CN114024335A - 一种交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略 - Google Patents

一种交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种互联变流器虚拟惯性控制策略。针对交直流子微网间互联变流器(interlinking converter,ILC)传统双向下垂控制下混合微网暂态过程展开研究，通过类比虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)提出一种互联变流器虚拟惯性控制策略。所提控制策略不仅能够响应直流子网电压与交流子网频率的偏移量，实现稳态时交流频率偏移量恶化程度与直流电压偏移量恶化程度一致的功率互助目标；还能够改善直流子网电压与交流子网频率的动态特性，在暂态过程中实现交、直流微网之间合理的惯性支撑。

Description

一种交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略
技术领域
本发明涉及一种交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略，属于交直流混合微电网技术领域。
背景技术
微电网是利用分布式电源的有效方式，交直流混合微电网(以下简称混合微电网)包含交流与直流微网，能够兼顾两者优点，接入多种电源，成为微网研究领域的热点。
电力系统中有大量同步发电机，有良好惯性与阻尼特性，当系统功率波动时，发电机转子可以吸收或释放能量来调节频率。相比传统电网，混合微电网中分布式电源(distributed generator，DG)渗透率较高，而DG通常通过响应迅速的变流器与微网互联，无法像同步发电机一样为微网系统提供足够的惯量和阻尼，导致孤岛运行的微网系统惯性减弱，动态性能降低。混合微电网中含有大量对频率或电压敏感的负荷，频率或电压变化速率过大会使其不正常运行甚至毁坏。另外，已有监测df/dt的保护运用到电力系统中，能够在df/dt超出允许值时动作，低惯量的混合微电网发生功率波动时，也可能会造成保护误动作。因此增大混合微电网惯性，改善其动态性能是一个重要问题。
相比单一交流或直流微网，混合微电网可以通过交直流子微网间互联变流器(interlinking converter,ILC)的功率互助抑制系统功率波动。针对ILC的双向下垂控制一般研究仅关注其稳态特性，而忽视了系统对动态特性的要求。针对该问题，本发明通过类比静止无功补偿器的控制，提出了一种适用于交直流混合微电网ILC的虚拟惯性控制策略。
发明内容
本发明提出了一种适用于交直流混合微电网ILC的虚拟惯性控制策略。
ILC是连接交、直流微网的桥梁，通过对其合理的控制能够实现交、直流微电网间合理的功率流动。ILC拓扑图中主要有IGBT三相桥电路、交流侧参数Lf、Rf和Cf，直流侧电容Cdc。图1中，uj(j＝a,b,c)为交流微网母线电压；ij为ILC流向交流微网电流；ej为ILC交流侧端电压。
当交、直流子网采用虚拟惯性控制，均具备一定的惯性后，为了实现暂态过程中子网间的合理惯性支撑，本发明类比静止无功补偿器控制，提出一种ILC的双向虚拟惯性控制，具体步骤如下。
步骤一：获取ILC的有功方程(规定正方向是逆变状态，即有功从直流转变为交流的方向)。
步骤二：对步骤一中方程化简。
步骤三：分析ILC双向虚拟惯性的特性。
步骤四：对参考值跟踪
步骤五：推导功率环的小信号模型。
步骤六：对双向虚拟惯性控制方程式，即步骤一中的方程进行小信号分解。
步骤七：得到ILC双向虚拟惯性控制的小信号模型。
步骤八：分析子网自身功率盈亏和子网间的功率传输对孤岛混合微网频率和电压的动态特性的影响。
所提双向虚拟惯性控制中参数的设计需要关注以下两点：
①当交、直流子网中的可控型分布式电源采用了虚拟惯性控制时，子网均已具备一定的惯性与调频调压的能力，所以当系统受到的扰动较小时，子网可以通过自身可控型分布式电源的动作将电压与频率的偏移量和变化率控制在较小范围内，所以此时应避免互联变流器频繁动作而造成功率损耗。
②由于所提ILC控制策略同时包含了暂态和稳态控制目标，所以在暂态过程中，要尽量避免式(1)中稳态分量影响暂态目标的实现；而在稳态时，避免式(1)中暂态分量的作用。
附图说明
图1是互联变流器(ILC)的拓扑结构示意图；
图2是ILC的双向虚拟惯性控制小信号模型示意图；
图3是孤岛交直流混合微电网结构示意图；
图中 1.交流微网、2.直流微网、3.ILC、4.微型燃气轮机、5.风电机组、6.交流负荷、7.蓄电池、8.光伏机组、9.直流负荷、10.STS。
具体实施方式
下面结合附图3对本发明做进一步详细的说明。
本发明研究对象是孤岛运行的交直流混合微电网，其典型拓扑如图3所示，由交流微网(1)、直流微网(2)和ILC(3)构成。交流微网(1)中的电源是微型燃气轮机(4)和风电机组(5)，直流微网(2)中的电源是蓄电池(7)和光伏机组(8)，交流负荷(6)和直流负荷(9)分别接在各个子微网中。ILC(3)作为桥梁连接两个子微网来控制实现两侧的功率互助，STS(10)是固态切换开关。
步骤一：通过式(1)获取ILC的有功指令(规定正方向是逆变状态，即有功从直流转变为交流的方向)。
Pref＝JILC[(dudc/dt)pu-(df/dt)pu]+DILC(udc.pu-fac.pu) (1)
式中，JILC与DILC分别为ILC的虚拟转动惯量与阻尼系数，两者均不小于0；(df/dt)pu与(dudc/dt)pu分别代表了按照式(2)归一化后的变化率标幺值；udc.pu与fac.pu分别为直流母线电压与交流频率的归算值。
Figure BDA0003360724440000021
式中，|df/dt|max与|dudc/dt|max分别为综合考虑微电网电源、负荷和保护装置的要求，所允许的变化率最大绝对值。
步骤二：又ILC传输功率的参考值包含udc和f的偏移量和变化率，故当系统达到稳态时，udc和f稳定，式(1)可化简为式(3)。
Pref＝DILC(udc.pu-fac.pu) (3)
可见稳态时，所提出的控制策略的目标与双向下垂控制一致，所以本发明将DILC(udc.pu-fac.pu)称为ILC传输功率的稳态分量。在功率波动暂态过程中电压与频率的变化率较大，故JILC[(dudc/dt)pu-(df/dt)pu]称为ILC传输功率的暂态分量，实现暂态过程中交、直流微电网间惯性支撑目标：(dudc/dt)pu≈(df/dt)pu，即频率变化率恶化程度与直流电压变化率恶化程度接近一致(考虑到暂态过程较为迅速，无法实现(dudc/dt)pu＝(df/dt)pu)。
步骤三：为分析ILC双向虚拟惯性的特性，下面对其进行小信号建模，在dq轴下ILC的数学表达式为式(4)。
Figure BDA0003360724440000031
式中ud、uq是交流侧电压在dq轴下的分量；D是微分算子；ω为交流侧角频率；id、iq是电流ij在dq轴下的分量；ed、eq分别为ej在dq轴下的分量。
步骤四：为了对参考值跟踪，内环电流环一般利用PI控制，实现对d、q轴的解耦，如式(5)。
Figure BDA0003360724440000032
式中，Gi(s)表示电流环PI调节器，Gi(s)＝kpi+kii/s；idref、iqref分别为d轴与q轴电流的指令值。由式(5)可得内环电流控制小信号方程并进行拉普拉斯变换如式(6)：
Figure BDA0003360724440000033
步骤五：推导功率环的小信号模型。ILC传输的有功功率可以由式(7)表示，并且可得ILC传输功率的小信号方程如式(8)。
Figure BDA0003360724440000034
Figure BDA0003360724440000035
本发明中ILC采用交流母线电压定向控制时，Eq＝0，即其无功参考值是0，无功电流分量Iq＝0，式(8)可以化简为式(9)：
Figure BDA0003360724440000036
式(9)经过拉普拉斯变换可得ΔP(s)与Δid(s)、Δed(s)之间的关系分别如式(10)：
Figure BDA0003360724440000037
步骤六：对双向虚拟惯性控制方程式，即式(1)进行小信号分解，可得式(11)：
Figure BDA0003360724440000041
式中，M1＝|dudc/dt|max；M2＝|df/dt|max；m1＝0.5(Udc.max-Udc.min)；m2＝0.5(fmax-fmin)。式(11)经过拉普拉斯变换可得式(12)。
Figure BDA0003360724440000042
步骤七：基于以上推导，可得ILC双向虚拟惯性控制的小信号模型如图2所示。
图2中：GPI(s)是功率环PI控制器，GPI(s)＝kp2+ki2/s。ΔP(s)如式(13)所示。
Figure BDA0003360724440000043
步骤八：孤岛混合微网频率和电压的动态特性受到子网自身功率盈亏和子网间的功率传输影响。根据式(1)和(2)，考虑ILC的传输功率，忽略有功损耗可知：交流微网f和直流微网udc的小信号模型分别如式(14)、(15)所示，式中，ΔPac与ΔPdc是负荷扰动值。
Δω(s)(Jvirωns+k1)＝-(ΔPac(s)-ΔP(s)) (14)
Δudc(s)(CvirUdcNs+k2)＝-(ΔPdc(s)+ΔP(s)) (15)
分布电源换流器的电压电流环与虚拟惯性控制相比响应更快，故设置其传递函数为1，又由于ω＝2πf，式(14)可化为式(16)。
2πΔf(s)(Jvirωns+k1)＝-(ΔPac(s)-ΔP(s)) (16)
当交流微网负荷出现扰动ΔPac(ΔPdc保持0)，交流频率与直流电压的动态特性由式(15)可得式(17)。将式(17)代入式(13)并化简可得式(18)。将式(18)代入式(16)可得“Δf-ΔPac”的小信号传递函数为式(19)。
Figure BDA0003360724440000044
Figure BDA0003360724440000045
Figure BDA0003360724440000046
式中：c1＝CvirUdcNs+k2、c2＝Jvirωns+k1、b1＝JILCs/M1+DILC/m1、b2＝JILCs/M2+DILC/m2。
同理，当直流微网负荷有扰动ΔPdc(ΔPac保持为0)后，可得“Δudc-ΔPac”的小信号传递函数为式(20)。
Figure BDA0003360724440000047
所提双向虚拟惯性控制中参数JILC与DILC的设计需要关注以下两点：
①当交、直流子网中的可控型分布式电源采用了虚拟惯性控制时，子网均已具备一定的惯性与调频调压的能力，所以当系统受到的扰动较小时，子网可以通过自身可控型分布式电源的动作将电压与频率的偏移量和变化率控制在较小范围内，所以此时应避免互联变流器频繁动作而造成功率损耗。
②由于所提ILC控制策略同时包含了暂态和稳态控制目标，所以在暂态过程中，要尽量避免式(1)中稳态分量影响暂态目标的实现；而在稳态时，避免式(1)中暂态分量的作用。详细分析如下：
将式(18)代入式(17)，可得当交流微网出现功率扰动后，直流母线电压变化量与交流频率变化量间关系为式(21)。
Figure BDA0003360724440000051
由式(21)可知，在达到稳态后(假定稳态时直流电压与交流频率无纹波)，则有式(22)。
Figure BDA0003360724440000052
为实现稳态控制目标udc.pu＝fpu即Δudc/Δf＝m1/m2，稳态时DILC的取值要满足DILC/m1>>k2。同理，可得当直流微网出现功率扰动后，为了实现稳态控制目标，稳态时DILC的取值要满足DILC/m2>>k2。
接下来分析暂态目标实现：暂态过程中udc与f的高频分量占比较大，且滤波参数Lf、Rf的值较小，暂态过程中可将式(21)可化为式(23)。
Figure BDA0003360724440000053
当交流微网出现功率扰动后，为实现暂态控制目标(dudc/dt)/M1≈(df/dt)/M2即(s udc(s))/(sΔf(s))≈M1/M2，一是要减小暂态过程中DILC的取值，二是参数JILC要满足：JILC>>M1CvirUdcN。同理，可得当直流微网出现功率扰动后，为实现暂态控制目标，参数JILC要满足：JILC>>M2Jvirωn。
综上，对式(1)中各参数设计如式(24)、(25)。式中：N为暂态惯性支撑动作的设定临界值；M为稳态功率互助动作的设定临界值；N与M按实际工程需要选取；n与m为常系数，选取满足前述条件。
Figure BDA0003360724440000054
Figure BDA0003360724440000055
根据式(24)与(25)的设计，可知当|(dudc/dt)pu-(df/dt)pu|与|udc.pu-fac.pu|小于设定临界值时，认为交、直流子网可独立运行，ILC不传输功率，减小系统损耗。
根据式(24)的设计，可知当|(dudc/dt)pu-(df/dt)pu|大于临界值时，JILC将随其增大。由于只有在暂态过程中|(dudc/dt)pu-(df/dt)pu|较大，而电压与频率趋于平稳时，|(dudc/dt)pu-(df/dt)pu|较小，所以该设计能在暂态过程中增大式(1)中暂态分量的占比，利于暂态目标的实现，并在接近稳态时减小式(1)中暂态分量的占比，减小暂态分量对稳态目标的影响。
根据式(25)的设计，可知当|udc.pu-fac.pu|大于临界值时，阻尼系数DILC随着其增大而减小，即暂态过程中减小式(1)中稳态分量的占比，减小稳态分量的影响，而接近稳态时增大式(1)中稳态分量的占比，利于稳态目标的实现。

Claims (5)

1.一种交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略，其特征在于，所述控制策略包括以下步骤：
步骤一：获取ILC的有功方程(规定正方向是逆变状态，即有功从直流转变为交流的方向)：
Pref＝JILC[(dudc/dt)pu-(df/dt)pu]+DILC(udc.pu-fac.pu)
Figure FDA0003360724430000011
其中：JILC与DILC分别为ILC的虚拟转动惯量与阻尼系数，两者均不小于0；udc.pu与fac.pu分别为直流母线电压与交流频率的归算值；(df/dt)pu与(dudc/dt)pu分别代表了归一化后的变化率标幺值；|df/dt|max与|dudc/dt|max分别为综合考虑微电网电源、负荷和保护装置的要求下所允许的变化率最大绝对值；
步骤二：对步骤一中方程化简：
Pref＝DILC(udc.pu-fac.pu)；
步骤三：分析ILC双向虚拟惯性的特性，对其进行小信号建模，在dq轴下ILC的数学表达式为式：
Figure FDA0003360724430000012
其中：ud、uq是交流侧电压在dq轴下的分量；D是微分算子；ω为交流侧角频率；id、iq是电流ij在dq轴下的分量；ed、eq分别为ej在dq轴下的分量；
步骤四：对参考值跟踪：
Figure FDA0003360724430000013
其中：Gi(s)表示电流环PI调节器，Gi(s)＝kpi+kii/s；idref、iqref分别为d轴与q轴电流的指令值。由上式得内环电流控制小信号方程并进行拉普拉斯变换如下式
Figure FDA0003360724430000014
步骤五：推导功率环的小信号模型
Figure FDA0003360724430000015
步骤六：对双向虚拟惯性控制方程式，即步骤一中的方程进行小信号分解
Figure FDA0003360724430000016
其中：M1＝|dudc/dt|max；M2＝|df/dt|max；m1＝0.5(Udc.max-Udc.min)；m2＝0.5(fmax-fmin)；
步骤七：获得ILC双向虚拟惯性控制的小信号模型，见附图2，其中：
GPI(s)＝kp2+ki2/s
Figure FDA0003360724430000021
步骤八：分析子网自身功率盈亏和子网间的功率传输对孤岛混合微网频率和电压的动态特性的影响：
情况一：当交流微网负荷出现扰动ΔPac(ΔPdc保持0)，“Δf-ΔPac”的小信号传递函数为
Figure FDA0003360724430000022
情况一：当直流微网负荷出现扰动ΔPdc(ΔPac保持0)，“Δf-ΔPdc”的小信号传递函数为
Figure FDA0003360724430000023
其中：c1＝CvirUdcNs+k2、c2＝Jvirωns+k1、b1＝JILCs/M1+DILC/m1、b2＝JILCs/M2+DILC/m2。
2.根据权利要求1所述的交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略，所提双向虚拟惯性控制中参数JILC与DILC的设计需要关注以下两点：
①当交、直流子网中的可控型分布式电源采用了虚拟惯性控制时，子网均已具备一定的惯性与调频调压的能力，所以当系统受到的扰动较小时，子网可以通过自身可控型分布式电源的动作将电压与频率的偏移量和变化率控制在较小范围内，所以此时应避免互联变流器频繁动作而造成功率损耗；
②由于所提ILC控制策略同时包含了暂态和稳态控制目标，所以在暂态过程中，要尽量避免稳态分量影响暂态目标的实现；而在稳态时，避免暂态分量的作用。
3.据权利要求1所述的交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略，为实现稳态控制目标udc.pu＝fpu，当交流微网出现功率扰动后稳态时DILC的取值要满足DILC/m1>>k2；当直流微网出现功率扰动后，稳态时DILC的取值要满足DILC/m2>>k2。
4.据权利要求1所述的交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略，为实现暂态控制目标(dudc/dt)/M1≈(df/dt)/M2，当交流微网出现功率扰动后，一是要减小暂态过程中DILC的取值，二是参数JILC要满足：JILC>>M1CvirUdcN；当直流微网出现功率扰动后参数JILC要满足：JILC>>M2Jvirωn。
5.根据权利要求1所述的交直流混合微电网互联变流器虚拟惯性控制策略，对JILC与DILC的参数设计如下：
Figure FDA0003360724430000031
Figure FDA0003360724430000032
其中：N为暂态惯性支撑动作的设定临界值；M为稳态功率互助动作的设定临界值；N与M按实际工程需要选取；n与m为常系数，选取满足权利要求2中要求。
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