CN114865656A - 一种交直流混合微电网中接口变换器的π型虚拟同步发电机控制方法 - Google Patents

一种交直流混合微电网中接口变换器的π型虚拟同步发电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种交直流混合微电网中接口变换器的π型虚拟同步发电机控制方法。对用于交流频率的虚拟同步发电机控制方程进行调整，并且引入直流电压的惯性控制方程。此控制策略可以为交直流混合微电网提供电压和频率支持，并为交流频率和直流电压引入惯性，解决了传统虚拟同步电机控制技术在交直流混合微电网中只能为交流侧惯性的问题，在有效提高交直流混合微电网中交流频率及直流电压的抗扰动特性的同时，使得交直流子网共同承担负载扰动突变带来的影响。

Description

一种交直流混合微电网中接口变换器的π型虚拟同步发电机 控制方法
技术领域
本发明涉及微电网运行控制，尤其涉及适用于交直流混合微电网的双向接口变换器功率传输控制方法。
背景技术
交直流混合微电网因其能够有效地结合交流微电网与直流微电网各自的优点，逐渐成为微电网未来发展的趋势。连接着交流母线和直流母线的双向接口转换器，控制着交流子网与直流子网之间的能量转换和传输，是交直流混合微电网的枢纽，在维持系统稳定运行方面起着至关重要的作用。在双向接口转换器的控制中，若要实现交、直流子网间功率共享，应同时考虑交流频率和直流电压对功率传输的影响。接口变换器的功率共享控制策略，使得交流子网和直流子网被紧密连接。由于微电网的惯性普遍不足，一个子网内部的功率波动容易通过接口变换器影响整个混合微电网的稳定性。一些控制策略，通过结合子网中分布式电源稳定直流母线电压和交流母线频率，提高混合微电网的稳定性能。但没有考虑到直流母线电压或交流母线频率不稳定时接口变换器对混合微电网的影响。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，其包括以下步骤：
S1：计算接口变换器直流侧电压偏差和接口变换器交流侧频率偏差，并根据直流侧电压允许波动范围和交流侧频率允许波动范围，计算直流电机的电动势系数；
S2：将直流电机电动势方程引入虚拟同步发电机控制策略，并提出直流侧电压控制方式，搭建π-VSG控制模型；
S3：将直流侧额定电压和接口变换器传输功率输入到π-VSG控制的有功环中，得到等效电流偏差；
S4：利用π-VSG控制算法中的有功环和无功环，计算得到电压参考值eabc；
S5：根据电压参考值eabc控制接口变换器的双向功率传输。
进一步地，所述S1中，设接口变换器直流侧电压偏差用ΔUdc表示，接口变换器交流侧频率偏差用Δωac表示，ΔUdc和Δωac分别表示为：
ΔUdc＝Udc-UdcN
Δωac＝ωac-ωacN
其中,Udc为接口变换器直流侧电压,UdcN为接口变换器直流侧额定电压,Δωac为接口变换器交流侧频率,ΔωacN为接口变换器交流侧额定频率。
设直流电机的电动势系数用KE表示，KE表示为：
Figure BDA0003661836980000021
其中,Mu为直流侧电压最大允许波动值，Mω为交流侧频率最大允许波动值，Mu和Mω表示为：
|Udc-UdcN|≤Mu
|ωac-ωacN|≤Mω
进一步地，所述S2中，对比虚拟同步电机的机械方程
Figure BDA0003661836980000022
其中，J为转动惯量，Pm为机械功率，Pe为电磁功率。
结合直流电机电动势方程，得到：
Figure BDA0003661836980000023
其中，Uω为交流侧虚拟电动势，Cω为交流侧虚拟电容。Uω和Cω分别表示为：
Uω＝Kωω
Figure BDA0003661836980000031
传统的VSG控制策略考虑了交流频率的动态响应，但没有考虑直流电压的变动。鉴于此，提出了一个直流电压控制方式。其中，Cu为直流侧虚拟电容：
Figure BDA0003661836980000032
结合交流侧控制方程，提出π-VSG控制模型。
进一步地，所述S3中，设π-VSG控制器输出的等效电流偏差用ΔIu和ΔIω表示，ΔIu和ΔIω表示为：
Figure BDA0003661836980000033
其中，Pi为接口变换器的输出功率，P0为接口变换器的初始有功功率，UdcN为直流母线的额定电压。
进一步地，所述S4中，在有功环中基于二阶数学模型计算得到输出相位角θ：
Figure BDA0003661836980000034
Figure BDA0003661836980000035
接口变换器的无功环采用无功–电压下垂控制：
Figure BDA0003661836980000036
式中，Em为交流电压幅值参考值，KQ为无功惯性系数，Dq为无功–电压下垂系数，Vn和V分别为交流电压幅值的给定值和实际值，Q0和Qbic分别为接口变换器无功功率的初始值和实际值。
将有功环输出的频率和相位信号与无功环输出的电压幅值信号合成为参考电压eabc：
Figure BDA0003661836980000041
进一步地，S5中所述π-VSG控制输出电压参考值经过电压电流双闭环控制环节，实现交直流混合微电网系统的双向功率协调控制。
本发明提出的控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明提供一种交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，该控制策略可以为交直流混合微电网提供电压和频率支持，并为交流频率和直流电压引入惯性，解决了传统虚拟同步电机控制技术在交直流混合微电网中只能为交流侧惯性的问题，有效提高交直流混合微电网中交流频率及直流电压的抗扰动特性。
2、本发明所提的功率共享方法较其他文献中提到的方法相比，当负载功率变动时，π-VSG控制可以通过调整Cu和Cω的值，负载功率突变的影响由交直流子网根据各自的承载能力进行分配和承担。
附图说明
图1为本发明实施例中的直流子网的电路图；
图2为本发明实施例中的交流子网逆变器的控制框图；
图3为本发明实施例中的双向接口变换器的控制框图；
图4为本发明π-VSG控制模型；
图5为本发明实施例中接口变换器的仿真波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
交直流混合微电网主要由交流子网、直流子网以及连接交直流母线的接口变换器组成。本发明实施例中，为了模拟交流母线频率和直流母线电压的突变，直流子网中用一个理想直流电压源串联一个电阻来实现直流子网中的P-U下垂控制，如图1所示；交流子网用一个逆变器作为等效分布式电源实现交流子网中的P-f下垂控制，其控制框图如图2所示；双向接口变换器的控制框图如图3所示。
直流子网的P-U下垂关系和交流子网的P-f下垂关系可以表示为：
Figure BDA0003661836980000051
ΔPac＝kacΔωac
其中,kdc为直流子网P-U下垂系数，UdcN为图1中理想直流电压源的额定电压，也是直流子网的额定电压，Rdc为图1中串联的电阻值，kac为交流子网P-f下垂系数。
步骤一，交流母线频率或直流母线电压突然变化时，计算出接口变换器直流侧电压偏差ΔUdc和接口变换器交流侧频率偏差Δωac，ΔUdc和Δωac分别表示为：
ΔUdc＝Udc-UdcN
Δωac＝ωac-ωacN
其中,Udc为接口变换器直流侧电压,UdcN为接口变换器直流侧额定电压,ωac为接口变换器交流侧频率,ωacN为接口变换器交流侧额定频率。
根据直流侧电压允许波动范围和交流侧频率允许波动范围，计算直流电机的电动势系数KE，KE表示为：
Figure BDA0003661836980000052
其中,Mu为直流侧电压最大允许波动值，Mω为交流侧频率最大允许波动值，Mu和Mω表示为：
|Udc-UdcN|≤Mu
|ωac-ωacN|≤Mω
步骤二，对比虚拟同步电机的机械方程
Figure BDA0003661836980000061
其中，J为转动惯量，Pm为机械功率，Pe为电磁功率。
结合直流电机电动势方程，得到：
Figure BDA0003661836980000062
其中，Uω为交流侧虚拟电动势，Cω为交流侧虚拟电容。Uω和Cω分别表示为：
Uω＝Kωω
Figure BDA0003661836980000063
传统的VSG控制策略考虑了交流频率的动态响应，但没有考虑直流电压的变动。鉴于此，提出了一个直流电压的惯性控制方式。其中，Cu为直流侧虚拟电容：
Figure BDA0003661836980000064
结合交流侧控制方程，提出π-VSG控制模型如图4所示，在直流侧和交流侧分别添加虚拟电容，通过控制虚拟电阻实现多机并联时的功率分配，通过控制虚拟电容来实现交直流子网的功率分配，增加系统惯性。
步骤三，设π-VSG控制器输出的等效电流偏差用ΔIu和ΔIω表示，ΔIu和ΔIω表示为：
Figure BDA0003661836980000065
其中，Pi为接口变换器的输出功率，P0为接口变换器的初始有功功率，UdcN为直流母线的额定电压。
步骤四，在有功环中基于二阶数学模型计算得到输出相位角θ：
Figure BDA0003661836980000071
Figure BDA0003661836980000072
接口变换器的无功环采用无功–电压下垂控制：
Figure BDA0003661836980000073
式中，Em为交流电压幅值参考值，KQ为无功惯性系数，Dq为无功–电压下垂系数，Vn和V分别为交流电压幅值的给定值和实际值，Q0和Qbic分别为接口变换器无功功率的初始值和实际值。
将有功环输出的频率和相位信号与无功环输出的电压幅值信号合成为参考电压eabc：
Figure BDA0003661836980000074
步骤五，π-VSG控制输出电压参考值经过电压电流双闭环控制环节，实现交直流混合微电网系统的双向功率协调控制，控制着接口变换器的有功功率根据子网的功率需求缓慢达到新的稳态，并且为交流侧子网的电压、频率提供支撑。
实施例中的直流子网的额定电压UdcN为750V，直流电压最大允许波动值Mu为75V,直流子网P-U下垂系数kdc为2.67MW/kV；交流子网的额定电压幅值VN为380V，额定频率facN为50Hz，频率最大允许波动值Mf为0.5Hz，交流子网P-f下垂系数kac为0.4MW/Hz。接口变换器额定容量SN为0.5MW，π-VSG控制中的虚拟电阻Ra为0.225Ω，虚拟电容Cu为0.3H，虚拟电容Cw为1H。
实施例的仿真结果见图5，当交流子网负载功率突增时，直流电压降值减小，然后缓慢上升到稳定状态，而交流频率先略有下降，然后缓慢达到稳定状态，π-VSG控制为双向接口变换器为交直流侧均提供一定的惯性，且Cu的存在使直流电压和交流频率共同承受负载功率突然增加的冲击。同样地，当直流子网负载功率突增时，交流频率降值减小，然后缓慢上升到稳定状态，直流电压先是略有下降，然后缓慢到达稳定状态。
由本实施例可以看出，π-VSG控制可以为双向接口变换器提供惯性，能够有效地提升系统的稳定性。当交流子网或直流子网功率变动时，π-VSG控制可以通过调整Cu值和Cω值来分配负载功率突变对子网的影响，子网间的调节能力。

Claims (6)

1.一种交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：计算接口变换器直流侧电压偏差和接口变换器交流侧频率偏差，并根据直流侧电压允许波动范围和交流侧频率允许波动范围，计算直流电机的电动势系数；
S2：将直流电机电动势方程引入虚拟同步发电机控制策略，并提出直流侧电压控制方式，搭建π-VSG控制模型；
S3：将直流侧额定电压和接口变换器传输功率输入到π-VSG控制的有功环中，得到等效电流偏差；
S4：利用π-VSG控制算法中的有功环和无功环，计算得到电压参考值eabc；
S5：根据电压参考值eabc控制接口变换器的双向功率传输。
2.根据权利要求1所述的交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，其特征在于，所述S1中，设接口变换器直流侧电压偏差用ΔUdc表示，接口变换器交流侧频率偏差用Δωac表示，ΔUdc和Δfac分别表示为：
ΔUdc＝Udc-UdcN
Δωac＝ωac-ωacN
其中,Udc为接口变换器直流侧电压,UdcN为接口变换器直流侧额定电压,ωac为接口变换器交流侧频率,ωacN为接口变换器交流侧额定频率；
设直流电机的电动势系数用KE表示，KE表示为：
Figure FDA0003661836970000011
其中,Mu为直流侧电压最大允许波动值，Mω为交流侧频率最大允许波动值，Mu和Mω表示为：
|Udc-UdcN|≤Mu
|ωac-ωacN|≤Mω
3.根据权利要求1所述的交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，其特征在于，所述S2中，对比虚拟同步电机的机械方程
Figure FDA0003661836970000021
其中，J为转动惯量，Pm为机械功率，Pe为电磁功率；
结合直流电机电动势方程，得到：
Figure FDA0003661836970000022
其中，Uω为交流侧虚拟电动势，Cω为交流侧虚拟电容，Kω为虚拟直流电机的电动势系数，Im为交流侧输入电流，Ie为交流侧的输出电流，Uω和Cω分别表示为：
Uω＝Kωω
Figure FDA0003661836970000023
传统的VSG控制策略考虑了交流频率的动态响应，但没有考虑直流电压的变动，鉴于此，提出了一个直流电压的惯性控制方式；其中，Iin为直流侧输出电流，Iout为交流侧输入电流，Cu为直流侧虚拟电容：
Figure FDA0003661836970000024
结合对交流侧的控制方程，提出π-VSG控制模型。
4.根据权利要求1所述的交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，其特征在于，所述S3中，设π-VSG控制器输出的等效电流偏差用ΔIu和ΔIω表示，ΔIu和ΔIω表示为：
Figure FDA0003661836970000025
其中，Pi为接口变换器的输出功率，P0为接口变换器的初始有功功率，UdcN为直流母线的额定电压。
5.根据权利要求1所述的交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，其特征在于，所述S4中，在有功环中基于二阶数学模型计算得到输出相位角θ：
Figure FDA0003661836970000031
Figure FDA0003661836970000032
接口变换器的无功环采用无功–电压下垂控制：
Figure FDA0003661836970000033
式中，Em为交流电压幅值参考值，KQ为无功惯性系数，Dq为无功–电压下垂系数，Vn和V分别为交流电压幅值的给定值和实际值，Q0和Qbic分别为接口变换器无功功率的初始值和实际值；
将有功环输出的频率和相位信号与无功环输出的电压幅值信号合成为参考电压eabc：
Figure FDA0003661836970000034
6.根据权利要求1所述的交直流混合微电网中接口变换器的π-VSG控制方法，其特征在于，S5中，π-VSG控制输出电压参考值经过电压电流双闭环控制环节，实现交直流混合微电网系统的双向功率协调控制。
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