一种直流电压灵活动态调节的虚拟同步发电机控制

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种实现直流电压灵活动态调节的灵活类虚拟同步发电机控制策略。


背景技术：

2.随着化石能源的逐渐衰竭以及环境污染问题的日益严重，以新能源发电为主的分布式发电技术得到了飞速的发展。直流微电网作为拓展分布式发电技术的有效途径，具有可控性、可靠性高的优点，受到了广泛的关注。但直流微网作为由电力电子变流器主导的低惯性系统，其直流母线电压对分布式电源以及负荷的功率波动极为敏感，严重影响了直流系统的电能质量。
3.孤岛运行模式下直流母线电压主要通过储能单元进行调节。储能单元做为直流微电网的重要组成部分，通过合理设计其变流器的控制策略，可以提升微网供电的稳定性和可靠性。因此国内外学者针对储能侧变流器，基于类比思想提出了一些适用于直流微电网的虚拟电机控制策略，通过控制换流器使其直流侧模拟出电容的稳压作用，以增强微电网的电压惯性。
4.虽然采用虚拟电机控制的变流器可一定程度上平抑直流微电网中的电压波动，但当外部功率扰动较大时，在暂态过程中仍可能会出现直流母线电压的大幅波动，这会导致设备运行异常。目前，针对暂态过程中进一步增加直流微网的惯性，进而优化微网动态特性的方法鲜有研究。相比于直流微电网中关于电压动态特性改善的研究，诸多学者对于交流网中关于频率动态特性改善的方法较为深入，目前所提方法大多从改进虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)控制参数的灵活性入手。还有学者提出了一种虚拟转子惯量自适应的vsg控制策略，相较于固定惯量的vsg控制，该方法使系统获得了更好的动态性能，改善了频率响应特性，提高了频率稳定性。根据系统暂态过程中不同阶段的特性，来进行虚拟惯量与阻尼的动态配置，所提控制相较于传统的vsg控制，更能缓解系统负荷扰动带来的冲击。另外，还有研究考虑到控制参数的变化对系统的稳定性会产生较大的影响，对于vsg控制参数的整定以及参数稳定运行边界也均进行了相应的研究。以vsg各环节的稳定性与动态特性为限制，总结得出关于vsg关键参数的整定方法。分别从储能的物理约束与功率限值出发，研究了在储能的约束条件下，惯量与阻尼参数的综合运行边界。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种实现直流电压灵活动态调节的灵活类虚拟同步发电机控制策略，为避免采用favsg控制时，电压恢复稳态的时间过长，故设置阈值u来识别电压波动的程度。当电压变化率较低时，c
vir
采用较为合适的固定值c
vir0
来实现电压波动的抑制与稳态值的快速恢复；当系统内功率波动导致较大的直流电压波动时，此时c
vir
相应变大，电压变化速率也随之减小，避免了大功率波动导致电压变化过快的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种实现直流电压灵活动态调节的灵活类虚拟同步发电机控制策略，应用于直流微电网，该系统包括分布式发电单元(光伏、风机)、负荷(直流负载、交流负载)、储能单元(蓄电池)以及相应的电力电子变流器。光伏与风机分别通过boost变流器p-dc与电压源型变流器w-vsc接入直流微网，直流负载与交流负载分别通过buck变流器l-dc与电压源型变流器l-vsc与直流母线相连，蓄电池通过双向dc-dc变流器b-dc接入直流微网，cd、c
p
、cw、c
b1
、c
b2
、ca均为稳压电容。其中，p-dc与w-vsc采用最大功率控制，以保证新能源能量的最大利用；l-dc与l-vsc分别采用定输出侧直流电压控制与定交流电压控制，以实现对负载侧端电压的控制调节；b-dc1采用favsg控制，以实现对直流微电网暂态中惯性的供给与稳态中功率的消纳，b-dc2采用下垂控制，与b-dc1共同维持直流微电网中功率的平衡。
8.将电压变化率与avsg控制中的惯性系数相结合，来实现参数的灵活可调。所提出的favsg控制的表达式为：
[0009][0010][0011]
其中：un为直流母线电压的额定值；u
*dc
为直流电压的参考值；k
droop
为下垂系数；|du
dc
/dt|为直流母线电压的变化率；ka、kb为灵活调节虚拟惯性系数的相关控制参数；c
vir0
为应对小功率波动时虚拟惯性系数的取值；u为阈值。
[0012]
虚拟惯性系数c
vir
的大小表征了系统的惯性强度，当系统出现功率扰动时，c
vir
越大，相应的电压变化率就越小，越有利于增强电压的稳定。此外，当系统稳定运行时，直流母线电压变化率为0，此时控制中虚拟惯性环节并不起作用，只有下垂环节起到系统功率分配的作用。考虑到实际系统中遇到小的功率波动较为频繁，为避免采用favsg控制时，电压恢复稳态的时间过长，故设置阈值u来识别电压波动的程度。当电压变化率较低时，c
vir
采用较为合适的固定值c
vir0
来实现电压波动的抑制与稳态值的快速恢复；当系统内功率波动导致较大的直流电压波动时，c
vir
为与电压变化率耦合的表达式，此时c
vir
相应变大，电压变化速率也随之减小，避免了大功率波动导致电压变化过快的问题。
附图说明
[0013]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]
图1是本发明提出的直流微电网系统结构框图；
[0015]
图2是本发明优化前avsg控制原理图；
[0016]
图3是本发明提出的favsg控制框图；
[0017]
图4是本发明提出的favsg控制下的b-dc1小信号控制框图；
[0018]
图5是本发明使用的负荷随机波动曲线；
[0019]
图6是应用本发明后负荷随机波动下直流电压的动态响应；
[0020]
图7是应用本发明后负荷随机波动下虚拟惯性系数的动态响应；
[0021]
图8是蓄电池在不同soc下b-dc1功率的动态响应。
具体实施方式
[0022]
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。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。
[0023]
本发明的目的是提供一种实现直流电压灵活动态调节的灵活类虚拟同步发电机控制策略，为避免采用favsg控制时，电压恢复稳态的时间过长，故设置阈值u来识别电压波动的程度。当电压变化率较低时，c
vir
采用较为合适的固定值c
vir0
来实现电压波动的抑制与稳态值的快速恢复；当系统内功率波动导致较大的直流电压波动时，此时c
vir
相应变大，电压变化速率也随之减小，避免了大功率波动导致电压变化过快的问题。
[0024]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0025]
图1是本发明提出的直流微电网系统结构框图，包括分布式发电单元(光伏、风机)、负荷(直流负载、交流负载)、储能单元(蓄电池)以及相应的电力电子变流器。其中，光伏与风机分别通过boost变流器p-dc与电压源型变流器w-vsc接入直流微网，直流负载与交流负载分别通过buck变流器l-dc与电压源型变流器l-vsc与直流母线相连，蓄电池通过双向dc-dc变流器b-dc接入直流微网，cd、c
p
、cw、c
b1
、c
b2
、ca均为稳压电容。其中，p-dc与w-vsc采用最大功率控制，以保证新能源能量的最大利用；l-dc与l-vsc分别采用定输出侧直流电压控制与定交流电压控制，以实现对负载侧端电压的控制调节；b-dc1采用favsg控制，以实现对直流微电网暂态中惯性的供给与稳态中功率的消纳，b-dc2采用下垂控制，与b-dc1共同维持直流微电网中功率的平衡。
[0026]
图2是本发明优化前avsg控制原理图。类比交流微网中的vsg控制，通过交流与直流变量间的一一对应，avsg控制可实现下垂和虚拟惯性的功能。其中，p
in
为变流器输出的有功功率，p
out
为注入直流母线的有功功率，pc为直流侧稳压电容的充放电功率，p
vir
为直流侧虚拟电容的充放电功率，cb是直流侧稳压电容，u
dc
为直流母线电压，c
vir
为虚拟惯性系数。b-dc为buck-boost型双向dc-dc变流器，其电路图如图3所示，l、r分别为滤波电感和寄生电阻，ub、ib分别为蓄电池电压、电感电流，cb是变流器直流侧稳压电容，i
dc
为直流侧输出电流。
[0027]
图3是本发明提出的favsg控制框图。将电压变化率与avsg控制中的惯性系数相结合，来实现参数的灵活可调。所提出的favsg控制的表达式为：
[0028][0029]
[0030]
其中：un为直流母线电压的额定值；u
*dc
为直流电压的参考值；k
droop
为下垂系数；|du
dc
/dt|为直流母线电压的变化率；ka、kb为灵活调节虚拟惯性系数的相关控制参数；c
vir0
为应对小功率波动时虚拟惯性系数的取值；u为阈值。
[0031]
一般获得电压变化率的方法是在控制中应用高通滤波器，但由于微分环节对于高频干扰较为敏感，可能会导致输入信号被干扰淹没。为了避免该现象的发生，利用数学推导将高通滤波器等效为1阶惯性环节。
[0032]
图4是本发明提出的favsg控制下的b-dc1小信号控制框图。gv为电压外环pi控制器，使直流母线电压u
dc
与直流电压的参考值u
*dc
之间实现无差调节，gv＝k
pv
+k
iv
/s，k
pv
、k
iv
分别为控制器的比例、积分系数；gi为电流内环pi控制器，使蓄电池侧电感电流ib与外环得到的蓄电池输出电流的参考值直流电压的参考值之间实现无差调节，gi＝k
pi
+k
ii
/s，k
pi
、k
ii
分别为控制器的比例、积分系数；δu
dc
和δi
dc
分别为直流电压和直流电流的小扰动；g
vir
是δc
vir
和δu
dc
之间的传递函数；g
ii
、g
ui
和g
bi
分别为δib和δi
dc
、δu
dc
和δi
dc
、δi
b*
和δi
dc
之间的传递函数；g
id
、g
ud
分别是δib和δd、δu
dc
和δd之间的传递函数；g
fb
是前馈补偿。b-dc1采用favsg控制下的输出阻抗：
[0033][0034]
此外，需要进行说明的是，若规定放电模式下的方向为参考方向，则b-dc1在充电模式下的建模与放电模式下的相同，仅稳态值的方向发生变化，因此，充电模式下的b-dc1的小信号模型也可以用上式来表示。
[0035]
图5是本发明使用的负荷随机波动曲线。负荷在38～108kw之间随机波动，功率缺额由储能单元提供。
[0036]
图6是应用本发明后负荷随机波动下直流电压的动态响应。
[0037]
图7是应用本发明后负荷随机波动下虚拟惯性系数的动态响应。其中，avsg控制下的c
vir
取0.4f；favsg控制下ka取1，kb取2。b-dc1在3种控制下，都可以填补系统的功率缺额，使系统稳定运行。但采用下垂控制时的直流电压波动剧烈，这严重影响了系统的电能质量；采用惯性控制时，可以看出直流电压的波动范围明显缩小，并且与avsg控制相比，在favsg控制下b-dc1所释放的惯性功率可以根据直流电压的变化迅速调整，使电能质量得到了改善。说明面对功率波动时，基于惯性灵活供给的favsg控制更能提升系统的电能质量。
[0038]
图8是蓄电池在不同soc下b-dc1功率的动态响应。初始负荷共为28kw，2台蓄电池处于充电状态。t＝2s时，负荷突减20kw；t＝4s时，负荷突增60kw使两台蓄电池处于放电状态；t＝6s时，负荷突增20kw。在未采用功率约束的情况下，当系统最后一次达到稳态时，蓄电池所释放的功率已经超过soc取35％时的功率限值。而在采用功率约束的情况下，蓄电池在soc取35％或65％时与系统交换的功率大小都未超过其在当前soc下的功率限值。说明所提下垂系数的功率约束可以有效防止蓄电池在当前soc下的功率越限。
[0039]
本发明提供了一种灵活类虚拟同步发电机控制，通过设置阈值u来识别电压波动的程度。采用随电压变化率变化的c
vir
实现电压波动的抑制与稳态值的快速恢复，避免了大功率波动导致电压变化过快的问题，有效给系统提供灵活可调的惯性支撑，使直流电压具有更好的动态特性和稳定性。
[0040]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。