CN116826686A - 一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，包括以下步骤：直流微电网通过并网逆变器与交流大电网单元互联，交流大电网单元包括负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元，负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元通过变换器接入直流母线；对负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元施加附加惯性控制，建立各负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型；对小信号模型进行特征根轨迹分析，根据分析结果判定电压惯性是否获得提升。本发明建立了直流微电网的小信号模型，分析了加入虚拟惯性控制后直流微电网的稳定性，并给出了虚拟惯性控制系数的选取范围，可控电源通过变流器施加惯性控制输出惯性功率，提高系统的惯性能力。

Description

一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法

技术领域

本发明涉及微电网电压技术领域，尤其涉及一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法。

背景技术

直流微电网可应用在数据中心、现代楼宇、电动汽车充电站以及工业园区等场景中起到提高供电效率与可靠性、提升用户电能质量的作用。随着高比例新能源和电动汽车的接入，随机、波动的新能源出力以及不确定负荷冲击等高频干扰事件也将给直流微电网系统的稳定控制带来挑战。

与交流系统不同，直流微电网系统内不存在频率稳定、无功功率、相位跟踪等问题，直流母线电压是衡量直流微电网系统内动态功率平衡的唯一标准。此外，由于本地负荷通过变换器或直接通过直流母线供电，干扰事件中抑制直流母线电压变化并缩短电压恢复时间是直流微电网运行韧性提升的关键，目前直流微电网的虚拟惯性控制研究存在如下问题：1)引入额外的干扰量和耦合项，削弱释放虚拟惯性的能力，使整体控制复杂且缺乏一般性；2)稳定性分析是控制器参数设计的重要参考依据，控制参数选取不当时，可能会造成系统的不稳定。为此，我们提出一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，包括以下步骤：

S1、直流微电网通过并网逆变器与交流大电网单元互联，所述交流大电网单元包括负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元，负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元通过变换器接入直流母线；

S2、对负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元施加附加惯性控制，建立各负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型，所述负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型包括：大电网侧变流器的小信号模型、风电机组侧变流器的小信号模型和蓄电池侧变流器的小信号模型；

S3、对步骤S2中负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型进行特征根轨迹分析，根据分析结果判定电压惯性是否获得提升。

进一步的，所述步骤S1中直流微电网并网运行时，由大电网单元稳定直流电压，维持直流微电网内部有功功率平衡；分布式发电单元进行最大功率跟踪控制；蓄电池未充满电时以额定电流进行充电；交直流负荷以恒功率负荷为主，直流微电网扰动或离网运行，使直流母线电压跌落到电压分层协调控制中蓄电池的可控阈值范围内时，由蓄电池承担平衡网内功率的任务。

进一步的，所述步骤S2中大电网侧变流器的小信号模型的建立过程，具体为：电压型变流器在基于电压空间矢量脉宽调制控制技术的基础上，采用电压电流双闭环反馈控制方式，根据下垂控制和附加虚拟惯性控制输出内环参考电流，与经坐标变换后的交流侧反馈电流做比较，经过PI控制器后作为空间矢量的参考量，用以控制功率开关，根据变流器结构及控制策略得出d、q坐标下的联立微分方程组：

式中：L_cd、L_cq、R_c是d-q坐标轴下的同步电感和电阻；M_cd、M_cq是d-q坐标轴下的调幅系数；i_cd、i_cq是d-q坐标轴下的电流、K_{cq_I}是变流器参数；M_cdI、M_cqI、M_cdP、M_cqP是它们的积分和比例部分；U_ed、U_eq是d-q坐标轴下的恒定电源；K₁是变流器的比例系数，取值U_dcG是G-VSC参与电压分层协调控制时的直流电压参考值；K_G为下垂系数，C_virG为虚拟惯性控制系数；U_dc是直流不想电压，T是时间常数；

将上式在稳态值附近线性化，得到大电网侧变流器的小信号模型：

式中，A_g是系数矩阵，Δx_g＝[Δi_cd，Δi_cq，ΔM_cdI，ΔM_cqI]^T；Δu＝[ΔU_dc，ΔδU_dc]^T。

进一步的，所述风电机组侧变流器的小信号模型中通过电压型变流器并入直流微电网，外环用最大功率跟踪或虚拟惯性控制捕获最大风能；由转子磁链定向的等效电路及变流器控制策略可得d、q坐标下的联立微分方程组：

式中：L_sd、L_sq、R_s是d-q坐标轴下的同步电感和电阻；M_sd、M_sq是d-q坐标轴下的调幅系数，M_sdI、M_sqI、M_sdP、M_sqP是它们的积分和比例部分；i_sd、i_sq是d-q坐标轴下的电流；ψ_f是PMSG的恒定磁通；K₂是变流器的比例系数，取值K_vic是风电机组的虚拟惯性控制系数，C_virW为虚拟惯性控制系数，在小信号模型中进一步表示成：

式中，K_opt是变流器的系数，ω_r0是前一时刻转子转速，ω_r是转子转速，H为惯性时间常数。

进一步的，所述步骤S2中蓄电池侧变流器的小信号模型的建立过程中下垂控制和附加虚拟惯性控制输出的参考电流与蓄电池侧反馈电流比较，经PI控制器后调节占空比，控制功率开关，其联立微分方程组为：

式中：g₁是B-DC放电时的占空比，g_1I、g_1p是它的积分和比例部分；U_dcB是B-DC参与电压分层协调控制时的直流电压参考值；K_B为下垂系数，C_virB为虚拟惯性控制系数；在稳态值附近线性化，得到蓄电池变流器的小信号模型，即：

式中Δx_b＝[Δi_b，Δg_1I]^T，A_b和B_b是系数矩阵。

进一步的，所述步骤S3中，对步骤S2中负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型进行特征根轨迹分析，具体为：对负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元施加附加惯性控制后为保证直流微电网能稳定运行，虚拟惯性控制系数C_virG、C_virW、C_virB的最大取值C_{virG_max}、C_{virW_max}、C_{virB_max}分别为32、214、17，以(4，26，2)为C_virG、C_virW、C_virB的初始值，并以步长(4，26，2)逐渐增大取值，绘制其系统特征根轨迹。

与现有技术相比，本考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法的优点在于：本发明建立了直流微电网的小信号模型，分析了加入虚拟惯性控制后直流微电网的稳定性，并给出了虚拟惯性控制系数的选取范围，可控电源通过变流器施加惯性控制输出惯性功率，提高系统的惯性能力。

附图说明

图1为本发明提出的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法的流程图；

图2为本发明提出的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法的C_virG、C_virW、C_virB变化仿真图；

图3为本发明提出的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法的仿真图；

图4为本发明提出的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法的直流微电网的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，包括以下步骤：

S1、直流微电网通过并网逆变器与交流大电网单元互联，所述交流大电网单元包括负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元，负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元通过变换器接入直流母线；

S2、对负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元施加附加惯性控制，建立各负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型，所述负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型包括：大电网侧变流器的小信号模型、风电机组侧变流器的小信号模型和蓄电池侧变流器的小信号模型；

S3、对步骤S2中负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型进行特征根轨迹分析，根据分析结果判定电压惯性是否获得提升。

具体的，在Matlab/Simulink中搭建仿真系统，仿真过程中风速恒为9m/s，风机发出功率为30kW，光照强度恒为1000W/m2，温度恒为25℃，光伏组件发出功率为6kW，初始负荷共42kW，缺额的6kW功率均由大电网提供。

其中，所述步骤S1中直流微电网并网运行时，由大电网单元稳定直流电压，维持直流微电网内部有功功率平衡；分布式发电单元进行最大功率跟踪控制；蓄电池未充满电时以额定电流进行充电；交直流负荷以恒功率负荷为主，直流微电网扰动或离网运行，使直流母线电压跌落到电压分层协调控制中蓄电池的可控阈值范围内时，由蓄电池承担平衡网内功率的任务。

进一步的，所述步骤S2中大电网侧变流器的小信号模型的建立过程中电压型变流器在基于电压空间矢量脉宽调制控制技术的基础上，采用电压电流双闭环反馈控制方式，根据下垂控制和附加虚拟惯性控制输出内环参考电流，与经坐标变换后的交流侧反馈电流做比较，经过PI控制器后作为空间矢量的参考量，用以控制功率开关，根据变流器结构及控制策略，能够写出d、q坐标下的联立微分方程组：

式中：L_cd、L_cq、R_c是d-q坐标轴下的同步电感和电阻；M_cd、M_cq是d-q坐标轴下的调幅系数；i_cd、i_cq是d-q坐标轴下的电流、K_{cq_I}是变流器参数；M_cdI、M_cqI、M_cdP、M_cqP是它们的积分和比例部分；U_ed、U_eq是d-q坐标轴下的恒定电源；K₁是变流器的比例系数，取值U_dcG是G-VSC参与电压分层协调控制时的直流电压参考值；K_G为下垂系数，C_virG为虚拟惯性控制系数；U_dc是直流不想电压，T是时间常数；

将上式在稳态值附近线性化，得到大电网侧变流器的小信号模型：

式中，A_g是系数矩阵，Δx_g[Δi_cd，Δi_cq，ΔM_cdI，ΔM_cqI]T；Δu＝[ΔU_dc，ΔδU_dc]^T。

其中，所述步骤S2中风电机组通过电压型变流器并入直流微电网，外环用最大功率跟踪或虚拟惯性控制捕获最大风能；由转子磁链定向的等效电路及变流器控制策略可得d、q坐标下的联立微分方程组：

式中：L_sd、L_sq、R_s是d-q坐标轴下的同步电感和电阻；M_sd、M_sq是d-q坐标轴下的调幅系数，M_sdI、M_sqI、M_sdP、M_sqP是它们的积分和比例部分；i_sd、i_sq是d-q坐标轴下的电流；ψ_f是PMSG的恒定磁通；K₂是变流器的比例系数，取值K_vic是风电机组的虚拟惯性控制系数，C_virW为虚拟惯性控制系数，在小信号模型中进一步表示成：

式中，K_opt是变流器的系数，ω_r0是前一时刻转子转速，ω_r是转子转速，H为惯性时间常数。

更进一步的，所述步骤S2中蓄电池侧变流器的小信号模型的建立过程中下垂控制和附加虚拟惯性控制输出的参考电流与蓄电池侧反馈电流比较，经PI控制器后调节占空比，控制功率开关，其联立微分方程组为：

式中：g₁是B-DC放电时的占空比，g_1I、g_1p是它的积分和比例部分；U_dcB是B-DC参与电压分层协调控制时的直流电压参考值；K_B为下垂系数，C_virB为虚拟惯性控制系数；在稳态值附近线性化，可得到蓄电池变流器的小信号模型，即：

式中Δx_b＝[Δi_b，Δg_1I]T，A_b和B_b是系数矩阵。

其中，对负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元施加附加惯性控制后为保证直流微电网能稳定运行，虚拟惯性控制系数C_virG、C_virW、C_virB的最大取值C_{virG_max}、C_{virW_max}、C_{virB_max}分别为32、214、17，以(4，26，2)为C_virG、C_virW、C_virB的初始值，并以步长(4，26，2)逐渐增大取值，绘制其系统特征根轨迹，通过增大C_virG、C_virW、C_virB的取值，靠近实轴的特征根实部首先到达零，继续增大取值时，特征根实部将由负变正，结果导致系统不稳定，结合表1中的系统特征值可知，当结合系统特征值可知，当CvirG、CvirW、CvirB均小于最大取值时，系统特征根均位于负半轴，系统稳定，当取值超出最大值时，将出现正实部的特征根。

其中，在步骤S3仿真过程中，参照图2为直流微电网提供惯性时的仿真图，图2中的(a)给出了直流母线电压的动态响应过程，图2(b)依次给出了大电网、风电机组和蓄电池向直流微电网注入有功功率的动态响应过程；

图2中的(a)中波形0表示未施加惯性控制，仅下垂控制作用下直流母线电压的动态响应曲线，图2中(b)中波形0分别给出了相应的大电网、风电机组和蓄电池输出功率的变化。从波形0可见，仅下垂控制作用下，负荷增加会使母线电压迅速下降；并网变流器根据直流母线电压的变化调节输出功率，以平衡负荷功率变化，风电机组和蓄电池不参与调节。

进一步的，图2中的(a)中波形1表示施加虚拟惯性控制，大电网、风电机组和蓄电池的惯性控制系数分别取值为C_virG＝2、C_virW＝2、C_virB＝2时，直流母线电压的动态响应曲线。图2中的(b)中波形1分别给出了相应的大电网、风电机组和蓄电池输出功率的变化。从波形1可见，虚拟惯性控制作用下，母线电压在负荷突增时的下降速度明显减缓；大电网、风电机组和蓄电池共同提供额外的惯性功率用于平衡负荷功率的变化，其中，大电网提供的惯性功率最大，蓄电池次之，风电机组提供的惯性功率最小。对比波形0和1可知，本方案所提的虚拟惯性控制，可在负荷扰动时快速调动所有的可控电源，为直流微电网提供惯性功率支持，能有效抑制直流母线电压的突变。

更进一步的，通过稳定性分析，设置C_virG＝10、C_virW＝30、C_virB＝6均小于各系数最大值C_{virG_max}、C_{virW_max}、C_{virB_max}，再以并网变流器为例，调整C_virG＝36大于C_{virG_max}，分别绘制2种虚拟惯性控制系数下直流母线电压的动态响应曲线如图3所示，设置C_virG＝10、C_virW＝30、C_virB＝6时，直流电压在负荷增加时能平缓地趋于稳定；当增大C_virG至36时，母线电压在负荷发生突变后出现高频振荡，系统不稳定。

本发明建立了直流微电网的小信号模型，分析了加入虚拟惯性控制后直流微电网的稳定性，并给出了虚拟惯性控制系数的选取范围，在系统发生电压波动时，可控电源通过变流器施加惯性控制输出惯性功率，提高系统的惯性能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、直流微电网通过并网逆变器与交流大电网单元互联，所述交流大电网单元包括负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元，负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元通过变换器接入直流母线；

S2、对负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元施加附加惯性控制，建立各负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型，所述负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型包括：大电网侧变流器的小信号模型、风电机组侧变流器的小信号模型和蓄电池侧变流器的小信号模型；

S3、对步骤S2中负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型进行特征根轨迹分析，根据分析结果判定电压惯性是否获得提升。

2.根据权利要求1所述的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，其特征在于，所述步骤S1中直流微电网并网运行时，由大电网单元稳定直流电压，维持直流微电网内部有功功率平衡；分布式发电单元进行最大功率跟踪控制；蓄电池未充满电时以额定电流进行充电；交直流负荷以恒功率负荷为主，直流微电网扰动或离网运行，使直流母线电压跌落到电压分层协调控制中蓄电池的可控阈值范围内时，由蓄电池承担平衡网内功率的任务。

3.根据权利要求1所述的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，其特征在于，所述步骤S2中大电网侧变流器的小信号模型的建立过程，具体为：电压型变流器在基于电压空间矢量脉宽调制控制技术的基础上，采用电压电流双闭环反馈控制方式，根据下垂控制和附加虚拟惯性控制输出内环参考电流，与经坐标变换后的交流侧反馈电流做比较，经过PI控制器后作为空间矢量的参考量，用以控制功率开关，根据变流器结构及控制策略得出d、q坐标下的联立微分方程组：

式中：L_cd、L_cq、R_c是d-q坐标轴下的同步电感和电阻；M_cd、M_cq是d-q坐标轴下的调幅系数；i_cd、i_cq是d-q坐标轴下的电流、K_{cq_I}是变流器参数；M_cdI、M_cqI、M_cdP、M_cqP是它们的积分和比例部分；U_ed、U_eq是d-q坐标轴下的恒定电源；K₁是变流器的比例系数，取值U_dcG是G-VSC参与电压分层协调控制时的直流电压参考值；K_G为下垂系数，C_virG为虚拟惯性控制系数；U_dc是直流不想电压，T是时间常数；

将上式在稳态值附近线性化，得到大电网侧变流器的小信号模型：

式中，A_g是系数矩阵，Δx_g＝[Δi_cd，Δi_cq，ΔM_cdI，ΔM_cqI]^T；Δu＝[ΔU_dc，ΔδU_dc]^T。

4.根据权利要求3所述的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，其特征在于，所述风电机组侧变流器的小信号模型中通过电压型变流器并入直流微电网，外环用最大功率跟踪或虚拟惯性控制捕获最大风能；由转子磁链定向的等效电路及变流器控制策略可得d、q坐标下的联立微分方程组：

式中：L_sd、L_sq、R_s是d-q坐标轴下的同步电感和电阻；M_sd、M_sq是d-q坐标轴下的调幅系数，M_sdI、M_sqI、M_sdP、M_sqP是它们的积分和比例部分；i_sd、i_sq是d-q坐标轴下的电流；ψ_f是PMSG的恒定磁通；K₂是变流器的比例系数，取值K_vic是风电机组的虚拟惯性控制系数，C_virW为虚拟惯性控制系数，在小信号模型中进一步表示成：

式中，K_opt是变流器的系数,ω_r0是前一时刻转子转速，ω_r是转子转速，H为惯性时间常数。

5.根据权利要求4所述的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，其特征在于，所述步骤S2中蓄电池侧变流器的小信号模型的建立过程中下垂控制和附加虚拟惯性控制输出的参考电流与蓄电池侧反馈电流比较，经PI控制器后调节占空比，控制功率开关，其联立微分方程组为：

式中：g₁是B-DC放电时的占空比，g_1I、g_1p是它的积分和比例部分；U_dcB是B-DC参与电压分层协调控制时的直流电压参考值；K_B为下垂系数，C_virB为虚拟惯性控制系数；在稳态值附近线性化，得到蓄电池变流器的小信号模型，即：

式中Δx_b＝[Δi_b，Δg_1I]^T，A_b和B_b是系数矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种考虑负载大扰动的直流微电网电压惯性提升方法，其特征在于，所述步骤S3中，对步骤S2中负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元的小信号模型进行特征根轨迹分析，具体为：对负荷单元、分布式发电单元和蓄电储能单元施加附加惯性控制后为保证直流微电网能稳定运行，虚拟惯性控制系数C_virG、C_virW、C_virB的最大取值C_{virG_max}、C_{virW_max}、C_{virB_max}分别为32、214、17，以(4，26，2)为C_virG、C_virW、C_virB的初始值，并以步长(4，26，2)逐渐增大取值，绘制其系统特征根轨迹。