直流微电网储能单元DC‑DC换流器的虚拟同步发电机控制方法

摘要

本发明公开了一种直流微电网储能单元DC‑DC换流器的虚拟同步发电机控制方法，包括信号测量、计算直流母线电压参考值、双闭环控制、计算占空比和PWM调制步骤。本发明采用虚拟同步发电机控制方法，在实现储能单元调压能力的同时，引入了传统同步发电机的惯性和阻尼外特性，对直流微电网的安全稳定运行有着良好的促进作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟同步发电机控制方法，尤其涉及一种直流微电网储能单元DC-DC换流器的虚拟同步发电机控制方法，属于供电控制技术领域。

背景技术

随着能源短缺和环境问题日益严峻，光伏、风电、储能等分布式发电技术得到了广泛关注。直流微电网因其内部采用直流传输而表现出的一系列突出优点，在直流微源以及直流负荷使用率与日俱增的形势下有着广阔的发展前景。但是基于大量电力电子变流器接口的直流微电网响应速度非常快，系统惯性程度低，当发生扰动或电能供需不平衡时，容易引起直流母线电压的急剧波动，直接威胁到直流微电网的安全稳定运行。

直流母线电压是衡量直流微电网内功率平衡的唯一指标。但以增强直流微电网母线电压稳定性为控制目标的虚拟惯性控制研究比较少。伍文华等人在中国电机工程学报，2017，37(2)：360-371.“一种直流微网双向并网变换器虚拟惯性控制策略”公开了一种直流微电网并网变流器的虚拟惯性控制方案，并通过稳定性分析来选取合适的控制参数，可实现提高直流微电网惯性的目标，但是该方案在并网变流器控制中引入了直流母线电压控制的扰动量，并为弥补其初始阶段的冲击性影响需加入输出电流前馈控制，增加了整体控制的复杂性。朱晓荣等人在中国电机工程学报，2016，36(1)：49-58.“风储直流微网虚拟惯性控制技术”公开了一种风储直流微网的虚拟惯性控制方案，分别在大电网、蓄电池以及风电机组直流侧建立虚拟电容，可实现提高直流微电网惯性的目标。

2007年德国劳斯克塔尔工业大学的Beck教授率先提出虚拟同步机概念，通过模拟同步发电机数学模型，虚拟了传统同步发电机的转动惯量与阻尼特性。近年来，该方法在交流微电网中得到了广泛应用，在这些研究中主要是利用了同步发电机的摇摆方程，使得分布式逆变电源表现出与传统同步发电机相似的特性，主要体现在与传统同步发电机相似的惯性和阻尼特性上，对交流微电网的安全稳定运行有着较好的促进作用。

储能元件通过双向直流-直流换流器(DC-DC Converter)并入直流微电网中，可以快速响应调压要求，提高系统的备用容量，并且有效克服可再生能源波动性、间歇性等缺点。因此，为了改善微电网的稳定性，一般会配置一定的储能单元。但是现有DC-DC换流器采用的下垂控制方法缺少同步发电机固有的惯性和阻尼特性，无法给直流微电网提供惯性和阻尼支持，对直流电压突变和有功功率波动的抑制效果较差，导致系统的稳定裕度较低。因此，为了应对分布式能源的大量接入对系统安全稳定运行产生的影响与挑战，研究一种应用于直流微电网储能单元DC-DC换流器的虚拟同步发电机控制方法，引入传统同步发电机的惯性和阻尼外特性，对促进直流微电网的快速健康发展具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种直流微电网储能单元DC-DC换流器的虚拟同步发电机控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种直流微电网储能单元DC-DC换流器的虚拟同步发电机控制方法，建立含储能单元的直流微电网系统：所述直流微电网系统包含分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元，所述分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元分别通过相应的电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)或DC-DC换流器与直流母线相连；所述直流微电网系统包含的分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元均包括控制系统、测量元件和换流器；所述直流微电网系统包含的分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，其输出端与相应的换流器输入端相连；所述直流微电网系统中还包含各种直流测量元件以及交流测量元件，主要包括分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的直流母线侧电压传感器和电流传感器以及分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的分布式电源侧、储能元件侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器等；所述储能单元包括储能元件；包括以下步骤：

步骤1：信号测量：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流微电网中的直流母线电压U_dc、储能单元中DC-DC换流器的输出电流I_dc、储能元件的输出电流I_bat、储能元件的端口电压U_bat；

步骤2：计算直流母线电压参考值：将所述储能单元虚拟成同步发电机，类比同步发电机的转子运动方程，得到虚拟同步发电机控制方程：

其中，I_set为电流给定值，I_d为阻尼电流，C_vir为虚拟转动惯量；

利用虚拟同步发电机控制方程计算虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值U_dc^*：

式中，U_dcN为直流母线电压的额定值，k_droop为下垂系数，k_d为阻尼系数；

步骤3：双闭环控制：采用双闭环控制结构，外环采用PI控制使蓄电池实测电压跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值U_dc^*，使其输出电流为电流定值I_bat^*，内环采用PI控制使蓄电池实际电流跟踪电流给定值I_bat^*；

步骤4：计算占空比：根据一个开关周期内的电压平均方程，计算占空比D。

式中，L和R分别代表DC-DC换流器的滤波电感和等效电阻。

步骤5：PWM调制：根据占空比D，对DC-DC换流器的开关管进行PWM调制控制。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：

本发明采用虚拟同步发电机控制方法，在实现储能单元调压能力的同时，引入了传统同步发电机的惯性和阻尼外特性，对直流微电网的安全稳定运行有着良好的促进作用。

附图说明

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。

图1是本发明的流程图；

图2是直流微电网的结构示意图；

图3是虚拟同步发电机控制原理框图；

图4是本发明中储能单元的DC-DC换流器控制原理图。

具体实施方式

实施例1：

参考图1-图4，一种直流微电网储能单元DC-DC换流器的虚拟同步发电机控制方法，建立含储能单元的直流微电网系统：所述直流微电网系统包含分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元，所述分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元分别通过相应的电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)或直流-直流换流器(DC-DCConverter)与直流母线相连；所述直流微电网系统包含的分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元均包括控制系统、测量元件和换流器；所述直流微电网系统包含的分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，其输出端与相应的换流器输入端相连；所述直流微电网系统中还包含直流测量元件以及交流测量元件，直流测量元件包括分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的直流母线侧电压传感器和电流传感器以及分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的分布式电源侧、储能元件侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器；所述储能单元包括储能元件；

包括以下步骤：

步骤1：信号测量：通过电压传感器和电流传感器测量所述直流微电网中的直流母线电压U_dc、储能单元中DC-DC换流器的输出电流I_dc、储能元件的输出电流I_bat、储能元件的端口电压U_bat；

步骤2：计算直流母线电压参考值：将所述储能单元虚拟成同步发电机，类比同步发电机的转子运动方程，得到虚拟同步发电机控制方程：

其中，I_set为电流给定值，因为储能单元具备一定的调压能力，在系统负荷发生变化时给系统提供一定的电压支持，以提高微电网的稳定性，所以提出在虚拟同步发电机控制方法中由下垂控制来确定电流给定值。I_d为阻尼电流，引入了直流母线电压实测值与参考值的偏差。C_vir为虚拟转动惯量，使母线电压发生突变时，迅速调节有功输出，表现出较大惯性。

利用虚拟同步发电机控制方程计算虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值U_dc^*，对虚拟同步发电机控制方程进行拉普拉斯变换，可进一步表示成：

式中，U_dcN为直流母线电压的额定值，k_droop为下垂系数，k_d为阻尼系数；

步骤3：双闭环控制：采用双闭环控制结构，外环采用PI控制使蓄电池实测电压跟踪虚拟同步发电机控制下的直流母线电压参考值U_dc^*，使其输出电流为电流定值I_bat^*，内环采用PI控制使蓄电池实际电流跟踪电流给定值I_bat^*,以消除电流跟踪的稳态误差；

步骤4：计算占空比：根据一个开关周期内的电压平均方程，计算占空比D。

式中，L和R分别代表DC-DC换流器的滤波电感和等效电阻。

步骤5：PWM调制：根据占空比D，对DC-DC换流器的开关管进行PWM调制控制。