CN113839410A - 一种基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，包括分布式电源、三相逆变器、三端口DC/DC变流器、双向DC/DC变换器、储能电池、关键直流母线、非关键直流母线、LC滤波单元。分布式电源发出的电能通过三端口DC/DC变流器流向直流母线，一部分流向直流负载，一部分通过三相逆变器并入电网。关键直流母线和非关键直流母线分别与关键负载和非关键负载相连，储能电池通过双向DC/DC变换器与关键直流母线并联，保证功率的双向流通。本发明提出的改进型虚拟同步发电机控制策略，可有效保证虚拟同步发电机直流侧母线电压和交流并网点电压质量，提高了分布式电源并网系统的稳定性。

Description

一种基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构

技术领域

本发明属于新能源发电及并网技术领域，具体涉及一种基于虚拟储能的改进虚拟同 步发电机拓扑结构。

背景技术

随着分布式能源渗透率的不断增加，微电网正逐渐发展成为一个低惯量、欠阻尼的 网络，电网稳定性受到严峻挑战。虚拟同步发电机技术通过模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，克服传统并网逆变器无惯性给电网带来的冲击，有效平抑电网频率的快速波动，提升电网对分布式电源的接纳能力。

虚拟同步发电机技术的实现依赖于一次能源的稳定和足够的能量缓冲。然而，目前 国内外专家学者主要关注虚拟同步发电机控制策略的设计及改进，在进行仿真试验时，通常以一个直流电源等效分布式电源及其储能设备，默认储能设备容量足够大，与实际 应用场景不符。太阳能、风能等新能源的间歇性、随机性等特性无可避免，并网系统直 流侧电压波动问题日益严峻，如何保证虚拟同步发电机直流侧母线电压的稳定性，已成 为新能源发电及并网领域的重要研究课题。

现有虚拟同步发电机控制方法中，主流的解决方案是在三相逆变器直流侧设置储能 装置以平抑分布式电源发电功率的波动，但储能设备造价昂贵且容量有限，经济性不高。 在虚拟储能方面，有学者提出以直流环节的分钟级储能作为能量缓冲的全变流风力虚拟 发电机控制方法，但灵活度不够，无法实现平滑的功率支撑。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的在于提供一种基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓 扑结构，以在保证虚拟同步发电机并网点电压稳定的同时，利用三端口DC/DC变流器、双向DC/DC变换器和储能电池等拓扑结构，通过将分布式电源功率波动施加到具有宽 电压和功率范围的非关键直流负载上，从而保证虚拟同步发电机直流侧母线电压的稳 定。

技术方案：本发明的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构包括分布式电源、三相逆变器、三端口DC/DC变流器、双向DC/DC变换器、储能电池、关键直流母 线、非关键直流母线和LC滤波单元；双向DC/DC变换器的第一端口连接所述储能电池， 第二端口与关键直流负载并联；所述分布式电源输出端与三端口DC/DC变流器的端口I 并联；所述三端口DC/DC变流器的端口II接入所述非关键直流母线，以与同样接入所 述非关键直流母线的非关键直流负载并联；所述三端口DC/DC变流器的端口III接入所 述关键直流母线，以与同样接入所述关键直流母线的关键直流负载并联；双向DC/DC 变换器一端与所述储能电池并联，另一端连接至所述关键直流母线上；所述三相逆变器 的直流端接入所述关键直流母线；所述三相逆变器的交流端接所述LC滤波单元后，通 过并网点接入电网，且在所述并网点处与所述本地交流负载并联。

进一步地，所述分布式电源包括光伏电池板。

进一步地，所述非关键直流负载为电压和功率范围分别超过对应预设值的负载，包 括但不限于电水壶和电热器。

进一步地，所述关键直流负载为除所述非关键直流负载以外的直流负载，包括但不 限于电脑、冰箱和空调。

进一步地，所述三端口DC/DC变流器的端口I、端口II和端口III均各自包括一个由四个开关管组成的H桥电路和一个母线电容；H桥电路的各桥臂中点之间连接有变压 器绕组和漏电感；端口I的变压器绕组位于变压器原边，端口II和端口III的绕组位于 变压器副边；各端口的母线电容分别与对应的H桥并联；所述三端口DC/DC变流器在 一个周期内的控制方法包括步骤如下：

确定端口I的输出电流I₁与I₁的参考电流I_1-ref的差值ΔI_1-ref，确定端口III的输出电 压V₃与V₃的参考电压V_3-ref的差值ΔV_3-ref；

将ΔI_1-ref通过第一比例积分控制器得到端口II相对端口I的虚拟移相角

的小信 号扰动

将ΔV_3-ref通过第二比例积分控制器得到端口III相对端口I的虚拟移相角

的小信号扰动

基于

和

通过去耦控制器得到端口II相对端口I的移相角

的小信号扰动

和端口III相对端口I的移相角

的小信号扰动

设定方波信号，将所述方波信号作为端口I所对应的全桥电路驱动信号，将所述方波信号移相

后作为端口II所对应的全桥电路驱动信号，将所述方波信号移相

后作为端口III所对应的全桥电路驱动信号。

进一步地，基于

和

通过去耦控制器得到

和

具体通过如下式子实现：

其中H为所述去耦控制器的去耦矩阵，且有：

式中：I₁、I₂、I₃分别为三端口变流器的端口I、端口II和端口III的电流有效值；

分别为端口II相对端口I的移相角、端口III相对端口I的移相角；N₁、N₂、N₃分别 为三端口变换器端口I、II、III的绕组匝数；f_s为开关频率；V₁、V₂、V₃分别为端口I、 II、III的电压有效值；L₁₂、L₂₃、L₁₃分别为经过星三角变换后的端口I、II、III等效电感；

分别为静态工作点处端口II相对端口I的移相角、静态工作点处端口III相对 端口I的移相角。

进一步地，所述双向DC/DC变换器包括第一开关管S₁和第二开关管S₂、一个电阻 L和一个电容C；电阻L的一端分别与S₁和S₂的一端相连，电容C的一端与S₁的另一 端相连，电容C的另一端与S₂的另一端相连；所述双向DC/DC变换器的第一端口从电 阻L的另一端和S₁的另一端引出，所述双向DC/DC变换器的第二端口从电容C的两端 引出；所述双向DC/DC变换器的在一个周期内的控制方法包括步骤如下：采集所述关 键直流母线上的电压V_dc；将关键直流母线电压参考值V_dc-ref与V_dc做差，差值ΔV_dc经过 比例积分控制器后得到输出信号S₀；采用第一比较器将关键直流母线电压V_dc与 V_{dc_ref}×(1-5％)的值对比，并采用第二比较器将关键直流母线电压V_dc与V_{dc_ref}×(1+5％)的 值对比；当所述第一比较器的逻辑输出值指示ΔV_dc小于V_{dc_ref}×(1-5％)时，使双向DC/DC 变换器工作在升压模式，当所述第二比较器的逻辑输出值指示V_dc大于V_{dc_ref}×(1+5％)时， 使双向DC/DC变换器工作在降压模式；将第一和第二比较器的逻辑输出值分别和所述 输出信号S₀进行逻辑与，得到第一开关管S₁和第二开关管S₂的驱动信号。

进一步地，所述三端口DC/DC变流器的端口I的输入信号为所述分布式电源的等效输出电压V_DC和等效输出电流I_DC；V_DC和I_DC通过最大功率跟踪法获得。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

1、利用三端口DC/DC变流器、双向DC/DC变换器和储能电池平抑电源侧功率波 动，利用三相逆变器平抑负荷侧功率波动，通过功率的双向流通保证并网虚拟同步机直 流侧母线电压和并网点电压的稳定性。

2、通过牺牲非关键直流母线上的电压质量，保证关键直流母线即虚拟同步发电直流侧母线电压的稳定性，可以很好的增加新能源并网系统的稳定性。

3、可以缓解分布式发电系统的储能压力，降低对发电系统电压质量的要求，采用虚拟储能控制与传统储能相比经济性更优。

附图说明

图1为本发明基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机并网结构图。

图2为本发明实施例中三端口DC/DC变流器内部结构示意图。

图3为本发明实施例中三端口DC/DC变流器控制框图。

图4为本发明实施例双向DC/DC变换器内部结构示意图。

图5为本发明实施例双向DC/DC变换器控制框图。

图6(a)和6(b)为本发明实施例采用改进虚拟同步发电机算法前和采用改进虚拟同步 发电机算法后，分布式电源功率突增时并网逆变器直流侧母线电压变化波形图。

图7(a)和7(b)分别为本发明实施例采用改进虚拟同步发电机算法前和采用改进虚拟 同步发电机算法后，分布式电源功率突增时并网逆变器交流并网点电压变化波形图。

图8(a)和8(b)分别为本发明实施例采用改进虚拟同步发电机算法前，分布式电源0.4s 时功率突增，0.7s时投入负荷时，并网逆变器交流并网点电压变化波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明一个实施例的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机并网结构图。由图 可见，上述基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机的拓扑结构包括分布式电源，三端口DC/DC变流器，双向DC/DC变换器，储能电池，三相逆变器，关键直流母线、非关键 直流母线、LC滤波单元。本实施例中，分布式电源为光伏电池板。

三端口DC/DC变流器的每一个端口包括一个由四个开关管组成的H桥电路，H桥 电路的各桥臂中点之间连接变压器绕组和漏电感，三端口对应的绕组匝数分别为N₁、 N₂、N₃。各端口对应的母线电容C₁、C₂和C₃分别与对应的H桥并联；端口I与光伏电 池板并联，端口II接入非关键直流母线，与同样接入非关键直流母线且具有宽电压和功 率范围的非关键直流负载(电水壶、电热水器等)R_NC并联，端口III接入关键直流母线， 与同样接入关键直流母线的关键直流负载(电脑、冰箱、空调等)R_C并联，各端口电压 有效值分别为V₁、V₂、V₃，电流有效值分别为I₁、I₂、I₃。具体连接方式如附图2所示。

双向DC/DC变换器包括两个MOSFET开关管(第一开关管S₁和第二开关管S₂)， 一个电阻L和一个电容C。电阻L的一端分别与S₁和S₂的一端相连，电容C的一端与 S₁的另一端相连，电容C的另一端与S₂的另一端相连。双向DC/DC变换器的第一端口 从电阻L的另一端和S₁的另一端引出，第二端口从电容C的两端引出。双向DC/DC变 换器的第一端口连接储能电池(储能电池两端的电压为V_Bat)，第二端口与关键直流负载 并联，电压为V₃。具体连接方式如附图4所示。

三相逆变器直流端接入关键直流母线，交流端接LC滤波单元后，通过并网点接入电网，且在PCC点处与本地交流负载Z_Load并联。三端口变流器端口Ⅲ的输出电压V₃、 双向DC/DC变换器电网端电压(即与关键直流母线连接的一端的电压)、关键直流负载 R_C的电压V_c以及三相逆变器直流侧电压均相同，为关键直流母线电压V_dc。

如图3，三端口DC/DC变流器的控制包括具体步骤如下：

步骤1，确定端口I的输出电流I₁与I₁的参考电流I_1-ref的差值ΔI_1-ref，确定端口III的输出电压V₃与V₃的参考电压V_3-ref的差值ΔV_3-ref。

步骤2，将ΔI_1-ref通过第一比例积分控制器(对应的传递函数为G_PI1)得到端口II相对端口I的虚拟移相角

的小信号扰动

将ΔV_3-ref通过第二比例积分控制器(对应的传递函数为G_PI3)得到端口III相对端口I的虚拟移相角

的小信号扰动

步骤3，基于

和

通过去耦控制器得到端口II相对端口I的移相角

的小信号扰动

和端口III相对端口I的移相角

的小信号扰动

步骤4，设定方波信号，将所述方波信号作为端口I所对应的全桥电路驱动信号，将所述方波信号移相

后作为端口II所对应的全桥电路驱动信号，将所述方波信号移相

后作为端口III所对应的全桥电路驱动信号。其中，该方波信号的频率为 10kHZ～100kHz，根据开关器件工作频率范围而定。

在图3所示控制框图的控制回路中，

和

是通过去耦控制器的去耦矩阵H计算得到的，去耦矩阵H推导过程如下：

首先，假设三端口DC/DC变流器中的变压器为理想型变压器，将二次参数折算至一次侧，参数表示如下：

式中，N₁、N₂、N₃分别为三端口变换器端口I、II、III的绕组匝数；L₁、L₂、L₃和 L_m分别为三端口DC/DC变流器端口I、II、III的漏电感和一次绕组的励磁电感，v₁、v₂、 v₃分别表示各端口电压，L'₂、L'₃、v'₂、v'₃分别为L₂、L₃、v₂、v₃折算到一次侧后的物理 量；

经过星形-三角形变换，各端口对应等效电感可表示为：

其中，L₁₂、L₂₃、L₁₃分别为经过星三角变换后的等效电感。变换后三端口DC/DC变 流器任意两个端口都可视为双有源桥，通过叠加定理得到功率方程：

式中，P₁₂、P₁₃、P₃₂分别表示从端口Ⅰ到端口Ⅱ、端口Ⅰ到端口Ⅲ和端口Ⅱ到端口 Ⅲ的功率；V₁、V₂、V₃为端口I、II、III电压有效值；V’₁、V’₂、V’₃为端口I、II、III的 有效值折算到一次侧的物理量；

分别为端口II相对端口I的移相角、端口 III相对端口I的移相角和端口III相对端口II的移相角；f_s为开关频率。

由功率守恒定理可得端口I、II、III的功率P₁、P₂、P₃分别为：

由上式可得端口Ⅰ和端口Ⅲ的平均电流，方程如下：

建立三端口DC/DC变流器小信号模型，方程如下：

式中，ΔI₁为端口I的小信号电流，ΔI₃为端口III的小信号电流，端口III的小信号电压ΔV₃可以在ΔI₃的基础上通过端口III的电流I₃到端口III的电压V₃之间的传递函数G_RC得到，如图3所示。G为电流与移相角关系矩阵，G中各元素G₁₁、G₁₂、G₂₁、G₂₂的表达式如下：

设计去耦矩阵H，使GH为对角矩阵，以确保一个输出由一个控制输入独立确定：

由此，可以得到去耦矩阵H的表达式为：

式中，

为静态工作点处端口II相对端口I的移相角、端口III相对端口I的移相角。

另外，根据上面的去耦矩阵H的表达式可以推知，上述步骤3，即基于

和

通过去耦控制器得到

和

实际上等价于：

基于

通过去耦控制器对应的去耦矩阵中的元素H₁₂得到

与

的差值，并基于

通过去耦控制器对应的去耦矩阵中的元素H₂₁得到

与

的差值；

将

与

的差值和

相加得到

将

与

的差值和

相加得到

上述过程与图3中的去耦控制器的控制框图对应。

图5为本发明实施例双向DC/DC变换器制框图。基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机控制方法，一个周期内双向DC/DC变换器的控制包括步骤如下：

步骤1，采集关键直流母线上的电压V_dc；

步骤2，将关键直流母线电压参考值V_dc-ref与V_dc做差，差值ΔV_dc经过PI控制器后得到输出信号S₀；

步骤3，采用第一比较器将关键直流母线电压V_dc与V_{dc_ref}×(1-5％)的值对比，第一比较器的逻辑输出值指示ΔV_dc小于V_{dc_ref}×(1-5％)时，即当V_dc小于V_{dc_ref}超过V_{dc_ref}的5％时，将第一比较器的逻辑输出值与S₀相与得到的开关S₁的驱动信号，以使双向DC/DC 变换器工作在升压模式；

步骤4，采用第二比较器将关键直流母线电压V_dc与V_{dc_ref}×(1+5％)的值对比，当第二比较器的逻辑输出值指示V_dc大于V_{dc_ref}×(1+5％)时，即当V_dc大于V_{dc_ref}超过5％时， 将第二比较器的逻辑输出值与S₀相与得到开关S₂的驱动信号，以使双向DC/DC变换器 工作在降压模式；

本发明关键点在于在传统虚拟同步发电机基础上进行改进，利用三端口DC/DC变流器和双向DC/DC变换器保证虚拟同步发电机VSG直流侧电压的稳定性。根据所接负 载类型，将并网系统中直流母线分为关键直流母线和非关键直流母线；以光伏发电为代 表的分布式电源输出端与三端口DC/DC变流器的端口Ⅰ并联；三端口DC/DC变流器的 端口Ⅱ接入非关键直流母线，与具有宽电压和功率范围的非关键直流负载(电水壶、电 热水器等)R_NC并联，端口Ⅲ接入关键直流母线，与关键直流负载(电脑、冰箱、空调 等)R_C并联；双向DC/DC变换器一端与蓄电池V_Bat并联，另一端连接至关键直流母线 上；三相逆变器直流端接入关键直流母线。

图6(a)、图6(b)分别为采用基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机算法前后，分布式 电源功率突增时并网逆变器直流侧母线电压变化波形图。图7(a)、图7(b)分别为采用基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机算法前后，分布式电源功率突增时并网逆变器交流并网点电压变化波形图。由图可见，采用改进虚拟同步发电机控制后，0.5s时VSG直流 侧母线电压和交流并网点电压出现小幅波动，但均处于稳定范围内。

图8(a)、图8(b)分别为采用基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机算法前后，分布式 电源0.4s时功率突增且0.7s时负荷突增时，并网逆变器交流并网点电压变化波形图。采用本发明所提改进控制方法之后，保证并网逆变器输出功率可以平滑输出同时，直流侧 母线电压也处于稳定状态，提高了分布式电源并网系统的稳定性。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成 的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，包括分布式电源、三相逆变器、三端口DC/DC变流器、双向DC/DC变换器、储能电池、关键直流母线、非关键直流母线和LC滤波单元；

双向DC/DC变换器的第一端口连接所述储能电池，第二端口与关键直流负载并联；

所述分布式电源输出端与三端口DC/DC变流器的端口I并联；

所述三端口DC/DC变流器的端口II接入所述非关键直流母线，以与同样接入所述非关键直流母线的非关键直流负载并联；

所述三端口DC/DC变流器的端口III接入所述关键直流母线，以与同样接入所述关键直流母线的关键直流负载并联；

双向DC/DC变换器一端与所述储能电池并联，另一端连接至所述关键直流母线上；

所述三相逆变器的直流端接入所述关键直流母线；所述三相逆变器的交流端接所述LC滤波单元后，通过并网点接入电网，且在所述并网点处与所述本地交流负载并联。

2.如权利要求1所述的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，所述三端口DC/DC变流器的端口I、端口II和端口III均各自包括一个由四个开关管组成的H桥电路和一个母线电容；H桥电路的各桥臂中点之间连接有变压器绕组和漏电感；端口I的变压器绕组位于变压器原边，端口II和端口III的绕组位于变压器副边；各端口的母线电容分别与对应的H桥并联；所述三端口DC/DC变流器在一个周期内的控制方法包括步骤如下：

确定端口I的输出电流I₁与I₁的参考电流I_1-ref的差值ΔI_1-ref，确定端口III的输出电压V₃与V₃的参考电压V_3-ref的差值ΔV_3-ref；

将ΔI_1-ref通过第一比例积分控制器得到端口II相对端口I的虚拟移相角

的小信号扰动

将ΔV_3-ref通过第二比例积分控制器得到端口III相对端口I的虚拟移相角

的小信号扰动

基于

和

通过去耦控制器得到端口II相对端口I的移相角

的小信号扰动

和端口III相对端口I的移相角

的小信号扰动

设定方波信号，将所述方波信号作为端口I所对应的全桥电路驱动信号，将所述方波信号移相

后作为端口II所对应的全桥电路驱动信号，将所述方波信号移相

后作为端口III所对应的全桥电路驱动信号。

3.如权利要求2所述的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，基于

和

通过去耦控制器得到

和

具体通过如下式子实现：

其中H为所述去耦控制器的去耦矩阵，且有：

式中：I₁、I₂、I₃分别为三端口变流器的端口I、端口II和端口III的电流有效值；

分别为端口II相对端口I的移相角、端口III相对端口I的移相角；N₁、N₂、N₃分别为三端口变换器端口I、II、III的绕组匝数；f_s为开关频率；V₁、V₂、V₃分别为端口I、II、III的电压有效值；L₁₂、L₂₃、L₁₃分别为经过星三角变换后的端口I、II、III等效电感；

分别为静态工作点处端口II相对端口I的移相角、静态工作点处端口III相对端口I的移相角。

4.如权利要求1所述的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，所述双向DC/DC变换器包括第一开关管S₁和第二开关管S₂、一个电阻L和一个电容C；电阻L的一端分别与S₁和S₂的一端相连，电容C的一端与S₁的另一端相连，电容C的另一端与S₂的另一端相连；所述双向DC/DC变换器的第一端口从电阻L的另一端和S₁的另一端引出，所述双向DC/DC变换器的第二端口从电容C的两端引出；所述双向DC/DC变换器的在一个周期内的控制方法包括步骤如下：

采集所述关键直流母线上的电压V_dc；

将关键直流母线电压参考值V_dc-ref与V_dc做差，差值ΔV_dc经过比例积分控制器后得到输出信号S₀；

采用第一比较器将关键直流母线电压V_dc与V_{dc_ref}×(1-5％)的值对比，并采用第二比较器将关键直流母线电压V_dc与V_{dc_ref}×(1+5％)的值对比；当所述第一比较器的逻辑输出值指示ΔV_dc小于V_{dc_ref}×(1-5％)时，使双向DC/DC变换器工作在升压模式，当所述第二比较器的逻辑输出值指示V_dc大于V_{dc_ref}×(1+5％)时，使双向DC/DC变换器工作在降压模式；

将第一和第二比较器的逻辑输出值分别和所述输出信号S₀进行逻辑与，得到第一开关管S₁和第二开关管S₂的驱动信号。

5.如权利要求1所述的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，所述三端口DC/DC变流器的端口I的输入信号为所述分布式电源的等效输出电压V_DC和等效输出电流I_DC；V_DC和I_DC通过最大功率跟踪法获得。

6.如权利要求1所述的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，所述分布式电源包括光伏电池板。

7.如权利要求1所述的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，所述非关键直流负载为电压和功率范围分别超过对应预设值的负载，包括但不限于电水壶和电热器。

8.如权利要求7所述的基于虚拟储能的改进虚拟同步发电机拓扑结构，其特征在于，所述关键直流负载为除所述非关键直流负载以外的直流负载，包括但不限于电脑、冰箱和空调。

Images