色关联度的比重，分配各端储能单元的虚拟电容值。
以蓄电池为例，所述各端蓄电池的虚拟电容值可以表示为：
其中，C′vi为第i个蓄电池的虚拟电容值。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，其特征在于，包括：
步骤100，在直流微电网系统中实测直流母线电压，通过包括直流电压变化率的指标得到虚拟电容值，当所述直流电压变化率超过阈值时，通过对影响虚拟电容值的相关参数的调整，以灵活调节虚拟电容值；
步骤200，选取影响储能单元功率输出的因素作为评价指标，建立储能单元的多因素评价矩阵A，并对所述多因素评价矩阵进行无量纲化处理得到矩阵B，矩阵B与权重矩阵C共同作用得到加权规范矩阵，所述权重矩阵C 为各个指标对应的权重系数组成的矩阵，由所述加权规范矩阵得出评价指标序列和比较序列，所述比较序列由各指标序列的最优值构成；
步骤300，由同一指标的指标序列与最优值得出各端储能单元的充放电状态下的分辨系数、关联系数以及灰色关联度；
步骤400，通过变异系数法得到加权矩阵中的各个元素，所述变异系数为一项指标的标准差与均值之比，对变异系数作归一化处理得到权重系数，并将新的加权矩阵更新输入到步骤200中；
步骤500，各端储能单元根据各端储能单元的灰色关联度所占总的灰色关联度的比重，分配各端储能单元的虚拟电容值。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，其特征在于，通过包括直流电压变化率的指标得到虚拟电容值Cv表示为：
其中，Cv0为固定虚拟电容值，M为直流电压变化率阈值，udc为直流母线电压，k1、k2分别为电压变化的比例系数和指数系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，其特征在于，对于虚拟电容值灵活调节的表达式为：C'v＝αCv，其中所得新的虚拟电容值C’v代表系统总的惯性，α为直流微电网虚拟电容调整系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，其特征在于，对于储能单元所处的充放电状态的不同，调整系数的表达式也不同，当储能单元处于放电状态时，调整系数用
表示，其中m代表储能单元个数，SNi、soci分别为第i个储能侧变流器的额定容量与荷电状态，soclow为荷电状态最低极限值，socref为荷电状态参考值，当储能单元处于充电状态时，调整系数用
表示，其中sochigh为荷电状态最高极限值。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，其特征在于，对所述矩阵A中的元素的无量纲化处理表示为：
其中，xij表示第i个储能单元单元的第j个指标值。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，其特征在于，所述加权规范矩阵各列为对应各评价指标序列，通过对指标序列与同指标比较序列的比较，对储能单元充放电状态下的分辨系数的计算以及各端储能单元关联系数的计算，得出储能单元的灰色关联度。
7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟电容控制的直流微电网电压协同控制方法，其特征在于，所述各端储能单元的虚拟电容值表示为：
其中，C’vi为第i个储能单元的虚拟电容值，ri为第i个蓄电池单元的灰色关联度，C’v为新的虚拟电容值，代表系统总的惯性。
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| 含虚拟储能直流微电网的储荷协调控制技术;张祥宇等;《电力自动化设备》;20210131;第42卷(第1期);第113-120页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113507106A (zh) | 2021-10-15 |
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