一种直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法

本发明涉及直流微电网惯性控制，特别是涉及直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法。

背景技术：

1、直流微网将光伏、风电、储能、负荷以及控制管理系统等通过公共直流母线融合在一起，具有换流环节少、线路线损小、传输容量高、运行控制简单等优势。然而，它并不像交流微网一样具有较大的惯性，直流母线电压很容易受到影响，对电力系统的稳定性带来了挑战。通过对直流微电网不同侧变流器施加不同的惯性控制策略提高电网稳定性，已成为当前电网系统的重要研究课题。针对这一问题，一般引入虚拟电容为电压调节过程提供额外惯性，改善直流电压波形。然而，惯量参数的增加并不能消除扰动对系统的影响，为了满足控制系统稳定性的要求，虚拟电容值的选取也不能无限大。因此，微网亟需灵活的惯性调节能力以进一步改善系统的动态性能。

技术实现思路

1、本发明提供一种直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法，将原有一阶系统扩张为二阶系统，建立负荷侧变流器的扩张状态观测器，将对扰动的观测补偿与直接惯性控制策略相结合，使基于观测补偿的惯性控制结构能更好地平抑电压波动，进一步提高负荷侧惯性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1：基于负荷侧变流器结构和节点电流关系，引入灵活的虚拟电容为电压调节过程提供额外惯性，设计了一种直接惯性控制策略；

5、步骤2：设计跟踪微分器、扩张状态观测器、状态误差反馈率，建立可应用于n阶系统的扩张状态观测模型来实现对扩张状态的准确观测；

6、步骤3：将原有一阶系统扩张为二阶系统，建立负荷侧变流器的扩张状态观测器，将对扰动的观测补偿与直接惯性控制策略相结合，使基于观测补偿的惯性控制结构能更好地平抑电压波动，进一步提高负荷侧惯性。

7、可选的，所述步骤1：基于负荷侧变流器结构和节点电流关系，引入灵活的虚拟电容为电压调节过程提供额外惯性，设计了一种直接惯性控制策略，具体包括：

8、对直流微电网负荷侧buck变流器等值模型列写控制方程为

9、

10、式中，udc和uload分别为直流母线电压和负荷侧电压(单位为v)；il和iload分别为负荷侧流经电感电流与流入负荷的电流(单位为a)；lload、rl为负荷侧等效滤波电感(单位为h)及其寄生电阻(单位为ω)；cload和dload分别为负荷侧电容(单位为f)和开关管igbtload的占空比。

11、做变量代换，将uload改为控制值u*load，并引入虚拟电容cvir_load为电压调节过程提供额外惯性，可得数学模型为

12、

13、式中，cv＝cload+cvir_load，其物理意义为，buck变流器负荷侧电压参考值uloadref与实测值uload做差，经pi控制后得到电流参考值i*l，经惯性控制环节后得到负荷侧电压控制值，i*l与u*load计算得到变流器的占空比dload，最后通过pwm调制控制，使负荷侧电压具有更有更优越的惯量特性。

14、可选的，所述步骤2：设计跟踪微分器、扩张状态观测器、状态误差反馈率，建立可应用于n阶系统的扩张状态观测模型来实现对扩张状态的准确观测；具体为：对于一个含扰动项的n阶系统，有

15、y(n)(t)＝f(y(n-1)(t),…,y(t),ω(t))+b0u

16、式中，u为控制系统的输入；y为控制系统输出；b0为与系统控制结构有关的零常数；ω(t)为作用到系统的未知扰动；f(y(n-1)(t)，…，y(t),ω(t))为被控对象的动态函数。

17、对于被控对象动态模型已知的系统，f是确定的，其导数也可求，假定df/dt＝h。此时，对应系统的状态方程为：

18、

19、令x＝[x1 … xn xn+1]t，第n+1项为扩张项，则状态方程也可写成矩阵形式

20、

21、式中，

22、可构建该系统的线性扩张状态观测器，通过观测环节可得到扩张状态的观测向量z＝[z1 … zn zn+1]t

23、

24、将上式也用矩阵方程表示，有

25、

26、式中，βi(i＝1,…,n+1)为线性扩张观测器的增益系数，用来对观测偏差加权。

27、可选的，所述步骤3：将原有一阶系统扩张为二阶系统，建立负荷侧变流器的扩张状态观测器，将对扰动的观测补偿与直接惯性控制策略相结合，使基于观测补偿的惯性控制结构能更好地平抑电压波动，进一步提高负荷侧惯性；具体为：

28、将直接惯性控制数学模型转换为标准状态形式，以il为输入量，以u*load为输出量，状态变量x1为u*load，转化后的系统标准型方程为

29、

30、式中，f(x1)＝-iload/cv；b0＝1/cv。

31、建立直流微电网负荷侧变流器的扩张状态空间表达式，即将总扰动扩张为一个新的状态，可得到原有一阶系统的二阶扩张系统为

32、

33、同时可得到直流微电网负荷侧变流器的扩张状态观测器为

34、

35、式中，h(t)未知但可以通过校正项估计出来，故在此处省略，β1和β2进行赋值，此处取β1＝2w0，β2＝w02。通过系数β1与β2的合理配置，可实现对状态变量x的准确估计，使观测到的结果z1→x1，z2→x2。

36、直流微电网的负荷侧电压动态方程具有一阶特性，因此可设计一阶线性误差反馈率如下

37、

38、式中，x1*为x1的给定值，此处x1*代入负荷侧电压控制值的给定值；kp为控制器增益系数，其大小与系统的抗扰性能和噪声放大效应有关，通常令kp＞0。

39、通过反馈补偿后的控制器输出为

40、

41、式中，ud为扩张观测环节的输出，在此控制结构中为负荷侧电感电流的控制值。z2为扩张观测器对系统总扰动的观测值，通过对总扰动的准确跟踪观测，原系统可实现向积分串联型系统的等效转化。

42、由以上分析可得到直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法整体结构，负荷侧电压参考值与实测值经过pi模块后得到负荷侧电压控制值的参考值，通过观测补偿控制模块后输出负荷侧电感电流的指令值il*，经过扰动补偿后的负荷侧电感电流值和附加惯性后的负荷侧电压控制值计算，得到扰动补偿后buck变流器的占空比，最终通过pwm调制输出负荷侧变流器的驱动信号。

43、该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

44、本发明提供的一种直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法，在系统发生负荷功率扰动导致的直流电压波动时，使用本惯性控制策略，可以对系统扰动进行补偿，为系统提供动态支撑，进一步增强负荷侧抑制电压突变的能力，加速直流电压的恢复，能够在负荷频繁波动时保证用户侧的用电质量和系统的安全稳定运行。

45、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。

46、图1是为验证本发明有效性所用的四端光储直流微电网

47、图2是本发明所示的直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法的流程图

48、图3是本发明所示的观测补偿环节控制结构框图

49、图4是本发明所示的直流微电网中负荷换流器的基于观测补偿的惯性控制方法的控制策略框图

50、图5a是本发明所示的仿真例1采用本发明方法与直接惯性控制方法和未加惯性控制的负荷侧电压变化情况对比图；

51、图5b是本发明所示的仿真例1采用本发明方法与直接惯性控制方法和未加惯性控制的负荷侧功率变化情况对比图；

52、图6a是本发明所示的仿真例2负荷功率随机波动情况图；

53、图6b是本发明所示的仿真例2采用本发明方法与直接惯性控制方法的负荷侧电压变化情况对比图；

54、图6c是本发明所示的仿真例2采用本发明方法与直接惯性控制方法的负荷侧功率变化情况对比图；