一种风光储直流微网电压自适应控制方法及装置与流程

本发明属于直流微电网领域，具体涉及一种风光储直流微网电压自适应控制方法及装置。

背景技术：

1、为应对能源危机，具有储量丰富、清洁无污染优点的风能、光伏等可再生能源的开发利用得到了迅速发展。分布式能源与储能单元共同构建的直流微电网能有效实现能源的综合利用，且直流系统的运行与控制不受频率和功角的影响，能有效提高电能质量和供电可靠性。而直流母线电压的稳定是直流电网稳定与否的唯一标准，由此可见确保直流母线电压的恒定至关重要。

2、直流微电网是以电力电子装置为基础的低惯性网络，能源侧输出功率的突变、负荷的投切等都会导致直流母线电压急剧波动，在大功率直流系统中将更加严重，直接危害到电网运行的安全性与稳定性。传统的下垂控制虽然能够快速响应电压波动，但其为有差调压，而输出功率越大将导致电压偏差越大，且由于直流电网“小惯性，弱阻尼”的典型特性，在较大功率扰动下，母线电压仍会剧烈波动。

3、为此，若能类比广泛应用于交流电网中的虚拟同步机技术(virtual synchronousgenerator，vsg)，将虚拟惯性控制运用到直流电网的并网变流器中，将能有效抑制直流电压突变。因此，有学者提出了可用于直流电压控制的类虚拟同步机控制方法(analogousvirtual synchronous generator，avsg)，用以增强直流微网惯性，平抑母线电压波动。而avsg控制中，最关键的参数就是虚拟惯性和阻尼系数，通过调节控制参数可以改善系统的暂态稳定性。但新能源出力具有随机性，在电源侧输出功率的波动下，固定的虚拟惯性参数无法达到最优的控制效果，因此虚拟惯性和阻尼参数自适应控制的研究有重要意义。

4、目前国内外关于风光储发电系统的电压控制方法已有较多研究，但尚且存在不足之处，主要体现在以下两点：

5、1、没有考虑控制存在电压调节静差的问题

6、传统avsg控制外环常采用下垂控制，其存在电压调节静差，而在大功率直流微网中，这一问题将更加突出。

7、2、没有考虑变流器的容量限制及多变流器间的配合。

8、目前的虚拟惯性控制多针对单个变换器，没有充分利用多端变换器的电压调节能力；且其自适应控制多关注于直流电压的偏差量和变化率，没有考虑到变流器的容量及多变流器间的配合，不利于电力电子装置的长期安全运行。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服已有技术中的不足之处，提出一种风光储直流微网电压自适应控制方法及装置。本发明通过电压补偿环节，消除直流电压静差；在参数自适应控制中同时考虑了电压变化和变换器输出功率限制的影响，本发明可应用于风光储直流微网的电压控制中，有效改善电压质量，提高新能源并网系统的稳定性，同时使并网变换器在运行过程中，尽量不超过其功率限制，延长其使用寿命。

2、本发明第一方面实施例提出一种风光储直流微网电压自适应控制方法，包括：

3、对风光储直流微网中采用电压-电流下垂控制的dc/ac变换器和dc/dc变换器分别建立对应的类虚拟同步机控制方程，其中，所述控制方程包含电压补偿环节，所述控制方程考虑对应变换器的等效虚拟电容和虚拟阻尼系数；

4、通过将所述dc/ac变换器的类虚拟同步机控制方程转换为类虚拟同步机控制小信号方程，进行根轨迹图绘制，以确定类虚拟同步机控制的所述dc/ac变换器的所述等效虚拟电容和所述虚拟阻尼系数的调节范围；

5、基于所述调节范围，根据电压动态响应情况和所述dc/ac变换器容量限制，自适应调节所述dc/ac变换器和所述dc/dc变换器分别对应的所述等效虚拟电容和所述虚拟阻尼系数，以实现所述风光储直流微网电压的自适应控制。

6、在本发明的一个具体实施例中，所述dc/ac变换器的类虚拟同步机控制方程表达式如下：

7、

8、式中，idc为dc/ac变换器向直流微网注入的电流；iout为dc/ac变换器的输出直流电流；dv为dc/ac变换器的虚拟阻尼系数；cv为dc/ac变换器的等效虚拟电容；udcref为dc/ac变换器直流母线电压参考值；un为直流母线额定电压；

9、其中，iout＝kp(un-udc)，kp为下垂控制系数，udc为直流侧输出电压。

10、在本发明的一个具体实施例中，所述dc/dc变换器的类虚拟同步机控制方程表达式如下：

11、

12、式中，ib为dc/dc变换器输入电流；ib_dc为dc/dc变换器流入直流母线的电流；cvb2为dc/dc变换器的等效虚拟电容；dvb2为dc/dc变换器的虚拟阻尼系数；udcrefb2为dc/dc变换器输出电压参考值。

13、在本发明的一个具体实施例中，所述dc/ac变换器的类虚拟同步机控制小信号方程表达式如下：

14、

15、式中，s为微分算子；δidc(s)为直流电流增量；δudcref(s)为直流电压增量。

16、在本发明的一个具体实施例中，所述确定类虚拟同步机控制的所述dc/ac变换器的所述等效虚拟电容和所述虚拟阻尼系数的调节范围，包括：

17、根据所述类虚拟同步机控制小信号方程，分别得到直流母线电压扰动量δudc、d轴电流扰动量δid、d轴电压扰动量δud及直流电流扰动量δidc间的关系为：

18、

19、式中，udc、idc分别为额定工作电压和额定工作电流；c为直流侧稳压电容；ud为网侧d轴电压分量稳态值，id为网侧d轴电流分量稳态值；

20、令δidref表示d轴电流参考值扰动量，电流环的控制器采用pi调节器，gi(s)＝kpi+kii/s得到d轴电流分量的小信号方程为：

21、

22、式中，kpi为电流环控制器的比例系数，kii为电流环控制器的积分系数，l1和r分别为电网侧滤波电感及其串联电阻；

23、电压补偿环节采用pi调节器，用g0(s)表示，g0(s)＝kp0+ki0/s，则补偿电压的控制方程为：

24、(un-udc)g0(s)＝udcref (6)

25、式中，kp0为电压补偿环节中调节器的比例系数，ki0为电压补偿环节中调节器的积分系数；

26、用δudc和δudcref分别表示直流母线电压扰动量和直流电压参考值的扰动量，对补偿电压的控制方程进行拉普拉斯变换后得到：

27、

28、根据式(3)、(4)、(5)、(7)，得到直流侧输出电压扰动量δudc(s)与输出电流扰动量δidc(s)间的闭环传递函数为：

29、

30、式中，a＝kp+dv、m＝kpikiv+kiikpv，

31、

32、

33、其中，kpwm为桥路电压等效放大增益；kpv、kiv为电压外环pi调节器参数，ai和bj均为中间参数，i＝1,…,5，j＝1,…,6；

34、通过对式(8)进行稳定性分析，分别绘制g(s)在虚拟电容cv变化下的极点分布图和g(s)在虚拟阻尼dv变化下的极点分布图，然后分别绘制cv、dv变化时g(s)的根轨迹，以确定cv、dv的取值范围。

35、在本发明的一个具体实施例中，所述电压动态响应情况包括4个阶段：

36、第1阶段：当直流母线电压变化率dudc/dt>0，且电压偏差δu>0时，通过关联电压变化率的大小，增大dc/ac变换器的虚拟电容cv和dc/dc变换器的虚拟电容cvb2以减小电压变化率，根据电压偏差量的大小，减小dc/ac变换器的虚拟阻尼系数dv以提高系统响应速度，减小电压超调；

37、第2阶段：当直流母线电压变化率dudc/dt<0且电压偏差δu>0时，根据电压变化率的大小减小cv和cvb2以使得电压恢复到稳定值，根据电压偏差量的大小增加dv以加快电压的衰减速度；

38、第3阶段：当直流母线电压变化率dudc/dt<0且电压偏差δu<0时，根据电压变化率大小增加cv和cvb2以减小电压变化率，根据电压偏差量大小减小dv以加快电压调节速度；

39、第4阶段：当直流电压变化率dudc/dt>0且电压偏差δu<0时，根据电压变化率的大小减小cv和cvb2，根据电压偏差量的大小增加dv以平抑电压波动。

40、在本发明的一个具体实施例中，所述自适应调节所述dc/ac变换器和所述dc/dc变换器分别对应的所述等效虚拟电容和所述虚拟阻尼系数，包括：

41、dc/ac变换器的虚拟电容cv和dc/dc变换器的虚拟电容cvb2自适应控制的关系式为：

42、

43、式中，c01为dc/ac变换器的虚拟电容初始值，c02为dc/dc变换器的虚拟电容初始值；

44、cvx为考虑电压响应的虚拟电容补偿值，cvy为考虑dc/ac变换器容量限制的虚拟电容的补偿值，表达式如下：

45、

46、

47、式中，kc1、kc2、kc3为虚拟电容调节参数，δu为直流电压与额定值的偏差量；du/dt为直流电压变化率；k1为电压变化率阈值；p为dc/ac变换器输出功率；pn为dc/ac变换器输出功率上限；

48、dc/dc变换器的虚拟阻尼系数dvb2＝d0，dc/ac变换器的虚拟阻尼系数dv根据直流电压偏差量进行自适应调节如下：

49、

50、式中，d0为dc/ac变换器的虚拟阻尼系数的初始值，kd1、kd2为阻尼调节参数，k2为电压偏差量阈值。

51、本发明第二方面实施例提出一种风光储直流微网电压自适应控制装置，包括：

52、类虚拟同步机控制方程构建模块，用于对风光储直流微网中采用电压-电流下垂控制的dc/ac变换器和dc/dc变换器分别建立对应的类虚拟同步机控制方程，其中，所述控制方程包含电压补偿环节，所述控制方程考虑对应变换器的等效虚拟电容和虚拟阻尼系数；

53、控制参数调节范围确定模块，用于通过将所述dc/ac变换器的类虚拟同步机控制方程转换为类虚拟同步机控制小信号方程，进行根轨迹图绘制，以确定类虚拟同步机控制的所述dc/ac变换器的所述等效虚拟电容和所述虚拟阻尼系数的调节范围；

54、自适应调节模块，用于基于所述调节范围，根据电压动态响应情况和所述dc/ac变换器容量限制，自适应调节所述dc/ac变换器和所述dc/dc变换器分别对应的所述等效虚拟电容和所述虚拟阻尼系数，以实现所述风光储直流微网电压的自适应控制。

55、本发明第三方面实施例提出一种电子设备，包括：

56、至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

57、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行上述一种风光储直流微网电压自适应控制方法。

58、本发明第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述一种风光储直流微网电压自适应控制方法。

59、本发明的特点及有益效果在于：

60、1)本发明在传统控制中加入电压补偿环节，能够实现直流电网母线电压无差调节，改善由于电压偏差带来的系统稳定性问题。

61、2)本发明在参数自适应调节中，使控制参数同时响应电压动态调节规律和变流器可用容量大小，在平抑电压波动的同时，兼顾变流器的长期安全运行，从一定程度上可延长变流器的使用寿命。

62、3)本发明可应用于风光储直流微网的电压控制中，解决新能源由于“低惯性，弱阻尼”特点而不具备电压调节能力的问题，通过该控制可有效改善电压质量，提高新能源并网系统的稳定性，同时使并网变换器在运行过程中，尽量不超过其功率限制，延长其使用寿命。