基于嵌入式广义积分器的储能变换器虚拟惯量实现方法

本发明涉及一种基于嵌入式广义积分器的储能变换器虚拟惯量实现方法，适用于需要并网运行的储能变换器。

背景技术：

近年来，可再生能源通过快速功率变换器接口接入电网受到广泛关注，而传统功率变换器通常缺少旋转机械部件，无法为电网提供相应的惯量支撑，易导致电网的等效惯量大幅减少，给电力系统的安全可靠运行带来了严峻挑战。电网的惯量缺失往往引起两大类与频率相关的稳定性问题，其一是电力系统的频率变化率逐渐加快，其二是电力系统的频率幅值偏差不断增加。其中，过快的系统频率变化率易导致电网内的传统发电机组发生滑极与保护性跳闸，而过高的系统频率幅值偏差易引起电力系统发生低频减载、连锁故障甚至大规模停电等重大事故。为了维持或改善高渗透率电网运行的频率稳定性，需要对传统功率变换器的控制方法加以改进，以提高电网的等效惯量。

为此，人们做了各种研究，如题为“self-tuningvirtualsynchronousgeneratorcontrolforimprovingfrequencystabilityinautonomousphotovoltaic-dieselmicrogrids”，shirongliang，zhangxing，etal.,《journalofmodernpowersystemsandcleanenergy》，2018，6(3)，482-494(“提升光储柴独立微电网频率稳定性的自适应虚拟同步发电机控制方法”，《现代电力系统和清洁能源期刊》2018年第6卷第3期第482～494页)的文章；该文提出了通过模拟同步发电机的转子运动方程完成虚拟惯量模拟，但该控制技术的算法实现需要对传统功率变换器的控制系统进行根本性变更，且处于技术发展的初期，尚缺少与电力系统互联的实践经验。

题为“inertiaemulationinac/dcinterconnectedpowersystemsusingderivativetechniqueconsideringfrequencymeasurementeffects,e.rakhshani,p.rodriguez,《ieeetransactionsonpowersystems》，2017，32(5)，3338-3351(“考虑频率微分测量延时的交直流互联电力系统虚拟惯量控制技术”，《ieee学报-电力系统期刊》2017年第32卷第5期第3338～3351页)的文章；该文提出了利用锁相环检测到的频率信号进行频率微分运算，并将运算结果通过一阶低通滤波器滤波后直接加到功率变换器的电流指令上以实现虚拟惯量控制，但易引起谐波放大的问题且滤波器所引入的延时环节制约了虚拟惯量的响应速度。

题为“avirtualsynchronouscontrolforvoltage-sourceconvertersutilizingdynamicsofdc-linkcapacitortorealizeselfsynchronization”，l.huang,etal.，《ieeejournalofemergingandselectedtopicsinpowerelectronics》，2017，5(4)，1565–1577(“基于直流侧电容电压动态调节原理的电压源型变换器虚拟同步控制技术”，《ieee电力电子新兴与精选主题期刊》2017年第5卷第4期第1565～1577页)的文章；该文提出了一种通过锁相环所得频率偏差信号动态调节直流电压的方法实现虚拟惯量控制，避免了频率微分运算，但直流侧电容的能量存储能力有限，且仅适用于直流侧电压可调的功率变换器。

题为“frequencyderivative-basedinertiaenhancementbygrid-connectedpowerconverterswithafrequency-locked-loop”，fangj，zhangr，lih，etal，《ieeetransactionsonsmartgrid》，2019，10(5)，4918-4927(“基于锁频环的并网功率变换器频率微分型虚拟惯量控制策略”，《ieee学报-智能电网期刊》2019年第10卷第5期第4918～4927页)的文章；该文提出了利用二阶广义积分器-锁频环检测电网频率微分信号的虚拟惯量控制策略，避免了频率微分运算，但检测的电网频率微分信号易受电网电压干扰而存在纹波。

由上可知，现有技术均未能解决储能变换器的虚拟惯量控制策略易受电网电压中所包含的谐波、直流分量及间谐波分量等干扰，带来大量的谐波分量而导致储能变换器并网电流质量与运行稳定性变差的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对高渗透率可再生能源并网运行系统、系统的等效惯量减少所引起的系统频率变化率与幅值偏差增大的问题，提供一种既能减小系统频率变化率、又能减小系统频率幅值偏差的基于嵌入式广义积分器的储能变换器虚拟惯量实现方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于嵌入式广义积分器的储能变换器虚拟惯量实现方法，主要步骤如下：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流ila、ilb、ilc和电网电压uga、ugb、ugc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量ugd、ugq和电网的相角θg，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θg定向的桥臂侧电感电流的dq分量ild、ilq；

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压uga、ugb、ugc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量ugα、ugβ，再经嵌入式广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量udα、uqα与udβ、uqβ；

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压的αβ分量ugα、ugβ和电网电压滤波后的α轴与β轴分量udα、udβ，经过做差运算方程得到电网电压的α轴与β轴误差分量uα、uβ，再经嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴误差分量uα1、uβ1；

步骤4，根据步骤2中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴分量uqα、uqβ、步骤3中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴误差分量uα1、uβ1和储能变换器给定的角频率指令ωref，经过锁频环控制方程得到电网的角频率ωg和角频率微分信号dωg/dt；

步骤5，根据步骤4中得到的电网角频率微分信号dωg/dt和储能变换器给定的有功功率指令p0，经过虚拟惯量控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令pref；

步骤6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量ugd和步骤5中得到的参考有功功率指令pref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令idref；

步骤7，根据步骤6中得到的参考有功电流指令idref、给定的无功电流指令iqref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量ild、ilq，通过电流控制方程得到控制信号ud、uq；

步骤8，先根据步骤7中得到的控制信号ud、uq，以及步骤1中得到的电网相角θg，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号ua、ub、uc，再由三相桥臂电压控制信号ua、ub、uc生成储能变换器逆变桥开关管的svpwm控制信号。

优选地，步骤2中的嵌入式广义积分器控制方程式为：

式中，ωg为电网的角频率，kp为嵌入式广义积分器的比例系数，kp1为嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤3中的做差运算方程式为：

uα(s)＝ugα(s)-udα(s)，

uβ(s)＝ugβ(s)-udβ(s)，

嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器控制方程式为：

式中，ωg为电网的角频率，kp1为嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。

优选地，步骤4中的锁频环控制方程式为：

式中，ki为嵌入式广义积分器的积分系数。

优选地，步骤5中的虚拟惯量控制方程式为：

式中，h为惯量时间常数。

优选地，步骤6中的有功电流计算方程式为：

优选地，步骤7中的电流控制方程式为：

式中，kpc为比例控制系数，kic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的一种基于嵌入式广义积分器的储能变换器虚拟惯量实现方法，是利用嵌入式广义积分器实现频率微分信号的准确评估，并在此基础上利用此微分信号完成虚拟惯量控制，因此，应用本发明的虚拟惯量实现方法后，在储能变换器并网运行的情况下，既能避免频率微分运算所引入的谐波放大，又能抑制电网电压中包含的谐波、直流分量及间谐波分量等干扰对虚拟惯量控制的影响，为电网提供惯量支撑，从而有效地提高了系统的频率稳定性。

附图说明

图1是本发明所采用的储能变换器拓扑结构图。

图2是嵌入式广义积分器-锁频环的基本控制框图。

图3是虚拟惯量控制的基本结构图。

图4是储能变换器采用本发明前、后的仿真波形对比图。

具体实施方式

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明，具体如下：

本发明所采用的拓扑结构如图1所示，本实施例的有关参数设置如下：直流母线电压udc为550v，输出交流线电压有效值为380v/50hz，额定容量为100kva，储能变换器桥臂侧滤波电感为l＝0.56mh，储能变换器滤波电容为c＝90uf，隔离变压器为100kva270v/400v的dyn11型变压器。

参见图1，本发明所提出的一种基于嵌入式广义积分器的储能变换器虚拟惯量实现方法依照以下步骤进行：

步骤1，先采集储能变换器的桥臂侧电感电流ila、ilb、ilc和电网电压uga、ugb、ugc，经单同步坐标系软件锁相环得到电网电压的dq分量ugd、ugq和电网的相角θg，再经单同步旋转坐标变换得到基于电网相角θg定向的桥臂侧电感电流的dq分量ild、ilq。

步骤2，根据步骤1中得到的电网电压uga、ugb、ugc，经三相静止坐标系到两相静止垂直坐标系变换得到电网电压的αβ分量ugα、ugβ，再经嵌入式广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴正交分量udα、uqα与udβ、uqβ。

其中，嵌入式广义积分器控制方程式为：

式中，ωg为电网的角频率，kp为嵌入式广义积分器的比例系数，kp1为嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。

在本实施例中，采用对称最优化方法对嵌入式广义积分器的主要控制参数进行设计，根据对称最优化理论，可得到kp1＝2bωc/ωref，kp＝2ωc/ωref，其中，ωref为储能变换器给定的角频率指令，b为决定嵌入式广义积分器阻尼系数的正数，ωc为嵌入式广义积分器的截止角频率，在本实施例中，储能变换器的角频率采用额定频率为50hz时对应的角频率，即ωref＝314.1593rad/s，当取值ωc＝78.68rad/s时，嵌入式广义积分器的阻尼系数等于以最优折中了嵌入式广义积分器的超调量与稳态时间，则有kp1＝1.209，kp＝0.501。

步骤3，根据步骤2中得到的电网电压的αβ分量ugα、ugβ和电网电压滤波后的α轴与β轴分量udα、udβ，经过做差运算方程得到电网电压的α轴与β轴误差分量uα、uβ，再经嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器控制方程得到电网电压滤波后的α轴与β轴误差分量uα1、uβ1。

其中，做差运算方程式为：

uα(s)＝ugα(s)-udα(s)，

uβ(s)＝ugβ(s)-udβ(s)，

嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器控制方程式为：

式中，ωg为电网的角频率，kp1为嵌入式广义积分器中的二阶广义积分器的增益系数，s为拉普拉斯算子。在本实施例中，步骤3中的kp1为步骤2中的kp1，即，步骤3中kp1＝1.209。

步骤4，根据步骤2中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴分量uqα、uqβ、步骤3中得到的电网电压滤波后的α轴与β轴误差分量uα1、uβ1和储能变换器给定的角频率指令ωref，经过锁频环控制方程得到电网的角频率ωg和角频率微分信号dωg/dt。

其中锁频环控制方程式为：

式中，ki为嵌入式广义积分器的积分系数。

在本实施例中，采用对称最优化方法对嵌入式广义积分器的主要控制参数进行设计，根据对称最优化理论，可得到其中，储能变换器相电压幅值ug采用额定电压为380v时对应的数值，即ug＝311v，当取值ωc＝78.68rad/s时，则有ki＝0.053。

根据以上控制可以得到本发明嵌入式广义积分器-锁频环的基本结构控制框图，具体如图2所示。

步骤5，根据步骤4中得到的电网角频率微分信号dωg/dt和储能变换器给定的有功功率指令p0，经过虚拟惯量控制方程得到储能变换器的参考有功功率指令pref；其中，虚拟惯量控制方程式为：

式中，h为惯量时间常数。

储能变换器的惯量时间常数可根据传统同步发电机的惯量时间常数来选择，取值范围为4s至12s，推荐为4s，故在本实施例中，惯量时间常数取值为h＝4s。

步骤6，根据步骤1中得到的电网电压的d轴分量ugd和步骤5中得到的参考有功功率指令pref，经过有功电流计算方程得到储能变换器的参考有功电流指令idref；其中，有功电流计算方程式为：

步骤7，根据步骤6中得到的参考有功电流指令idref、给定的无功电流指令iqref和步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量ild、ilq，通过电流控制方程得到控制信号ud、uq；其中，电流控制方程式为：

式中，kpc为比例控制系数，kic为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

在上述电流控制方程中，其参数主要考虑控制系统的电流跟踪特性和动稳态性能，因此，在本实施例中，取kpc＝0.93，kic＝0.4。

步骤8，先根据步骤7中得到的控制信号ud、uq，以及步骤1中得到的电网相角θg，经单同步旋转坐标反变换得到三相桥臂电压控制信号ua、ub、uc，再由三相桥臂电压控制信号ua、ub、uc生成储能变换器逆变桥开关管的svpwm控制信号。

根据以上控制可以得到本发明虚拟惯量控制的基本结构图，具体如图3所示。

根据上述的实现方法进行仿真，仿真的具体工况为，三相电网电压的频率在0.5s时以1hz/s速率上升并在1.0s时恢复，且a相电压含有1％的直流分量，依据上述工况得到仿真图图4，其中，图中的sogi-fll表示二阶广义积分器-锁频环的角频率微分信号检测方法，esogi-fll表示本发明嵌入式广义积分器-锁频环的角频率微分信号检测方法，即，sogi-fll所指向的虚线为采用本发明前的仿真波形图，具体是采用二阶广义积分器-锁相环方法后检测到的角频率微分信号的动态响应仿真波形图，esogi-fll所指向的实线为采用本发明后的仿真波形图，具体是采用本发明后检测到的角频率微分信号的动态响应仿真波形图。

由图4可看出，实线所形成的曲线较虚线所形成的曲线平稳，也就是说，本发明在电网电压包含直流分量且频率快速变化的过程中，由于本发明将基于二阶广义积分器原理的频率自适应滤波器嵌入至二阶广义积分器-锁频环的控制回路中形成嵌入式广义积分器-锁频环准确评估电网频率微分信号，并在此基础上将电网频率微分信号直接应用于储能变换器的虚拟惯量实现方法中，避免了系统频率微分运算所带来的谐波放大，又抑制了电网电压中所含直流分量、谐波分量等扰动对虚拟惯量实现的影响，从而保证了储能变换器向电网提供谐波含量更少、响应性能更优的虚拟惯量支撑。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。