CN114938006B - 一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法及系统 - Google Patents

一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法及系统，包括：获取电网角频率的变化值；当电网角频率降低时，基于能量路由器的多有源桥直流电容降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的中压交流端口注入有功功率，向电网释放有功功率，完成多有源桥的直流电压控制；当电网角频率升高时，基于多有源桥直流电容提升多有源桥的直流电压，电能路由器的中压交流端口从电网中吸收有功功率，释放电网的有功频率，通过虚拟惯量控制多有源桥直流电压，降低电网角频率的上升速率，调节电网频率。

Description

一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法及系统
技术领域
本公开属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在新型电力系统中，随着分布式发电的比例越来越高，系统惯量有所下降，发电出力以及负荷的波动容易引起电网潮流和频率的振荡，因此往往要求电力电子换流器能够通过恰当的控制策略为系统提供虚拟惯量。
电能路由器是近年来新兴的一种电力电子装备，具备多端口、多电压等级、多功能等优势，可用于分布式发电、电池储能系统、交直流负荷等的接入以及并网，实现高效、灵活的能量管理。在电能路由器内部，各端口通过多有源桥实现互联。多有源桥主要有两类，一类是采用直流母线互联，另一类则采用公共高频母线互联。采用直流母线和高频母线的电能路由器和分别如图1和图2所示，其中，MVDC端口接入中压直流电网，LVDC端口接入低压直流电网，用于连接光伏、储能、直流负荷或者直流微网；MVAC端口接入中压交流电网，LVAC端口接入低压交流电网，用于连接交流负荷、配电网或微网。
据发明人了解，采用电能路由器为系统提供虚拟惯量时，需要利用分布式发电设备或者电池储能来提供有功功率以及吸收有功功率。但是，由于分布式发电设备的出力具有波动性、间歇性，所以在模拟虚拟惯量时受到一些限制。电池储能能够提供平稳的功率吞吐，不过对瞬时大功率的支撑能力有限，其造价也较高。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法及系统，模拟虚拟惯量的控制策略，改善电网的频率特性。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法，采用如下技术方案：
一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法，采用基于高频母线的电能路由器，包括：
获取电网角频率的变化值；
当电网角频率降低时，基于能量路由器的多有源桥直流电容降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的中压交流端口注入有功功率，向电网释放有功功率，完成多有源桥的直流电压控制；
当电网角频率升高时，基于多有源桥直流电容提升多有源桥的直流电压，电能路由器的中压交流端口从电网中吸收有功功率，释放电网的有功频率，通过虚拟惯量控制多有源桥直流电压，降低电网角频率的上升速率，调节电网频率。
作为进一步的技术限定，在所述多有源桥的直流电压控制过程中，将负荷功率前馈控制到多有源桥的控制内环，抵消负荷波动对所述多有源桥直流电压的影响；将电网角频率的变化值引入有功功率控制外环，结合比例系数叠加至多有源桥直流电压的参考值。
作为进一步的技术限定，在所述虚拟惯量控制的过程中，将电网角频率的变化值引入到有功功率控制外环，结合比例系数叠加至电能路由器有功功率的参考值。
进一步的，当所述比例系数为零时，所述虚拟惯量控制无效，多有源桥直流电压不变，电网频率下降；随着所述比例系数的增大，虚拟惯量控制增强，多有源桥直流电压下降，释放有功功率，降低电网频率的下降速率，调节电网频率。
作为进一步的技术限定，所述电网角频率表示每秒电气角的变化，与电网频率成正比。
作为进一步的技术限定，当电网角频率降低时，电网角频率的变化直引入电能路由器中压交流端口的有功功率控制环，中压交流端口向电网释放有功功率，阻尼系统角频率的下降速度，使得系统角频率下降的最低点有所提高。
作为进一步的技术限定，当电网角频率升高时，电能路由器中压交流端口从电网吸收有功功率，阻尼系统角频率的上升速度，系统角频率上升的最高点降低，使得电能路由器具有虚拟惯量的运行特性。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于虚拟惯量的电网频率控制系统，采用如下技术方案：
一种基于虚拟惯量的电网频率控制系统，采用基于高频母线的电能路由器，包括：
获取模块，其被配置为获取电网角频率的变化值；
直流电压控制模块，其被配置为当电网角频率降低时，基于能量路由器的多有源桥直流电容降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的中压交流端口注入有功功率，向电网释放有功功率，完成多有源桥的直流电压控制；
虚拟惯量控制模块，其被配置为当电网角频率升高时，基于多有源桥直流电容提升多有源桥的直流电压，电能路由器的中压交流端口从电网中吸收有功功率，释放电网的有功频率，通过虚拟惯量控制多有源桥直流电压，降低电网角频率的上升速率，调节电网频率。
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于虚拟惯量的电网频率控制方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于虚拟惯量的电网频率控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开将电网角频率的变化量附加到电能路由器中多有源桥的直流电压参考值上，当电网角频率降低时，迅速降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的并网端口注入有功功率；将电网角频率的变化量附加到电能路由器并网端口的有功功率参考值上，当电网角频率降低时，迅速降低并网端口H桥的直流电压，向电网释放有功功率；将电网角频率的变化量附加到电能路由器并网端口的有功功率参考值上，当电网角频率上升时，迅速提高并网端口H桥的直流电压，从电网吸收有功功率；通过模拟虚拟惯量的控制策略，改善电网的频率特性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开中的基于直流母线的电能路由器拓扑结构图；
图2是本公开中的基于高频母线的电能路由器拓扑结构图；
图3是本公开实施例一中的基于虚拟惯量的电网频率控制方法的流程图；
图4是本公开实施例一中的考虑虚拟惯量的多有源桥的直流电压控制策略示意图；
图5是本公开实施例一的电能路由器MVAC端口的虚拟惯量控制策略示意图；
图6是本公开实施例一中的不同比例参数时多有源桥直流电压的变化示意图；
图7是本公开实施例一中的不同比例参数时虚拟惯量对电网频率的影响示意图；
图8是本公开实施例二中的基于虚拟惯量的电网频率控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法。
本实施例针对基于高频母线的电能路由器(如图2所示)，提出了一种能够模拟虚拟惯量的控制策略，用于改善电网的频率特性。
如图3所示的一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法，采用基于高频母线的电能路由器，包括：
获取电网角频率的变化值；
当电网角频率降低时，基于能量路由器的多有源桥直流电容降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的中压交流端口注入有功功率，向电网释放有功功率，完成多有源桥的直流电压控制；
当电网角频率升高时，基于多有源桥直流电容提升多有源桥的直流电压，电能路由器的中压交流端口从电网中吸收有功功率，释放电网的有功频率，通过虚拟惯量控制多有源桥直流电压，降低电网角频率的上升速率，调节电网频率。
本实施例中的基于虚拟惯量的电网频率控制方法分为两个部分，即如图4所示的多有源桥的直流电压控制和如图5所示中压交流端口(Medium-Voltage AC,简称MVAC)的虚拟惯量控制。
在图4中，uc,4、uc,4 *分别是多有源桥的直流电压及其参考值，C4是多有源桥直流电容的容值，PL和iL是负荷功率和负荷电流，d41、d42、d43是多有源桥的端口1、2、3和端口4之间的移相比，Δωr是电网角频率的变化量，kVSG是比例参数。负荷功率被前馈到控制内环，以抵消负荷波动对多有源桥直流电压的影响。电网角频率的变化量被引入到控制外环，乘以比例系数kVSG后，叠加到直流电压的参考值上。
在图5中，P1、P1 *分别是MVAC端口的有功功率及其参考值，Q1和Q1 *是无功功率及其参考值，u1d、u1q、i1d和i1q分别是d轴和q轴分量，L1是MVAC端口的等值电感，ωs是电网的频率，PI1,1、PI1,2、PI1,3和PI1,4均表示比例积分调节器。电网角频率的变化量Δωr被引入到有功功率控制外环，乘以比例系数kVSG后，叠加到有功功率的参考值上。
在本实施例中，首先获取电网角频率的变化值。
交流电在变化过程中，它的瞬时值经过一次循环又变化到原来的瞬时值所需的时间，即交流电变化一个循环所需要的时间，称交流电的周期；周期用符号T表示，单位为秒，周期愈长，表明交流电愈慢，我国电网交流电的周期为0.02秒。
交流电每秒钟周期性变化的次数叫频率，用字母f表示，它的单位是赫兹，用符号Hz表示，大单位是千赫(kHz)和兆赫(MHz)；我国电网的频率f＝50Hz，即交流电每秒50周波，习惯上被称“工频”，周期与频率的关系为：T＝1/f或f＝1/T，即周期与频率为倒数关系。
角频率ω与频率f的区别在于它不用每秒钟变化周数来表示交流电变化的快慢，而是用每秒钟所变化的电气角度来表示。交流电变化一周其电角变化为2π弧度，所以角频率与频率周期的关系为：ω＝2π/T＝2πf。
将所获取的电网角频率的变化值引入多有源桥直流电压的控制环；
当系统角频率降低时，多有源桥直流电容迅速降低电压，从而向电能路由器MVAC端口的直流侧注入能量；系统角频率的变化量也被引入电能路由器MVAC端口的有功功率控制环，当系统角频率降低时，MVAC端口迅速向电网释放有功功率，阻尼系统角频率的下降速度，并使得系统角频率下降的最低点有所提高；
当系统角频率升高时，电能路由器的多有源桥各直流电容迅速提高电压，从MVAC端口吸收能量；MVAC端口迅速从电网吸收有功功率，阻尼系统角频率的上升速度，并使得系统角频率上升的最高点有所降低。这样，电能路由器就可以得到具有一定虚拟惯量的运行特性。
图6和图7给出了当电网频率下降时，采用本实施例中所提出的基于虚拟惯量的电网频率控制方法对多有源桥直流电压的控制作用以及对电网频率的贡献。当kVSG＝0时，虚拟惯量控制不起作用，因此多有源桥直流电压没有变化，电网频率下降较多；随着kVSG的增大，虚拟惯量控制作用增强，多有源桥直流电压迅速下降，释放有功功率，从而阻尼了电网频率的下降速率，频率最低值也有明显的提升。
本实施例将电网角频率的变化量附加到电能路由器中多有源桥的直流电压参考值上，当电网角频率降低时，迅速降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的并网端口注入有功功率；将电网角频率的变化量附加到电能路由器并网端口的有功功率参考值上，当电网角频率降低时，迅速降低并网端口H桥的直流电压，向电网释放有功功率；将电网角频率的变化量附加到电能路由器并网端口的有功功率参考值上，当电网角频率上升时，迅速提高并网端口H桥的直流电压，从电网吸收有功功率。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种基于虚拟惯量的电网频率控制系统。
如图8所示的一种基于虚拟惯量的电网频率控制系统，采用基于高频母线的电能路由器，包括：
获取模块，其被配置为获取电网角频率的变化值；
直流电压控制模块，其被配置为当电网角频率降低时，基于能量路由器的多有源桥直流电容降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的中压交流端口注入有功功率，向电网释放有功功率，完成多有源桥的直流电压控制；
虚拟惯量控制模块，其被配置为当电网角频率升高时，基于多有源桥直流电容提升多有源桥的直流电压，电能路由器的中压交流端口从电网中吸收有功功率，释放电网的有功频率，通过虚拟惯量控制多有源桥直流电压，降低电网角频率的上升速率，调节电网频率。
详细步骤与实施例一提供的基于虚拟惯量的电网频率控制方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于虚拟惯量的电网频率控制方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于虚拟惯量的电网频率控制方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本公开实施例四提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于虚拟惯量的电网频率控制方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于虚拟惯量的电网频率控制方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法，采用基于高频母线的电能路由器，其特征在于，包括：
获取电网角频率的变化值；
当电网角频率降低时，基于能量路由器的多有源桥直流电容降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的中压交流端口注入有功功率，向电网释放有功功率，完成多有源桥的直流电压控制；
当电网角频率升高时，基于多有源桥直流电容提升多有源桥的直流电压，电能路由器的中压交流端口从电网中吸收有功功率，释放电网的有功频率，通过虚拟惯量控制多有源桥直流电压，降低电网角频率的上升速率，调节电网频率；
在所述多有源桥的直流电压控制过程中，将负荷功率前馈控制到多有源桥的控制内环，抵消负荷波动对所述多有源桥直流电压的影响；将电网角频率的变化值引入有功功率控制外环，结合比例系数叠加至多有源桥直流电压的参考值；
在所述虚拟惯量控制的过程中，将电网角频率的变化值引入到有功功率控制外环，结合比例系数叠加至电能路由器有功功率的参考值；
当所述比例系数为零时，所述虚拟惯量控制无效，多有源桥直流电压不变，电网频率下降；随着所述比例系数的增大，虚拟惯量控制增强，多有源桥直流电压下降，释放有功功率，降低电网频率的下降速率，调节电网频率；
当电网角频率降低时，电网角频率的变化值引入电能路由器中压交流端口的有功功率控制环，中压交流端口向电网释放有功功率，阻尼系统角频率的下降速度，使得系统角频率下降的最低点有所提高；
当电网角频率升高时，电能路由器中压交流端口从电网吸收有功功率，阻尼系统角频率的上升速度，系统角频率上升的最高点降低，使得电能路由器具有虚拟惯量的运行特性。
2.如权利要求1中所述的一种基于虚拟惯量的电网频率控制方法，其特征在于，所述电网角频率表示每秒电气角的变化，与电网频率成正比。
3.一种基于如权利要求1或2所述方法的虚拟惯量的电网频率控制系统，采用基于高频母线的电能路由器，其特征在于，包括：
获取模块，其被配置为获取电网角频率的变化值；
直流电压控制模块，其被配置为当电网角频率降低时，基于能量路由器的多有源桥直流电容降低多有源桥的直流电压，向电能路由器的中压交流端口注入有功功率，向电网释放有功功率，完成多有源桥的直流电压控制；
虚拟惯量控制模块，其被配置为当电网角频率升高时，基于多有源桥直流电容提升多有源桥的直流电压，电能路由器的中压交流端口从电网中吸收有功功率，释放电网的有功频率，通过虚拟惯量控制多有源桥直流电压，降低电网角频率的上升速率，调节电网频率。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-2中任一项所述的基于虚拟惯量的电网频率控制方法中的步骤。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-2中任一项所述的基于虚拟惯量的电网频率控制方法中的步骤。
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