CN117081110B - 一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法及相关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法及相关装置，所述方法包括：建立新能源并网虚拟惯量直流控制方程；考虑建模误差和外界扰动，建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型；设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值；基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法。本发明可以消除外部功率波动对整个系统的影响，从而抑制多机并联的功率振荡；同时采用本发明所提方法，无需配置额外的通讯或传感器，提高了新能源并网的主动惯量支撑能力和可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及新能源并网运行调控领域，具体是一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法及相关装置。
背景技术
光伏、风电等高比例新能源在近年来得到了快速发展，通过多DC/DC变换器并网具有优越的供电质量和更加灵活的可控性能。同时，可以通过双向变流器与电网互联，有效隔离交流侧干扰和故障。因此，基于多DC/DC变流器的高比例新能源并网系统的研究和开发受到了世界学术界和工业界的广泛关注。
新能源DC/DC变流器单元可根据各自的相对容量大小采用基于下垂特性的分散自治控制方式，可以实现系统内成比例的功率自主分配，同时可以避免需要通讯的中央控制器的参与。然而，高比例新能源和DC/DC变换器的大规模接入会降低系统的惯量和抗外界干扰能力，新能源的间歇性和不确定性所带来的波动也会对系统的动态响应性能产生不容忽视的影响。针对这一问题，学者们提出了模拟同步发电机转子动态的虚拟惯量控制方案，在直流配电系统中也得到广泛应用。但当系统中同时存在多个采用虚拟惯量控制的并联DC/DC变流器单元时，可能会出现功率振荡问题，影响系统的动态响应特性和稳定性。已有的研究多集中在单个换流器控制策略的改进层面，无法协调各换流器之间的影响。因此，如何有效提高多DC/DC变流器并联接入系统的鲁棒运行性能，成为亟待解决的重点问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法及相关装置，通过跟踪外部时变扰动来改善直流电压的稳定性，可以明显消除外部功率波动对整个系统的影响，抑制多并联单元并网的功率振荡，以提高多DC/DC变流器并联接入系统的鲁棒运行性能。
一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法，包括如下步骤：
建立新能源并网虚拟惯量直流控制方程；
考虑建模误差和外界扰动，建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型；
设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值；
基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，以消除外部功率波动对整个系统的影响，从而抑制多机并联的功率振荡。
进一步的，所述建立的新能源并网虚拟惯量直流控制方程，具体为：
式中C为DC/DC变换器的直流侧电容，udc为直流电压，udcn为额定直流电压，Pdcn 为额定输出功率，Pdc为输出功率，kv为下垂控制系数，kD为阻尼系数。
进一步的，所述建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型，具体为：
式中下标i表示第i个DC/DC变流器单元，Δ表示相关变量的小信号分量，xi为状态变量，ui为系统控制输入变量，wi为系统扰动，包括不同新能源输出功率的相关扰动项和误差项。
进一步的，所述设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值，具体包括：
根据所述小信号状态空间模型，设计扰动观测方程为：
其中和/>分别为和系统扰动/>和/>的观测值，pi1和pi2为观测器的中间变量，μi1和μi2为正的观测增益。
进一步的，所述基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，具体包括：
对于n个DC/DC变换器的小信号状态空间模型，取如下坐标变换：
式中为状态变量X的平滑函数，为稳定直流电压，选择下面的Lyapunov函数：
式中Q 为正定的系数矩阵，对Lyapunov函数求导得到：
为保证Lyapunov函数的导数为负定，则系统满足渐近稳定的条件，选择平滑函数和控制输入U分别为：
其中αi和βi为正系数，是符号函数，zi1和zi2是矩阵Z的第i个元素。
一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制装置，包括：
虚拟惯量直流控制方程建立模块，用于建立新能源并网虚拟惯直流控制方程；
小信号状态空间模型建立模块，用于考虑建模误差和外界扰动，
建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型；
扰动值检测模块，用于设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值；
功率振荡抑制模块，用于基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，以消除外部功率波动对整个系统的影响，从而抑制多机并联的功率振荡。
进一步的，所述虚拟惯量直流控制方程建立模块建立的新能源并网虚拟惯直流控制方程，具体为：
式中C为DC/DC变换器的直流侧电容，udc为直流电压，udcn为额定直流电压，Pdcn 为额定输出功率，Pdc为输出功率，kv为下垂控制系数，kD为阻尼系数。
进一步的，所述小信号状态空间模型建立模块建立的小信号状态空间模型，具体为：
式中下标i表示第i个DC/DC变流器单元，Δ表示相关变量的小信号分量，xi为状态变量，ui为系统控制输入变量，wi为系统扰动，包括不同新能源输出功率的相关扰动项和误差项。
进一步的，所述扰动值检测模块，具体用于：
根据所述小信号状态空间模型，设计扰动观测方程为：
其中和/>分别为和系统扰动/>和/>的观测值，pi1和pi2为观测器的中间变量，μi1和μi2为正的观测增益。
进一步的，所述功率振荡抑制模块，具体用于：对于n个DC/DC变换器的小信号状态空间模型，取如下坐标变换：
式中为状态变量X的平滑函数，为稳定直流电压，选择下面的Lyapunov函数：
式中Q 为正定的系数矩阵，对Lyapunov函数求导得到：
为保证Lyapunov函数的导数为负定，则系统满足渐近稳定的条件，选择平滑函数和控制输入U分别为：
其中αi和βi为正系数，是符号函数，zi1和zi2是矩阵Z的第i个元素。
一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法。
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用本发明提出的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法，通过跟踪外部时变扰动来改善直流电压的稳定性，可以明显消除外部功率波动对整个系统的影响，抑制多并联单元并网的功率振荡；
2、本发明提出的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法，无需配置额外的通讯或传感器，提高了新能源并网的主动惯量支撑能力和可扩展性。
附图说明
图1是本发明实施例的新能源直流并网示意图；
图2是本发明实施例的仿真测试系统示意图；
图3是本发明实施例的常规控制算法下的有功功率仿真结果；
图4是本发明实施例的所提控制算法下的有功功率仿真结果；
图5是本发明实施例的已有文献中控制算法下的有功功率仿真结果；
图6是本发明实施例的常规控制算法下的直流电压仿真结果；
图7是本发明实施例的所提控制算法下的直流电压仿真结果；
图8是本发明实施例的已有文献中控制算法下的直流电压仿真结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法，包括下述步骤：
步骤1：建立新能源并网虚拟惯量直流控制方程；
对于输出稳定的新能源DC/DC并网变流器单元，采用虚拟惯量控制方案以实现主动惯量支撑。简化的DC/DC变流器并网结构模型如图1所示（i,j=1,2,…），图中uei，uej，iLi，iLj分别为第i和第j个变换器的端口电压和电流。Li，Lj，Ci，Cj为第i和第j个变流器的电感和电容。Rlinei，Llinei，Rlinej和Llinej分别为第i、j条线路的阻抗，idci和idcj分别为第i、j个DC/DC变流器的输出直流电流，Rload为阻性负载。
采用虚拟惯量控制，通过模拟同步发电机的转子动态实现系统惯量的增强，其为：
（1）
式中C为DC/DC变换器的直流侧电容，udc为直流电压，udcn为额定直流电压，Pmec和Pdc为机械功率和输出功率，kD为阻尼系数。由于DC/DC变换器的直流电压-功率下垂控制方法为：
（2）
其中kv为下垂控制系数。因此可以得到DC/DC变换器的虚拟惯量控制方程为：
（3）
根据式（3），DC/DC变流器通过在传统下垂控制中引入虚拟惯量控制环节，能够呈现出类似同步机的惯性和阻尼调节能力，从而对直流母线的功率波动表现出惯性响应，提高直流系统的抗干扰能力。
步骤2：考虑建模误差和外界扰动，建立新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型；
对于步骤1的虚拟惯量控制多DC/DC变流器单元，建立相应的小信号状态空间模型为：
（4）
式中下标i表示第i个DC/DC变流器单元，Δ表示相关变量的小信号分量，xi为状态变量，主要为直流电压及其积分，这里通过引入直流电压的积分项来消除稳态误差。ui为系统控制输入变量，这里表示附加控制信号Δuadi以增强虚拟惯量控制的鲁棒稳定性。式中的wi为系统扰动，包括不同新能源输出功率的相关扰动项和误差项。由于DC/DC变流器的输出功率具有随机波动的特点，且不同单元之间在发生扰动时会出现功率的交互影响，故功率wi可视为对整个系统的外部功率扰动，同时也包括误差项来表示线路阻抗的不精确所造成的不可测量的影响。本发明实施例认为系统扰动项wi是连续时变的，因此满足：
（5）
其中μpi是描述扰动上界的未知正参数。
进一步，n个DC/DC变流器的小信号状态空间模型可表示为式(6)，其中X、U和W分别为系统状态变量矩阵、控制输入变量矩阵和扰动变量矩阵，AM、BM和DM为对角系数矩阵。
（6）
步骤3：设计扩展扰动观测方法，针对多机并联新能源虚拟惯量小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值；
步骤2中建立了多DC/DC变流器并联单元的小信号状态空间模型，并将输出功率波动和模型误差作为系统干扰。为了获得良好的运行性能，首先要对系统扰动项进行观测。根据小信号状态空间模型（6），可设计扰动观测方程为：
（7）
其中和/>分别为和系统扰动/>和/>的观测值，pi1和pi2为观测器的中间变量，μi1和μi2为正的观测增益。由于假设扰动wi是时变的，因此为了使观测器收敛，还需要对wi的微分/>进行观测。定义观测误差为：
（8）
根据式（7），可得观测误差的动态方程为：
（9）
由误差动态方程式可知，由于wi的微分是有界的，当式（10）所示的状态矩阵Api的特征值位于左半平面时，误差能够指数收敛，进而wi的观测值可以跟踪到实际值，且跟踪速度与观测增益μi1和μi2密切相关。观测增益越大，收敛速度越快，但如果观测增益过大，则可能产生饱和效应和噪声。
（10）
步骤4：基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，以消除外部功率波动对整个系统的影响，从而抑制多并联单元并网的功率振荡；
为了提高多DC/DC变流器并网系统采用虚拟惯量控制的鲁棒稳定性，抑制系统外界干扰的影响，提出了基于DC/DC变流器的虚拟惯量附加反推控制策略（即满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法）。对于n个DC/DC变换器的小信号状态空间模型，取如下坐标变换：
（11）
式中为状态变量X的平滑函数。为了稳定直流电压，选择下面的Lyapunov函数：
（12）
式中Q 为正定的系数矩阵。对Lyapunov函数求导可得
（13）
如果能保证Lyapunov函数的导数为负定，则系统满足渐近稳定的条件。选择平滑函数和控制输入U分别为：
（14）
其中αi和βi为正系数，是符号函数，zi1和zi2是矩阵Z的第i个元素，利用平均值不等式，将Lyapunov函数的导数展开可得：
（15）
可以看出，由于利用观测器准确地观测出系统扰动wi，则误差ei1能够指数收敛到零。因此当参数αi和βi为正系数时，可以保证Lyapunov函数V(Z)的导数为负，即基于虚拟惯量控制的多DC/DC变流器状态方程（6）是全局渐近稳定的。也就是说，在DC/DC变流器并联接入的情况下，当发生外界扰动时能够保证直流电压的稳定性。控制的关键参数是观测增益μ和正系数αi和βi，增益和系数越大表示系统渐近稳定的速度越快。然而，基于附加反推控制的响应速度不能超过观测器的响应速度，而且过大的系数也会导致系统饱和和噪声的出现。
与传统的DC/DC变流器虚拟惯量控制策略相比，本发明实施例提出的基于附加反推控制的虚拟惯量控制方案，对多DC/DC变流器并网单元具有更高的效率和更好的抗干扰能力。在实际工程应用中，不需要额外增加传感器，这也提高了DC/DC变流器并网的可扩展性。采用该控制方案后，新能源并网单元可以实现必要的惯性支持。
为了验证所提控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中建立了图2所示的采用虚拟惯量控制的多DC/DC变流器并联接入电网仿真模型。在仿真模型中，给出了4个具有不同额定功率的并联DC/DC变流器单元。在仿真中设置了算例场景以验证所提控制方案中鲁棒稳定性提升的有效性。
在该算例中，初始负载功率为100kW（即阻性负载4.9Ω），在6s时，变流器4与系统断开。同时，采用已有文献中的非线性反推控制与所提出的控制方法进行对比。不同控制策略下DC/DC变流器之间的直流电压如图3-图8所示。
从仿真结果可以看出，在常规虚拟惯量控制下，当多个变流器同时基于虚拟惯量控制并网时，会出现功率振荡，使得系统不稳定。在所提出的控制下，功率和直流电压的振荡都得到了有效抑制，系统具有较好的动态响应。已有文献中的非线性反推控制在抑制系统振荡方面也具有一定的效果。然而，非线性环节会引起不必要的暂态响应过程，且系统直流电压在10s后也出现了高频振荡。因此，所提出的基于扩展扰动观测器的反推控制可以很好地解决功率分配不均和功率振荡问题。
本发明实施例还提供一种基于扩展扰动观测的多机并联新能源
虚拟惯量振荡抑制装置，包括：
虚拟惯量直流控制方程建立模块，用于建立新能源并网虚拟惯直流控制方程；
小信号状态空间模型建立模块，用于考虑建模误差和外界扰动，
建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型；
扰动值检测模块，用于设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值；
功率振荡抑制模块，用于基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，以消除外部功率波动对整个系统的影响，从而抑制多机并联的功率振荡。
本发明另一实施例提供了一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法。
本发明另一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法，其特征在于包括如下步骤：
建立新能源并网虚拟惯量直流控制方程；
考虑建模误差和外界扰动，建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型；
设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值；
基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，以消除外部功率波动对整个系统的影响，从而抑制多机并联的功率振荡；
所述建立的新能源并网虚拟惯量直流控制方程，具体为：
式中C为DC/DC变换器的直流侧电容，udc为直流电压，udcn为额定直流电压，Pdcn 为额定输出功率，Pdc为输出功率，kv为下垂控制系数，kD为阻尼系数；
所述建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型，具体为：
式中下标i表示第i个DC/DC变流器单元，Δ表示相关变量的小信号分量，xi为状态变量，ui为系统控制输入变量，wi为系统扰动，包括不同新能源输出功率的相关扰动项和误差项；
所述设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值，具体包括：
根据所述小信号状态空间模型，设计扰动观测方程为：
其中和/>分别为系统扰动/>的观测值及系统扰动/>的微分量/>的观测值，pi1和pi2为观测器的中间变量，μi1和μi2为正的观测增益；
所述基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，具体包括：
对于n个DC/DC变换器的小信号状态空间模型，取如下坐标变换：
式中为状态变量X的平滑函数，为稳定直流电压，选择下面的Lyapunov函数：
式中Q 为正定的系数矩阵，对Lyapunov函数求导得到：
为保证Lyapunov函数的导数为负定，则系统满足渐近稳定的条件，选择平滑函数和控制输入U分别为：
其中αi和βi为正系数，是符号函数，zi1和zi2是矩阵Z的第i个元素。
2.一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制装置，其特征在于，包括：
虚拟惯量直流控制方程建立模块，用于建立新能源并网虚拟惯直流控制方程；
小信号状态空间模型建立模块，用于考虑建模误差和外界扰动，建立所述新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型；
扰动值检测模块，用于设计扩展扰动观测方法，针对新能源并网虚拟惯量直流控制方程的小信号状态空间模型的扰动项进行实时检测，得到扰动值；
功率振荡抑制模块，用于基于检测的扰动值，设计满足Lyapunov函数的导数为负定的多机并联新能源虚拟惯量的辅助反推调节方法，以消除外部功率波动对整个系统的影响，从而抑制多机并联的功率振荡；
所述虚拟惯量直流控制方程建立模块建立的新能源并网虚拟惯直流控制方程，具体为：
式中C为DC/DC变换器的直流侧电容，udc为直流电压，udcn为额定直流电压，Pdcn 为额定输出功率，Pdc为输出功率，kv为下垂控制系数，kD为阻尼系数；
所述小信号状态空间模型建立模块建立的小信号状态空间模型，具体为：
式中下标i表示第i个DC/DC变流器单元，Δ表示相关变量的小信号分量，xi为状态变量，ui为系统控制输入变量，wi为系统扰动，包括不同新能源输出功率的相关扰动项和误差项；
所述扰动值检测模块，具体用于：
根据所述小信号状态空间模型，设计扰动观测方程为：
其中和/>分别为系统扰动/>的观测值及系统扰动/>的微分量/>的观测值，pi1和pi2为观测器的中间变量，μi1和μi2为正的观测增益；
所述功率振荡抑制模块，具体用于：对于n个DC/DC变换器的小信号状态空间模型，取如下坐标变换：
式中为状态变量X的平滑函数，为稳定直流电压，选择下面的Lyapunov函数：
式中Q 为正定的系数矩阵，对Lyapunov函数求导得到：
为保证Lyapunov函数的导数为负定，则系统满足渐近稳定的条件，选择平滑函数和控制输入U分别为：
其中αi和βi为正系数，是符号函数，zi1和zi2是矩阵Z的第i个元素。
3.一种多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制系统，包括：
计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1所述的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法。
4.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的多机并联新能源虚拟惯量振荡抑制方法。
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